Technika | Silniki dolnozaworowe

Udane powroty zarzuconych kiedyś rozwiązań technicznych nie należą do rzadkości. Wiele lat na swoje nowe odsłony czekały choćby automatyczne przekładnie, doładowanie czy bezpieczne sprzęgła. Tak to już jest, że niektórych rzeczy rynek nie akceptuje od razu, albo trzeba czekać z nimi na lepsze czasy, gdy poziom technologii pozwoli wdrożyć je w bardziej udanej formie.

Odejścia i powroty

Postęp techniczny pozwala odkurzyć po latach dawne projekty i tchnąć w nie zupełnie nowego ducha. Ciągła praca inżynierów, doskonalenie znanych już rozwiązań i zupełnie nowe odkrycia sprawiają, że być może będziemy świadkami powrotu na rynek motocyklowy silnika Wankla albo silnika dolnozaworowego.
Ten ostatni wydaje się być znowu interesującym dla konstruktorów jednośladów, którzy rozstali się z nim w latach pięćdziesiątych. Bo chociaż silnik dolnozaworowy nie pozbył się swoich wad, to jednak na większość z nich znalazłaby się dzisiaj recepta. Z kolei zalety, jakie wciąż wykazuje, można by spożytkować ku przyjemności użytkowników niektórych typów motocykli.

Prostota i elastyczność

Silnik dolnozaworowy, zwany również SV (od określenia „side-valve”, czyli „zawory boczne”), to najprostsza od strony konstrukcyjnej, czterosuwowa jednostka napędowa. Wynika to z faktu, że cały układ rozrządu znajduje się w bloku silnika i cylindrze, a głowica stanowi jedynie rodzaj „przykrywki”, zamykającej od góry cylinder, kanał dolotowy i kanał wydechowy. Osadzona w niej jest świeca zapłonowa. W głowicy nie ma żadnych elementów rozrządu ani innych ruchomych części, dlatego nie trzeba montować elementów przekazujących napęd do głowicy.
Grzybki zaworów skierowane są ku górze, a ich trzonki opierają się bezpośrednio na krzywkach wałka rozrządu osadzonego w bloku silnika. Taki układ zaworów, pracujących równolegle z tłokami, eliminuje możliwość zderzenia zaworów i tłoków w razie awarii rozrządu. A w większości współczesnych silników górnozaworowych taka możliwość istnieje. Jeśli to nastąpi, dochodzi do poważnych uszkodzeń a nawet rozległego zniszczenia jednostki napędowej.
Prostota konstrukcji i wynikające z niej niskie koszty produkcji oraz niezawodność to tylko niektóre zalety „dolnozaworowców”. Kolejne to zwarta budowa i możliwość spalania benzyn o niskiej liczbie oktanowej ze względu na niski stopień sprężania. Silnik dolnozaworowy wyróżnia się wysokim momentem obrotowym osiąganym już przy niskich obrotach, utrzymującym się w ich szerokim zakresie. Jest zatem bardzo elastyczny, ale nie szybkoobrotowy. Doskonale pasuje do pojazdów ciężkich i niezbyt szybkich, np. takich jak duże cruisery.

Powolny i paliwożerny

Skoro silnik dolnozaworowy ma tak wiele zalet, to dlaczego przestał budzić zainteresowanie przemysłu samochodowego i motocyklowego? Dlaczego przetrwał jedynie w jednośladach konstrukcyjnie osadzonych w latach trzydziestych (Dniepr, Ural), maszynach rolniczych i kosiarkach? Bo ma jeszcze więcej wad niż atutów.
Przede wszystkim ma bardzo rozległą komorę spalania, która uniemożliwia uzyskanie wysokiego stopnia sprężania (granicą jest 8:1) i podniesienie sprawności silnika. Konsekwencją niskiej sprawności były małe moce (co najwyżej 40 KM z litra pojemności skokowej) i wysokie, jednostkowe zużycie paliwa. Ale na tym nie koniec.
Komora spalania w „dolnozaworowcu” obejmuje nie tylko przestrzeń nad tłokiem ale również przestrzeń stworzoną przez kanały – dolotowy i wydechowy. Duża długość kanałów, będąca efektem bocznego osadzenia zaworów, stwarza kolejny problem – ładunek w komorze spalania nie może być szybko spalany i wymieniany. Upraszczając sprawę, można powiedzieć, że w silniku dolnozaworowym procesy napełniania cylindra mieszanką paliwowo-powietrzną, jej spalania i usuwania gazów wydechowych z cylindra przebiega dużo wolniej niż w silniku górnozaworowym. Dlatego „dolnozaworowce” mają wolnoobrotowy charakter.
Dopóki samochody i motocykle jeździły z niewielkimi prędkościami, nie stanowiło to problemu. Wymagania jednak rosły i w latach pięćdziesiątych silniki SV nie mogły im podołać. Moment obrotowy i elastyczność silników zeszły na drugi plan. Zaczęła się liczyć szybkobieżność i duża moc maksymalna, a w tym dolnozaworowe jednostki napędowe nie były dobre. Uległy silnikom górnozaworowym, choć nie był to proces natychmiastowy. Okazało się bowiem, że „górnozaworowce” są dużo droższe i początkowo trafiały jedynie do drogich i ekskluzywnych modeli dla bogatej klienteli.

