Układ rozrządu. Nie taki diabeł straszny…

Jedną z największych zalet silnika dwusuwowego jest fakt, że sprawę rozrządu załatwia w nim sam tłok i odpowiednio prowadzone kanały w cylindrze. Silnik czterosuwowy nie może funkcjonować bez dodatkowego zestawu elementów komplikującego budowę, podwyższającego koszty produkcji i wprowadzającego ryzyko dodatkowych awarii. A jednak to czterosuwy wygrały batalię o motocykle, spychając dwutakty do roli źródła napędu jedynie tych najmniejszych silnikowych jednośladów.

Czterosuw. Same zalety?

Równomierna praca, oszczędniejsze gospodarowanie paliwem, czystsze spaliny i większa trwałość okazały się zaletami nie do przecenienia. Cenę za te dobrodziejstwa w czterosuwach stanowi właśnie konieczność zaprojektowania i wykonania rozrządu. Tym bardziej złożonego, im większa jest liczba cylindrów. Ten swoisty system zarządzający, odpowiedzialny za dystrybucję mieszanki paliwowo-powietrznej do cylindrów i gazów spalinowych do układu wydechowego mocno zmieniał się na przestrzeni lat, bowiem właśnie w nim tkwiły zawsze duże rezerwy w zakresie poprawy dynamiki silników. Wciąż zresztą jeszcze nie wyczerpano wszystkich możliwości, jakie tkwią w rozrządach czterosuwów.

Wszystko zaczęło się od jednego cylindra i jednego zaworu wydechowego. Rolę zaworu ssącego pełnił sam tłok. Nie trzeba było niczego więcej, bo silniki w początkach motocyklizmu osiągały zaledwie 1000-1500 obr/min. Pierwszy poważny postęp odnotowano, gdy dodano zawór ssący. Oba zawory nie pracowały nad komorą spalania, ale w kanałach, obok cylindra. Boczne położenie miał również wałek rozrządu i cały układ nazwano „side valve” (SV). Powszechnie używano też w jego przypadku nazwy „dolnozaworowy”.

Silnik dolnozaworowy

Charakteryzował się przede wszystkim bardzo niekorzystnym kształtem komory spalania i to przede wszystkim chcieli wyeliminować konstruktorzy. Już wkrótce zawory powędrowały nad komorę spalania, dzięki czemu przestrzeń nad tłokiem zyskała dużo korzystniejszą formę. Z taką innowacją motocykle weszły w XX wiek. Wałek rozrządu pozostał na dole, w bloku silnika, zaś do poruszania zaworów wykorzystano długie popychacze i huśtawkowe dźwigienki. W ten sposób uzyskano znaczne usprawnienie jednostek napędowych, a rozwiązanie zwane „over head valve” (OHV) zyskało niezwykłą popularność. Stosowane jest do dzisiaj w silnikach, które nie są nastawione na szczególnie wysoką moc. Świetnie sprawdza się zwłaszcza w dwucylindrowych „widlakach”, a dobrze radzi sobie nawet przy 10 000 obr/min. Z reguły jednak pracowało i pracuje w znacznie niższych zakresach.

W poszukiwaniu dodatkowych koni mechanicznych trzeba było jednak nie tylko optymalizować kształt komory spalania, ale również skrócić dystans między wałkiem rozrządu a zaworami i wyeliminować jak najwięcej elementów na tej drodze. Każdy z nich ma bowiem bezwładność masową, niekorzystną z punktu widzenia szybkobieżności, a na dodatek odpowiedzialny jest za momenty zginające, zaburzające precyzję rozrządu. Dlatego wałek rozrządu musiał również znaleźć się w głowicy, ponad zestawem dźwigienek uruchamiających zawory. Takie rozwiązanie, nazwane „over head camshaft” (OHC), pojawiło się zaledwie kilkanaście lat po OHV, pozwalając wydatnie podnieść dynamikę silników. Już w tym czasie można było zauważyć coraz większą rozbieżność między rozrządami jednośladów sportowych i seryjnych.

Lepiej się nie da?

