fbpx
A password will be e-mailed to you.

Moc, moment obrotowy, masa motocykla czy systemy o egzotycznie brzmiących nazwach są w stanie wiele powiedzieć o charakterze motocykla. Ale są też zagadnienia, na które wielu z nas nie zwraca szczególnej uwagi, a to właśnie od nich zależy, jakich osiągów i wrażeń z jazdy doznamy. Jednym z nich jest bez wątpienia geometria układu korbowo-tłokowego.

Pewnie większość z was na początkowym etapie zauroczenia motoryzacją zastanawiała się, jak to możliwe, że z pozoru podobne do siebie silniki generują tak różne osiągi. Weźmy za przykład silniki Revolution z H-D V-Rod i Superquadro z Ducati Panigale 1199. Oba to V2 z czterema zaworami na cylinder, chłodzone cieczą, o zbliżonej pojemności skokowej. Tylko że ten pierwszy osiąga 115 KM i 100 Nm, natomiast drugi 195 KM i 132 Nm. Ponadto na obroty, na których włoski silnik rozwija maksymalną moc, silnik zza oceanu (i po części ze Stuttgartu) nigdy nawet nie zawita.

Wpływ na tę sytuację ma prawie każdy aspekt jednostki napędowej – konfiguracja całego rozrządu, układy wtryskowy, dolotowy i zapłonowy, waga poszczególnych podzespołów czy kształt komory spalania. Ale osiągi i charakter silnika zaczynają się tworzyć od innego czynnika – geometrii układu korbowo-tłokowego. Składają się na nią skok tłoka i średnica cylindra oraz długość korbowodu i promień wykorbienia wału korbowego (odległość czopu korbowodowego od czopu głównego wału korbowego). Od ustawienia tych parametrów zależy niemal każdy aspekt pracy silnika – maksymalne obroty, rozkład i wartość mocy oraz momentu obrotowego, wibracje, a nawet jego żywotność.

Kwadratura silnika

Podstawowym parametrem geometrii silnika, który niemal zawsze producent podaje w danych technicznych, są średnica cylindra i skok tłoka, które składają się na pojemność skokową silnika. Na ich podstawie rozróżnia się trzy rodzaje jednostek, z jakimi mamy do czynienia – podkwadratową, kwadratową i nadkwadratową. Ważny jest tutaj stosunek średnicy cylindra do długości skoku tłoka. Jeśli średnica jest mniejsza od skoku, czyli iloraz wynosi np. 0,8, wtedy mówimy o silniku podkwadratowym.

Długość korbowodu poważnie wpływa na sprawność napełniania komory spalania i wykorzystania ładunku

Jednostki tego typu nie są stworzone do osiągania wysokich obrotów czy mocy maksymalnej, ze względu na dość spore opory tarcia wynikające z długiej drogi, jaką muszą pokonać tłok i korbowód. Ponadto przy takiej geometrii wskazane jest zastosowanie zaworów o dość skromnych rozmiarach, a nawet zastosowanie mniejszej ich ilości. Ale są też korzyści długiego skoku tłoka. Jest nim działanie na długim ramieniu, co sprzyja generowaniu dużego momentu obrotowego na niskich i średnich obrotach. Z tego względu silniki podkwadratowe najczęściej spotyka się w chopperach i cruiserach.

Osiągi w równowadze

Zdecydowanie bardziej zrównoważoną charakterystykę prezentują silniki kwadratowe, czyli takie, w których stosunek średnicy cylindra do skoku tłoka jest równo lub bardzo zbliżony do siebie. Powszechnie przyjęło się, że jeśli wartość ta mieści się w zakresie 0,95-1,04, to silnik nadal uznawany jest za kwadratowy.

Długie korbowody pozwalają na stosowanie tłoków o krótkich płaszczach, co wpływa nie tylko na osiągi silnika, ale i lekkość prowadzenia

Ciężko tu mówić o dominacji jednej cechy. Takie jednostki zazwyczaj są wypośrodkowane pod względem elastyczności i szybkobieżności. Żaden z zakresów obrotów nie jest tutaj faworyzowany. Z tego względu jest to już stosunkowo rzadko spotykany rodzaj silnika. Można się na niego natknąć właściwie tylko w konstrukcjach o małej pojemności skokowej, które nie mają wystarczającego zapasu mocy i momentu, by większą ich część umieścić w jednym zakresie pracy. 

Obroty rosną

Obecnie najliczniejszą reprezentację mają silniki nadkwadratowe, w których średnica cylindra jest większa niż skok tłoka, czyli tzw. jednostki krótkoskokowe. Skrócenie skoku tłoka znacząco sprzyja zwiększeniu obrotów maksymalnych, a co za tym idzie mocy, ale zmniejsza elastyczność względem silnika podkwadratowego. Mimo tego, taką geometrię można spotkać zarówno w motocyklach miejskich i turystycznych, jak i wyżyłowanych jednostkach sportowych. Z tym że w tych pierwszych współczynnik waha się na poziomie 1,3-1,4, a więc nie są one pozbawione elastyczności. Natomiast w drugich normą już jest wynik rzędu 1,6-1,7, co daje potężne korzyści w osiągach na wysokich obrotach, tak pożądanych w jeździe sportowej.

