Tuning głowicy DOHC z Marcinem „Kosą” Kolanowskim. Moc tkwi w szczegółach

Głowica i rozrząd w  silnikach czterosuwowych tworzą mechaniczny mózg motocykla. To od nich w głównej mierze zależy dostarczenie mieszanki paliwowo-powietrznej w odpowiedniej formie do cylindra, następnie jej sprężenie i przygotowanie do spalenia, a potem wymiana przepalonego ładunku na świeży.

Gdy któryś z elementów w głowicy nie współpracuje prawidłowo z innymi, na nic zda się pojemność, nowoczesna elektronika czy użycie kosmicznych materiałów. Nierzadko też okazuje się, że wystarczy jeden element z minimalną niedokładnością, by poważnie uszkodzić silnik. Dlatego w maszynach seryjnych głowice i rozrząd projektuje się tak, żeby były to elementy w pewnym stopniu odporne na delikatne odstępstwa od norm, nawet kosztem lepszych osiągów.

Żeby lepiej poznać głowicę warto przyjrzeć się każdemu zakamarkowi. Na przekroju doskonale widać kanały wodne, olejowe, ssące oraz wydechowe.

Nie bez znaczenia jest fakt, że wyciśnięcie z głowicy całego potencjału wymaga bardzo precyzyjnych obróbek, obliczeń i kontroli, które nawet doświadczonemu specjaliście zajmują sporo czasu, a za tym idą także koszty. A to nie idzie w parze z produkcją seryjną. Trzeba jednak przyznać, że z biegiem czasu producenci coraz więcej czasu poświęcają na projektowanie głowic i dziś są to bardzo dopracowane elementy. Tunerzy nadal jednak mają pole do popisu i potrafią zdziałać cuda, dopieszczając głowicę.

W naszym kraju takie czary potrafi raptem kilka osób. Jeden z najlepszych magików zgodził się o tej sztuce opowiedzieć. Mowa o Marcinie Kolanowskim, który w środowisku motocyklowym bardziej znany jest jako „Kosa”. Jest jednym z najlepszych speców od silników wyścigowych w kraju. O jego kompetencjach niech świadczy fakt, że BMW S 1000 RR, które wyszły spod jego ręki, przejechały bez awarii wszystkie rundy mistrzostw świata endurance w barwach LRP Team Poland. Blisko współpracuje także z fabrycznym zespołem BMW. 

Wałki rozrządu – ich prawidłowe ustawienie wymaga nie tylko precyzyjnych narzędzi, ale i ogromnego doświadczenia.

Skupmy się na jednym

W historii motocyklizmu opracowano wiele rodzajów głowic i rozrządów. Dolnozaworowe, górnozaworowe, z popychaczami albo z wałkiem (lub dwoma wałkami) w głowicy. Różna była także liczba zaworów – od dwóch do sześciu, a nawet ośmiu, jak w Hondzie NR 750. Dzisiaj sytuacja się ustabilizowała i w większości motocykli od klasy średniej wzwyż stosowane są głowice z rozrządem DOHC, czyli z dwoma wałkami rozrządu w głowicy oraz z czterema zaworami na cylinder.

Jeden wałek rozrządu jest odpowiedzialny za otwieranie jednej pary zaworów – dolotowych lub wydechowych. Zamykane są dzięki sprężynom zaworowym. Jedynie Ducati stosuje układ desmodromiczny, w którym zawory są otwierane i zamykane przez krzywki na wałku rozrządu. Takie rozwiązanie pozwala na bezpieczne osiąganie wysokich prędkości obrotowych.

Dziś zawory tytanowe zaczynają być standardem w motocyklach sportowych i nie jest to element, który wymienia się w trakcie tuningu. Sprężyny, jeśli nie podnosi się maksymalnych obrotów, też często zostają standardowe.

Nie będę się dziś skupiał na konstrukcji i działaniu wszystkich rodzajów głowic i rozrządu. Pisaliśmy już o tym wielokrotnie. Na naszej stronie znajdziecie wiele materiałów na ten temat. Tym razem skupimy się na dominującej dziś konstrukcji DOHC z czterema zaworami na cylinder, stosowanej przez wszystkich (poza Ducati) producentów motocykli sportowych.

Temat jest rozległy, co udowodniła mi liczba eksponatów, jakie przygotował Kosa na moją wizytę. Niestety, nie wszystkie możemy wam pokazać. Tunerzy dbają, żeby niektóre rozwiązania nie były znane konkurencji.

