Single w odwrocie

Historia silników jednocylindrowych jest tak długa jak historia jednośladów. Pierwszy pojazd oficjalnie uznany za motocykl, czyli „Einspur” Gottlieba Daimlera z 1885 r., miał przecież tylko jeden cylinder o pojemności skokowej 264 ccm, generujący wysoką jak na owe czasy moc 0,5 KM. Tyle potrafił wydobyć wówczas z jednocylindrowca jego twórca, współpracujący z Wilhelmem Maybachem. Kilka lat później pojawił się dwucylindrowy silnik widlasty tego samego konstruktora i uznany został za znacznie lepszy wynalazek niż poprzednia jednostka napędowa. Ale silnik jednocylindrowy nie trafił do lamusa. Oprócz wad miał bowiem cechy budzące zainteresowanie producentów motocykli. Przede wszystkim był lekki i miał mniej elementów niż konstrukcje wielocylindrowe. Zgodnie z dewizą „czego nie ma – to się nie psuje” uznawano go za bardziej niezawodny. Małe wymiary zewnętrzne i niskie koszty produkcji czyniły go wręcz idealnym dla motocykli, zwłaszcza tych najbardziej popularnych. Zalety jednocylindrowców traciły powoli na znaczeniu zarówno dla producentów jednośladów jak i klientów. Sukcesywnie zmieniały się wymagania nabywców, a w ślad za nimi struktura rynku. Dzisiaj jednocylindrowce stanowią zaledwie 10 % oferty w klasach powyżej 125 ccm. A jeszcze w 1962 r. stanowiły 85 % światowej produkcji.

Angielska religia

Za największych zwolenników jednocylindrowych jednostek napędowych trzeba uznać Brytyjczyków. Jednocylindrowce kojarzą się przede wszystkim właśnie z nimi i stały się swego czasu swoistą motocyklową religią Anglików. Pierwszy Triumph z tego typu silnikiem powstał w 1902 r., równie długą tradycję mają firmy BSA, AJS i Norton. Szczególnie ta ostatnia wytwórnia zasłynęła seryjnym modelem Manx z jednocylindrowym silnikiem o pojemności skokowej 500 ccm. Już w 1927 r. przekroczył magiczną granicę 100 km/h i uzyskał prędkość 161 km/h. Redakcja brytyjskiego czasopisma „The Motor Cycle” ufundowała nagrodę dla jednośladu klasy 500 ccm o liczbie cylindrów większej niż jeden, który uzyska lepszy wynik. W 1931 r. tuner Bill Lacey na jednocylindrowym Nortonie 500 podniósł poprzeczkę do granicy 178 km/h. Co prawda w 1934 r. New Imperial z widlastym silnikiem V2 był szybszy o 4 km/h, ale do jego napędu używano specjalnego, wyczynowego paliwa, znacznie lepszego od powszechnie dostępnego w handlu. A chodziło przecież o zwykły, seryjny jednoślad wykorzystujący zwykłą benzynę z ówczesnych stacji benzynowych. Ciekawe jednocylindrowce produkowały również inne firmy: Rudge, Panther, Matchless i Ariel w Anglii, Gillet i Sardea w Belgii, Horex i NSU w Niemczech. Wiele konstrukcji miało w napędzie wałków rozrządu niezawodne i precyzyjne, ale bardzo drogie w produkcji wałki królewskie. Nie wolno zapominać o polskim wkładzie w jednostki napędowe zwane potocznie „singlami”. Jednocylindrowy, bardzo udany Sokół 600 RT powstał już w 1935 r.

Lata świetności

Po II wojnie światowej zainteresowanie silnikami jednocylindrowymi na Starym Kontynencie znacznie wzrosło. Szczególnie tymi o dwusuwowym cyklu pracy. W zniszczonej Europie liczyła się przede wszystkim prostota konstrukcji, pozwalająca obniżyć koszty produkcji i gwarantująca dużą niezawodność. W latach 40. i 50. XX w. nie można było liczyć na sieć serwisów i specjalistyczne warsztaty. Naprawy przeprowadzano w prymitywnych warunkach, a dystrybucja części zamiennych pozostawiała wiele do życzenia. Kiedy Europa dźwigała się z wojennych ruin i prowadziła odbudowę swojego przemysłu motocyklowego, proste jednocylindrowce świetnie się sprawdzały. Czterosuwowe jednocylindrowce zaczęły wracać do łask dopiero w latach 50. ubiegłego stulecia. W tej dziedzinie znowu brylowali Anglicy, ale tym razem musieli zmagać się ze znacznie silniejszą konkurencją. Byli to głównie włoscy wytwórcy (Gilera, MV Agusta, Ducati), którzy podobnie jak Anglicy postawili na czterosuwowe „single”. Ta moda zataczała coraz szersze kręgi. Ulegli jej nawet Hiszpanie. Sanglas podjął produkcję jednotłokowego modelu 400, a w fazie prototypu był nawet jednocylindrowy Sanglas 750 (średnica cylindra 120 mm, skok tłoka 66 mm). Hiszpańską firmę wraz z zakładem produkcyjnym przejęła Yamaha, rozpoczynając w niej produkcję własnych jednostek napędowych. Yamaha stworzyła zupełnie nowe pole rozwoju dla jednocylindrowych motocykli, wprowadzając do sprzedaży w 1976 r. enduro XT 500. W czasach świetności jednocylindrowców „single” produkowały nawet tak konserwatywne firmy jak włoskie Moto Guzzi i amerykański Harley-Davidson, kojarzące się przede wszystkim z widlastymi silnikami o dużej pojemności skokowej.

