Płaszcz na każdą okazję. O tym, co dziś jest modne, gdy idzie o „wierzchnie okrycia” silników.

Na cztery sposoby

Fot. powyżej: chłodzony powietrzem silnik Harleya z początku XX wieku.

Silniki współczesnych motocykli o pojemnościach powyżej 125 ccm mogą być chłodzone na cztery różne sposoby. Przeważa chłodzenie cieczą, wypełniającą to, co popularnie nazywane jest płaszczem „wodnym”. Tak naprawdę to płaszcz specjalnej cieczy o temperaturze wrzenia wyższej od wody i zawierającej dodatki uszlachetniające – przeciwpieniące i antykorozyjne. Lecz stosowane wcześniej w jednośladach sposoby chłodzenia silników nie odeszły w zapomnienie. Najprostsze z możliwych chłodzenie powietrzem nadal stosuje się w małych jednośladach oraz w silnikach o niskich i średnich wartościach mocy jednostkowej. Chłodzenie powietrzno-olejowe możemy znaleźć tam, gdzie samo powietrze może być nieskuteczne, a układ z cieczą albo nie pasuje do charakteru maszyny, albo jest zbyt ciężki. Ostatnio doczekaliśmy się chłodzenia w układzie powietrze-ciecz, gdzie czynnik płynny trafia tylko do najbardziej rozgrzanych miejsc silnika.

Prosto i tanio, ale…

Fot. powyżej: po 100 latach powietrze wciąż chłodzi silniki motocyklowe.

Odpowiednio wydajne chłodzenie silnika spalinowego nie tylko pozwala podwyższyć jego niezawodność i trwałość. Poprawia też dynamikę i skład spalin. Rola układu chłodzenia jest zatem niezwykle ważna.

W zależności od rodzaju i konstrukcji odbiera on od 25% do 35% ciepła z jednostki napędowej. Chodzi jednak o to, by dotrzeć z czynnikiem chłodzącym w najbardziej newralgiczne miejsca, czyli w okolice komór spalania i kanałów wydechowych. Przy chłodzeniu powietrzem (zwanym też bezpośrednim) jest to problematyczne, choć takie rozwiązanie jest wręcz stworzone dla jednośladu. Strugi powietrza mogą swobodnie przepływać przez strukturę pojazdu, także wokół silnika, a wraz ze wzrostem prędkości i coraz większym obciążeniem silnika ruch powietrza jest szybszy i wydajność chłodzenia wzrasta.

Na dodatek chłodzenie powietrzem nie wymaga praktycznie żadnych nakładów konstrukcyjnych, technologicznych i materiałowych, nie podnosi kosztów produkcji i masy pojazdu. Wystarczy ożebrować cylindry i głowicę, by zwiększyć powierzchnię, z której można odebrać ciepło.

Niestety, trudno skoncentrować ruch powietrza akurat na najbardziej obciążonych cieplnie elementach. Przez wiele lat chłodzenie powietrzem, mimo słabego rozpraszania ciepła, doskonale sprawdzało się w jednośladach i w zupełności wystarczało. Nawet wtedy, gdy nadeszła era ciężkich, wielocylindrowych maszyn z silnikami o dużych mocach. Przy wysileniu jednostki napędowej nie przekraczającym 100 KM z 1 litra pojemności skokowej i przy zapewnieniu odpowiedniego przepływu powietrza taki tani, prosty i bezawaryjny system sprawdza się.

Sprawa zaczyna się komplikować, gdy chcemy uzyskać większą wydajność silnika. Windowanie użytkowych obrotów dla uzyskania wyższej mocy sprawia, że nad tłokiem robi się zbyt gorąco. By móc to zrobić, trzeba wprowadzić bardziej wydajny układ chłodzenia. Najlepiej cieczą.

Ciecz w roli głównej

Fot. powyżej: honda cb 1100 to produkowany obecnie motocykl z chłodzeniem powietrzno-olejowym. Niżej: powietrze i olej chłodzą słynne silniki Suzuki zwane „olejakami”. Najniżej: „olejaki” suzuki mają mocno rozbudowaną sieć kanałów olejowych, zwłaszcza w głowicy. 

Dlaczego właśnie cieczą? Najlepiej sprawdza się w silniku spalinowym, bo najlepiej rozprasza ciepło. Dzięki odpowiednio zaprojektowanym kanałom dociera bezpośrednio w okolice komór spalania i kanałów wydechowych. Bardzo bliski kontakt z najbardziej rozgrzanymi elementami pozwala odebrać od nich mnóstwo ciepła. Ciecz silnie się przy tym nagrzewa, ale jej ruch wymuszony pompą jest bardzo szybki i w najgorętsze miejsca natychmiast trafia wychłodzona jej porcja. Gorąca niemal natychmiast trafia do omywanego powietrzem i wyposażonej dodatkowo w wentylator wymiennika ciepła.

