Nierząd w rozrządzie

Na początku motocyklizmu rozrząd nie sprawiał większych problemów. Możliwości i doświadczenie konstruktorów były bowiem niewielkie, więc bardziej cieszono się z tego, że silnik w ogóle działa niż z tego, jakie ma osiągi. Rozrząd dolnozaworowy, w którym zawory umieszczone z boku cylindra napędzane były popychaczami obsługiwanymi przez krzywkę, wystarczał wtedy całkowicie. Był prosty, niezawodny, zapewniał wysoką elastyczność i ograniczał ryzyko spalania stukowego, co było korzystne w czasach, gdy jakość benzyny bywała różna.

Niestety miał też wiele wad. Po pierwsze, silnik z takim rozrządem nie był w stanie generować przyzwoitych osiągów. Było to spowodowane stratami, jakie dokonywały się w długich kanałach, a co za tym idzie, utrudnioną wymianą ładunku w komorze spalania. Przez to silnik był nie tylko cherlawy, ale także leniwie reagował na otwarcie przepustnicy i spalał więcej paliwa. Wraz ze wzrostem ambicji konstruktorskich, dolnozaworowe rozwiązanie zaczęło coraz dobitniej dawać znać o swojej niedoskonałości.

Zdecydowano się więc na przeniesienie zaworów z boku cylindra do głowicy i w ten sposób powstał górnozaworowy rozrząd OHV. Sterowanie zaworami zostało co prawda bardzo podobne – krzywka napędzana z wału korbowego porusza popychaczem, który otwiera zawór, ale dzięki umieszczeniu zaworów w komorze spalania znacząco poprawiła się sprawność wymiany ładunku, a silniki mogły osiągać większą moc, wyższy stopień sprężania i wyższe obroty maksymalne. Przy tym wszystkim komplikacja konstrukcji nie zwiększyła się znacząco, co biorąc pod uwagę rozwój maszyn i technik produkcji, nie nastręczyło trudności w wytwarzaniu. Silniki wyposażone w rozrządy OHV wciąż można spotkać m.in. w silnikach Harleya i Indiana. 

Piętro wyżej

Układ OHV był znaczącym skokiem jakościowym, ale prawdziwą rewolucją można nazwać jego następcę, czyli układ OHC, który obecnie jest najnowocześniejszym dostępnym rozwiązaniem. Różnica polegała przede wszystkim na przeniesieniu wałka rozrządu z bloku silnika do głowicy, co pozwoliło na bardziej precyzyjną pracę rozrządu i mniejsze straty siły napędowej. Dzięki temu nie tylko nastąpił ogromny wzrost osiągów, ale także poprawiła się szybkobieżność, reakcja na gaz i sprawność wymiany ładunku.

Wałek królewski w pełni zasługuje na swoją nazwę. Niestety dziś można go spotkać jedynie w Kawasaki W 800

Mniejsza bezwładność przeniesienia napędu rozrządu dała bowiem możliwość podniesienia maksymalnych obrotów bez ryzyka zderzenia zaworu z tłokiem. Dla porównania, najbardziej dopracowane rozrządy OHV pozwalały na osiągnięcie ok. 10 000 obr./min. W przypadku układu OHC wartości te mogły wzrosnąć nawet dwukrotnie. Oczywiście mówimy tu o przypadkach wybitnych. W większości seryjnych silników osiąganie takich obrotów wciąż jest ryzykowne.

Zdążyć przed tłokiem

Ulepszanie układów rozrządu pozwoliło zwiększyć osiągi i obroty maksymalne, ale nie oznacza to, że osiągnięto perfekcję. Nawet współczesne konstrukcje mają swoje ograniczenia i przy nadmiernym wysileniu silnika rozrząd może nie „nadążyć” za tłokiem, czego efektem są opłakane w skutkach spotkania zaworu z tłokiem. Dzieje się tak w wyniku bezwładności przeniesienia napędu i sterowania, przez którą nadmiernie mogą zmienić się czasy otwarcia zaworów.

Rozrząd DOHC – dźwignie

Bardzo duży wpływ na to mają sprężyny zaworowe. Ich zadanie wydaje się banalnie proste – mają przede wszystkim zamknąć zawór. Ale pamiętajmy, że zawór porusza się szybko niczym kula z karabinu i to wszystko na krótkim dystansie, wynoszącym kilkanaście milimetrów. Sprężyna musi więc błyskawicznie wyhamować i ponownie rozpędzić zawór, by ten zdążył uciec przed tłokiem i zapewnić szczelność komory spalania.

Koła zębate w rozrządzie powodują nawet dwa razy mniejsze zmiany czasu otwarcia zaworów niż łańcuch

Jeśli sprężyna będzie źle dobrana tj. będzie zbyt miękka i wykonana z kiepskiego materiału, nie będzie w stanie przeciwstawić się działaniom drgań wewnętrznych, które rosną wraz z obrotami. W wyniku tego pojawi się odbijanie sprężyny, które po zamknięciu zaworu, natychmiastowo otworzy go i to bez pomocy krzywki. Żeby jeszcze pogorszyć sytuację, krzywka i tak po chwili dopycha zawór, co zazwyczaj powoduje kolizję z tłokiem. By temu zapobiec stosuje się coraz lżejsze i twardsze, a nawet podwójne sprężyny. Dzięki temu dziś do odbijania dochodzi niezwykle rzadko, głównie gdy sprężyny są już zużyte, kiepskiej jakości lub źle dobrane do osiągów silnika. 