To trzeba policzyć

Na powitanie dostałem do ręki głowicę z BMW S 1000 RR przygotowywanego do wyścigów na 1/4 mili. Spodziewałem się, że na jej odwrocie zobaczę ślady po planowaniu – zebraniu warstwy materiału w celu zmniejszenia squisha, czyli odległości między tłokiem w GMP (górny martwy punkt – najwyższe położenie tłoka) a komorą spalania, co podnosi stopień sprężania.

Marcin mówi, że zazwyczaj wystarcza do tego cieńsza uszczelka głowicy, bo już w standardzie squish jest dosyć mały, a jeśli to nie wystarczy, są na rynku także tłoki, które pozwalają zwiększyć sprężanie.

Podnoszenie stopnia sprężania nie zawsze jest konieczne lub wskazane. „Doprężenie” silnika podnosi osiągi, ale niesie za sobą większe obciążenia i ryzyko destrukcyjnego spalania stukowego, czyli sytuacji, w której mieszanka paliwo-powietrze detonuje się samoczynnie pod wpływem temperatury i ciśnienia, a nie iskry.

Ślady walki z materią widać natomiast w kanałach dolotowych. Podstawową sprawą jest usunięcie wszelkich niedoróbek powstałych w produkcji, np. zadziorów ze źle zebranego materiału oraz przygotowanie powierzchni, aby wymuszała zawirowania mieszanki, a co za tym idzie lepsze jej wymieszanie.

Ostrożność przy przeróbkach głowicy jest wysoce wskazana. Jeśli zostaną źle wykonane, mogą skończyć się np. kolizją tłoka z zaworem.

Dzięki temu spalenie takiego ładunku jest efektywniejsze i bardziej równomierne. W niektórych sytuacjach dodaje się lub zbiera nieco materiału, zmieniając kształt kanału dolotowego i przepływ oraz ilość dostarczanej mieszanki. To, czy zmiana kształtu jest wymagana, poparte jest wyliczeniami, testami na hamowni do głowic flow bench oraz oceną, jaką charakterystykę pracy silnika chce się uzyskać.

Jako ciekawostkę Marcin wyciągnął książkę techniczną, którą zakłada się przed budową silnika wyścigowego. Zapisane są w niej wyliczenia, specyfikacje i wymiary każdego elementu w silniku. Bez wykształcenia technicznego trudno cokolwiek z niej zrozumieć.

Nie wszystko do poprawy

Oprócz kanałów dolotowych można także obrobić kanały wydechowe. Najczęściej spotykane jest ich polerowanie, co pozwala wyeliminować zawirowania spalin i uzyskać ich szybszy przepływ, ale widzę, że Kosa nie robił tego w swojej głowicy. Wytłumaczył mi, że w BMW akurat nie jest to gra warta świeczki, bo kanał jest dobrze wykończony i w wielu nowych motocyklach też nie zawsze jest to konieczne.

Nie widzę też, żeby duże zmiany nastąpiły w komorze spalania, ale to, czy się ich dokonuje, czy nie, również zależy od zamiarów wobec silnika i poparte jest wyliczeniami. W przypadku S 1000 RR Marcin zazwyczaj zostawia ją w spokoju. Tak samo jak gniazda zaworowe oraz zawory. Te ostatnie, gdy są tytanowe, a tak jest we wszystkich obecnych maszynach sportowych, spokojnie mogą zostać seryjne.

Zastosowanie wałka rozrządu o innym kształcie krzywek wymusza dopasowanie do niego czasów otwarcia zaworów. Bez tego mogą pogorszyć się osiągi silnika lub nawet może dojść do jego uszkodzenia.

Stalowe nie są tak odporne na wysokie obroty i w mocnych silnikach po prostu mogą się urwać lub wyklepać gniazda. Tytanowe zawory można też pokryć dodatkowo tlenkiem tytanu, co zwiększa ich wytrzymałość na wysokie temperatury.

W przypadku budowy naprawdę mocnego silnika, np. w specyfikacji superbike, można też skrócić prowadnice zaworowe, poprawiając przepływ w kanałach. Niestety, jednocześnie skraca się życie prowadnicy. Jest to więc przeróbka stosowana w silnikach do krótkich wyścigów.

Klucz do sukcesu

Obracając głowicę, zaczynam wypytywać Kosę o rozrząd i chyba trafiłem na jego ulubiony temat. Pochwalił się, że gdy już dobrze rozpracował poprzedni model S 1000 RR, to samym ustawieniem czasów otwarcia zaworów bez problemu wyciskał dodatkowe 10 KM i 8 Nm. Co to znaczy dobrze ustawić rozrząd? Z pewnością jest to temat na osobny artykuł, ale w skrócie – najważniejsze jest dokładne zgranie momentu, w którym zawory wydechowe i dolotowe są otwarte jednocześnie.

