Dariusz DoboszSilnik motocykla, by działać wydajnie, potrzebuje tak dużo powietrza, że w drodze do cylindrów, przez układ ssący pędzi ono zwykle szybciej niż sama maszyna.
Na skróty:
Stwierdzenie, że tlen zawarty w powietrzu, wchodząc w silniku spalinowym w reakcję z paliwem wyzwala z niego energię, może się wydać banalne. Lecz jego konsekwencje prowadzą do wiedzy, która niejednego może zadziwić.
Benzyna, która zazwyczaj jest paliwem silników motocyklowych, już w drodze do przestrzeni ponad tłokiem, w formie aerozolu zaczyna się mieszać z powietrzem, będącym nośnikiem tlenu potrzebnego do jej spalenia i wyzwolenia energii. Jednak powietrze to mieszanina gazów, w której tlen stanowi tylko 21%. By uzyskać optymalną mieszankę paliwowo-powietrzną, która wyzwoli maksymalną ilość energii, na każdy kilogram paliwa trzeba dostarczyć aż 14,75 kg powietrza. To 12,3 m3, ponieważ jeden metr sześcienny powietrza waży 1,2 kg.
To naprawdę skomplikowane!
Żeby jeszcze lepiej uświadomić sobie, o jakiej skali problemu mówimy, musimy wiedzieć, że silnik o pojemności jednego litra przy 12 000 obr/min pobiera 6000 litrów powietrza na minutę. W każdej sekundzie trafia do niego 100 litrów powietrza, przeciskającego się w niewielkiej przestrzeni kanałów dolotowych! W najwęższym miejscu mają one przecież zaledwie 30-40 mm. To poważne wyzwanie dla układu ssącego. Średnie prędkości gazu w kanałach mogą przekraczać nawet 150 km/h. W takich warunkach problemem są nie tylko opory przepływu, ale również hałas. Sprawa dodatkowo się komplikuje, bo w grę wchodzą też zjawiska falowe.
W pierwszych konstrukcjach motocyklowych procesem zasysania powietrza do cylindrów nie bardzo się przejmowano. Nie myślano nawet o filtrze powietrza, a układ ssący kończył się na gaźniku. Jeszcze w latach pięćdziesiątych było to popularne rozwiązanie.
Niektóre firmy, widząc jak destrukcyjny wpływ na silnik ma pył unoszony z dróg, zanieczyszczenia czy woda deszczowa, zaczęły montować na końcówce gaźnika filtr. Lata sześćdziesiąte przyniosły nowe rozwiązania, w których układ ssący zyskał wreszcie szczelność. Gaźnik łączono elastycznym lub sztywnym przewodem ze specjalną obudową, w której montowano filtr powietrza.
Niektórzy wpadli na to wcześniej, mając na względzie niezwykle trudne warunki eksploatacji swoich maszyn. Tak było z BMW Sahara, jeżdżącym na frontach drugiej wojny światowej. Szczelna zabudowa układu ssącego zabezpieczała silnik przed wtargnięcie do cylindrów pustynnego piasku czy dostaniem się doń wody. Ale ani inżynierowie BMW w latach trzydziestych, ani twórcy powojennych konstrukcji nie brali pod uwagę tego, co później okazało się równie ważne, jak odizolowanie dolotu od zanieczyszczeń.
Pogromcy hałasu
Przy pracującym silniku dolot kończący się na gaźniku jest bardzo głośny. Połączenie gaźnika z jakimkolwiek rodzajem skrzynki czy puszki, dodatkowo skrywającej w swym wnętrzu filtr powietrza, pozwoliło częściowo wygłuszyć odgłosy zasysania powietrza do cylindrów. Taki „pojemnik” stał się czymś w rodzaju rezonatora, fachowo nazywanego tłumikiem szmerów ssania, pozwalającego rozproszyć fale dźwiękowe.
Nie zawsze konieczny był montaż jakiegoś specjalnego, dodatkowego elementu. Niektórzy producenci w pomysłowy sposób wykorzystywali do tych celów ramę. Szczelne zabudowanie układu ssącego przyczyniło się zatem nie tylko do zabezpieczenia silnika przed szkodliwymi czynnikami, ale również podwyższyło komfort jazdy, obniżając poziom hałasu.
W latach siedemdziesiątych, gdy w Stanach Zjednoczonych pojawiły się pierwsze, bardzo restrykcyjne normy hałasu dla motocykli, wytłumianie hałasu związanego z zasysaniem powietrza stało się jednym z priorytetów. W tamtych latach specjalnie zaprojektowane obudowy filtra powietrza, połączone przewodem lub przewodami z gaźnikami, stały się powszechnie stosowanym rozwiązaniem.