SV – wersja współczesna

Warto zauważyć, że mówimy o słabych stronach silników dolnozaworowych w kontekście czasów, w których znikały one z rynku. Od tamtego momentu minęło jednak kilkadziesiąt lat, które diametralnie odmieniły technikę motoryzacyjną. Gdyby przymierzyć tego typu jednostkę napędową do współczesności, wiele problemów można by z pewnością zminimalizować, uzyskując poprawę parametrów eksploatacyjnych.
Dzięki turbosprężarce i wtryskowi paliwa znacznie lepiej może wyglądać proces napełniania cylindra, a podwójny zapłon (dwie świece zapłonowe na cylinder) to recepta na usprawnienie procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w rozległej komorze spalania. Takie usprawnienie zawsze owocuje dodatkowo obniżeniem zużycia paliwa.
Sprawę toksyczności spalin załatwiają dzisiaj wielofunkcyjne układy katalityczne, które dodatkowo mogą być wspierane układem dopalania spalin. Kwestie termiczne, dość problematyczne w silniku dolnozaworowym („zimny” kanał dolotowy i gorący kanał wydechowy obok siebie to ryzyko odkształceń), załatwia chłodzenie cieczą. Dodajmy do tego materiałowe i technologiczne dopracowanie wszystkich detali, takie choćby jak zastosowanie lekkich stopów (szybkie odprowadzanie ciepła) czy optymalizacja kształtów tłoka i głowicy w celu lepszego zawirowania mieszanki w komorze spalania, a otrzymamy zupełnie nowy wizerunek „dolnozaworowca”. Mimo tych koniecznych, daleko idących modyfikacji i tak byłby on tańszy w produkcji niż silniki górnozaworowe, bo przecież większość wymienionych rozwiązań znajdziemy również w silnikach OHV, OHC czy DOHC.

Lotniczy wzorzec

Takie techniczne dywagacje, pokazujące, że powrót do silników dolnozaworowych mógłby mieć sens, tylko pozornie pozostają w teorii. Rzeczywiście nie znajdziemy „dolnozaworówców” w seryjnych samochodach czy motocyklach, ale jednostkowe przykłady współczesnych wersji silników SV znajdują zastosowania.
W Australii pasjonaci wyścigów motocyklowych rywalizują na torach, dosiadając maszyn z dawnymi, dolnozaworowymi silnikami Indiana, zmodyfikowanymi na współczesną modłę. Z kolei przykład bolidu Flatfire, którego silnik oparto na bloku dolnozaworowej jednostki Forda z 1946 r., pokazuje jak wielkie możliwości tkwią w „dolnozaworowcu”. Latem 2001 r. Flatfire pobił w Bonneville rekord prędkości, osiągając 295,305 mil/godz. Silnik miał turbodoładowanie, tłoki z kutego aluminium, aluminiowe głowice, tytanowe zawory, wtrysk paliwa, podwójny zapłon, indywidualne cewki zapłonowe dla każdej ze świec i wysokowydajny układ smarowania z suchą miską olejową.
Jeszcze ciekawszy jest przykład silnika D-motors LF-26, zaprojektowanego współcześnie dla niewielkich samolotów. To czterocylindrowy „bokser” o pojemności 2,7 l i mocy 90 KM przy 3500 obr/min (w wersji sześciocylindrowej – 125 KM). Osiąga maksymalny moment obrotowy 220 Nm przy 2500 obr/min. I to wszystko bez doładowania, jedynie przy udziale wtrysku paliwa, podwójnego zapłonu i chłodzenia cieczą. W LF-26 znajdziemy nawet motocyklowy akcent – dla podniesienia trwałości gładzie cylindrowe pokryto Nikasilem, tak jak silnikach sportowych motocykli, osiągających obroty rzędu 10 000-12 000 obr/min.
Historia pokazała już, jak bliskie są związki lotnictwa i motocyklizmu. Cóż zatem stoi na przeszkodzie, by wziąć przykład z lotników i zbudować dzisiaj silnik dolnozaworowy klasy 1,3-1,5 l o mocy 50-60 KM i maksymalnym momencie obrotowym 110-120 Nm? Taka prosta, tania, lekka, zwarta i trwała jednostka napędowa o niesamowitej wręcz elastyczności świetnie pasowałaby do dużego klasyka. A może również do innych motocykli, po odpowiednich modyfikacjach. Sprawa jest otwarta. Czy któryś z producentów jednośladów podejmie takie wyzwanie?