Dariusz DoboszSterowanie rozrządem, powszechne w silnikach samochodowych, bardzo wolno wkracza do motocykli. Ale wkrótce może się to zmienić.
Tłokowe silniki spalinowe są maszynami dalekimi od doskonałości. Ogromna część energii, dostarczana im podczas pracy w postaci paliwa, jest bezpowrotnie tracona. Trzeba jednak przyznać, że na przestrzeni ostatnich 40 lat praca konstruktorów zaowocowała znacznym podniesieniem efektywności takich silników, powszechnie stosowanych w samochodach i motocyklach. O ile w latach siedemdziesiątych ogólna sprawność tłokowych silników spalinowych nie przekraczała 20%, to obecnie wynosi nawet 39% dla jednostek benzynowych i 42% dla turbodiesli. To zasługa szeregu rozwiązań, systemów i dodatkowych elementów, wprowadzonych do silników dla optymalizacji procesów napełniania cylindrów i spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, redukowania zużycia paliwa i zmniejszania oporów tarcia.
W powodzi technicznych innowacji ostatnich lat jedno z ważniejszych miejsc zajmuje układ zmiennych faz rozrządu, będący już standardem w samochodach. Przyczynia się on do obniżenia zużycia paliwa i emisji spalin, a przy okazji poprawia dynamikę silnika. Zmienia też jego charakterystykę. Z punktu widzenia codziennej eksploatacji staje się ona korzystniejsza ze względu na szerszy zakres obrotów użytkowych. Silnik ze zmiennymi fazami rozrządu jest żwawszy, elastyczniejszy, oszczędniejszy i ?czystszy?.
Na skróty:
Pionierskie projekty
W silnikach motocyklowych układ zmiennych faz rozrządu to rzadkość. Po raz pierwszy w wydaniu seryjnym pojawił się podczas Tokio Motor Show 1991, gdy Suzuki zademonstrowało model Bandit VC 400. W tym rozwiązaniu zmieniane były zarówno fazy rozrządu, jak i skok zaworów. Mocowane mimośrodowo dźwigienki mogły współpracować z krzywkami o różnych profilach. Do zmiany zestawu krzywek wystarczył obrót osi dźwigienek. Sterowanie odbywało się poprzez zawór elektromagnetyczny w układzie smarowania głowicy cylindrów. Układ hydrauliczny w odpowiednim momencie przesuwał zębatkową listwę, współpracującą z osiami dźwigienek zaworowych.
Suzuki deklarowało, że układ VC podwyższa wartość momentu obrotowego w zakresie niskich obrotów o 15%. W 1992 r. miały pojawić się kolejne modele z systemem VC, ale na zapowiedziach się skończyło. Bandit VC 400 sprzedawany był tylko w Japonii, nie zyskując większej popularności.
Koncepcja wróciła pod koniec 2003?r., ale tylko jako projekt. Zakładał on, że w modelu SV 1000 krzywki na wałkach rozrządu będą stożkowe. Elektronika sterująca całością miała zarządzać nie tylko zmianami w rozrządzie, ale również przepustnicą w kanale ssącym, zapobiegając utratom ciśnienia między nią a zaworami ssącymi. Z kolei dzięki mniejszemu kątowi współotwarcia zaworów przy małym obciążeniu silnika, zużycie paliwa miało być mniejsze, a spaliny miały zawierać mniej szkodliwych substancji. Skończyło się na planach. Za to pod koniec 2005 r. Suzuki pokazało jednocylindrowca z podobnym rozwiązaniem, ale pracującego w obiegu Millera (dwie fazy sprężania). Projekt do dzisiaj nie znalazł seryjnego zastosowania.
