Napęd zaworów. Zaworowy zawrót głowy

Układ OHV (Over Head Valve), w którym wałek rozrządu znajduje się w bloku silnika, a zawory na górze głowicy, obecnie stosowany jest głównie w motorach o układzie widlastym (niektóre modele Moto Guzzi czy Harley-Davidsona) czy wielkim bokserze BMW R 18. Rozwiązanie to albo wywodzi się ze starych czasów, albo jest nawiązaniem do nich, jak ma to miejsce w przypadku BMW. Większość fabrycznych motocykli ma układ OHC (Over Head Camshaft) albo DOHC (Double Over Head Camshaft), w których wałek lub wałki rozrządu umiejscowiono w głowicy. Droga między krzywkami a zaworami jest skrócona do minimum. Liczy się prostota konstrukcji i niska masa elementów ruchomych (zaworów, popychaczy szklankowych, dźwigienek, sprężyn itp.).

DOHC i popychacze szklankowe

Większość współczesnych silników motocyklowych ma więc układ OHC lub DOHC. Samo umieszczenie wałka nie determinuje jednak sposobu, w jaki dochodzi do wciśnięcia zaworu za pomocą krzywki. Zacznijmy od konstrukcji najmniej skomplikowanej, a jednocześnie bardzo popularnej we współczesnych silnikach motocyklowych, szczególnie wielocylindrowych. Mowa układzie DOHC z zestawem popychaczy szklankowych. Ich nazwa nie jest przypadkowa, gdyż wyglądem przypominają szklankę założoną na trzonek zaworu.

Rozwiązanie to ma wiele zalet – trzeba podkreślić dobre smarowanie styku krzywki wałka z powierzchnią popychacza szklankowego. Liczbę części ruchomych ograniczono do minimum, w bardzo prosty sposób rozwiązano także kwestię regulacji luzów zaworowych. Odbywa się to za pośrednictwem płytek umieszczonych na szklance (tak ma np. popularna przed laty Yamaha XJ 600 Diversion) lub pod szklanką (malutką płytkę umieszcza się bezpośrednio na trzonku zaworu, pod popychaczem szklankowym. Przykładem ze stajni Yamahy może być YZF-R1, w której stosowano 4 lub 5 zaworów na cylinder).

Aprilia RSV4 ma układ DOHC z krzywkami pracującymi bezpośrednio na szklankowych popychaczach. To bardzo popularne rozwiązanie

Pierwsze rozwiązanie jest już rzadko spotykane, za to płytki umieszczone pod szklankami ma większość mocnych motocykli sportowych. Zalety takiej konstrukcji to niska masa elementów ruchomych i bardzo duża trwałość. W niektórych konstrukcjach kontrolę luzów zaworowych robi się co 40 tys. km. Bardzo często serwis ogranicza się tylko do inspekcji!

Rozwiązanie to ma jednak i wady. Pierwszą z nich jest duża wysokość i szerokość głowicy, ale z tym inżynierowie próbują sobie radzić. Przykładem jest napęd łańcucha rozrządu prowadzony tylko na jeden wałek. Obroty na drugi przekazywane są za pośrednictwem kół zębatych. Takie rozwiązanie ma na przykład Aprilia RSV4 w swoim rewelacyjnym silniku widlastym 1100. Pewnym ograniczeniem jest także konieczność ustawienia trzonków zaworów w jednym rzędzie i pod kątem prostym względem osi wałków rozrządu.

Drugą wadą tej konstrukcji jest dość skomplikowana procedura regulacji luzów zaworowych. O ile w układzie z płytkami na szklance można podmienić płytki po naciśnięciu zaworu specjalnym narzędziem, to w drugim rozwiązaniu zawsze zmuszeni jesteśmy do demontażu wałków rozrządu. A to już całkiem poważna i czasochłonna procedura.

W rozrządach DOHC spotykamy konstrukcje z bezpośrednim przeniesieniem napędu z wałka na popychacz szklankowy oraz korzystające z lekkich dźwigienek. Oba rozwiązania mają swoje zalety i wady.

DOHC – układ z dźwigienkami

Silniki z dwoma wałkami rozrządu w głowicy nie zawsze mają konstrukcję z bezpośrednim przeniesieniem napędu z wałka na popychacz szklankowy. Wiele silników korzysta z lekkich dźwigienek. Pozwala to na większą dowolność w kształcie komory spalania, choć zazwyczaj zawory i tak ustawione są pod kątem prostym do osi wałka rozrządu. Uzyskanie sferycznej komory spalania spotkamy w silniku jednocylindrowym DOHC motocykla BMW R 1200 GS z lat 2010-2012 i R nineT będącego w ofercie do dzisiaj. W tym przypadku trzeba było jednak zastosować skośne krzywki wałków rozrządu i specjalne półkoliste podkładki regulacyjne umieszczone pod dźwigienkami. W silnikach wielocylindrowych jest to jednak szalenie skomplikowane. 

