Czy doczekamy się motocykli z doładowaniem?

Techniczny klincz

Na skróty:

Techniczny klincz

Udana próba turbodoładowania pojawiła się w 2007 r. za sprawą niemieckiego Neandera, wyposażonego w silnik wysokoprężny. Ale to przykład motocykla produkowanego jednostkowo.

Od debiutu pierwszego, seryjnego jednośladu z doładowaniem minęło już ponad 30 lat, a ponad ćwierć wieku od zakończenia produkcji takich maszyn. Mamy zatem swoistą „turbodziurę”. Przyczyn takiego stanu rzeczy jest kilka. To, co jest podstawą sukcesów samochodowych silników wysokoprężnych, a obecnie stało się również codziennością w silnikach benzynowych, nie daje się łatwo przenieść do jednośladów. To kwestia komplikacji jednostek napędowych, wzrostu ich hałaśliwości, przyrostu masy i znaczącego podwyższenia kosztów produkcji. Doładowanie pozostaje wdzięcznym tematem jedynie dla tunerów, którzy montują sprężarki lub turbosprężarki albo dla firm produkujących swoje motocykle w krótkich seriach.

Wytwarzane w wielkich seriach jednoślady korzystają na razie tylko z dynamicznego doładowania. Niestety, wtłoczenie powietrza do cylindrów przez naturalny pęd pojazdu nie jest tak efektywne, jak przy wykorzystaniu sprężarek i nie daje tak spektakularnych efektów.

Rodzaje doładowania możemy podzielić według ciśnienia na: niskie (ciśnienia poniżej 1,5 bar), średnie (1,5-2,5 bar) i wysokie (2,5-3,0 bar). Tylko przy doładowaniu niskim jednostki napędowe nie wymagają żadnych przeróbek, bowiem ciśnienia użyteczne nie przekraczają 10 bar. Do doładowania średniego i wysokiego silniki muszą być odpowiednio przystosowane. Konieczne jest wprowadzenie chłodnicy międzystopniowej (intercoolera) ze względu na istotny wzrost temperatury powietrza doładowanego. Wyższe ciśnienia doładowania powodują wzrost efektywności, ale znacznie komplikują konstrukcję silnika i podwyższają koszty produkcji.

Lotniczy rodowód

Doładowany BMW Kompressor brylował w latach 30. XX wieku na wyścigowych trasach. Kres jego karierze położył zakaz startów motocykli z doładowaniem.

Pierwsze próby doładowania silników benzynowych prowadzone były w lotnictwie wojskowym już podczas pierwszej wojny światowej. Głównym celem było wówczas utrzymanie mocy silników na dużych wysokościach. Doładowanie silników lotniczych doskonale zdało egzamin, dlatego podjęto próby przeniesienia go do pojazdów kołowych.

Początkowo były to systemy mechaniczne. Sprężarki w motocyklach pojawiły się już pod koniec lat dwudziestych. Jedną z pierwszych zamontowano w BMW 750 Ernsta Hennego. Osiemdziesięciokonny silnik pozwolił osiągnąć Niemcowi 217 km/h i ustanowić wówczas rekord prędkości. Jego konkurent, Brytyjczyk Joe Wright również jeździł doładowanym motocyklem OEC Temple JAP 1000 o mocy 85 KM. Wright osiągnął 221 km/h, na co Henne odpowiedział niebawem wynikiem 222 km/h. W 1935 r. doładowany BMW 750 miał już 100 KM, a w 1936 r. nawet 106 KM. Osiągnął wówczas prędkość 272 km/h. Jeszcze przed wojną, w 1935 r., pojawiły się: doładowane DKW Ure 250, Velocette Roarer i Gilera 500. W 1939 r. doładowane BMW zwyciężyło w klasie senior podczas wyścigów TT na wyspie Man. Wkrótce potem doładowanie w wyścigowych motocyklach zostało zabronione, co zatrzymało prace nad tego typu rozwiązaniami.

Era turbosprężarek

W Hondzie CX 650 także wykorzystano turbosprężanie, podobnie jak w pierwszym seryjnym modelu CX 500

Podczas drugiej wojny światowej w lotnictwie zaczęto stosować bardziej wyrafinowane układy dwusystemowe, w których turbosprężarka współpracowała ze sprężarką mechaniczną. Konstruktorzy motocykli nie wykorzystali tych doświadczeń, bo w powojennych realiach na powodzenie mogły liczyć tylko proste i tanie jednoślady.

