Siły bezwładności silnika

przeciwciezary-korbowodIloczyn masy i jej chwilowego przyspieszenia to siła bezwładności. Niektóre części silnika, np. czop korbowodu, wykonują ruch obrotowy, a inne części, np. tłok, poruszają się ruchem posuwisto-zwrotnym (prostoliniowym). Ruchy te wywołują siły bezwładności, które niekorzystnie oddziałują na silnik, a nawet chcą go wyrwać z zamocowania. Można się ich pozbyć, wywołując identyczną siłę, ale skierowaną przeciwnie. Z ruchem obrotowym nie ma kłopotu, wystarczy po przeciwnej stronie osi wału korbowego umieścić odpowiedniej wielkości przeciwciężary, które wirując razem z wałem korbowym, wywołują równoważącą siłę odśrodkową. Musi ona leżeć w tej samej płaszczyźnie co siła, którą chcemy zrównoważyć. W przeciwnym wypadku powstanie para sił, powodujących powstanie niezrównoważonego momentu. W praktyce do ramion wykorbienia mocuje się dwie dodatkowe masy, umieszczone w płaszczyźnie osi każdego cylindra (rys. 2). Siły wywołane ruchem prostoliniowym nie mogą być oczywiście zrównoważone za pomocą przeciwwagi wirującej, lecz przez masy o ruchu prostoliniowym, dające identyczne co do wielkości, lecz odwrotnie skierowane siły. Mogą to być, np. tłoki innych cylindrów silnika. Nasuwa się oczywiste skojarzenie z silnikiem o cylindrach przeciwległych (typu boxer), w którym siły bezwładności obu naprzeciwległych tłoków znoszą się całkowicie. Pozostaje jednak niezrównoważony moment sił, wynikający z odległości między osiami cylindrów.
Trzeba też wziąć pod uwagę, że tłok w każdym momencie porusza się z inną prędkością, a jego przyspieszenie jest funkcją obrotów wału korbowego i jego promienia wykorbienia. Problem zrównoważenia sił ruchu prostoliniowego w silnikach rzędowych i widlastych nie jest więc prosty. W tej sytuacji trzeba dążyć, aby siły bezwładności były jak najmniejsze. Na przyspieszenie tłoka nie mamy większego wpływu, a zmniejszenie sił bezwładności możliwe jest przez zmniejszenie masy tłoka. Zauważył to już przed I wojną światową Walter Owen Bentley (później producent samochodów), który zbił majątek, konstruując silniki lotnicze z lekkimi, aluminiowymi tłokami.
W dalszych rozważaniach, dla uproszczenia, przyjęto tzw. naciski łączne działające na układ korbowo-tłokowy, będące su mą sił wywołanych prężnością gazów i sił bezwładności mas o ruchu prostoliniowym. A oto kilka przykładów równoważenia sił bezwładności silników 4-suwowych, rzędowych przez zwiększanie liczby cylindrów i odpowiednie kierunki wykorbień wału.
W silniku 1-cylindrowym siły bezwładności mas o ruchu prostoliniowym nie mogą być zrównoważone, zaś przy odpowiednim doborze mas wirujących da się znieść siły odśrodkowe.
Można zauważyć, że w silniku 4-suwowym każdy cylinder pracuje raz na 2 obroty wału korbowego, więc przy liczbie cylindrów „i” odstęp między okresami pracy kolejnych cylindrów wynosi: 720°: i. Zatem w silniku 2-cylindrowym odstęp między okresami pracy wynosi: 720°: 2 = 360°, a układ wykorbień leży w jednej płaszczyźnie. Istnieją tutaj jednak dwie możliwości: oba tłoki poruszają się zgodnie (rys. 3a) lub przeciwnie (rys. 3b). W pierwszym przypadku siły bezwładności mas w ruchu postępowym obu tłoków się sumują. Przy korbach przeciwległych, znoszą się jedynie siły odśrodkowe, lecz układ ten jest lepiej zrównoważony niż w pierwszym przypadku. Ponieważ odstępy okresów pracy przy korbach przeciwległych wypadają nierówno (180° i 540°), w silnikach 2-cylindrowych stosuje się z reguły układ wg rys. 3a, np. Fiat 126 Maluch i Daihatsu Cuore.
W silniku 3-cylindrowym odstęp między okresami pracy wynosi: 720° : 3 = 240°. Układ wykorbień wału korbowego zaznaczono na rys. 4. Znoszą się siły odśrodkowe, pozostawiając niezrównoważone siły mas o ruchu prostoliniowym.
W silniku 4-cylindrowym odstęp między okresami pracy wynosi: 720°: 4 = 180°, zatem dwie korby skierowane są w jedną, a dwie w drugą stronę (rys. 5). Znoszą się tylko siły odśrodkowe.
Silnik 5-cylindrowy z punktu widzenia jednostajności pracy zachowuje się jak 4-cylindrowy i jest rzadko stosowany.
W silniku 6-cylindrowym odstęp między okresami pracy wynosi: 720°: 6 = 120°, istnieją więc 3 kierunki wykorbień wału korbowego (rys. 6). W tym przypadku znoszą się całkowicie wszystkie siły bezwładności. Jest to silnik całkowicie zrównoważony. Podobnie jest w silniku 8-cylindrowym (720°: 8=90°), (rys. 7).
Silniki o układzie cylindrów dwuszeregowym, tzw. widlastym stosuje się przy większej liczbie cylindrów. Jedynie producenci motocykli chętnie wykorzystują silniki 2-cy-lindrowe w układzie V. Wielocylindrowy silnik widlasty jest krótszy od rzędowego, ma wał korbowy mniej podatny na drgania skrętne i dwa razy mniejszą liczbę wykorbień. Wadą silników widlastych jest wyższy koszt produkcji, wynikający z podwojenia liczby głowic, wałków rozrządu, itp. Kąt położenia dwóch szeregów cylindrów wynika z dążenia do uzyskania równomiernego okresu pracy poszczególnych cylindrów. W silnikach 8-cylindrowych stosuje się z reguły kąt 90° (720°: 8 = 90°), a przy 12 cylindrach – kąt 60° (720°: 12 = 60°). Silnik 8-cylindrowy o kącie między szeregami cylindrów 90° może mieć wał korbowy o wy-korbieniach w jednej płaszczyźnie (jak silnik 4-cylindrowy). Tak więc siły odśrodkowe znoszą się, pozostawiając niezrównoważoną siłę ruchu postępowego skierowaną poziomo w lewo lub w prawo, będącą sumą geometryczną sił pierwszego i drugiego szeregu cylindrów.
W praktyce, niezrównoważone siły bezwładności powstają również z powodu różnych mas tłoków i innych części, co spowodowane jest niedokładnością produkcji. Także wał korbowy powinien być zrównoważony statycznie, aby środek ciężkości wypadał w środku oraz dynamicznie, a oś bezwładności pokryła się z jego osią. Również koło zamachowe powinno być wyrównoważone statycznie. Na wyrównoważenie silnika ma poza wszystkim wpływ dokładność wykonania części układu rozrządu, a także jednakowa pojemność i kształt komór spalania oraz równomierne napełnianie cylindrów mieszanką. Należy również dążyć do optymalizacji kształtów kanałów dolotowych i gładkości powierzchni wewnętrznych.