Festiwal wad

Silniki jednocylindrowe bardzo straciły na popularności w ostatnich 20 latach i proces ten będzie z pewnością postępował. Przynajmniej w klasie średniej i wyższej, chociaż pewnie nie tak dynamicznie jak do tej pory. W niższych segmentach, do 125 ccm, jednocylindrowce wciąż są niezagrożone (96 % oferty). Podobnie jak w niektórych sportach (cross, enduro), głównie ze względu na małą masę i niewielkie gabaryty. W motorowerach, skuterach czy małych motocyklach nie ma miejsca na wielocylindrowe jednostki. Liczby cylindrów pilnują też księgowi, bo każde wyjście ponad jeden tłok wyraźnie podnosi koszty produkcji. Zupełnie inaczej wygląda to w większych jednośladach. Zalety jednego cylindra bledną w obliczu jego wad. Jednocylindrowce mają tendencję do „szarpania”, gdy na wysokim biegu obroty silnika są zbyt niskie. Kiepsko wypadają też ich moc jednostkowa, bo sprawność procesów spalania jest w nich najgorsza. Wynika to z faktu, że przy tej samej pojemności skokowej średnica pojedynczego cylindra jest zawsze większa niż jednego z dwóch, trzech czy czterech cylindrów. Dłużej trwa zatem napełnianie przestrzeni nad tłokiem mieszanką paliwowo-powietrzną oraz jej spalanie. Poważnym problemem są również wibracje, mocno obniżające ceniony coraz bardziej komfort jazdy. Drgania to zmora jednocylindrowych jednostek napędowych, trudna do poskromienia i wręcz niemożliwa w praktyce do całkowitego wyeliminowania. Winę ponosi kinematyka układu korbowego.

Motocyklowy skansen

W doskonalenie jednocylindrowców włożono wiele wysiłków. Jednak w utrzymaniu ich dominacji nie pomogło ani powszechne zastosowanie rozrządu DOHC z czterema zaworami na cylinder, ani technologia pięciozaworowa, ani superlekkie tłoki typu „slipper”, ani podwójny zapłon, usprawniający przebieg procesów nad tłokiem. Dwusuwowe „single” poległy od norm czystości spalin, czterosuwowe powoli stają się marginesem ze względów technicznych. Nawet doświadczenia sportowe, które zawsze popychają technologię do przodu i pozwalają doskonalić konstrukcje seryjne także straciły na znaczeniu. Znana swego czasu seria wyścigów „Sound Of Singles” (zwane SOS) nie wyznacza już horyzontów motocyklowym konstruktorom tak jak w latach 90. XX w. O zawodach najwyższej rangi lepiej w ogóle nie wspominać. Ostatni sukces jednocylindrowca w wyścigach Grand Prix klasy 500 ccm odnotował Jack Findlay prowadzący Matchlessa w 1968 r. „Single” wciąż sprawdzają się jeszcze w sportach terenowych, gdzie często łatwość prowadzenia liczy się bardziej niż osiągi. Jednak przy większych pojemnościach, w rajdach długodystansowych, ich udział sukcesywnie maleje. Czy to oznacza, że jednocylindrowe silniki zupełnie znikną z rynku? Chyba nie, bo każda z konstrukcji ma przecież swoje zastosowanie. Taniego i lekkiego źródła napędu wciąż będą potrzebowały małe motocykle klasy 125 czy 250 ccm, skutery, motorowery, quady. I chociaż wielu fanów jednośladów już dzisiaj postrzega jednocylindrówki jak motocyklowy skansen, bo taki rodzaj silnika rzadko już budzi emocje, to jednak „single” wciąż będą miały swoje miejsce na rynku.