Dzięki temu w komorze spalania tworzy się – nazwijmy to – „przeciąg”, który usprawnia wymianę spalonego ładunku na świeży, a co za tym idzie, pozwala zwiększyć ciśnienie, z jakim mieszanka wpada do cylindra. W szczególności podnosi to osiągi na wysokich obrotach. Można tego dokonać bez wymiany części, ale w niektórych silnikach trzeba zamontować koła zębate z tzw. „fasolkami”, umożliwiającymi regulację wałków.

Dobre ustawienie rozrządu pozwala nie tylko podnieść osiągi, ale także pobawić się z charakterystyką pracy silnika, ale tylko w pewnym stopniu. By zwiększyć zakres swobody w trakcie np. budowy silnika do wyścigów endurance czy superbike, standardowe wałki najczęściej „zwalnia się ze służby”. Zastępują je tuningowe, które w przypadku budowy silnika najwyższych lotów robi się na zamówienie.

Układy zmiennych faz rozrządu często okazują się bardzo dobre i nie trzeba ich poprawiać.

Kształt ich krzywek można precyzyjnie zaprojektować, więc zabawa ustawieniami rozrządu i charakterystyką silnika wchodzi na zupełnie inny poziom. Po pierwsze – możliwości strojenia silnika są znacznie większe, a po drugie – mechanik musi wykazać się znacznie większymi umiejętnościami i doświadczeniem.

Samo zamontowanie tuningowych wałków rozrządu nic nie da. Bywały nawet przypadki, że do Kosy przyjeżdżał klient, który narzekał, że wymienił wałki na wyścigowe, a silnik pracuje gorzej. Przyczyną było nieprawidłowe ustawienie czasu otwarcia zaworów, bez uwzględnienia kształtu nowych krzywek zaworowych.

W dodatku wymiana wałków pociąga za sobą konieczność zmiany talerzyków zaworowych dopasowanych do kształtu krzywki. Bez tego istnieje ryzyko wypięcia się zaworów i kolizji z tłokiem. Opłakane skutki takiego spotkania możecie zobaczyć na jednym ze zdjęć. Pamiętajmy też, że każda modyfikacja rozrządu i głowicy powoduje konieczność korekty zapłonu, co oznacza zabawę z modułem zapłonowym.

Przy okazji można też w nim podnieść maksymalne obroty silnika, ale wtedy konieczna jest wymiana sprężyn zaworowych na tytanowe, o większej twardości. Standardowe nie wytrzymałyby większych obrotów i za wolno zamykałyby zawory.

Najwięcej pracy przy współczesnych głowicach wymaga prawidłowe ustawienie rozrządu. Nie powinno to dziwić, skoro nawet bez wymiany jakiegokolwiek elementu można podnieść osiągi o ok. 5-10% i w dużym stopniu dopasować charakterystykę motocykla do preferencji kierowcy i warunków jazdy.

Już wkrótce zabawy z  rozrządem może być mniej. W trakcie wizyty „Kosa” pokazał mi silniki nowego S 1000 RR, nad którym pracuje, z systemem ShiftCam (system zmiennych faz rozrządu BMW). Po testach z LRP stwierdził, że w nowym modelu rozrządu nie rusza, bo już standardowe ustawienia oferują to, co zazwyczaj chciał osiągnąć z zawodnikami. Tak jest często w przypadku zmiennych faz rozrządu – mowa oczywiście o najnowszych układach.

Rozrząd desmodromiczny cechuje się większą odpornością na wysokie obroty.

Dopieszczanie detali

Będąc w warsztacie Marcina spodziewałem się zobaczyć głowice, na których w każdym miejscu będą widoczne ślady obróbki materiału. Tymczasem większość prac dotyczy detali, np. osiowania wałków rozrządu, aby chodziły w stopkach z mniejszymi oporami i powodowały mniejsze straty energii w przeniesieniu napędu czy obrobienia kanałów dolotowych.

Owszem, powaliło mnie, jak rozległym tema-tem jest ustawienie rozrządu, ale nie zmienia to faktu, że obróbka głowicy to w głównej mierze praca nad detalami, robota niemal jubilerska.

Choć czołowi producenci motocykli tworzą coraz lepsze silniki i tunerzy nie mają z nimi aż tyle pracy, co kilkadziesiąt lat temu, to nie wydaje mi się, żeby w najbliższym czasie mechanicy zupełnie stracili zajęcie przy głowicach szykowanych do motocykli wyścigowych. Doświadczone i wprawne oczy oraz ręce w połączeniu z głową pełną wiedzy i pomysłów zawsze znajdą sposób na dopieszczenie każdego elementu. Moc tkwi w szczegółach!