Brak sprężyny, brak problemu

Nie da się jednak ukryć, że bezwładność sprężyn przez wiele lat była poważnym ograniczeniem dla producentów. Konstruktorzy próbowali wyeliminować ją na wiele ciekawych sposobów. Eksperymentowano ze sprężynami śrubowymi o zmiennym skoku zwojów czy o wzrastającej średnicy drutu. Stosowano także sprężyny agrafkowe, które pozwalały na zastosowanie krótszego zaworu i skutecznie zmniejszały bezwładność w układzie.

W niektórych silnikach rola łańcucha zostaje zminimalizowana, jak np. w BMW serii K 1200, gdzie łańcuch przekazuje napęd tylko na jeden wałek

Pojawiły się nawet koncepcje całkowitego wyeliminowania sprężyny. Początkowe próby polegały na zamienieniu jej na drążek skrętny, ale nie było to rozwiązanie efektywne. Skuteczniejszy był rozrząd suwakowy zastosowany w wyczynowych silnikach przez NSU, w którym dysk w głowicy wykonywał ruch obrotowy, odsłaniając w odpowiednich momentach kanał dolotowy i wydechowy. Niestety była to skomplikowana i mało rozwojowa konstrukcja, która nie zdobyła popularności.

Właściwie jedynym nadal istniejącym typem rozrządu, w którym wyeliminowano sprężyny, jest układ desmodromiczny. Funkcję drucianego zwoju przejęła w nim dodatkowa krzywka. Do dziś uważa się, że to najlepsze rozwiązanie do wysokoobrotowych silników. Mimo to w motocyklowym świecie mało kto sięga po desmodrom, głównie ze względu na większe skomplikowanie i koszty produkcji w porównaniu z konwencjonalnym układem. Poza Nortonem i Ducati żaden z większych producentów z niego nie korzystał, a dziś znaleźć go można tylko w silnikach marki z Bolonii.

Pęd ku kompromisowi

Równolegle z walką ze sprężynami rozgrywała się batalia o jak najlepszy sposób przekazania napędu z wału korbowego do wałków rozrządu. W silnikach z głowicami OHC zdecydowano się na napęd wałkiem królewskim i/lub kołami zębatymi. Taki napęd nie tylko powoduje niewielkie straty mechaniczne, ale też zapewnia najwyższą precyzję sterowania czasami rozrządu. Bezwładność w tym przypadku była bowiem niemalże zerowa. Do zalet należy doliczyć także wysoką trwałość i bezobsługową eksploatację oraz brak szarpnięć podczas jazdy na niskich obrotach i gwałtownego przyspieszania.

Ducati to prawdziwy hipster w dziedzinie rozrządu. Jako jedyne nadal korzysta z paska zębatego

Niestety, tak jak wszystko, to rozwiązanie ma też wady. Głównymi są wysokie koszty produkcji oraz dodatkowa komplikacja konstrukcji. Narzekano także na dość głośną pracę, która wynikała z luzu między zębami uderzających o siebie poszczególnych kół. Jednak przez wiele dekad te niedogodności nie przeszkadzały producentom. Zaczęły doskwierać dopiero wraz ze wzrostem poziomu produkcji. Trzeba było więc poszukać rozwiązania tańszego i prostszego w montażu.

W ten sposób coraz większą popularność zaczął zdobywać łańcuch rolkowy, który mniej komplikował konstrukcję silnika, a co za tym idzie, przyspieszał produkcję i obniżał jej koszty. Dla wielu producentów był to na tyle przekonujący argument, że bardzo często sięgali po łańcuch, nawet pomimo jego wad. A tych jest sporo, zwłaszcza jeśli mówimy o silnikach wysokoobrotowych. Powyżej 13 000 obr./min łańcuch rozciąga się tak mocno, że zmiany w czasach otwarcia rozrządu mogą przekraczać nawet 5°! Dla porównania, w przypadku wałka królewskiego te wartości wynoszą mniej niż 2,5°. W dodatku łańcuch jest znacznie mniej wytrzymały. Przez sumę tych niedoskonałości nie zdobył więc monopolu na rynku.

Rozrząd desmodromiczny jest trwały, precyzyjny i nie robią na nim wrażenia wysokie obroty. Niestety jego koszty robią zbyt duże wrażenie na większości producentów

W latach 70. pojawiły się bowiem pasy zębate, które były najlżejsze, najtańsze i najcichsze ze wszystkich pomysłów na przeniesienie napędu rozrządu. Początkowo chętnie sięgali po nie Ducati oraz Rotax, ale z czasem doskonale odnalazły się w luksusowych turystykach, jak Honda Gold Wing czy Pan European, gdzie aksamitna praca silnika jest na wagę złota. Jednak do bardzo wyżyłowanych silników stosowano go niezwykle rzadko, robiło to np. Ducati. 

Rewolucja jest zbędna

Te trzy rozwiązania przez wiele lat funkcjonowały równolegle, ale w końcu to łańcuch rozrządu wysunął się na prowadzenie. Po zmianie konstrukcji z rolkowej na zębatą jego praca stała się znacznie cichsza i bardziej precyzyjna, co tylko umocniło jego pozycję na rynku. Pasek natomiast niemal całkowicie odszedł do lamusa. Za to koła zębate wciąż znajdują swoje zastosowanie w rozrządzie.

Rozrząd DOHC z popychaczami szklankowymi

By zminimalizować bezwładność i straty, producenci stosują bowiem rozwiązanie, w którym łańcuch napędza tylko jeden wałek rozrządu, który za pośrednictwem zębatek porusza drugim wałkiem. Dzięki temu łańcuch jest krótszy i mniej podatny na rozciąganie. Tym samym udało się osiągnąć dobry kompromis między prostotą konstrukcji, sprawnością i kosztami produkcji. Na rewolucję w rozrządzie nie mamy więc co liczyć. Zresztą patrząc na osiągi obecnych motocykli chyba nie jest ona konieczna.