Na wysokich obrotach

Któż z nas nie kocha muzyki silnika motocykla wkręcającego się na najwyższe obroty... Ale co dzieje się wtedy w jego wnętrzu? W bardzo dużym uproszczeniu wyjaśniamy, jak ogromnym obciążeniom są poddawane jego elementy.

Naszymi królikami doświadczalnymi były dwie maszyny sportowe: Ducati Panigale V4 R i Honda Fireblade RR-R. Przyjmijmy, że ich silniki kręcą się ze stałą prędkością 15 000 obr/min, czyli 250 obr/s. Co dzieje się wtedy z tłokami, układem rozrządu czy skrzynią biegów?

W każdej sekundzie pracy na elektrodach świecy każdego z cylindrów iskra przeskakuje aż 125 razy. Iskry zapalają mieszankę paliwowo-powietrzną, która, spalając się, wywiera nacisk na tłoki, wprawiając je w ruch posuwisto-zwrotny. Ten z kolei jest zamieniany w ruch obrotowy wału korbowego. To wydaje się jasne. Ale w jaki sposób mieszanka paliwa i powietrza dostaje się do silnika? Otóż jest ona dostarczana do cylindra przez układ dolotowy. Aby do cylindra trafiło jej jak najwięcej, wykorzystuje się różnicę ciśnień powstającą w układzie dolotowym oraz wszystkie znane obecnie triki, takie jak efekt wykorzystania rezonansu słupa mieszanki czy efekt doładowania dynamicznego.

Ten drugi ze sposobów polega na wtłaczaniu powietrza do układu dolotowego, wykorzystując wysoką prędkość jadącego motocykla, i jest często nazywany ram air. Przypomina to trochę działanie sprężarki. Według praw fizyki, mieszanka przemieszcza się najszybciej w najwęższym miejscu układu dolotowego, czyli tuż przed zaworami. To właśnie tu porusza się ona z prędkością ponad 150 m/s, czyli bardziej obrazowo: 540 km/h!

 

Technika_silnikHonda
Technika_silnikDucati
Silnik najnowszej Hondy Fireblade jest pierwszym w historii tej marki, w którym w układzie rozrządu zastosowano małe dźwigienki między wałkami rozrządu a trzonkami zaworów. Te elementy pokryto powłoką DLC (Diamond Like Carbon), stąd ich czarny kolor.



REKLAMA

REKLAMA

 

MIESZANKA I PRĘDKOŚĆ JEJ PRZEPŁYWU W SILNIKU

Zanim mieszanka paliwowo-powietrzna trafi do cylindra, musi pokonać całą długość układu dolotowego. Robi to błyskawicznie!

Symulacja komputerowa pokazuje, gdzie prędkość przepływu mieszanki podczas otwierania zaworu jest największa – obszary te zaznaczono na czerwono. Zielone miejsca to obszary znajdujące się w cieniu trzonka zaworu. Tu prędkość przepływu jest już mniejsza. W miejscach zaznaczonych na niebiesko prędkość przepływu jest najmniejsza. Można to wytłumaczyć tym, że podczas otwarcia zaworu przepływ mieszanki trafia na jego grzybek i stąd jest trafia do komór spalania.

Wykres z prawej pokazuje, że inżynierowie Ducati założyli moment zapłonu dokładnie w górnym martwym punkcie (GMP) pierwszego cylindra przy zamkniętych zaworach, czyli przy zerowym kącie przesunięcia wału korbowego. Odpowiednio proces zasysania zaczyna się tuż przed GMP przy otwartych zaworach przy 360° i kończy się długo po przekroczeniu dolnego martwego punktu (DMP), który pojawi się przy 540°.

Technika_silnikDucati
Przepływ w obszarze zaznaczonym na niebiesko przyspiesza dopiero po pokonaniu przez zawór połowy skoku.

Technika_silnikMotocykl
Podczas pracy silnika Ducati maksymalna ilość zasysanego powietrza wynosi około 250 l/s, a prędkość jego przepływu w układzie dolotowym to nawet 150 m/s.

 

Zobacz również: Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak się je robi, z czego są wykonane albo czym się różnią jedne od drugich? No to przyjrzyjmy się im bliżej.

 

Układ rozrządu jak działa

Całym procesem dostarczania w odpowiednim momencie mieszanki do silnika steruje układ rozrządu. Mówiąc językiem inżynierów, zawory ssące w Ducati Panigale V4 są otwarte przez 247°, a w Hondzie Fireblade przez 248° obrotu wału korbowego. Skoro silnik kręci się 15 000 obr/min, oznacza to, że czas otwarcia zaworu w Ducati wynosi 0,0027444 sekundy. W Hondzie ten proces trwa nieco dłużej – 0,0027555 sekundy! Dla porównania: mrugnięcie okiem to 0,3 sekundy. Czyli czas, jaki ma mieszanka, żeby wpłynąć do cylindra, jest niesamowicie krótki.

