Olej + powietrze czy chłodzenie cieczą? Przyglądamy się układom chłodzenia

Odprowadzanie temperatury z silnika to kwestia jego życia i śmierci. Metale, z których jest wykonany, mają swoją rozszerzalność cieplną: ze wzrostem temperatury zwiększają swoją objętość. Oczywiście silniki są projektowane z uwzględnieniem rozszerzalności każdego elementu, ale tylko w określonym zakresie temperatur. Powyżej pewnych wartości, zazwyczaj jest to ok. 150 stopni, elementy metalowe rozszerzają się do poziomu, który grozi poważnym uszkodzeniem silnika.

Nie za duża, nie za mała, lecz w sam raz!

Najczęstszą konsekwencją przegrzania jest zatarcie jednostki w wyniku rozszerzenia tłoka i powstania w ten sposób nadmiernego tarcia między nim a cylindrem. Zbyt wysoka temperatura może doprowadzić także do spalania stukowego oraz do innych uszkodzeń mechanicznych, takich jak np. pęknięcie głowicy. Oczywiście są to przypadki, które nie zdarzają się często, ale warto o nich pamiętać.

Nie oznacza to, że im niższa temperatura silnika, tym lepiej. Nierozgrzany silnik również nie funkcjonuje prawidłowo. Przede wszystkim benzyna spala się nieefektywnie. Spory jej nadmiar zostaje nieprzepalony i miesza się z gazami wydechowymi, przez co wzrasta zużycie paliwa i toksyczność spalin. Ponadto pozostałe w komorze spalania paliwo może się także przyczynić do zmywania filmu olejowego ze ścianek cylindra, przy czym – ponownie – taka sytuacja zdarza się nieczęsto. Jaka powinna być prawidłowa, czyli tzw. robocza temperatura silnika? Zazwyczaj jej optymalne wartości to ok. 90-100 stopni.

Skoro z góry są znane zadania i optymalne warunki pracy, dlaczego stosuje się aż trzy rodzaje układów chłodzenia? Na jakiej podstawie są dobierane i czym tak właściwie różnią się od siebie?

Powietrze wciąż wystarcza

Podstawowy, najprostszy jest system chłodzenia powietrzem, owiewającym silnik w trakcie jazdy. Potrzebne jest jednak ożebrowanie cylindra i głowicy. Pozwala ono zwiększyć powierzchnię, która odbiera ciepło z silnika, a także poprawia przepływ powietrza. Dzięki żeberkom silnik nawet po zatrzymaniu może się chłodzić, bo ma gdzie wypromieniować ciepło.

Taki układ wywiązuje się ze swojej roli od początków motocyklizmu i nadal nie został zapomniany. Spotkać go można w silnikach napędzających małe i niedrogie motocykle czy skutery, ale także w motocyklach z wyższej półki, jak Ducati Scrambler 400, 800 i Monster 797 czy jeszcze do niedawna wszystkie Harleye – Davidsony (dziś już tylko Sportstery). Chłodzenie „wiatrem” sprawdza się bowiem w silnikach, których moc nie przekracza 100 KM z 1000 ccm pojemności.

W dawnych czasach, w jednostkach typu V2 czy square four, nie radzono sobie należycie z chłodzeniem tylnych cylindrów. Często pracujący w nich tłok „puchł”, co skutkowało zatarciem. Po latach nowoczesne metody produkcji i projektowania pozwoliły stworzyć silniki, które skuteczniej oddają ciepło i problem zacierających się, tylnych cylindrów zniknął. Dzięki temu „wiatr” nadal może sprawdzać się w roli chłodziwa.