Problem tkwił w kosztach produkcji. Podczas gdy wyczynowy, francuski Peugeot 500 Double Arbre miał dwa wałki rozrządu w głowicy („double over head camshaft” – DOHC) i cztery zawory na cylinder już w 1913 r., to układ OHC z dwoma zaworami na cylinder dopiero od połowy lat dwudziestych ubiegłego wieku zaczął zyskiwać popularność za sprawą Brytyjczyków. Rozrząd taki jak w motocyklu Peugeota 500 masowo zaczął być stosowany w motocyklach dopiero od lat siedemdziesiątych XX w.
Dwa wałki, cztery zawory To zaskakujące, ale od prawie 100 lat nie wymyślono niczego lepszego w rozrządzie niż układ DOHC i cztery zawory na cylinder.

To rozwiązanie jest oczywiście wciąż doskonalone i ma różne wersje, ale zasadnicza konstrukcja pozostaje ta sama. Nad każdym rzędem zaworów (ssących i wydechowych) pracuje wałek rozrządu. Umieszczone na wałkach krzywki wprawiają w ruch zawory albo poprzez szklankowe popychacze, albo za pośrednictwem zabierakowych dźwigienek. Te ostatnie są nieco bardziej kłopotliwe w produkcji, ale pozwalają ograniczyć masy ruchome o 25 %. Mimo to nie dominują w układach DOHC. Nawet w motocyklach tego samego wytwórcy można znaleźć oba rodzaje elementów pośrednich między wałkami a trzonkami zaworów. Dźwigienki zabierakowe mogą być proste, a wówczas jedna dźwigienka obsługuje jeden zawór, albo rozwidlone, a wtedy jedna dźwigienka obsługuje jednocześnie dwa zawory. Dzięki rozwidlonym dźwigienkom wałek rozrządu może mieć mniej krzywek. Od tego, czy mamy do czynienia z dźwigienkami, czy szklankowymi popychaczami zależy też komplikacja obsługi. W układach dźwigienkowych regulacja luzu zaworowego oparta jest zazwyczaj na prostych i łatwo dostępnych mechanizmach śrubowych. Z kolei „szklanki” wymagają stosowania kłopotliwych płytek regulacyjnych. Najbardziej tę różnicę odczuwa się w portfelu po wizycie w warsztacie.

Stare, ale jare!

Dwa wałki rozrządu w głowicy montuje się niezależnie od liczby cylindrów w silnikach, dla których priorytetem jest dynamika. Układ DOHC najbardziej sprzyja szybkobieżności, dlatego niemal niezbędny jest w konstrukcjach o najwyższych mocach jednostkowych. Możemy znaleźć go w każdym rodzaju czterosuwu, zarówno w „singlach”, jak i sześciocylindrowcach. Powszechnie przyjętym standardem w najbardziej wydajnych silnikach są również cztery zawory na cylinder. Podjęto nieliczne próby zastosowania układów pięciozaworowych, ale nie zyskały one popularności. Zyski na dynamice są niewielkie, a dodatkowa komplikacja i koszty produkcji znaczące. Dzisiaj jedynie Yamaha, która pięć zaworów na cylinder w seryjnych motocyklach wprowadziła w połowie lat osiemdziesiątych XX w., kontynuuje swoją ideę. Rzadkością dzisiaj są również silniki z trzema zaworami na cylinder. Układy sześciozaworowe nie wyszły nigdy z fazy prototypowej.

Stare, ale dobre Nie każdy silnik potrzebuje jednak tak zaawansowanego rozwiązania w rozrządzie jak DOHC. Dlatego wciąż cieszą się powodzeniem układy OHV i OHC, znacznie tańsze w produkcji. Te pierwsze w zasadzie nie zmieniły się od wieku, te ostatnie doczekały się rozmaitych mutacji w zależności od potrzeb. Przede wszystkim wałek rozrządu może być nad lub pod dźwigienkami. Przykładem może być układ High Camshaft (HC) zastosowany przez BMW, w którym co prawda zamontowano go w głowicy, ale pod dźwigienkami i pod krótkimi popychaczami. Niemcy zmniejszyli z ten sposób wysokość głowic w swoich dwucylindrowych bokserach, uzyskując bardziej zwartą konstrukcję. Wysunięte na boki cylindry są sporym problemem (aerodynamika, pochylenia boczne), stąd dążenie do ich skrócenia. Układy OHC, tak samo zresztą jak DOHC, mogą różnić się także ustawieniem zaworów. W zależności od tego, czy rozmieszczone są one równolegle, czy radialnie dobiera się różne układy dźwigienkowe. Ustawienie zaworów i kąty ich rozchylenia decydują o kształcie komory spalania. Układ radialny jest bardziej skomplikowany i bardziej kłopotliwy w produkcji, ale dzięki niemu można uzyskać bardzo równomierną formę przestrzeni nad tłokiem.