Regulację luzów zaworowych w standardowym silniku DOHC z dźwigienkami przeprowadza się na dwa sposoby. Pierwszy z nich to proste śrubki instalowane na zakończeniach dźwigienek. Bardzo często jedna krzywka uruchamia dwa zawory poprzez dźwigienkę w kształcie litery Y. Taka operacja jest łatwa do wykonania nawet przez mechanika-amatora, ale nie pozwala już na długie interwały pomiędzy serwisami. Standardem jest tutaj 10-12 tys. km. Przykładem takiej jednostki jest dobrze znany „olejak” z popularnych Suzuki GSF Bandit 600/1200.

Sferyczna komora spalania w siniku DOHC BMW powstała dzięki skośnym krzywkom pracującym na dźwigienkach

Są też konstrukcje, w których połączono dźwigienki z płytkami umieszczonymi na trzonkach zaworów. Jeśli chodzi o starsze silniki, to doskonałym przykładem takiej konstrukcji będzie wiekowy Kawasaki ZX-10, a później ZXR 1100. Ciekawostką jest fakt, że do regulacji luzów zaworowych nie trzeba zdejmować wałków rozrządu. Wystarczy przesunąć dźwigienkę wzdłuż osi jej mocowania i spokojnie podmienić płytkę. Rozwiązanie to może wydawać się ciekawe, ale z awaryjnością było już nieco gorzej.

W motorach Kawasaki zdecydowanie brakowało smarowania i bardzo obciążone dźwigienki zwyczajnie się zacierały. Pamiętajmy, że przy takim rozwiązaniu działa dźwignia, która zwiększa obciążenie styku wałka z dźwigienką. Element ten również nie obraca się powolutku, jak klasyczny popychacz szklankowy, przez co pracuje cały czas w tym samym miejscu.         

Co ciekawe, rozwiązania tego typu z powodzeniem stosowane są także dzisiaj. Chyba najlepszym przykładem będzie tu silnik V4 Granturismo napędzający Ducati Multistradę V4, a także najnowszego Diavela V4. Jest to bardzo lekka i kompaktowa konstrukcja, a siły działające na połączenie popychaczy z wałkami nie są duże, gdyż praktycznie nie występuje tam dźwignia. Inżynierowie Ducati uznali ten układ za najtrwalszy, stąd też interwały pomiędzy kontrolą luzów zaworowych to aż 60 tys. km.  

Współczesne konstrukcje są coraz lżejsze, a jednocześnie bardziej wytrzymałe i mniej wymagające pod względem serwisu

DOHC – układ desmodromiczny

Wspominając o Ducati, nie sposób pominąć układu Desmo typowego dla większości silników tego producenta. Do tej pory była to jedna z wizytówek motocykli z Bolonii. Na czym to polega? Do każdego zaworu przypisane są dwie krzywki i odpowiedni zestaw dźwigienek. Jedna, podobnie jak w „normalnych” silnikach, wciska zawór, umożliwiając wymianę ładunku w komorze spalania. Druga z kolei pomaga zamknąć zawór, sterując bardzo precyzyjnie jego ruchem. Dźwigienka łapie trzonek zaworu od dołu, korzystając z zamontowanego na nim kołnierza. Tutaj również, za pomocą specjalnych podkładek, robi się regulację luzu.

Plusem takiego rozwiązania jest duża szybkobieżność, a także brak ryzyka, że wałek rozrządu „wyprzedzi” zamykanie się zaworu. Nie ma tam sprężyn w formie znanej ze standardowych konstrukcji, a niewielkie sprężynki pełnią tylko funkcję wspomagającą prawidłowe ustawienie dźwigienek zamykających. Krzywka zamykająca nie musi dociskać grzybka zaworu do gniazda – tutaj swoje robi ciśnienie w komorze spalania, które odpowiada za uszczelnienie połączenia.

Układ desmodromiczny jest bardzo ciekawy z inżynieryjnego punktu widzenia. Czy rzeczywiście pozwala na lepszą szybkobieżność silników? Przy stosowanych obecnie technologiach i materiałach nie ma już takiej przewagi jak kiedyś. Bardziej liczy się wydłużony czas, w którym zawór otwarty jest w maksymalnym stopniu. To z kolei przekłada się bezpośrednio na moc silnika. Układ desmodromiczny występuje także w układzie OHC, gdzie jego działanie jest identyczne, tylko krzywki napędzane są z jednego wałka, a nie dwóch.