Efekt: obciążenie cieplne cylindrów i głowicy jest równomierne, stabilizuje się temperatura pracy silnika. Wzrasta trwałość jednostki napędowej, bowiem zmniejsza się ilość cykli nagrzewania i stygnięcia elementów (części rzadziej się odkształcają na skutek zmian temperatury). Po rozpoczęciu pracy silnik szybko osiąga temperaturę roboczą, bo termostat zamyka tak zwany „duży obieg” i nie dopuszcza cieczy do chłodnicy. Każe jej krążyć tylko w „małym obiegu), wokół bloku cylindrów i głowicy (lub głowic), dopóki nie osiągnie około 75 °C. Wtedy termostat otwiera „duży obieg” i nagrzana ciecz (85-90 ?C) może dotrzeć do chłodnicy.

Płaszcz cieczy chłodzącej tłumi mechaniczny hałas z wnętrza jednostki napędowej. Do minimum ograniczone zostaje ryzyko przegrzania silnika, pracującego przy dużych obciążeniach i małych prędkościach (motocykle terenowe). Układ bardzo dobrze sprawdza się także w silnikach widlastych i wielocylindrowych bokserach. Przy chłodzeniu powietrzem tylne cylindry takich jednostek napędowych wykazują tendencję do przegrzewania się, zwłaszcza podczas forsownej jazdy.

Niestety, okrycie silnika płaszczem „wodnym” wymaga sporych nakładów konstrukcyjnych i materiałowych a także stosowania specjalnych płynów. Podnosi koszty produkcji, zwiększa masę pojazdu i stwarza możliwość awarii. Łożyska pompy mogą się zatrzeć, termostat może się zaciąć, chłodnica może pękać, podobnie jak gumowe przewody transportujące ciecz pomiędzy poszczególnymi elementami. Na dodatek konieczna jest stała kontrola poziomu cieczy, jej uzupełnianie i okresowa wymiana. Ewentualne problemy nie są jednak w stanie przyćmić zalet takiego układu chłodzenia.

Coś dla sportu

Fot. powyżej: chłodzenie cieczą w wersji uproszczonej. Płyn omywa jedynie okolice mocno nagrzanych komór spalania. Poniżej: nowoczesna wersja pełnego chłodzenia cieczą – pompa na głowicy, mała chłodnica, wymiennik ciepła ciecz-olej, krótkie przewody.

Chłodzenie silników jednośladów cieczą (do lat 70. stosowano zwykłą wodę) nie pojawiło się wcale dopiero, gdy opływ powietrza przestał wystarczać. Pojawiło się niedługo po narodzinach dwukołowego pojazdu silnikowego i było stosowane równolegle z powietrznym. Płaszcz „wodny” miał już w 1894 r. Hildebrandt & Wolfmuller, a w 1909 r. zastosowała je firma Scott. W 1922 r. dołączył do nich Opel, a pod koniec lat 30. po to rozwiązanie sięgnęły DKW i Gilera.

Trzeba jednak zaznaczyć, że chłodzenie cieczą było przez dziesiątki lat domeną motocykli sportowych, a zwłaszcza wyczynowych. Wzrost kosztów produkcji nie miał w ich przypadku większego znaczenia, a przyrost masy rekompensowany był przez świetne osiągi. Przykładem mogą być dwusuwowe „szalone Dekawki”- URe 250 i ULd 250 z 1937 i 1938 r. Przy pojemności skokowej 250 ccm osiągały moc maksymalną 30 KM odpowiednio przy 5000 i 7000 obr/min, co pozwalało im rozpędzać się do 170-180 km/h.

Podobnie było po II wojnie światowej. Do seryjnej produkcji trafiały modele z tanim i prostym chłodzeniem powietrznym, a na tory wyścigowe wyjeżdżały chłodzone cieczą wyczynowe maszyny z Włoch i Hiszpanii – Moto Guzzi 500 z 1953 r. i 500 V8 z 1956 r., Bultaco 125 TSS z 1966 r. czy Montesa 250 z 1967 r. W tym czasie dołączyły też konstrukcje z Dalekiego Wschodu. Najpierw Suzuki 250 RZ 63 z 1964 r. a potem także Yamaha RA 97 z 1966 r.

Japończycy jako pierwsi wprowadzili chłodzenie cieczą do produkcji wielkoseryjnej. Zaczęło się od Suzuki GT 750 w 1972 r. Dwa lata później pojawiła się Honda GL 1000 Gold Wing a po kolejnych dwóch latach – Honda CX 500. Na szerszą skalę ciecz w układach chłodzenia zaczęto stosować pod koniec lat 80. Ale zanim hasło „liquid cooled” zaczęło się naprawdę często pojawiać na obudowach jednośladów, rynek musiał zaakceptować nowe rozwiązanie. Jeszcze w 1985 r. chłodzenie cieczą miało ledwie 4% seryjnych motocykli.