Dwie natury
Z systemem zmieniającym parametry rozrządu podczas pracy silnika zmierzyła się również Honda, mająca w tej kwestii bogate doświadczenie. W swoich samochodach stosuje takie rozwiązania od trzydziestu lat. W 2002 r. rozpoczęła produkcję modelu VFR z bardzo prostym układem. Jego działanie polegało w ogólnym zarysie na uruchamianiu dwóch lub czterech zaworów w każdym cylindrze w zależności od obrotów silnika. Niewielki mechanizm hydrauliczny, umieszczony w popychaczu zaworowym, umożliwia aktywowanie lub luzowanie zaworu: albo jest on naciskany przez krzywkę i otwiera się, albo nie reaguje na jej ruchy i pozostaje zamknięty. Mechanizm umieszczony jest w jednym zaworze ssącym i jednym wydechowym przy każdym z cylindrów. Pozostałe zawory cały czas pracują.
W efekcie do 6800 obr/min otwierają się i zamykają tylko dwa zawory w każdym cylindrze. Dwa pozostałe są zamknięte. Powyżej tej granicy pracują wszystkie zawory. Uzyskano, podobnie jak w samochodach Hondy, dwie natury silnika: pierwsza (w niższym zakresie obrotów) – o dużej elastyczności, typowej dla silników z dwoma zaworami na cylinder; druga pojawia się przy dużym zapotrzebowaniu na moc (czyli przy wyższych obrotach). Jednostka napędowa zyskuje wigor typowy dla silników z czterema zaworami na cylinder.
Prostota rozwiązania jest zdumiewająca. Nie ma w nim żadnego sterownika ani elementów mechanicznych komplikujących konstrukcję. Wykorzystuje się naturalny wzrost ciśnienia oleju w silniku, wywołany wzrostem szybkości obrotowej. Ale prawdą jest też, że system jest mało finezyjny i nie działa płynnie. Nie potrafi optymalizować faz rozrządu w całym zakresie obrotów. Przede wszystkim nie ma żadnego wpływu na kąt współotwarcia zaworów, który dla zapewnienia jak najlepszego składu mieszanki w cylindrze powinien być krótki przy niskich, a długi przy wysokich obrotach. Jak w każdym silniku bez systemu zmiennych faz rozrządu, kąt współotwarcia zaworów ma w Hondzie VFR stałą wartość, będącą wynikiem kompromisu przyjętego przez konstruktorów.
Taniec krzywek
W 2007 r. zadebiutował Kawasaki GTR 1400, kolejny motocykl ze zmiennymi fazami rozrządu. I w tym przypadku, podobnie jak w Hondzie, wykorzystano rozwiązanie stosowane w silnikach samochodowych. Postawiono jednak na system bardziej zaawansowany, o nazwie VVT.
Wałek rozrządu uruchamiający zawory ssące jest tak zbudowany, że zestaw osadzonych na nim krzywek może być przestawiany obrotowo w zakresie 24 stopni. Za obracanie tej części wałka odpowiada specjalny wirnik w szczelnej obudowie, zwany powszechnie wariatorem i osadzony na prawej końcówce wałka rozrządu. Ruch wirnika wymuszony zostaje przez olej silnikowy, wprowadzany pod ciśnieniem między wirnik a obudowę po otwarciu zaworu elektromagnetycznego. Taki zawór znajduje się w instalacji hydraulicznej systemu zmiennych faz rozrządu. Zawór otwiera się po otrzymaniu sygnału z komputera sterującego silnikiem (ECU). Wysyłając sygnał do zaworu, sterownik bierze pod uwagę nie tylko aktualne obroty silnika, ale również kąt otwarcia przepustnicy.