W procesie wymiany ładunku najważniejsze jest to, by zawory otworzyły się jak najszybciej i jak najszerzej oraz by utrzymać ten stan możliwie jak najdłużej. Zamknięcie zaworów wydechowych powinno być całkowite i odbywać się błyskawicznie. Żeby nie było za łatwo, proces ten utrudnia tłok poruszający się w górę i dół, który pod żadnym pozorem nie może uderzyć w zawory. Sterowanie zaworami to zadanie wałka rozrządu i jego krzywek.

Teoretycznie najlepszym rozwiązaniem byłoby, gdyby profil krzywek był maksymalnie zbliżony do prostokąta. Ciach i następuje otwarcie zaworu. Następnie przez odpowiednio długi czas zawory pozostają otwarte, by w ułamku sekundy zamknąć się. Niestety, w praktyce jest to niewykonalne. Dlatego krzywki mają kształt zapewniający zaworom jak największą płynność ruchu.



REKLAMA

 

GDY ROBI SIĘ GORĄCO

Spalająca się mieszanka powoduje, że temperatura w cylindrze błyskawicznie rośnie. Ile wynosi maksymalna temperatura pracy zaworów i tłoków?

Aluminium topi się w temperaturze 660°, a stopy aluminium stosowane do produkcji tłoków mają jeszcze wyższą temperaturę topnienia. Czyli jeśli tłoki podczas pracy rozgrzewają się do 280°C, to czy można zaryzykować twierdzenie, że wszystko jest w porządku? Niby tak, ale... Już 10 lat temu projektant silników z KTM-a Louis Genser twierdził, że denka tłoków w silnikach wyposażonych w dwie świece na cylinder, takich jak np. w RC8 R, podczas ekstremalnych obciążeń mogą zrobić się plastyczne, bo zapalona mieszanka osiąga temperaturę do 3000°C. Dlatego niezbędne jest szybkie i równomierne rozprowadzenie ciepła na ich powierzchni. Komputerowa symulacja pokazuje, że w przypadku Panigale udało się to znakomicie.


Technika_silnikDucati
Para na tłoki. Maksymalna temperatura denka tłoka wynosi 250–270°C.

Technika_silnikDucati
Gorąco, jeszcze goręcej! Maksymalna temperatura zaworów ssących to około 400°C. Natomiast w przypadku wydechowych wzrasta ona dwukrotnie – do około 800°C . W drugim przypadku zawory potrafią żarzyć się na czerwono.

 

MOC MAKSYMALNA

To jeden z podstawowych parametrów silnika, niezależnie od jego konstrukcji.

Mimo różnic, silniki Hondy i Ducati dowodzą, jak bardzo zbliżone do siebie osiągi można uzyskać w różny sposób. Dowodem są niemal idealnie pokrywające się krzywe mocy. Większe zawory dolotowe w Ducati niż w Hondzie (34 : 32,5 mm) w połączeniu z desmodromicznym rozrządem zapewniają lepszy stopień napełnienia cylindra powyżej 15000 obr/min, co przekłada się na wyższą moc maksymalną. Na torze taka charakterystyka pozwala zaoszczędzić czas potrzebny na aż dwie zmiany biegów, ponieważ silnik V4 można dokręcić do prawie 16 000 obr/min.


Technika_silnikMotocykl


Technika_silnikGiovani De Sandre
Wał korbowy pracuje z prędkością 15 000 obr/min, co oznacza, że w sekundę obraca się 250 razy.

 

JAKIE CIŚNIENIE PANUJE W KOMORZE SPALANIA

Zapłon mieszanki powoduje, że w komorze spalania w ułamku sekundy rozpętuje się piekło. Nie ma przesady w tym określeniu.

Podane w tekście przyspieszenia tłoków oraz siły, które na nie oddziałują, to wartości wyliczone na podstawie prędkości obrotowej, skoku tłoka i jego masy. Nie uwzględniają one powstających podczas suwu pracy ciśnień, lecz symulują warunki, jakie by panowały, jeśliby silnik był rozpędzany do 15 000 obr/min przez źródło zewnętrzne, na przykład przez silnik elektryczny. Wykres obok pokazuje wzrost ciśnienia po zapłonie mieszanki powietrzno-paliwowej około 40° przed górnym martwym punktem (GMP). Krótko potem mieszanka jest całkowicie spalona. Maksymalne siły oddziałujące na tłoki i korbowody sięgają wartości 90 barów.

Technika_silnikMotocykl
Zmiany ciśnienia w cylindrach mają nagły charakter. W momencie zapłonu ciśnienie wzrasta dziewięciokrotnie.



