Mechaniczny mózg

Głowica stanowi najbardziej skomplikowany podzespół tłokowego silnika spalinowego, pracującego w cyklu czterosuwowym. Jest swego rodzaju centrum zarządzania, koordynującym proces przemiany energii chemicznej paliwa w energię mechaniczną, przekazywaną na koła jednośladu.
W niewielkiej przestrzeni trzeba umieścić dźwigienki zaworowe, zawory, prowadnice zaworów, świece zapłonowe, kanały cieczy chłodzącej, króćce ssące i wydechowe a w większości przypadków także wałek lub wałki rozrządu i elementy układów dopalania spalin. Mamy zatem do czynienia z trójwymiarową układanką, która musi bezawaryjnie pracować w trudnych warunkach termicznych a nierzadko także przy bardzo wysokich obrotach i służyć tak, by motocykl mógł pokonać dystans przynajmniej kilkudziesięciu tysięcy kilometrów. Nie ma drugiego tak poważnego wyzwania technologicznego.

Rosnąca komplikacja

W początkach motocyklizmu głowice nie były tak skomplikowane jak są obecnie. Początkowo, w układach dolnozaworowych, wyglądały podobnie jak w silnikach dwusuwowych. Były po prostu ożebrowanymi „czapkami”, zamykającymi cylindry od góry, przystosowanymi do chłodzenia powietrzem. Kiedy zawory odwrócono i wprowadzono do głowicy, wszystko się zmieniło. Trzeba było wykonać otwory dla zaworów, gniazda zaworowe, prowadnice, osie dźwigienek zaworowych a z czasem również mocowanie i łożyskowanie wałków rozrządu.
Złożone układy z czterema zaworami na cylinder i rozrządem popychaczowym powstały już w 1911 r. (Indian, Alcyon), a już dwa lata później pojawiły się dwa wałki w głowicy (Peugeot). Wówczas aż tak skomplikowane rozwiązania nie były normą, ale faktem jest, że z każdą dekadą konstruktorzy głowic stawali przed coraz większymi wyzwaniami.
Rozwój głowic silnikowych przechodził różne fazy. Do lat 60. królowały układy z dwoma zaworami na cylinder, potem coraz większą popularność zyskiwały układy z trzema i czterema zaworami. Od lat 90. cztery zawory na cylinder zaczęły dominować na rynku.

Zaworowa wyliczanka

W pogoni za coraz lepszymi osiągami starano się upchnąć w głowicy jak największą liczbę zaworów. W 1984 r. Yamaha pokazała rozwiązanie z pięcioma zaworami na cylinder w seryjnym wydaniu. 20-zaworowa głowica czterocylindrowej FZ 750 została uznana za techniczny majstersztyk. Wkrótce świat ujrzał motocykl z sześcioma zaworami w cylindrze (Romanelli-Ducati), ale tylko w fazie prototypu, a w 1992 r. wraz z premierą NR 750 zadebiutował układ ośmiu zaworów na cylinder! Tyle tylko, że udało się to osiągnąć dzięki owalnemu kształtowi cylindrów.
Producenci inwestujący w głowice wielozaworowe szybko przekonali się, że powyżej czterech zaworów na cylinder zyski na dynamice silnika są niewielkie, a wzrost kosztów produkcji ogromny. Zbytnie oszczędzanie jednak też nie popłaca, bo głowice z dwoma czy trzema zaworami na cylinder nie pozwalają uzyskać odpowiednio dobrej dynamiki silnika. Dlatego pozostają domeną jednostek napędowych o niewygórowanej mocy, nastawionych bardziej na wysoki moment obrotowy. Wśród produkowanych obecnie motocykli seryjnych o pojemności powyżej 125 ccm ponad 80% ma 4 zawory na cylinder, a zaledwie 17% dwa zawory. Reszta to jednostkowe przykłady układów trój- i pięciozaworowych.

Równolegle i radialnie

Nie tylko liczba zaworów, ich średnice i skoki decydują o przebiegu wymiany ładunku w komorze spalania. Zależy to również od sposobu rozmieszczenia zaworów w głowicy, rzutującego na kształt przestrzeni nad tłokiem.
Przy dwóch zaworach w cylindrze różnicować można kąt ich rozchylenia, przy trzech lub czterech także rozstawienie względem siebie. Inaczej będzie wyglądała komora spalania, gdy zawory zostaną ustawione równolegle w parze lub parach, a inaczej gdy radialnie. Wówczas każdy zawór ustawiony jest pod innym kątem w taki sposób, by „sklepienie” komory spalania było jak najbardziej zbliżone kształtem do wycinka kuli. Układ radialny jest bardziej skomplikowany i bardziej kłopotliwy w produkcji, ale dzięki niemu można uzyskać bardzo korzystną, równomierną formę przestrzeni nad tłokiem.
Kąty rozchylenia zaworów decydują o kształcie komory spalania, a w szerszym wymiarze również o gabarytach głowicy. Im mniejszy kąt rozchylenia, tym bardziej zwarta jest głowica. Zróżnicowane są też systemy wprawiania zaworów w ruch. Stosuje się rozwiązania pośrednie, z różnego rodzaju dźwigienkami (wahliwe, zabierakowe, pojedyncze, rozwidlone) oraz bezpośredni, w którym zawór poruszany jest krzywką wałka rozrządu poprzez krótki, szklankowy popychacz.