System zastosowany przez Kawasaki pozwala uzyskać wysokie wartości momentu obrotowego w zakresie niskich i średnich obrotów silnika oraz wysoką moc maksymalną przy dużych prędkościach obrotowych. Robi zatem to samo, co rozwiązanie Hondy, ale dużo inteligentniej. Ma bowiem wpływ na optymalizację kąta współotwarcia zaworów ssących w zależności od obrotów, co pozwala uzyskiwać lepszy skład mieszanki paliwowo-powietrznej w całym zakresie obrotowym silnika. A to skutkuje zmniejszeniem zużycia paliwa i redukcją emisji szkodliwych substancji w spalinach. Kawasaki VVT nie ma jednak możliwości pełnego sterowania fazami rozrządu, bowiem montowany jest tylko na jednym z dwóch wałków, tym, który steruje zaworami ssącymi.
Pełna regulacja
Najbardziej zaawansowany, a jednocześnie pierwszy na świecie system zmiennych faz rozrządu w motocyklu, obejmujący zarówno ssące, jak i wydechowe wałki rozrządu, wprowadziło właśnie Ducati. W silniku Testastretta DVT (V2, 1198 ccm) wariatory przestawiają krzywki na czterech wałkach rozrządu, dostosowując ich pozycję do aktualnych warunków pracy.
System działa podobnie jak w Kawasaki GTR 1400, ale jest sprawniejszy i efektywniejszy. Oprócz bardzo płynnej pracy dwucylindrowca, zwiększenia jego elastyczności, poprawy charakterystyki, podniesienia maksymalnego momentu obrotowego i mocy maksymalnej, udało się uzyskać również obniżenie poziomu hałasu generowanego przez jednostkę napędową i redukcję zużycia paliwa. Dodajmy, że nowy dwucylindrowiec spełnia wymagania normy czystości spalin Euro 4, która wejdzie w życie dla nowo homologowanych motocykli od 1 stycznia 2016 r.
Konkrety wyrażone liczbami to wzrost mocy maksymalnej o 10 KM, podniesienie maksymalnego momentu obrotowego o 11 Nm i obniżenie zużycia paliwa o 8%. Istotne jest również, że już przy 3500 obr/min kierowca ma do dyspozycji moment obrotowy o wartości 80 Nm, a między 5750 obr/min i 9500 obr/min – ponad 100 Nm. Maksymalna wartość pojawia się przy 7500 obr/min i wynosi 136 Nm.
Wprowadzeniu zmiennych faz rozrządu towarzyszyły niewielkie modyfikacje silnika. Wartość stopnia sprężania podniesiono o 1 (do 12,5:1), a wtryskiwacze ustawiono pod innym kątem. Dodajmy, że system zmiennych faz rozrządu to nie tylko zalety. Dodatkowe elementy to większa masa, komplikacja silnika, wzrost kosztów produkcji, wyższa cena motocykla i zwiększone ryzyko awarii.
Rachunek za postęp
Zmienne parametry rozrządu to wciąż rzadkość w motocyklach. Mamy jak na razie cztery przykłady takich rozwiązań, z których tylko trzy pozostają w produkcji seryjnej. Ale być może jesteśmy właśnie świadkami wprowadzania do jednośladów istotnych zmian konstrukcyjnych, służących nie tyle podnoszeniu dynamiki, co zmniejszeniu zużycia paliwa i toksyczności spalin. Spełnienie wymagań norm czystości spalin Euro 4, zbliżającej się wielkimi krokami i będącej sporym wyzwaniem dla producentów jednośladów, może być trudne bez poważnych modyfikacji jednostek napędowych.
Nie tylko przykład Ducati pokazuje, jak daleko idące mogą to być zmiany. Nad systemem zmiennych faz rozrządu pracuje już BMW, a Kawasaki ma już silnik doładowany. Być może czeka nas w najbliższym czasie wysyp ciekawych rozwiązań, które wprowadzą technikę motocyklową na jeszcze wyższy poziom. Z jednej strony można się z tego cieszyć, bo jednoślady będą przyjemniejsze w użytkowaniu, oszczędniejsze i bardziej ekologiczne, z drugiej jednak trzeba się liczyć ze wzrostem cen, bo rachunek za postęp technologiczny zawsze dostają nabywcy motocykli.
