Zmienne fazy rozrządu – przyjemne z pożytecznym

Natura silników spalinowych to doskonały przykład tego, że nie da się zjeść ciastka i mieć ciastka. Chcąc skonstruować jednostkę generującą bardzo dobre osiągi na wysokich obrotach, nie obędzie się bez uszczerbku na sprawności w niskich i średnich zakresach obrotów. W sytuacji odwrotnej zasada jest oczywiście taka sama. I choć trzeba przyznać, że konstruktorzy bardzo sprawnie sobie z tym radzą – w sposób konwencjonalny – to w niektórych przypadkach sięgają po rozwiązanie, które w motocyklowym świecie wciąż jest rzadkością. Mowa o systemie zmiennych faz rozrządu, w świecie samochodów mocno już zakorzenionym. 

Ustawienie rozrządu, tj. czasu i momentu otwarcia zaworów, wzniosu i współotwarcia, w pewnym stopniu dyktuje sposób przebiegu mocy i momentu. W przypadku układów zmiennych faz ustawienia te zmieniają się w zależności od obrotów, a co za tym idzie, możliwe jest uzyskanie bardziej dopracowanej charakterystyki pracy silnika. Sposobów na realizowanie tego jest wiele, ale cel jest zawsze taki sam – wysoka sprawność w każdym zakresie obrotów i zwiększenie czystości spalin.

Dwuzaworowy czterozaworowiec

Na pomysł, by w silnikach motocyklowych przestać ograniczać się do jednego ustawienia rozrządu, jako pierwsi wpadli w 1983 roku konstruktorzy Hondy CBR400R. Ta czterocylindrowa jednostka o pojemności 400 ccm osiągała nieco ponad 60 KM, a więc nietrudno się domyślić, że taka konfiguracja była skazana na wysokoobrotową charakterystykę. Żeby choć trochę osiągów było dostępnych na niskich obrotach, Honda stworzyła system REV. Dzięki niemu w niskim zakresie obrotów pracowała tylko połowa zaworów, na wysokich zaś do pracy zaprzęgniętych było już wszystkich szesnaście.

Założeniem tego systemu było połączenie wysokiej sprawności na niskich obrotach, z której słyną dwuzaworowe głowice, z mocnym wysokim rejestrem, typowym dla głowic z czterema zaworami na cylinder. Co prawda przy takiej pojemności i liczbie cylindrów silnik Hondy i tak nie grzeszył mocnym niskim zakresem, ale REV przyniósł delikatną poprawę tego stanu, choć według użytkowników moment uruchomienia dodatkowych par zaworów był mocno wyczuwalny, porównywalny do turbodziury. Honda nie zrezygnowała z tego projektu i z jednośladów przeniosła go do samochodów, gdzie otrzymał on słynną już nazwę VTEC. 

Do motocykli, już pod nową nazwą i dużo bardziej dopracowany, powrócił on w 2002 roku w modelu VFR800. Zasada działania pozostała jednak niezmieniona. System obsługiwany był za pośrednictwem hydrauliki, a dokładniej ciśnienia oleju. Zawory, które na niskich obrotach pozostawały unieruchomione, wyposażone były w mechanizm hydrauliczny, który bez odpowiedniego ciśnienia, poruszał się pod wpływem krzywek wałka rozrządu, ale nie aktywował zaworu. Dopiero powyżej 6800 obr./min ciśnienie oleju kasowało luz między mechanizmem a trzpieniem zaworu, który był wtedy aktywowany. Urządzenie wspaniałe w swej prostocie, ale wciąż niedoskonałe, już niedługo zniknie wraz z odejściem VFR800 z ostatnich rynków.

Regulacja na bieżąco

VTEC, kochany przez wielu, jest jednak najprostszą odmianą systemu zmiennych ustawień rozrządu. Po Hondzie również kilku innych producentów sięgnęło po nowatorskie rozrządy, ale już bardziej wysublimowane. Kawasaki w modelu GTR 1400 z 2007 roku sięgnęło po system VVT, znany już z samochodowych jednostek. W przypadku Kawasaki, VVT obejmował jedynie wałek ssący. Na końcówce tego wałka został zamontowany mechanizm hydrauliczny, tzw. wariator, który obsługiwany był za pomocą oleju pod odpowiednim ciśnieniem. O tym, jakie ciśnienie było odpowiednie w danej sytuacji, decydował komputer, który otwierał elektrozawór i pozwalał na pracę oleju w wariatorze. Dzięki temu wałek ssący mógł być przestawiany w zakresie 24°.

Taka szeroka regulacja rozrządu nie tylko pozwalała na osiągnięcie wysokiej sprawności silnika w całym zakresie obrotów. Niepodważalną zaletą był też fakt, że VVT zwiększał czystość spalin dzięki regulacji momentu współotwarcia zaworów. To zjawisko na wysokich obrotach jest gwarantem dobrego przepływu gazów w głowicy, na niskich natomiast sprawia, że duża część mieszanki zostaje niewykorzystana, a to przyczynia się do produkcji tych najbardziej trujących składników spalin.