Rozrząd na miarę

Znacząca część komponentów rozrządu znajduje się w głowicy, ale wiele jest też poza nią, głównie tych związanych z napędem elementów, wprawiających w ruch zawory. Systemy napędu nie tylko doskonalono na przestrzeni lat, ale dopasowywano do konstrukcji silnika. Podstawowa klasyfikacja dzieli je na cztery grupy:
SV (side valve) – system z początków motocyklizmu, gdy stosowano silniki dolnozaworowe z zaworami montowanymi poza głowicą, w kanałach (ssącym i wydechowym), z trzonkami skierowanymi w dół. Wałek rozrządu osadzony był z boku bloku silnika i przekazywał napęd zaworom poprzez krótkie popychacze. Obecnie nie ma takich konstrukcji;
OHV (overhead valve) – system napędu zaworów dla silników górnozaworowych (zawory w głowicy, trzonki skierowane ku górze). Zaistniał w latach dwudziestych XX w. i jest stosowany do dzisiaj. Wałek rozrządu montowany jest w bloku silnika i poprzez długie popychacze oraz wahliwe dźwigienki uruchamia zawory. System jest stosunkowo tani, sprawdza się doskonale w silnikach widlastych, bo jeden wałek rozrządu „obsługuje” oba cylindry (lub bloki cylindrów). Może pracować w silnikach osiągających nawet 10 000 obr./min. Obecnie stosowany jest w ok. 13% produkowanych seryjnie motocykli powyżej 125 ccm;
OHC (overhead camshaft) – rozwiązanie z pojedynczym wałkiem rozrządu w głowicy, montowanym ponad wahliwymi dźwigienkami, poruszanymi przez krzywki wałka rozrządu i wymuszającymi ruch zaworów. Mutacją OHC jest system HC, w którym wałek rozrządu montowany jest pod dźwigienkami i wprawia je w ruch (w konsekwencji również zawory) poprzez dodatkowe, krótkie popychacze. System dużo sprawniejszy, ale droższy od OHV, pracujący bezproblemowo przy bardzo wysokich obrotach. Rynkowy udział tego rozwiązania wynosi ok. 20%.
DOHC (double overhead camshaft) – system z dwoma wałkami rozrządu w głowicy, w którym ruch zaworów wymuszany jest w sposób pośredni – poprzez dźwigienki – albo bezpośredni – przez wałki rozrządu i krótkie, szklankowe popychacze. Obecnie najsprawniejszy, seryjny układ rozrządu, najdroższy w produkcji i najpowszechniej stosowany w seryjnie produkowanych motocyklach o pojemności powyżej 125 ccm (ponad 65% rynku). Mutacją układu jest system TOHC (triple overhead camshaft) z trzema wałkami rozrządu w głowicy, wykorzystywany jedynie w motocyklach Horex.

Łańcuch trzyma się mocno

Niezależnie od systemu rozrządu, podstawą jego działania jest przekazanie napędu wałkowi lub wałkom rozrządu. W najprostszym układzie OHV sprawa jest stosunkowo prosta, bowiem wystarczy pojedyncza przekładnia zębata lub krótki łańcuch do przekazania napędu z wału korbowego na wałek rozrządu. Tak robiono to w dawnych konstrukcjach, tak robi się to również teraz.
W układach OHC lub DOHC dystans, na którym trzeba przekazać napęd, jest znacznie większy. W latach trzydziestych popularność zaczął zyskiwać wałek królewski, z dwoma zębatymi przekładniami kątowymi (przy wale korbowym i przy wałku rozrządu). Uzyskano w ten sposób bardzo dużą precyzję rozrządu, wysoką trwałość jego napędu i bezproblemową pracę nawet przy wysokich obrotach. Wałki królewskie stosowano między innymi w przedwojennych wyścigówkach BMW, sięgali po nie brytyjscy i włoscy producenci jeszcze w latach 60. Wysokie koszty produkcji i pracochłonność montażu nie pozwoliły jednak przetrwać temu pomysłowi. Obecnie znajdziemy je jedynie w Kawasaki W800.
Honda przez 20 lat, od 1982 r., produkowała modele z napędem rozrządu kołami zębatymi, ale w 2002 r. wycofała się z tego pomysłu. Próby czasu nie przetrwał też pasek zębaty, który w napędzie rozrządu Hondy Gold Wing pojawił się w 1980 r., a potem w Hondzie Pan European od 1990 r. Był niepewny (duże ryzyko pęknięcia) i mniej trwały od łańcucha. Teraz pasek znajdziemy jedynie w Ducati.
W napędzie wałków rozrządu w głowicy powszechnie zaczęto stosować tanie i proste w montażu łańcuchy rolkowe (mniejsze straty mechaniczne, ale większa hałaśliwość) i zębate (większe straty mechaniczne, ale mniejsza hałaśliwość). Łańcuch cieszy się dzisiaj największym wzięciem. I z pewnością prędko się to nie zmieni.