Olej też chłodzi

Fot. powyżej: układ chłodzenia cieczą Harleya-Davidsona ma uproszczoną budowę i obejmuje tylko okolice komór spalania i kanały wydechowe.

W połowie lat osiemdziesiątych ubiegłego stulecia konstruktorzy silników motocyklowych zaczęli częściej powierzać funkcję chłodzenia olejowi silnikowemu. Olej silnikowy zawsze pełnił funkcję „chłodziwa”, ale w niewielkim stopniu, przy okazji smarowania elementów. Gdy zwiększono jego ilość i zaczęto go doprowadzać do najbardziej rozgrzanych punktów silnika, można już było mówić o funkcji chłodzenia (w tandemie z powietrznym).

Zestawienie powietrza omywającego silnik z zewnątrz i oleju odbierającego ciepło wewnątrz (i oddającego je do atmosfery poprzez wymiennik) ma sporo zalet. Od strony technologicznej nie komplikuje zbytnio silnika. Wykonanie dodatkowych kanałów dla omywania olejem głowicy w okolicach komór spalania czy prostych wtryskiwaczy w formie zwężek, skierowanych na denka tłoków i gładzie

cylindrowe nie stanowi większego problemu, podobnie jak instalacja chłodnic oleju, zbliżonych rozmiarami do wymienników ciepła typowych dla układów z cieczą. Układ powietrzno-olejowy jest zdecydowanie cięższy od powietrznego. Trzeba zastosować dużą, wydajną pompę (albo dwie pompy), chłodnicę, zewnętrzną instalację przepływową i większą ilość oleju (nawet o 30%). Lecz przyrost masy jest i tak o 10% mniejszy niż przy chłodzeniu cieczą.

Chłodzenie powietrzno-olejowe na szeroką skalę zastosowało Suzuki. Po raz pierwszy w modelu GSX-R 750 z 1984 r., potem także w GSF 600, GSF 1200, GSX 1200, GSX 750 F, GSX 750, VL 1500 Intruder, XF 650 Intruder, DR 650 i DR BIG. To rozwiązanie zastosowały też firmy Ducati, Moto Guzzi, Cagiva i BMW. Ale układ powietrze-olej przegrywa z chłodzeniem cieczą. Taki tandem nie rozprasza ciepła nawet w połowie tak dobrze jak ciecz. Dlatego wiele „olejaków”, w tym również te najbardziej kultowe jak Suzuki Bandit czy GSX-R, otrzymało w końcu płaszcz „wodny”, który pozwolił poprawić dynamikę oraz skład spalin a także zmniejszyć hałaśliwość.

Na sucho i mokro

Fot. powyżej i poniżej: żebra chłodzące na silniku BMW sugerują chłodzenie powietrzem. Oznaką chłodzenia cieczą jest tylko czarny króciec na bloku „boksera” .

Pomysłowość konstruktorów nie zna granic. Postanowili oni wykorzystać ciecz w roli chłodziwa, ale tylko w niewielkim zakresie. Skierowali płyn w okolice komór spalania i kanałów wydechowych, a resztę pozostawili powietrzu.

Takie rozwiązanie zastosowano w BMW R 1200GS z dwucylindrowym silnikiem typu „bokser”. Wcześniej miał on chłodzenie powietrzno-olejowe. 78% ciepła odbierało powietrze a 22% olej. Teraz udział powietrza spadł do 65%, a cieczy wynosi 35%. Jest ona wychładzana w dwóch bocznych wymiennikach (na jednym zamontowano elektryczny wentylator).

Poprawiając skuteczność chłodzenia i uzyskując możliwość sprostania ostrzejszym normom hałasu i toksyczności spalin, bawarscy konstruktorzy pozbyli się istotnych wad ty-

powych dla chłodzenia cieczą. Opracowali rozwiązanie proste i lekkie. Przyrost masy w stosunku do poprzednika wyniósł zaledwie 2,7 kg.

Bardzo podobne rozwiązanie zastosował też Harley-Davidson w nowym silniku Twin Cam 103. Obieg cieczy poprowadzony jest w silniku jedynie w obszarze komór spalania i odbiera ciepło przede wszystkim z okolic zaworów wydechowych. Resztę załatwia powietrze. Ciepło oddawane jest do atmosfery poprzez dwie boczne chłodnice, przy czym na każdej z nich zamontowany jest elektryczny wentylator. Pompa cieczy chłodzącej znajduje się na dole, przed silnikiem.

Wydaje się, że właśnie takie uproszczone systemy chłodzenia cieczą i powietrzem będą coraz częściej stosowane w przyszłości. Być może tego typu rozwiązanie znajdzie się w nowych silnikach Moto-Guzzi. Firma planuje bowiem zerwać z tradycją i zaangażować ciecz do chłodzenia swoich jednostek napędowych.