fbpx
A password will be e-mailed to you.

Głowica jest najbardziej skomplikowanym elementem silnika czterosuwowego, a jej wykonanie wymaga coraz większej precyzji.

Konstruktorzy silników czterosuwowych mogą pozazdrościć twórcom klasycznych dwusuwów mnóstwa zaoszczędzonego czasu przy projektowaniu głowicy. Gdy nie ma w niej wałków rozrządu, dźwigienek zaworowych, prowadnic i samych zaworów, sprawa jest banalnie prosta. W najbardziej skomplikowanej wersji trzeba przewidzieć jedynie prowadzenie kanałów cieczy chłodzącej. Reszta to bułka z masłem. W czterosuwach wystarczy spojrzeć na przekrojowy rysunek głowicy, nie mówiąc już o jej rozbieraniu i składaniu, by włos zjeżył się na głowie. Zwłaszcza gdy mamy do czynienia z silnikiem wielocylindrowym z wałkami w głowicy i czterema zaworami na cylinder. Mówiąc ogólnie miejsca jest niewiele, a nagromadzenie elementów ogromne.


REKLAMA

Oprócz wymienionych wcześniej detali w grę wchodzą przecież jeszcze świece zapłonowe, nierzadko ze zintegrowanymi cewkami, kanały cieczy chłodzącej, króćce ssące i wydechowe, a jakby tego wszystkiego było mało, wspomnijmy jeszcze o elementach układów dopalania spalin. Mamy zatem do czynienia z zestawem trójwymiarowych puzzli, które trzeba złożyć w jedną całość, zapewniając bezawaryjną pracę tego całego galimatiasu w niezwykle trudnych warunkach termicznych i przy bardzo wysokich obrotach na dystansie przynajmniej 100 000 km. Trudno znaleźć w motocyklu technologiczne wyzwanie o podobnym stopniu trudności.

Zaworowe epoki

Głowice czterosuwów nie zawsze były tak skomplikowane. Początkowo w układach dolnozaworowych wyglądały podobnie jak w silnikach dwusuwowych. Po prostu zamykały cylinder, tworząc w przestrzeni nad tłokiem komorę spalania. Kiedy zawory zostały odwrócone i zaczęły „wisieć” w głowicy, sytuacja uległa zmianie. Trzeba było przewidzieć i wykonać otwory dla zaworów, obsadzić w nich gniazda zaworowe, zaprojektować mocowania dźwigienek zaworowych, a z czasem też mocowanie i łożyskowanie wałków rozrządu. Konstruktorów głowic wcześnie rzucono na głęboką wodę, bowiem skomplikowane układy z czterema zaworami na cylinder i rozrządem popychaczowym powstały już w 1911 r. (Indian, Alcyon), a rok później doszły do tego dwa wałki w głowicy. Były to oczywiście konstrukcje nietypowe w tamtych czasach, opracowywane głównie z myślą o sporcie.

Generalnie głowice przechodziły fazy, które były charakterystyczne dla pewnych okresów w historii motocyklizmu. Do lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku królowały układy z dwoma zaworami na cylinder, w kolejnym dziesięcioleciu wzbogaciły się w niektórych modelach o jeden zawór. Potem jednak coraz większą popularność zyskiwały układy z czterema zaworami w cylindrze, by w dekadzie lat dziewięćdziesiątych całkowicie zdominować rynek. Osiem grzybów Przez długie lata sądzono, że wciśnięcie do seryjnej głowicy pojedynczego cylindra aż pięciu zaworów to zadanie praktycznie niewykonalne. Ale postęp technologiczny zrobił swoje. W 1984 r. inżynierowie Yamahy udowodnili, że można to z powodzeniem robić. Do tego momentu szczytem wyrafinowania była głowica rzędowego sześciocylindrowca z rozrządem DOHC i czterema zaworami na cylinder. Potem za techniczny majstersztyk zaczęto uważać dwudziestozaworową głowicę Yamahy FZ 750. Wkrótce okazało się, że w silniku z tradycyjnymi, okrągłymi cylindrami można „upchnąć” aż sześć zaworów nad jednym tłokiem, a przy cylindrach owalnych, takich jak w wyścigowych Hondach z przełomu lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych i krótkoseryjnej Hondzie NR 750 z 1992 r., nawet osiem. Tyle tylko, że sześciozaworowce zatrzymały się w fazie prototypów (Romanelli-Ducati), a silnik z owalnymi tłokami znikł wraz z NR 750.

