Polityka prywatności - poznaj szczegóły » [ X ]
PODZIEL SIĘ


OCEŃ
2.0

Układy rozrządu w motocyklu - wściekłe zawory

Czy wiesz, że przy 12 000 obr/min komora spalania silnika superbike’a musi się wypełnić w czasie 0,004 sekundy? To daje pogląd o precyzji działania i jakości wykonania układu rozrządu. 

Dla porównania: mrugnięcie okiem trwa 0,2 s. Aby uzyskać jak najlepsze napełnienie, zawory dolotowe powinny jak najszybciej osiągnąć maksymalne otwarcie (tzw. skok zaworu), a chwilę później błyskawicznie się zamknąć. Otwieraniu i zamykaniu zaworów towarzyszą więc ogromne przyspieszenia, a na wszystkie ruchome elementy układu rozrządu działają duże siły bezwładności.

Dlatego kształt krzywek wałka rozrządu nie jest przypadkowy. Wszystko po to, by cały układ pracował jak najbardziej płynnie, a więc by maksymalnie ograniczyć wartości przyspieszeń. Zarys kształtu każdej krzywki wałka rozrządu dzieli się na sześć odcinków.

Fazy rozrządu, czyli momenty otwarcia i zamknięcia zaworów, są zależne np. od przeznaczenia silnika. Wpływają bezpośrednio na ilość powietrza zassanego do komory spalania i spalin z niej usuniętych. To przekłada się na charakterystykę silnika. Krótsze czasy otwarcia i przekrycia (jednoczesnego otwarcia zaworów ssących i wydechowych) zapewniają szerszy zakres momentu obrotowego przy niższym zużyciu paliwa.

Dłuższe czasy otwarcia, przekrycia zaworów oraz ich skoki zapewniają większą moc maksymalną, ale przy wyższym zużyciu paliwa, większej emisji trujących węglowodorów i gorszej przydatności do codziennej eksploatacji. W przecinakach jeżdżących na co dzień po ulicach producenci muszą pogodzić ogień z wodą, tzn. mocny dolny i środkowy zakres obrotów z wysoką mocą w górnym zakresie obrotów, przydatną np. podczas Track Days. Do tego jeszcze trzeba spełnić normy emisji spalin i hałasu. Aby i na najwyższych obrotach uzyskać oczekiwane fazy rozrządu, konstruktorzy są zmuszeni do projektowania precyzyjnych układów.

Bezpośredni lepszy?

Najlepszym (i najdroższym) rozwiązaniem są koła zębate (np. w V-czwórkach Hondy, patrz: VFR). Dużo tańsze i lżejsze są łańcuszki; obecnie stosuje się możliwie najkrótsze. Do tego należy doliczyć rozwiązania z wałkiem pośrednim napędzanym kołem zębatym (przykład: MV Agusta F3) oraz napęd łańcuchem tylko jednego wałka rozrządu, który przez koła zębate napędza drugi wałek (przykład: Aprilia RSV4).

Każdy napęd musi utrzymywać dokładne fazy rozrządu. Odkształcenia jego elementów, np. rozciąganie się łańcucha, muszą być więc minimalne. Japończycy w swoich silnikach sportowych stosują obecnie wyłącznie bezpośredni napęd zaworów. Krzywka otwiera zawór za pośrednictwem szklankowego popychacza.

To rozwiązanie sprawdzało się przez dziesięciolecia. Jest wytrzymałe, niezawodne i stosunkowo tanie w produkcji. Ruch obrotowy krzywki nie powoduje działania żadnych sił poprzecznych na trzonek zaworu, co dobrze wpływa na jego trwałość i szczelność. Siły poprzeczne przejmuje wyłącznie popychacz, który porusza się w górę i w dół w gnieździe, precyzyjnie wykonanym w aluminiowej głowicy cylindra.

A może dźwigienką?

BMW i KTM wybrały tzw. pośredni napęd zaworów (środkowe zdjęcie na górze tej strony). Krzywki naciskają na dźwigienki, które otwierają zawory. Te dźwigienki są pokryte specjalną warstwą o własnościach podobnych do diamentu (tzw. DLC – diamond-like carbon).