O krok dalej poszło Ducati, które w 2015 roku w Multistradzie 1200 zastosowało silnik Testastretta 11° z systemem DVT. Zasada zmiennych faz rozrządu była w tej jednostce identyczna jak w Kawasaki, ale sterowane były oba wałki, zarówno ssące, jak i wydechowe. To nie tylko odrobinę ugłaskało charakterystykę narowistej V2, ale także dodało jej 10 KM i 11 Nm. A to już wyniki znaczące.

W dość oryginalny sposób do zagadnienia podeszło Suzuki w ostatnim modelu GSX-R 1000. W jego czterocylindrowym silniku również pracował system zmiennych faz rozrządu na wałku ssącym. Ten jednak nie był obsługiwany ani hydraulicznie, ani elektronicznie, tylko w 100% mechanicznie. Na końcu wałka ssącego został umieszczony koszyk z kulkami osadzonymi w prowadnicach. Pod wpływem siły odśrodkowej kulki odpychały docisk, pozwalając tym samym na przestawienie wałka i zmianę czasów pracy zaworów ssących. To proste, niezawodne, tanie i płynnie działające rozwiązanie zostało zaczerpnięte z motocykli Suzuki GSX-RR startujących w MotoGP. Regulamin tej serii wyścigowej zabrania bowiem, by w sterowanie rozrządem ingerowały systemy hydrauliczne lub elektroniczne.

Żonglerka krzywkami

Co ciekawe, GSX-R 1000 nie był pierwszą przygodą Suzuki ze zmiennymi rozrządami. Już w 1991 roku japoński producent zaprezentował Bandita 400VC wyposażonego w system, który nie ograniczał się do lekkiego przesunięcia wałka czy aktywowania dodatkowej pary zaworów. System VC dawał efekt zmiany wałka rozrządu. System hydrauliczny, sterowany elektrozaworem, przesuwał wałki w taki sposób, by po zmianie położenia do pracy zabierała się krzywka o innym kształcie. A więc regulowane mogły być nie tylko czasy, ale także wysokość otwarcia zaworów! Według Suzuki system VC poprawiał osiągi na niskich obrotach aż o 15%. Technologia ta nie znalazła jednak zastosowania w kolejnych motocyklach. W planach było wyposażenie w nią modelu SV 1000, ale ostatecznie pomysł porzucono.

Dopiero BMW w 2018 roku wyciągnęło tę koncepcję z motocyklowego niebytu i opracowując nowe silniki do gamy R 1250, wyposażyło je w system ShiftCam. Jest to rozwiązanie sterowane w pełni elektronicznie, a zasada jego działania jest podobna jak w przypadku systemu VC. Wałek rozrządu wyposażony jest w dwie krzywki, które zmieniają się w zależności od obrotów silnika. Za zmianę odpowiada elektroniczny mechanizm, którego trzpień porusza się w rowkach wyciętych na wałku rozrządu. Obecnie to rozwiązanie spotkać można nie tylko w bawarskich bokserach, ale też w sportowym BMW S 1000 RR. Trzeba przyznać, że jak na razie to prawdopodobnie najbardziej dopracowany, płynny i efektywny system zmiennych faz rozrządu dostępny w motocyklach. Choć z drugiej strony, konkurencji też nie ma pokaźnej.

Kwestia czasu i warunków

Dlaczego, pomimo niewątpliwych zalet, systemy zmiennych faz rozrządu są tak rzadko spotykane w motocyklach, a w samochodach są już powszechne? Powody zdają się być oczywiste – koszty i stopień skomplikowania. Żeby system działał płynnie, wymagana jest bardziej złożona konstrukcja rozrządu, nawet jeśli sterowanie odbywa się hydraulicznie. Przecież każdy dodatkowy element nie tylko dokłada kosztów, gabarytów i masy, ale też jest kolejną rzeczą, która może ulec zużyciu czy awarii. A jak na razie konstruktorzy radzą sobie dość sprawnie zarówno z rozkładem osiągów w każdym zakresie obrotów, jak i z bardziej wymagającymi normami spalin.Ale kto wie, może jeszcze kiedyś systemy zmiennych faz rozrządu zadomowią się na dobre w motocyklach? Jest to wysoce prawdopodobne, biorąc pod uwagę nadejście kolejnych, ostrzejszych norm emisji spalin. Z drugiej jednak strony, producent samochodów Koenigsegg opracował ostatnio głowicę, w której zawory są sterowane wyłącznie przez silniki elektryczne, a zatem wałki rozrządu nie są tam potrzebne. A to znaczy, że sterowanie otwarciem zaworów wcale nie musi ograniczać się do jednego czy dwóch wariantów – w teorii może być płynne. Być może to jest rozwiązanie przyszłości? Który scenariusz by się nie ziścił, każdy może przynieść ciekawe efekty.

Zdjęcia: archiwum redakcji, BMW, Suzuki, Ducati