Praktyka wskazywała, że w seryjnych motocyklach przeznaczonych do codziennej eksploatacji najlepiej sprawdzają się cztery zawory na cylinder. Nawet pięciozaworowce, choć pozostawały w produkcji ponad 20 lat, stoją dzisiaj na straconej pozycji. Dzieje się tak dlatego, że im większa liczba zaworów, tym wyższa komplikacja konstrukcji i tym wyższe koszty produkcji. Przy czterech zaworach w cylindrze są one w pełni akceptowalne. Powyżej tej liczby ewentualne zyski w podnoszeniu sprawności silnika są tak małe, że nie opłaca się po nie sięgać. Z kolei głowice z dwoma zaworami na cylinder nie pozwalają uzyskać odpowiednio dobrej dynamiki silnika i pozostają domeną jednostek napędowych o niewygórowanej mocy, nastawionych bardziej na wysoki moment obrotowy.

Trudna robota

Zasadniczym zadaniem głowicy cylindra jest zamknięcie przestrzeni roboczej cylindra, ograniczonej z drugiej strony tłokiem. Jej chłodzenie może zapewniać powietrze lub ciecz. W tym drugim przypadku głowica ma sieć kanałów, którymi płynie ciecz chłodząca, dużo bardziej skuteczna nie tylko w odbieraniu nadmiaru ciepła, ale również w stabilizowaniu temperatury roboczej. Głowice narażone są na wyjątkowo duże obciążenia cieplne i mechaniczne. Na dodatek rozkład obciążeń cieplnych jest bardzo nierównomierny, bowiem od strony wydechu głowica zawsze nagrzewa się mocniej. Głowice odlewa się ze stopów aluminium, które najlepiej radzą sobie z trudnymi, termicznymi warunkami pracy.

Głowice motocyklowe | Świat Motocykli

Zawory bardzo rzadko osadzane są w prowadnicach wykonanych bezpośrednio w głowicy. Gdy luz między zaworem a głowicą jest zbyt duży, trzeba po prostu wymienić głowicę na nową, a to sporo kosztuje. Najczęściej zawory osadza się w specjalnych prowadnicach, wciśniętych w odpowiednie otwory w głowicy. Grzybek zaworu również nie współpracuje bezpośrednio z aluminiowym odlewem, lecz ze specjalnym gniazdem, wykonanym z twardego stopu odpornego na wysoką temperaturę i mechaniczne uderzenia. Każdy zawór dociera się z jego gniazdem przy wykorzystaniu specjalnych past ściernych, aby uzyskać odpowiednią szczelność całego układu.

Ważną sprawą jest dokręcanie głowicy do cylindra. Największe znaczenie ma to w silnikach wielocylindrowych, w których głowice mają nawet kilkadziesiąt centymetrów długości. Przypadkowe dokręcanie śrub dowolną siłą mogłoby doprowadzić do wykrzywienia głowicy, a nawet do jej pęknięcia. Ścianki są cienkie, w tym przypadku chodzi o element wręcz ażurowy. Dlatego musi być zachowana odpowiednia kolejność dokręcania określona w instrukcji obsługi. Instrukcja przewiduje także odpowiednie momenty dokręcania śrub, aby zachowany był prawidłowy docisk do bloku cylindrów.