Jest ona bardzo gładka, o bardzo małym tarciu. W tym wypadku suma mas wszystkich ruchomych elementów jest mniejsza niż w układzie napędu bezpośredniego zaworów. Wadą jest to, że ruch okrężny dźwigienki powoduje powstawanie siły poprzecznej uginającej trzonek zaworu. Przyspiesza to zużycie jego i prowadnicy zaworowej. 

W obu układach napędu rozrządu równie ważna rola przypada sprężynom. Dbają o to, by nawet przy najwyższych obrotach ruch elementów układu był zgodny z zarysem krzywki. Jest to szczególnie ważne przy zamykaniu zaworów – szklanka lub dźwigienka nie mogą oderwać się od krzywki. Mogłoby to bowiem doprowadzić do zbyt późnego zamknięcia zaworów wylotowych i ich zniszczenia przez poruszający się do góry tłok.

Ponadto sprężyny mają za zadanie wykluczenie drgań rezonansowych, które również są zabójcze dla układu rozrządu. Kiedyś garażowi mechanicy, aby zwiększyć napięcie sprężyn, wkładali podkładki dystansowe. Dzisiaj siła cofająca jest obliczona z dokładnością do dziesiątej części milimetra długości sprężyny. Taką precyzję zapewniają sprężyny o progresywnej lub liniowej charakterystyce, dobranej do zarysu krzywki.

Zależnie od maksymalnej prędkości obrotowej i masy zaworów stosuje się sprężyny pojedyncze, jak w silniku Kawasaki Z 1000 (maks. prędkość obrotowa: ok. 11 000/min), lub podwójne, jak w silniku BMW S 1000 RR (maks. prędkość obrotowa: ok. 14 000/ min). Generalnie obowiązuje reguła: twarde – jeśli to konieczne, miękkie – jeśli to tylko możliwe. Zbyt twarde sprężyny zwiększają zużycie i straty w silniku.

W Ducati zaworami steruje techniczne dzieło sztuki – rozrząd desmodromiczny. Nie ma w nim sprężyn zaworowych. Tutaj otwieranie i zamykanie zaworów, przez układ dźwigienek, wymuszają krzywki. Umożliwia to uzyskanie ekstremalnych przyspieszeń zaworów przy wysokich obrotach, a więc i niestandardowych faz rozrządu.

Niestety, jest to kosztowne rozwiązanie. W silnikach wyczynowych często stosuje się zawory z tytanu. Przy takiej samej budowie są one o ok. 43% lżejsze od stalowych odpowiedników (gęstość stali 7,85 g/cm3, gęstość tytanu 4,5 g/cm3). Są przy tym dużo trwalsze, ale niestety sporo droższe.

800°na zaworze

I szklankowe popychacze, i zawory muszą stale obracać się w gnieździe, by idealnie do niego przylegać. Ruch obrotowy zaworu mogą wymuszać sprężyny zaworowe – podczas ich ściskania i rozprężania lub przez zastosowanie zamków stożkowych zaworu, umożliwiających swobodny obrót zaworu.

Do produkcji układu rozrządu stosuje się różne materiały, więc różna jest ich rozszerzalność cieplna. Jej skutki wyrównuje prawidłowa wartość luzu zaworowego (między krzywką a szklanką lub dźwigienką a trzonkiem zaworu). Jeśli jest on za mały, zawory nie domykają się szczelnie i nie oddają ciepła do głowicy.

Jest to szczególnie niebezpieczne dla zaworów wylotowych, których temperatura może osiągnąć nawet +800°C. Zawory i ich gniazda ulegają wtedy przyspieszonemu wypaleniu. Jeśli luz jest za duży, układ rozrządu pracuje głośno i elementy ruchome szybciej się zużywają. Spada wtedy także czas otwarcia zaworu. Dalej – jeśli krzywka nie dość "miękko" otwiera i zamyka zawór, będzie on mocno uderzał w gniazdo.