Nieoficjalnym rekordzistą w szybkobieżności jest obecnie nowa Honda Fireblade, ze współczynnikiem średnica cylindra/skok 1,67. To dużo, bardzo dużo

Kolejnym znaczącym aspektem geometrii układu korbowo-tłokowego jest współczynnik długości korbowodu do promienia wykorbienia wału korbowego. Przyjmuje się zasadę, że do silników wysokoobrotowych i mocnych stosuje się długie korbowody i stosunkowo mały promień wykorbienia, natomiast tam gdzie praca odbywa się najczęściej na niskich i średnich obrotach znaleźć można stosunkowo krótkie korbowody. I wcale nie idą za tym zmiany w skoku tłoka. Po co więc taka kombinacja? Krótkie korbowody sprawiają, że w pierwszych 90 stopniach ruchu powrotnego z górnego martwego punktu (GMP) tłok silniej przyspiesza, a to zapewnia mocniejsze zasysanie mieszanki paliwowo-powietrznej i sprawniejsze jej wymieszanie. Jest to bardzo korzystne zjawisko, które zwiększa sprawność na niskich obrotach.Niestety, jak to często bywa – coś za coś. Gdy tłok na krótkim korbowodzie dochodzi do dolnego martwego punktu (DMP), zostaje gwałtownie wyhamowany, co zwiększa wibracje drugiego rzędu, czyli to irytujące mrowienie objawiające się na wysokich obrotach. Ponadto gdy już przyjdzie moment powrotu z DMP do GMP, tłok musi się znowu napędzić. Mało tego, dźwignia na niego działająca ustawia się pod bardzo ostrym kątem i mocno dociska tłok do ścianek cylindra, a tym samym zwiększa opory pracy. A jak większe opory, to mniejsza sprawność i zwiększone generowanie ciepła.

Żeby przeciwdziałać szkodliwym skutkom tych oporów często stosuje się tłoki o dłuższych kołnierzach, co pozwala równomiernie rozkładać obciążenie, ale jednocześnie dokłada zbędne gramy do układu korbowo-tłokowego, co wpływa nie tylko na pogorszenie osiągów, ale i na prowadzenie motocykla. Dlatego krótkie korbowody są używane głównie w miejskich motocyklach, gdzie obroty robocze zazwyczaj są niskie lub średnie, czyli takie, na których odczuwalne są korzyści z takiej konfiguracji, natomiast wady nie dają się we znaki.

Zupełnie odwrotnie jest w przypadku długich korb. W ich przypadku mniej gwałtownego wytracania prędkości w drodze do DMP zapewnia zmniejszenie wibracji i szybsze przyspieszenie w drodze do GMP, co usprawnia wyrzut spalin. Ponadto wśród zalet są także mniejsze opory pracy wynikające z mniejszego dociskania tłoka do ścianki cylindra. Analogicznie, pozwala to na zmniejszenie wysokości tłoka i osiągnięcie wyższych obrotów bez szkody dla trwałości silnika.

A co z powrotem z GMP? Odbywa się on wolniej, co owszem, zapewnia mniej sprawne mieszanie się paliwa z powietrzem na niskich obrotach. Ta kwestia jest jednak marginalna w przypadku użytku na wysokich obrotach, gdzie tempo zasysania mieszanki jest wystarczająco duże. Natomiast fakt, że tłok pozostaje odrobinę dłużej przy komorze spalania pozwala na skuteczniejsze wykorzystanie ładunku paliwowo-powietrznego na wysokich obrotach.

Ważniejsze niż się wydaje

Geometria układu korbowego bez dwóch zdań jest jednym z najistotniejszych aspektów konstrukcyjnych silnika. W grę wchodzą tutaj różnice rzędu kilku milimetrów, które potrafią mieć kolosalne znaczenie dla osiągów i charakterystyki jednostki napędowej, jej trwałości, naszego komfortu jazdy, a także… wymiarów całego motocykla. Różnice w poszczególnych wymiarach z oczywistych względów zmieniają bowiem wymiary silnika w różnych płaszczyznach, a to przekłada się na całość gabarytów pojazdu. To po raz kolejny udowadnia, że motocykle, choć z pozoru proste, są piekielnie złożonymi konstrukcjami, których projektowanie wymaga myślenia daleko w przód. I to na każdym etapie pracy.

Zdjęcia: KTM, Honda, archiwum redakcji

 

KOMENTARZE