Twardziele

Zawór, nierzadko mierzący  kilka centymetrów ma jeszcze trudniejsze warunki pracy. Musi w odpowiednim czasie zamknąć lub otworzyć kanał, który obsługuje. Otrzymuje przy tym solidne uderzenia od dźwigienki zaworowej lub szklankowego popychacza, wywołane z kolei ruchami krzywek wałka rozrządu. A to wszystko przy temperaturze 800 C od strony wydechowej (zawory omywane są tylko gorącymi spalinami) i 6000 C od strony ssącej (zawory chłodzone są zasysaną do cylindrów mieszanką paliwowo-powietrzną).

Głowice motocyklowe | Świat Motocykli

Jakby tego było mało, narażone są na silne korozyjne działanie wysokiej temperatury i związków chemicznych. Dlatego materiał zaworów musi odznaczać się dużą odpornością na ścieranie, uderzenia przy wysokiej temperaturze i korozję. Musi również wykazywać dobrą przewodność cieplną. W mniej obciążonych silnikach do wykonania zaworów wydechowych wystarcza stal chromowo-krzemowa, w bardziej obciążonych stosuje się na zawory stale austenityczne, a w ekstremalnych przypadkach bardzo drogi tytan. Na zawory ssące stosuje się stale chromowe lub chromowo-niklowe. W silnikach doładowanych zawory ssące wykonuje się z tego samego materiału co zawory wydechowe. Jeszcze kilkanaście lat temu tytanowe zawory można było znaleźć jedynie w motocyklach wyczynowych. Dzisiaj stosowane są również w seryjnych jednośladach sportowych.


REKLAMA



REKLAMA


Ważne drobiazgi

Ale nie tylko materiał w przypadku zaworu ma zasadnicze znaczenie. Także jego kształt może być zróżnicowany i dostosowany do różnych warunków pracy. Co prawda budowa zaworu jest dość prosta, bowiem składa się on z talerzyka (grzybka) połączonego łagodną krzywizną z trzonkiem, ale jednak niektóre detale mają tutaj istotne znaczenie. Na obwodzie talerzyka znajduje się na przykład stożkowa powierzchnia nazywana przylgnią, która współpracując ze stożkową powierzchnią w gnieździe zaworowym musi zapewnić odpowiednią szczelność. Talerzyki z kolei mogą być wypukłe, płaskie lub wklęsłe (kielichowe). Te ostatnie stosowane są w silnikach wysokoobrotowych, ze względu na niższą masę (sprzyjają szybkobieżności). Przylgnie zaworowe pracują w niezwykle ciężkich warunkach termicznych, dlatego ich powierzchnię pokrywa się zazwyczaj twardymi stopami (np. stellitem) w procesie napawania przy pomocy acetylenu. Czasami stellituje się także czołową powierzchnię talerzyka.

Głowice motocyklowe | Świat Motocykli

Trzonek jest elementem prowadzącym zawór w ruchu posuwisto-zwrotnym. Odprowadza również ciepło z grzybka do głowicy. Nie można zapominać o elementach, które są jeszcze mniejsze od zaworów, a pracują równie ciężko. Chodzi o sprężyny zaworowe, które w dużej mierze decydują o prawidłowej pracy silnika, dobrej dynamice, a nawet o trwałości i niezawodności jednostki napędowej. Kilkanaście centymetrów zwiniętego drutu odpowiada za to wszystko. Zamknięty zawór musi mieć przecież odpowiedni docisk do gniazda. Brak dokładnego przylegania uniemożliwia szybkie odprowadzanie ciepła od talerzyka i powoduje osadzanie się nagaru na przylgni i gnieździe, a w konsekwencji nieszczelność.

Zaprojektowanie sprężyny nie jest sprawą prostą. Trzeba obliczyć siły bezwładności mas przyspieszanych elementów rozrządu i ustalić odpowiednie rozmiary sprężyny. Sprężyny zaworowe są narażone na działanie zmiennych obciążeń i stosunkowo wysokiej temperatury (ok. 2000 C). Zmieniające się okresowo siły powodują drgania sprężyn, wywołując dodatkowe naprężenia. W silnikach wysokoobrotowych stosuje się nie jedną, ale dwie, a nawet trzy sprężyny dla każdego zaworu. Jedynie przy rozrządzie desmodromicznym zawory nie wymagają stosowania klasycznych sprężyn zaworowych. Tam prosta sprężyna agrafkowa służy jedynie do utrzymywania zaworu w odpowiednim położeniu, a za zamykanie go odpowiada druga krzywka.