REKLAMA

REKLAMA

 

Przyspieszenia jakim poddawane są zawory 

Ale w tym miejscu pojawia się kolejny problem. Mimo że praca zaworów jest płynna, są one poddawane niewyobrażalnym przyspieszeniom. W Fireblade RR-R wynosi ono średnio 11 317 m/s2, a w Panigale V4, mającym rozrząd desmodromiczny, jeszcze więcej, bo 14 339 m/s2. Dla przypomnienia: w układzie desmodromicznym ruch zaworu (zamknięcie–otwarcie) wymuszają krzywki, w klasycznym rozwiązaniu zaś zawory domykają sprężyny. Rozrząd desmo jest bardziej skomplikowany, ale pozwala uzyskać skok zaworu ssącego na poziomie 13,5 mm, podczas gdy w Hondzie ów skok wynosi tylko 10,5 mm.

Przed chwilą posłużyłem się uśrednionymi wartościami, ale otwieranie się i zamykanie zaworów nie jest procesem jednostajnym. W silniku BMW S 1000 RR maksymalne przyspieszenie zaworów dochodzi do 40 000 m/s2; ponieważ kąt otwarcia jest o 2O krótszy niż w silniku Hondy, a skok zaworów jest o 0,01 mm większy. Moim zdaniem przyspieszenie zaworów w Bladym może bez problemu osiągać wartości maksymalne porównywalne z beemką, a w Ducati nawet przekroczyć granicę 40 000 m/s2. Oznacza to, że w ciągu sekundy prędkość zaworu wzrasta od zera do 40 000 m/s! Dla porównania: pierwsza prędkość kosmiczna, czyli najmniejsza prędkość, jaką należy nadać obiektowi względem przyciągającego go ciała niebieskiego, aby poruszał się po zamkniętej orbicie (tzn. nie wyrwał się w przestrzeń kosmiczną), wynosi tylko 7910 m/s!

WAŁ KORBOWY NIE JEST IDEALNIE SZTYWNY!

Na pierwszy rzut oka wał korbowy oraz sworzeń tłokowy wydają się idealnie sztywne. Rzeczywistość jest jednak inna. odkształcenia obu tych elementów są najlepiej widoczne podczas symulacji komputerowej.

Sworzeń tłokowy, korbowód i wał korbowy są obciążane tak dużymi siłami, że każdy z tych elementów odkształca się sprężyście. Zadanie inżynierów polega na tym, aby wymienione podzespoły zaprojektować w taki sposób, by odkształcenia nie spowodowały uderzenia tłoka w głowicę. To z definicji trudne zadanie jeszcze bardziej komplikuje to, że podczas projektowania trzeba uwzględnić luzy łożysk sworzni korbowodowego i tłokowego, tak by nie pojawiło się niebezpieczeństwo kontaktu tłoka z otwartymi zaworami. Nawet w nowoczesnych silnikach sportowych trudno idealnie ustalić luz pionowy, dlatego wielu producentów używa podczas montażu silnika uszczelek głowic o różnych grubościach.


Technika_silnikDucati
Największe odkształcenia sworznia tłokowego powstają, gdy następuje suw pracy tuż za GMP. Średnio jest to 0,02 mm, w momencie zapłonu może wzrosnąć nawet do 0,04 mm.

Technika_silnikDucati
Odkształcenie wału korbowego w czopie korbowodowym w GMP może wynieść od 0,01 mm.

Technika_silnikMotocykl
Oto rozkład sił działających na wał korbowy. Gdy tłok jest  w okolicach GMP, nacisk wynosi około 21 000 N.

 

MAKSYMALNY MOMENT OBROTOWY

W obu przypadkach w przedziale od 12 do 14 tys. obr/min moment obrotowy w Ducati jest mniejszy od tego w Hondzie, za to powyżej 14 000 obr/min nie opada on tak stromo.

W obu przypadkach wartość maksymalnego momentu obrotowego jest identyczna i wynosi 112 Nm. Efekt skali: gwałtowny spadek momentu obrotowego w Hondzie przy 6000 obr/min na wykresie wygląda groźnie. Krzywa momentu obrotowego w Ducati przebiega książkowo.


Technika_silnikMotocykl


Technika_silnikKawasaki
Skrzynia biegów. Każde przełożenie redukuje prędkość obrotową i zwiększa moment obrotowy na kole.

 

Zobacz również: ABS był pierwszym i do dziś pozostał chyba najważniejszym systemem ratującym skórę motocykliście. Sprawdziliśmy jak ABS pierwszej generacji (z 1988 r.) wypada w porównaniu z najnowszym.



REKLAMA

 

Jaka jest temperatura zapalnej mieszanki w silniku?