Kanały dolotowe

Te o dużym przekroju wcale nie gwarantują wydajnego napełniania mieszanką silnika wyścigowego. Dla zwiększenia prędkości jej przepływu istotne są: zoptymalizowane pod kątem przepływu kanały, gniazda zaworów i komory spalania. Spece od silników zmniejszają kanały wlotowe i wylotowe, a następnie je obrabiają w celu uzyskania takiego ukształtowania, by jego wymiary zmniejszały się równomiernie z kierunkiem przepływu mieszanki.

Rośnie wówczas prędkość przepływu w kanale dolotowym (patrz wykres z lewej) oraz wzmacnia się efekt doładowania dynamicznego, zwłaszcza w środkowym zakresie prędkości obrotowych. W konsekwencji, w silnikach mocnych superbike’ów, wzrasta moment obrotowy i zakres obrotów, w których jest osiągany.

Ocena przepływu

Kluczowy dla zwiększenia momentu obrotowego i mocy silnika jest obszar wokół gniazd zaworów. Otóż na drodze przepływu powietrza stoją grzybki zaworów. Tylko przy pełnym otwarciu zaworów mieszanka paliwowo-powiertrzna może przepływać przez pełen przekrój szczeliny między grzybkiem a gniazdem zaworu. Przy otwieraniu lub zamykaniu zaworów rosnąca lub malejąca szczelina hamuje przepływ powietrza.

Ważna jest również szczelina między grzybkiem zaworu a ścianką komory spalania – im większa, tym stawia mniejszy opór. Ruch powietrza w układzie dolotowym jest badany na tzw. stanowiskach przepływowych (ang. flow-bench). Podciśnienie powstające od strony komory spalania wymusza przepływ powietrza, który jest mierzony dla różnych wzniosów zaworu.

Kołnierz przesunięty o 1 mm

W motocyklach o mocy powyżej 150 KM warto raczej poprawić moment obrotowy i kulturę pracy niż dodać parę koników. A to już nie jest robota dla złotych rączek, lecz dla doświadczonych mechaników. Jeśli mimo to chcesz zabrać się do frezowania wałka, policz do dziesięciu i jeszcze raz dobrze się zastanów. Nawet niewielkie poprawki np. gardzieli dolotowych mogą dać wymierny wzrost momentu obrotowego i mocy.

Gumowe gardziele, dzięki powiększeniu otworu mocującego, są montowane w taki sposób, że znika krawędź zakłócająca przepływ (zielona strzałka). Przy centrycznie zamontowanej gardzieli przejście od gardzieli do z reguły większej średnicy kolektora dolotowego jest wyrównywane. Do ścigania się w klasie, której regulamin zakazuje jakichkolwiek zmian w podzespołach silnika, można zmniejszyć gwint śrub mocujących w okolicy kołnierza do średnicy rdzenia, dzięki czemu kołnierz przesuniesz o prawie 1 mm.

Trochę o zaworach

Kąt rozchylenia względem siebie krzywek zaworów (na każdym z wałków) informuje, przy jakim kącie obrotu wału korbowego pojawia się maksymalny wznios zaworu wlotowego po górnym martwym punkcie, ewentualnie maksymalny wznios zaworu wylotowego po dolnym martwym punkcie. W wielu wałkach rozrządu są poprowadzone kanały olejowe, co zmniejsza tarcie podczas otwierania zaworów. W tej strefie powstaje bowiem największe przyspieszenie zaworu, a tym samym bardzo duże ciśnienie powierzchniowe między krzywkami a popychaczami, ewentualnie dźwigienkami.

Gniazda zaworów składają się normalnie z trzech frezowanych kątów (np. 15-45-75O). Ale gniazdo jest korzystne dla przepływu wtedy, gdy kąty są zaokrąglone i pozostanie kąt 45° z możliwie wąską powierzchnią przylegania zaworu. Poprawę przepływu gazu próbuje się czasem uzyskać przez zaokrąglenie grzybków zaworów.

Motocykl

Komentarze

 
 

Wypełnij to pole:

ZOBACZ RÓWNIEŻ Zamknij