Rozrząd desmodromiczny to wizytówka Ducati. Zawory zamykane i otwierane są z pomocą krzywek, nie ma tutaj klasycznych sprężyn

SOHC w singlu i V2

Większość silników jednocylindrowych i nieskomplikowanych V2 korzysta z układu z pojedynczym wałkiem rozrządu w głowicy. Liczba zaworów na cylinder nie ma tutaj większego znaczenia – mogą być to 2, 3 lub 4 zawory napędzane z jednego wałka za pośrednictwem dźwigienek. Regulacja luzów zaworowych odbywa się za pomocą śrubek. Ta prosta konstrukcja ma jednak wady. Dźwigienki często są najwyższym punktem silnika i wymagają dobrego smarowania. W razie jakichkolwiek problemów czy zaniedbań (pominięty serwis, niewłaściwy olej, zbyt niski stan oleju, przegrzanie silnika) to właśnie te podzespoły pierwsze ulegają zatarciu. Układ tego typu wymaga też częstej regulacji, gdyż ma wiele elementów ruchomych i narażonych na zużycie.

Z drugiej strony stosowanie dwóch wałków rozrządu w niewielkich motocyklach czy skuterach znacząco zwiększyłoby rozmiary i stopień skomplikowania konstrukcji. A to, jak wiadomo, przekłada się na koszty zakupu nowego pojazdu. Gdy ma być tanio, układ SOHC z klasycznymi dźwigienkami jest niezastąpiony. Producenci poradzili sobie także z kwestią smarowania na połączeniu wałka rozrządu z dźwigienką. Lekiem na problemy okazało się stosowanie łożyskowanych rolek w tym newralgicznym punkcie. Technologię tę spotkamy między innymi w niektórych singlach Yamahy czy KTM. Rozwiązanie jest ciekawe z dwóch powodów – ograniczono tarcie pomiędzy krzywką a dźwigienką, mniej kosztowna jest też naprawa, jeśli mimo wszystko do niej dojdzie, a zdiagnozujemy ją odpowiednio wcześnie.  

Układ mieszany znany z
kilku modeli Hondy zawiera w sobie prawie wszystkie możliwe rozwiązania. Mamy więc szklankowe popychacze, dźwigienki z rolkami i śrubową regulację luzów zaworowych

SOHC w silnikach rzędowych i nie tylko

Konstrukcja z pojedynczym wałkiem rozrządu w głowicy i klasycznymi dźwigienkami jest popularna w starszych motocyklach, jak choćby cała seria wiekowych CB 750 Hondy itp. Już w latach osiemdziesiątych konstruktorzy przechodzili na układ DOHC, a układ z pojedynczym wałkiem rozrządu spotykany był coraz rzadziej. Są jednak wyjątki, takie jak Honda Gold Wing napędzana silnikiem typu bokser (z punktu widzenia napędu zaworów możemy go traktować jako dwa motory rzędowe). Starsze wersje mają typową konstrukcję z wałkiem rozrządu umieszczonym w centralnym punkcie głowicy. Zawory wciskane są przez dźwigienki za pośrednictwem hydraulicznych kasatorów luzów zaworowych. Honda mogła sobie pozwolić na takie rozwiązanie, gdyż silnik ten nie kręci się wysoko, poza tym bardzo ważna była kultura pracy i bezobsługowość.

Honda dała układowi SOHC drugie życie w modelu VFR 1200 i najnowszym Gold Wingu 1800. Zastosowano tam układ mieszany – jeden zestaw zaworów napędzany jest za pośrednictwem klasycznych popychaczy szklankowych z płytkową regulacją luzów zaworowych. Z kolei drugi rząd zaworów wciskany jest za pomocą dźwigienek, na końcu których znajdziemy klasyczne śruby regulacyjne. Proste, prawda?

Rewolucji nie będzie

W produkcyjnych motocyklach w sprawie realizowania napędu zaworów powiedziano niemal wszystko. Konstrukcje robią się coraz bardziej zwarte i lekkie, ale raczej nie powinniśmy się spodziewać takich ciekawostek jak pneumatyka znana z wyścigów. Pewne jest jednak to, że coraz więcej konstrukcji będzie miało zmienne fazy rozrządu, realizowane na kilka sposobów. Jest to jednak temat na tyle obszerny, że warto mu poświęcić cały artykuł.