W 1951 r. jeszcze jedną, udaną próbę z doładowaniem podjęło NSU, ale jedynie w motocyklu przygotowanym do bicia rekordu prędkości. Delphin III miał pojemność 500 ccm, moc 110 KM przy 8000 obr/min i osiągnął prędkość 339 km/h. Potem słuch o doładowaniu w jednośladach zaginął na prawie trzy dekady.

Sprawa wróciła, gdy Honda zaszokowała motocyklowy świat silnikiem z turbodoładowaniem. Model CX 500 Turbo z 1980 r. był owocem technicznego ?wyścigu zbrojeń? dekady lat siedemdziesiątych, w którym wyczerpano dostępne wówczas możliwości znaczącego podnoszenia mocy silników. Tunerzy już wcześniej sięgali po turbiny. Ale właśnie Honda wprowadziła taki element do produkcji seryjnej. W 1982 r. jej śladem poszły inne firmy japońskie – Yamaha i Suzuki, które w 1982 r. pokazały oficjalnie swoje turbodoładowane modele XJ 650 Turbo oraz XN 85. Rok później do tej grupy dołączyło jeszcze Kawasaki Z 750 Turbo.

Motocykl z turbodoładowaniem tworzyło na początku lat osiemdziesiątych również BMW, ale zakończyło prace na etapie prototypu o nazwie Futuro. W rozwiązaniu Bawarczyków pojawił się nawet intercooler.

Trzeba też wspomnieć o doładowanym Titanie 1800, stworzonym przez Friedela Müncha, budującego własne konstrukcje z silnikami o samochodowym rodowodzie. W 1999 r., przy reaktywacji jego firmy, przedstawiono jeszcze jedną konstrukcję z turbodoładowaniem – Mammut 2000. Oba motocykle produkowano w niewielkiej liczbie egzemplarzy.

Udana próba turbodoładowania pojawiła się w 2007 r. za sprawą niemieckiego Neandera, wyposażonego w silnik wysokoprężny. Ale to kolejny przykład jednośladu produkowanego jednostkowo. Najnowszym rozwiązaniem, tym razem korzystającym z mechanicznej sprężarki promieniowej, jest Horex VR6 z 2010 r. Ten motocykl również nie trafi do masowego odbiorcy.

Fot. archiwum

Przekrój doładowanego dwucylindrowca Hondy pokazuje, jak skomplikowany jest silnik z turbosprężarką. Tu upchnięto ją przed rozwidlonymi cylindrami

Energia spalin

Turbodoładowany silnik Suzuki XN 85 bazował na czterocylindrowcu z GS 650. Wadą było słabe chłodzenie turbosprężarki.

Turbodoładowanie to jeden ze sposobów wprowadzenia do komór spalania znacznie większej ilości powietrza od tej, którą mogą samodzielnie zassać tłoki. To zwarty, lekki i skuteczny układ. Powoduje wzrost mocy nawet o 30%, przyczyniając się jednocześnie do obniżenia zużycia paliwa.

Jego zaletą jest przede wszystkim prosta budowa. Na tej samej osi zamontowana jest z jednej strony turbina wprowadzona do układu wydechowego, z drugiej zaś sprężarka, wprowadzona do układu zasilania. Komplikacja konstrukcji jest niewielka. Energia gazów spalinowych zamieniana jest w turbinie na ruch obrotowy, który poprzez wspólną oś przekazywany jest do sprężarki. Sprężarka z kolei wymusza ruch powietrza w układzie dolotowym i tłoczy je do cylindrów. Jak wiadomo, wraz ze spalinami ulatuje do atmosfery 1/3 energii zawartej w paliwie. Sprężarki wykorzystują to, co i tak jest spisane na straty.

Dwa oblicza „turbo”

Kawasaki Z 750 Turbo uznawany jest za najbardziej udany motocykl doładowany lat 80. XX w.