Ekologia też ważna

Jak widać głowica i zawory to iście koronkowa robota: droga, pracochłonna, skomplikowana od strony technicznej i technologicznej. Ale od niej w ogromnej mierze zależy dynamika jednostki napędowej, jej charakterystyka, zużycie paliwa i skład spalin. Istotne jest, jak długo i kiedy otwarte są zawory, jaką mają średnicę, jaki skok. Od narodzin czterosuwu trwa poszukiwanie optymalnych rozwiązań. Podobnie, jak poszukuje się optymalnego kształtu komory spalania. Prawda jest jednak taka, że nie ma rozwiązania uniwersalnego. Każde ma jakieś wady i zalety. Czasami celem konstruktora jest większa sprawność silnika, wyższy moment obrotowy i moc maksymalna, innym razem mniejsze zużycie paliwa lub czystsze spaliny.

Głowice motocyklowe | Świat Motocykli

W niektórych przypadkach masa zaworów ogranicza możliwości konstruktorów i wówczas dążą oni do tego, by były one lekkie i małe. Póki co mamy kilka układów zaworowych, które stosuje się powszechnie w produkcji seryjnej. Podstawowym jest oczywiście układ dwóch zaworów w cylindrze. Sprawność takiego silnika jest, można by rzec „średnia”. Szybkobieżność jest mała, podobnie jak moce jednostkowe. Taka jednostka napędowa nie przepada za wysokimi obrotami, ale przeważnie nieźle prezentuje się od strony elastyczności. Nie najlepszy jest w tym przypadku skład spalin. Dwuzaworowce są jednak tanie w produkcji i eksploatacji, bowiem są również proste w obsłudze.

Nieco droższym rozwiązaniem są trzy zawory na cylinder. Taki układ to swego rodzaju japońska specjalność. Japończycy od lat siedemdziesiątych montują trzyzaworowe układy w samochodach i motocyklach. Przyczyn jest kilka. Przede wszystkim układ dwóch ssących i jednego zaworu wydechowego stanowi namiastkę układu czterozaworowego przy zachowaniu umiarkowanych kosztów produkcji i stosunkowo małych nakładów pracy, zwłaszcza przy sterowaniu dźwigienkowym. Znacznie lepsza jest tutaj szybkobieżność i dynamika silnika niż przy dwóch zaworach, a przy zastosowaniu dodatkowych elementów do zawirowania mieszanki porównywalna z czterozaworowcami jest czystość spalin. Głowice z trzema zaworami na cylinder zostały zastąpione przez układy czterozaworowe, które obecnie są powszechnie stosowane. W ich przypadku mamy do czynienia z wysoką sprawnością w zakresie wysokich obrotów, bez załamania charakterystyki przy niskich i średnich obrotach.

Głowice motocyklowe | Świat Motocykli

Mniej kłopotów sprawia także skład spalin ze względu na lepsze zawirowanie mieszanki paliwowo-powietrznej. Ekologia to ważny czynnik, który w większości przypadków zmusił wytwórnie do rezygnacji z układów dwóch lub trzech zaworów w cylindrze. Cztery zawory na cylinder wymagają jednak większych nakładów produkcyjnych. Ilość elementów rozrządu jest tutaj znacząca, co nie pozostaje bez wpływu na koszty produkcji i obsługi. Ale gdy nad głową konstruktora wisi topór w postaci normy Euro – nie ma innego wyjścia. Dlatego jeszcze długo będziemy świadkami panowania głowic z czterema zaworami na cylinder.

KOMENTARZE


REKLAMA