W prostocie sztuka

Ten prosty układ wciąż jest stosowany, ponieważ ma niezaprzeczalne zalety. Przede wszystkim pozwala szybko osiągnąć temperaturę roboczą, co ma duży wpływ na trwałość silnika. Gdy jest zimny, nie jest należycie smarowany. Olej silnikowy, nim się zagrzeje, ma wyższą gęstość i wolniej krąży po kanałach, którymi jest tłoczony do punktów smarowania. Do tego nie tworzy odpowiedniego filmu olejowego na powierzchni cylindra. Tłok „na zimno” nie jest idealnie dopasowany do cylindra i dopiero po rozgrzaniu rozszerza się do właściwych rozmiarów. Dlatego szybkie osiąganie temperatury roboczej jest tak ważne.

Nie można także zapomnieć o prostocie konstrukcji układu. Nie wymaga chłodnic, pomp i termostatów. Oszczędza się zarówno na masie, jak i na kosztach produkcji. Co prawda w przypadku drogich i ciężkich cruiserów i chopperów nie ma to wielkiego znaczenia, ale dla tanich i małych mieszczuchów – owszem.

Niestety są i wady. Przede wszystkim kiepska stabilność temperatury. Przez to podzespoły silnika często się odkształcają, a co za tym idzie, zmniejsza się ich wytrzymałość. Słabą stroną takiego chłodzenia jest także wysoka temperatura wokół silnika, co szczególnie uprzykrza życie w upalne dni podczas miejskich jazd. Doskonale wiedzą to harleyowcy. Lecz czyż w motocyklach tej klasy nie chodzi o klasyczny styl, a żebrowany silnik to jego nieodłączny element oraz o głośny i charakterystyczny, surowy dźwięk silnika?

…Ale do czasu

Wraz ze wzrostem obrotów i osiągów silnika, wzrasta także temperatura w jego wnętrzu. Przychodzi więc moment, w którym samo powietrze nie jest w stanie poradzić sobie z odprowadzeniem ciepła. Do pomocy zaprzęgany jest wtedy olej silnikowy. Co prawda w każdym silniku pełni on – chcąc czy nie – funkcję chłodziwa, ale zazwyczaj jest to zadanie poboczne. Na dodatek nie do zrealizowania w najgorętszych obszarach, czyli w okolicach komory spalania i kanałów wydechowych.

Żeby zwiększyć udział oleju w chłodzeniu silnika, wystarczy powiększyć sieć kanałów olejowych, w szczególności w okolicach głowicy i wzmocnić pompę lub dołożyć drugą. Niezbędna jest jeszcze mała chłodnica, która odbierze ciepło z powracającego z silnika oleju. Oczywiście, chłodnica przekazuje ciepło owiewającemu ją powietrzu.

Połączenie dwóch systemów chłodzenia zwiększa stabilność temperatury, pozwala podnieść osiągi i trwałości jednostki bez nadmiernego przyrostu masy. Dodatkowo „olejaki” zachowują klasyczny wygląd, charakterystyczną kulturę pracy i nieco siermiężne brzmienie. W takich rozwiązaniach szczególnie lubowało się Suzuki, czego przykładem są m. in. pierwsze GSX-R, Katana, Bandity czy GSX 1400.

Przypływ nowoczesności

Normy głośności i emisji spalin są obecnie bardzo trudne lub niemożliwe do spełnienia przez silniki z systemem chłodzenia powietrzem i olejem. Drugie ograniczenie tej technologii to nieustający rozwój motocykli i ich osiągów, co wymusiło znacznie bardziej rozwinięte metody walki z temperaturą – chłodzenie cieczą.

Co prawda woda czy inne płyny chłodnicze mają niższą temperaturę wrzenia niż olej, jednak pod ciśnieniem, jakie wytwarza się w układzie, wartość ta znacznie wzrasta. Poza tym mają tylko tę jedną funkcję do spełnienia – chłodzenie. Tymczasem olej wciąż musi przede wszystkim smarować. Jego przegrzanie może obniżyć skuteczność w tym zakresie, a to zagrożenie dla trwałości silnika.