Tylko na pozór wszystko jest tak proste. Strona turbiny nagrzewa się do 1000ºC, strona sprężarki do 600ºC. Niezbędne są zatem wytrzymałe, a więc drogie materiały. Łożyska, oprócz wysokich temperatur muszą znosić obroty rzędu 200 000 na minutę. Do tego dochodzą bardzo małe tolerancje wymuszające dużą precyzję montażu. Wiele uwagi trzeba poświęcić uszczelnieniom. To wszystko kosztuje. Przy doładowaniach średnich i wysokich trzeba wzmacniać tłoki i korbowody, a także stosować chłodnicę międzystopniową, bo powietrze doładowane nagrzewa się do 100-150°C. To jest niekorzystne dla sprawności spalania. Ponadto zastosowanie turbosprężarki to dodatkowe 10-15 kg masy. W jednośladzie turystycznym nie ma to większego znaczenia, ale w sportowym bolidzie stanowi poważny kłopot. Wreszcie sprawa rozmiarów samych turbosprężarek. Silniki motocyklowe o pojemnościach skokowych poniżej 1000 ccm mają niewielką energię spalin. Nawet dla zapewnienia niskiego doładowania, w zakresie ciśnień 0,5-0,7 bar, trzeba konstruować bardzo małe turbosprężarki (te z lat osiemdziesiątych miały średnicę roboczą 37-50 mm). Tylko one są w stanie zapewnić w miarę szybki przyrost ciśnienia i pozwalają uniknąć „turbodziury”. A miniaturyzacja to kolejny czynnik podwyższający cenę.

Mechaniczne dylematy

W Horeksie wykorzystano sprężarkę mechaniczną Rotrex, napędzaną paskiem zębatym. Ma ona własny system smarowania

Alternatywą dla „turbo” wciąż pozostaje system czysto mechaniczny, oparty na sprężarkach Rootsa czy Lysholma, napędzany paskiem lub przekładnią zębatą od wału korbowego. Sprężarka mechaniczna może być włączana, kiedy zajdzie potrzeba. A jeśli już działa, to daje przyrost ciśnienia w układzie dolotowym praktycznie od najniższych obrotów.

Jednak zanim sprężarka przyniesie wymierne korzyści dla dynamiki silnika, sama musi zabrać jednostce napędowej pewną część momentu obrotowego. Straty sięgają nawet 10%. Dlatego efektywność takiego rozwiązania jest dużo mniejsza, niż w przypadku turbosprężarek. Wadą jest również ich hałaśliwość.

Doładowanie mechaniczne tylko na pozór nie jest drogie. Sprężarki, zwłaszcza pracujące w systemie Lysholma, są kosztowne w produkcji: trzeba zachować ogromną precyzję kształtów i spasowania wirników. Sprężarki Rootsa są tańsze, ale nie tak szczelne, a przez to mniej wydajne. Wspomnieć trzeba też o sprężarkach promieniowych (odśrodkowych), małych, lekkich i stosunkowo cichych, ale pozbawionych podstawowej zalety sprężarek mechanicznych, czyli szybkich reakcji. Ich wadą jest także konieczność stosowania dodatkowych przekładni dla uzyskania odpowiednio wysokich obrotów.

Można jeszcze zastosować system Comprex, łączący cechy sprężarek mechanicznych i „turbo”. Wykorzystywana jest w nich zarówno energia spalin, jak i sprężarka ze specyficznie ukształtowanym, wielokomorowym wirnikiem. Comprex pozwala zmniejszyć zużycie paliwa i w korzystny sposób dostosowuje się do obciążenia silnika (jak turbosprężarka), a przy tym nie wykazuje opóźnień w działaniu, podobnie jak sprężarki mechaniczne. Jego wadami są duże rozmiary, spora masa i relatywnie niskie ciśnienia doładowania.

Techniczne szarady

Yamaha XJ 650 Turbo miała małą turbinę (38 mm, 210 tys. obr. na min.) montowaną z tyłu, pod silnikiem.

Trudno się dziwić, że doładowanie wciąż nie znajduje szerszej drogi do świata motocykli. Wciąż to spektakularne posunięcie techniczne może dać przewagę nad konkurencją. Skoro firmy angażują się w projekty sześciocylindrowców, równie dobrze mogą sięgnąć po „turbo” albo układ dwusystemowy (turbina i sprężarka).

Przed trzema laty pytaliśmy o przyszłość automatycznych przekładni motocyklowych i ewentualnych naśladowców hydromechanicznej, hondowskiej konstrukcji HFT. Teraz pojawia się pytanie o przyszłość doładowania w silnikach motocyklowych. Czy konstruktorzy jednośladów pójdą w końcu śladem swoich kolegów z sektora samochodowego? To wzbudziłoby mocne emocje i stworzyło nowe pole technicznej rywalizacji między producentami.

Publikacja w numerze 10/2011 Świata Motocykli.