Drgający problem

Zadaniem układu korbowego jest zamiana postępowo  zwrotnego ruchu tłoka na ruch obrotowy wału głównego. Niektóre z części tego układu wykonują ruch postępowozwrotny, inne zaś ruch obrotowy albo oba ruchy (korbowód). W układzie korbowym działają dwie grupy sił okresowo zmiennych  siły gazowe, tworzone przez ciśnienie działające na denko tłoka podczas suwu pracy, oraz siły bezwładności, czyli siły masowe, powstające w wyniku przyspieszania i opóźniania ruchu mas w układzie korbowym. Siły gazowe zmniejszają swą wartość zgodnie z przebiegiem pracy silnika proporcjonalnie do chwilowej wartości ciśnienia w cylindrze silnika. Siły bezwładności związane są z ruchem układu korbowego, a ich wartości są zależne od częstotliwości obrotów silnika, wartości mas wykonujących ruchy oraz od promienia wykorbienia i długości korbowodu. To one mają największy udział w tworzeniu drgań.

Tłok ze sworzniem, pierścieniami i korbowodem są stale przyspieszane i hamowane, a  ich prędkość w zwrotnych położeniach równa się zeru. Maksimum prędkości tłoka nie występuje jednak dokładnie w środku między położeniami zwrotnymi, lecz w punkcie przesuniętym nieco w kierunku górnego martwego punktu tłoka (GMP). Na wykorbienie wału głównego działają jednocześnie siły ciśnienia gazów i siły bezwładności. Siły te zmieniają się okresowo, przy czym okresy zmian tych sił nie są jednakowe (okres zmian sił bezwładności to 360 , zaś ciśnienia 720 w czterosuwach i 360 w dwusuwach). Działająca na tłok siła wypadkowa jest sumą sił bezwładności mas znajdujących się w ruchu postępowo  zwrotnym oraz siły ciśnienia gazów. Jeśli nie wprowadzi się dodatkowych elementów, to w silniku jednocylindrowym pozostaną niezrównoważone siły: odśrodkowa, wywołana obrotem mas wału korbowego i korbowodu, skierowana zawsze wzdłuż ramienia wykorbienia (przenosi się ona przez blok silnika na punkty mocowania i wywołuje drgania pojazdu), oraz siła bezwładności pierwszego rzędu mas będących w ruchu postępowo  zwrotnym, działająca zawsze wzdłuż osi cylindra i okresowo zmienna co do wartości i zwrotu. Okres zmienności tej siły wynosi 360 . Powoduje ona drgania silnika w płaszczyźnie osi cylindrów.

Trzecią z sił nazywa się siłą bezwładności drugiego rzędu mas będących w ruchu postępowo zwrotnym. Wykazuje ona identyczne cechy jak jej poprzedniczka, ale okres zmienności w tym przypadku wynosi 180 . Występuje również moment reakcji, równy chwilowej wartości momentu obrotowego silnika, lecz ma on przeciwny zwrot. Działa w płaszczyźnie prostopadłej do osi wału korbowego. Moment ten, zmienny co do wartości i zwrotu, powoduje drgania silnika w płaszczyźnie swojego działania. Największe z niewyrównoważonych sił są siły odśrodkowe, po nich następują siły masowe pierwszego rzędu i siły masowe drugiego rzędu. By zniwelować drgania, wywołane niezrównoważonymi siłami, trzeba sięgnąć po dodatkowe elementy. Najprostszy sposób to umieszczenie na wale korbowym odpowiednich przeciwciężarów. W praktyce konstruktorów zadowala całkowite wyrównoważenie sił odśrodkowych oraz częściowe sił masowych pierwszego rzędu. Siłę odśrodkową można zrównoważyć poprzez umieszczenie na przedłużeniu ramion wykorbienia dwóch równych przeciwciężarów o precyzyjnie wyliczonej masie.

Wyrównoważenie sił bezwładności mas wykonujących ruch postępowo zwrotny stanowi znacznie trudniejsze zadanie. Siły bezwładności pierwszego rzędu wyrównoważa się zazwyczaj w połowie, również dzięki przeciwciężarom na przedłużeniu ramion wykorbienia. Wyrównoważenie sił bezwładności drugiego rzędu w silniku jednocylindrowym nie jest możliwe nawet częściowo. Silnik taki jest zatem układem źle wyrównoważonym, charakteryzującym się niespokojną pracą. Wymaga korpusu o solidnej konstrukcji, szczególnie w punktach mocowania do ramy. Istnieje jednak możliwość całkowitego wyrównoważenia w silniku jednocylindrowym sił bezwładności pierwszego i drugiego rzędu. Można to uzyskać przy pomocy skomplikowanego układu dodatkowych, wirujących ciężarów, zwanego układem TayloraLanchestera. W praktyce oznacza to konieczność zastosowania dwóch wałków wyrównoważających, co komplikuje konstrukcję, podwyższa masę i podnosi cenę silnika.