Ponadto woda (i płyny chłodnicze na jej bazie) ma dwukrotnie większą pojemność cieplną niż olej silnikowy. W skrócie oznacza to, że 100 ml płynu chłodniczego jest w stanie zmagazynować dwa razy więcej ciepła niż 100 ml oleju silnikowego. Chłodzenie cieczą jest znacznie wydajniejsze. Zapewnia też stabilność temperaturową silnika, bo „bezwładność” cieplna cieczy pozwala „dogrzać” te obszary, które się wychładzają. Jak widać, korzyści są ogromne.

Jednak ciecz nie od razu zdominowała rynek. Potrzebowała na to ponad 100 lat! Pierwszy raz sięgnięto po taki system chłodzenia w 1894 roku w motocyklu Hildebrandt&Wolfmuller. W późniejszych latach podobne rozwiązanie również pojawiało się, ale jedynie w wyczynowych motocyklach. Jeszcze w 1985 zaledwie 4% seryjnych motocykli miało chłodzenie cieczą. Nie byłoby tak, gdyby rozwiązanie miało same zalety.

Rośnie nie tylko skuteczność

Głównym powodem wstrzemięźliwości konstruktorów było unikanie komplikacji konstrukcji, a co za tym idzie wzrostu kosztów produkcji i wagi silnika. Chłodzenie cieczą wymaga stworzenia osobnej infrastruktury kanałów poprowadzonych po całym silniku, nie tylko w okolicy głowicy, ponadto dochodzi pompa wody, termostat i chłodnica, a przeważnie jeszcze wentylator i czujnik temperatury (zasada działania w ramce). Tego wszystkiego nie dało się jednak uniknąć, jeśli osiągi silników mają być wyśrubowane.

Producentów kuszą też inne korzyści: poprawa kultury pracy i trwałości oraz lepsze wyciszenie przez płaszcz wodny, dzięki czemu łatwiej spełnić zaostrzone normy emisji hałasu.

Chłodzenie na miarę

Układy z cieczą są pod względem skuteczności bezkonkurencyjne, choć i najbardziej skomplikowane. Jest więcej elementów, które mogą się popsuć, dochodzi ryzyko rozszczelnienia a nawet przedostania się płynu chłodzącego do obiegu oleju, ale awarie nie zdarzają się często. Lecz ta technologia nie zawsze jest konieczna. W przypadku niewysilonych i wolnoobrotowych jednostek w zupełności wystarcza chłodzenie powietrzem lub powietrzem i olejem. Większości modeli w stylu retro czy chopper/cruiser nawet nie przystoi, żeby silnik był nieożebrowany. I na to znalazło się też kompromisowe rozwiązanie, pozwalające podnosić osiągi i zachować styl.

Specjalizujący się w klasykach Triumph poszedł drogą „na mokro”. Dwucylindrowe rzędówki montowane m.in. Thruxtonie czy Bonnevillach mają chłodzenie cieczą, ale doszukanie się jego atrybutów jest bardzo trudne. Na pierwszy rzut oka motocykle wygląda jak z układem powietrznym. Inną drogę wybrało w 2013 roku BMW, które dotychczas w swoich bokserach twardo stało przy mieszanym układzie olejowo-powietrznym. Sprzeczne oczekiwania pogodził system częściowego chłodzenia cieczą, która krąży tylko w głowicy. Na cylindrach nadal pozostają więc żeberka, a charakterny dźwięk nie jest całkowicie wygłuszony. Także Harley-Davidson w 2017 roku wybrał podobne rozwiązanie i wydaje się, że nawet najzatwardzialsi tradycjonaliści marki jakoś je przełknęli.

Wiele wskazuje na to, że liczba modeli z chłodzeniem w jakiś sposób wykorzystujących ciecz będzie rosła. Najbardziej zagrożone jest rozwiązanie powietrzno-olejowe. Mało prawdopodobne jest całkowite wyeliminowanie z rynku najprostszego z systemów, wykorzystującego jedynie powietrze.