Zjawiska falowe
Skąd właściwie bierze się problem hałasu w układzie ssącym i dlaczego jest on aż tak poważny? Mogłoby się wydawać, że wynika on z dużej prędkości przepływu przewodami o małej średnicy. Z codziennego życia wiemy przecież, że przy szybkim ruchu powietrza w małych szczelinach powstaje coś w rodzaju gwizdu lub świstu. Ale w układzie ssącym silnika spalinowego w grę wchodzi jeszcze coś innego? Zjawiska falowe.
Gdy powietrze jest zasysane do cylindra, w układzie ssącym tworzy się podciśnienie. Gdy zawór lub zawory dolotowe zamykają się, strumień powietrza zostaje wyhamowany, dążąc do osiągnięcia ciśnienia atmosferycznego. Powstają na przemian impulsy niższego i wyższego ciśnienia, czego konsekwencją jest fala dźwięku. W zależności od typu i pojemności skokowej silnika może mieć ona różne nasilenie.
Przechwycić falę
Zwykła, niewielka obudowa filtra powietrza, umieszczona gdzieś w zakamarkach ramy, pozwalała jedynie wytłumić fale dźwiękowe, tworząc coś na kształt powietrznego kondensatora sprzyjającego wyrównywaniu ciśnień. Proces ten nie był jednak w żaden sposób kontrolowany i służył jedynie wytłumieniu hałasu.
Inżynierowie zajęli się w końcu zjawiskami falowymi w układzie ssącym, wykorzystując je do poprawy dynamiki silnika. Stało się to dopiero w latach dziewięćdziesiątych, gdy wydajne komputery umożliwiły ich precyzyjną analizę, a także pomogły projektować skomplikowane elementy magistrali dostarczającej silnikowi powietrza.
Jej zasadniczym elementem jest komora powietrzna – „airbox”, charakteryzująca się odpowiednią, dokładnie wyliczoną pojemnością. W jej wnętrzu montowany jest filtr powietrza, a w razie potrzeby również odpowiednie przegrody. Oprócz pojemności komory powietrznej istotna jest też długość całego układu. Całość musi tworzyć precyzyjny system, który w odpowiedni sposób będzie sterował powstającymi w dolocie impulsami ciśnienia. W dużym uproszczeniu chodzi o to, by zjawiska falowe nie wyhamowywały strumienia powietrza zasysanego przez silnik, ale pomagały gazom dostać się do komór spalania w jak najbardziej równomierny sposób.
Zupełnie jak huśtawka…
Działanie airboksu i przewodów powietrznych o odpowiedniej długości można porównać do huśtawki. Gdy jest rozbujana, to do utrzymywania jej w ruchu wystarczy przykładać nawet niewielką siłę, ale w odpowiednim kierunku. Jeśli będziemy przykładać nawet bardzo dużą siłę, ale w nieodpowiednim momencie, to huśtawkę wyhamujemy, zamiast utrzymywać ją w ruchu.
Początkowo komory powietrzne, skomplikowane od strony obliczeniowej, były elementami prostymi technologicznie. Ale konstruktorzy wciąż szukają rezerw w dynamice silników i wprowadzają nowe rozwiązania, takie jak np. zmienna długość kanałów dolotowych. Tego rodzaju system pozwala jeszcze precyzyjniej sterować zjawiskami falowymi, uzależniając długość układu ssącego od aktualnych obrotów silnika. Efektem jest bardziej równomierna charakterystyka momentu obrotowego.
Zmienna długość kanałów dolotowych stawia jednak przed technikami nowe wyzwania. Potrzebna jest bardziej zaawansowana elektronika zarządzająca silnikiem czy większa stabilność kształtów elementów z tworzyw sztucznych. Zachowanie stabilności kształtu ma ogromny wpływ na precyzję sterowania kanałami o zmiennej długości.
Rozwiązania technologiczne
W przypadku BMW współpraca z koncernem chemicznym BASF zaowocowała zupełnie nowym rozwiązaniem, przejętym z sektora samochodowego. Na potrzeby sportowego modelu S 1000RR airbox wykonano z bardzo stabilnego wymiarowo poliamidu Ultramid B3WGM24HP.
Odpowiedni dobór tworzywa sztucznego jest również bardzo istotny ze względu na proces zgrzewania airboksu, ponieważ przestrzeń dostępna dla instalacji zgrzewającej jest bardzo mała. Ważne jest też, że nowe materiały, dzięki dodatkom mineralnym skuteczniej tłumią hałas. Z kolei airbox modelu K 1600 ma wmontowaną sterowaną elektronicznie, centralną przepustnicę. Zmienia ona przepływ powietrza w taki sposób, jakby cały układ ssący podlegał wydłużaniu lub skracaniu.
Rozbudowane komory powietrzne to domena motocykli sportowych i sportowo-turystycznych. Pozwalają zyskać kilka koni mechanicznych, dlatego warto w nie zainwestować. W jednośladach, w których moc maksymalna nie liczy się tak bardzo oraz w niższych klasach motocykli obudowy filtra powietrza wciąż pełnia rolę wyciszającą i ochronną.