Sprawność układu dolotowego. Więcej tlenu!

Choć głównym paliwem dla silników w naszych motocyklach jest benzyna, to nic po niej, jeśli nie dołożymy odpowiedniej dawki powietrza, a dokładniej – tlenu. Bez niego nie może dojść do detonacji w komorze spalania, a co za tym idzie, całej pracy tego złożonego mechanizmu. A jest to bardzo łakoma bestia i powietrza potrzebuje sporo. Nie sztuką jest więc po prostu zapewnienie dostępu do powietrza, a zapewnienie go w odpowiedniej ilości do efektywnej pracy.

Żeby to osiągnąć, potrzebne jest odpowiednie zaprojektowanie układu dolotowego, który zadba o wydajne dostarczenie powietrza do silnika. Jest to jednak proces dość pracochłonny, bowiem musi uwzględnić wszelkie przeszkody, jakie stoją powietrzu na drodze, oraz pożądaną charakterystykę silnika, która w dużej mierze zależy właśnie od dolotu.

Sprężarka napędzana wałem korbowym to jedyne skutecznie doładowanie mechaniczne w motocyklach

Wydłużyli dolot jednym prostym trikiem

Patrząc na konstrukcję różnych motocykli można zobaczyć, że dolot przybiera bardzo różne formy. Powietrze wlatujące do wolnoobrotowych silników cruiserów nie ma długiej drogi do przebycia, bo zazwyczaj wlot umieszczony jest przy cylindrach. W motocyklach sportowych jest natomiast na odwrót i wlot umieszczony jest na froncie, dość daleko od głowic. Długość dolotu wpływa bowiem na charakterystykę silnika. Jeśli powietrze nie ma długiej drogi do pokonania, to do jego sprawnego zassania nie trzeba dużego podciśnienia, co ułatwia pracę na niskich obrotach.

Przy długim dolocie sytuacja jest odwrotna, to wysokie obroty są faworyzowane, stąd tak rozbudowane kanały powietrzne w motocyklach sportowych. Jednak w większości maszyn wskazane jest, by silnik wykazywał wysoką sprawność w szerokim zakresie obrotów, a osiągi przyrastały liniowo. Stąd niektórzy producenci w najbardziej wyrafinowanych konstrukcjach stosują różne sztuczki, by zmienić długość kanału dolotowego, np. przepustnice, które stanowią bypass do krótszego lub dłuższego kanału.

Dolot o zmiennej długości jest skomplikowany, ale poprawia charakterystykę pracy silnika

Zjawiskowe poskromienie fal

Utrzymanie stałej prędkości przepływu powietrza, a co za tym idzie, jego ciśnienia, jest niezwykle istotne dla uzyskania jak najlepszych osiągów. Niestety na przeszkodzie ku temu stoją chociażby zawory ssące. W momencie, gdy się zamykają, stanowią ścianę, o którą rozbija się pędzące powietrze, dążące w tym momencie do osiągnięcia ciśnienia atmosferycznego. Następujące w ten sposób raz po raz fale wysokiego i niskiego ciśnienia powodują powstawanie zjawisk falowych, które, niekontrolowane, zaburzają równowagę przepływu powietrza.

Kiedy silniki nie osiągały jeszcze wysokich mocy i obrotów, nie przejmowano się tym szczególnie. Gdy jednak apetyt konstruktorów na moc zaczął rosnąć, wzięli się i za ten problem. Efekty dało solidne dopracowanie puszki filtra powietrza tzw. airboxu, który wcześniej służył głównie do wyciszenia dolotu. W jego konstrukcji uwzględniono komory i ścianki zdolne poskromić zjawiska falowe, od teraz grające na korzyść przepływu powietrza i utrzymania pożądanego podciśnienia. Nie bez znaczenia okazało się także zastosowanie coraz sztywniejszych, bardziej odpornych na odkształcenia materiałów, jak specjalne tworzywa sztuczne czy włókno węglowe, ułatwiających kontrolę nad rezonansem.

W silnikach cruiserów układ dolotowy upchano między cylindrami nie przez przypadek. Krótki dolot to potężny dół!

Czasem warto podnieść ciśnienie

Wpływ na wydajność dostarczania powietrza do silnika ma też ciśnienie, z jakim gaz jest wtłaczany. Większe ciśnienie oznacza efektywniejsze zasysanie oraz stabilniejszy przepływ powietrza. By je uzyskać, niektórzy producenci specjalnie projektują układ dolotowy z uwzględnieniem odpowiednich zwężeń, mających zwiększyć ciśnienie dostarczanego gazu.