Oryginały

Nawiązując do starych rozwiązań wciąż stosowanych, trzeba wspomnieć o rozrządzie desmodromicznym, w którym zawory są nie tylko otwierane, ale również zamykane krzywkami wałka rozrządu. Ten drogi i kłopotliwy w produkcji system od dziesięcioleci stanowi wizytówkę firmy Ducati. Dzięki niemu włoska wytwórnia wciąż znakomicie radzi sobie w sporcie wyczynowym, a motocyklach seryjnych nie oddaje łatwo pola japońskiej i niemieckiej konkurencji. Naśladowców brakuje, żaden inny producent nie zdecydował się na takie rozwiązanie. Oryginalność kosztuje zbyt dużo. Przykładem może być Honda, która zrezygnowała z napędu wałków rozrządu kołami zębatymi na rzecz znacznie tańszego w produkcji łańcucha. Próby czasu nie przeszła też konstrukcja z ośmioma zaworami na cylinder i owalnymi tłokami.
Konstrukcyjne wizje Od lat stawiamy sobie pytanie, czy można wyeliminować wałki rozrządu i poruszać precyzyjnie zaworami bez ich udziału? W latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku po raz pierwszy pokazano w formie prototypowej, że tak. Sprawę załatwiały mechanizmy elektromagnetyczne, które potrzebowały jedynie prądu elektrycznego i odpowiedniego sterownika. Przy takim rozwiązaniu znika wiele ruchomych i ciężkich elementów – wałki rozrządu i mechanizm przekazujący im napęd od wału korbowego. Na razie jest to jednak dalsza przyszłość. Nawet konstruktorzy pracujący przy autach Formuły 1 stwierdzają, że ta technologia nie jest jeszcze gotowa na praktyczne zastosowanie.

Bliższy produkcji seryjnej jest system mechaniczno-pneumatyczny, stosowany już w samochodach Formuły 1 i motocyklach serii Grand Prix. Otwieranie zaworów odbywa się w nim poprzez tradycyjny wałek rozrządu, a zamykanie przy pomocy sprężonego powietrza. W ten sposób eliminuje się sprężyny zaworowe, uzyskując znaczne zmniejszenie strat mechanicznych i pozbywając się problemu zbyt wolnego zamykania zaworów. Teoretycznie sprężyny zaworowe powinny radzić sobie nawet przy 20 000 obr/min, ale w praktyce bywa z tym różnie. Trwają już prace nad hydrauliczno-pneumatycznymi układami rozrządu, w których wałki rozrządu są wyeliminowane i zastąpione hydrauliką, a zamykanie odbywa się pneumatycznie. Być może takie rozwiązanie jest najbliższe produkcji seryjnej, bowiem koncern Fiat po części stosuje je już w swoich nowych dwucylindrowcach. Silniki Twin Air mają rozrząd pracujący podobnie jak w układzie DOHC, ale tylko z jednym wałkiem rozrządu. Drugi rząd zaworów uruchamiany jest w systemie elektro-hydraulicznym. Do cofania stosuje się oczywiście sprężyny, bowiem nie ma potrzeby wprowadzania superszybkiego układu pneumatycznego. Konkretna korzyść to wyeliminowanie jednego wałka rozrządu. Pomysł jest ciekawy i jak ulał pasuje do jednośladów. Być może więc doczekamy się niebawem nowego rozwiązania w głowicach motocyklowych, zwanego DOHC mimo zastosowania jednego wałka rozrządu.