System taki nazywa się dynamicznym doładowaniem, czyli potocznie Ram Air, i działa dopiero przy wysokich prędkościach. Dlatego też sięga się po niego wyłącznie w najszybszych motocyklach sportowych i sportowo-turystycznych, gdzie wzrost mocy przy prędkościach powyżej 200 km/h jest mile widziany. Korzyści z takiego rozwiązania są procentowo niewielkie, bo to raptem wzrost mocy o 2-3%, ale przecież żaden konstruktor nie pogardzi kilkoma dodatkowymi konikami.

W systemie Ram Air istotny dla wydajności jest potężny wlot na samym froncie motocykla

Dynamiczne doładowanie jest w stanie podnieść ciśnienie powietrza w dolocie do ok. 0,020 bara, ale jest sposób, by podnieść je jeszcze bardziej. Wystarczy zaprzęgnąć do tego sprężarkę. Dzięki niej ciśnienie doładowania może wzrosnąć wielokrotnie, w przypadku Kawasaki z serii H2 wynosi ono ok. 1 bara! Szczytowa wydajność takiego układu dolotowego ze sprężarką wynosi aż 200 litrów powietrza na sekundę, czyli niemalże dwukrotnie więcej niż w wysilonych silnikach wolnossących.

Takie wartości osiągane są jednak wyłącznie przy maksymalnym wysileniu jednostki na najwyższych obrotach, gdzie zużycie paliwa nie ma znaczenia (wzrost ilości powietrza w pewnym momencie wymaga zwiększenia dawki paliwa). Istotniejsze jest to, jak poprawia się przepływ powietrza. Dzięki możliwości utrzymania stałego, wysokiego ciśnienia, napełnianie komory spalania odbywa się znacząco szybciej i bardziej równomiernie, także na niskich obrotach, co nie tylko sprzyja osiąganiu wysokiej mocy na wysokich obrotach, ale także dużej sprawności na niskich.

Sztywne materiały, przemyślane kształty i elektronika pozwoliły opanować zjawiska falowe

Ideał jest blisko

W przeciwieństwie do silników samochodowych, gdzie doładowanie jest już na porządku dziennym, w motocyklowych jednostkach wciąż jest to ewenement. Najpopularniejszy sposób doładowania na świecie, czyli turbosprężarka, niestety do motocykli się nie nadaje, co pokazały chociażby przykłady Hondy CX500 Turbo czy Kawasaki Z750 Turbo. Turbosprężarka napędzana gazami wydechowymi to nie tylko konieczność zastosowania dodatkowej chłodnicy powietrza, skomplikowanego kolektora wydechowego, układu przewodów powietrznych i samej turbiny, co wiąże się z dodatkową masą i gabarytami.

Problem jest także w samej charakterystyce doładowania. Zanim tłoczone przez turbosprężarkę powietrze osiągnie odpowiednie ciśnienie, musi minąć trochę czasu, a to powoduje tzw. turbodziurę, która powoduje skokowy przyrost mocy. W samochodach problem ten udało się zredukować, ale w motocyklach wciąż nie wróży dobrze bezpieczeństwu użytkowania. Dlatego Kawasaki postawiło na nieco mniej efektywne, ale bezpieczniejsze doładowanie mechaniczne, czyli sprężarkę napędzaną przez wał korbowy.

Poza rozpowszechnieniem mechanicznego doładowania, w układzie dolotowym nie nastąpi już raczej żadna rewolucja

Praca takiej sprężarki jest płynniejsza, bardziej przewidywalna i uzależniona od obrotów silnika, a co za tym idzie, przyrost mocy jest znacznie łagodniejszy. Wciąż jednak stanowi ona obciążenie dla silnika, więc żeby zachować jego trwałość, konieczne jest odpowiednie przystosowanie głowicy i tłoków, tak by poradziły sobie z oddziałującym na nie większym ciśnieniem. Nie zmienia to jednak faktu, że mimo wszystko korzyści są ogromne i warte poniesionych nakładów. No i nie można też zapomnieć o przyjemności z jazdy. Kawasaki H2, a dokładniej jego silnik, jest tak emocjonującą konstrukcją, że wrażeń z jazdy nie da się pomylić z niczym innym.

Doładowanie silników na pewno wniosłoby trochę urozmaicenia do gamy motocykli, ale na razie nie widać naśladowców, ponieważ wciąż jest to raczej rodzaj fanaberii i technologicznego popisu. Konstruktorzy doszli bowiem do takiej wprawy w projektowaniu układów dolotowych, że do ideału brakuje im naprawdę niewiele i na tę chwilę wcale nie muszą ratować się doładowaniem innym niż Ram Air.

Zdjęcia: BMW, Kawasaki, Honda