Na mechaniczne obciążenie silnika istotny wpływ ma temperatura. Po zapaleniu się mieszanki jej temperatura błyskawicznie wzrasta do ok. 3000O C. Podczas pracy jednostki napędowej na zawory wydechowe działają spaliny o temperaturze do 800O C. Zawory mogą przez krótki czas przekazać ciepło do głowicy, wykorzystując swoje prowadnice, a gdy są zamknięte, poprzez stykanie się grzybka z gniazdami. Przez ułamek sekundy zawory ssące są też omywane przez stosunkowo zimną mieszankę. Uff, zrobiło się gorąco! Mimo to jedziemy dalej.

Tłoki w Hondzie mają skok 48,5 mm i przy 15 000 obr/min w czasie 1 sekundy pokonują drogę 24,25 m. Inaczej mówiąc, na niecałych 5 centymetrach skoku tłoki są przyspieszane od zera do prędkości 137 km/h i ponownie wyhamowywane aż do zatrzymania, po to, by w następnym ułamku sekundy momentalnie rozpędzić się do podobnych wartości, ale w przeciwnym kierunku. Przy maksymalnych przyspieszeniach tłoków wynoszących 59 711 (Ducati) czy 59 834 m/s2 (Honda) działające na nie siły bezwładności powodują, że tłok Panigale zaczyna ważyć 1461 kg, a Hondy 1486 kg!

Taką różnicę wywołuje większy o zaledwie 0,1 mm skok tłoka w Hondzie oraz to, że kompletny tłok ze sworzniem i pierścieniami jest w Bladym o 3,6 g cięższy od tego w Panigale, który ma tylko dwa pierścienie – uszczelniający i zgarniający. A co dzieje się ze wspomnianym sworzniem? Odkształca się podczas pracy o 0,02 mm, przy czym największe odkształcenie następuje przy najwyższym ciśnieniu spalania. Może ono wtedy osiągnąć nawet 0,04 mm, czyli dwukrotnie przekroczyć wartość standardową.

Szaleństwo obrotów w silniku Hondy dotarło do ogranicznika przy 15 000 obr/min, natomiast w kręcącym wyżej silniku V4 Panigale życie toczy się dalej, mimo że obroty dawno przekroczyły poziom, gdy moc osiąga wartość maksymalną.

 

SIŁA NAPĘDOWA NA TYLNYM KOLE...

...to ta, jaką tylna opona przenosi na asfalt.

Zależy ona od momentu obrotowego dostarczonego przez silnik i chwilowego promienia opony, który różni się w zależności od kąta złożenia motocykla oraz obciążenia, powodującego zmianę jej kształtu. Te zmiany nie są duże, niemniej mają spore znaczenie w motocyklach sportowych, w szczególności na torze. Zwróć uwagę, jak bardzo różnią się wykresy Ducati i Hondy. Wielkie brawa dla Ducati za skonstruowanie silnika tak płynnie przekazującego moc na koło.


Technika_silnikMotocykl


Technika_silnikMarkus Jahn
Tylna opona. Podczas jazdy z prędkościami powyżej 250 km/h opór powietrza jest tak duży, że opona może ślizgać się nawet podczas jazdy na wprost.

 

Technika_silnikHonda
Podczas przyspieszania w sportowym stylu tylko górny odcinek łańcucha jest poddawany dużym naprężeniom rozciągającym. Na szczęście działające na niego siły rzadko są tak duże, by się zerwał.



REKLAMA

REKLAMA

 

Zmiana biegów w sportowym motocyklu

Maksymalna prędkość tłoka, z jaką przy 15 000 obr/min porusza się on w Hondzie Fireblade, to 137 km/h.

Pora na zmianę biegów. Gdy obroty w Hondzie spadają do 13 000 obr/min, moment obrotowy wynosi 111 Nm. Przełożenie wewnątrz silnika, wynoszące 1:1,63, obniża obroty na sprzęgle do poziomu 7975 obr/min, jednocześnie moment obrotowy rośnie do około 180,9 Nm. Straty spowodowane tarciem między kołami zębatymi wynoszą 2%, więc do skrzyni biegów dociera ok. 177 Nm momentu!

Para kół zębatych czwartego biegu redukuje prędkość obrotową i podnosi moment obrotowy w proporcji 1:1,478 i również generuje straty na poziomie 2%. To znaczy, że wałek wyjściowy skrzyni kręci się z prędkością 5396 obr/min, a wartość momentu rośnie do 256 Nm. Przełożenie wtórne (czyli przełożenie kół między skrzynią biegów a tylnym kołem), wynoszące 2,5, zmniejsza prędkość obrotową tylnego koła do 2158 obr/min, ale moment obrotowy wzrasta wtedy do 640 Nm. Z tego 1,6% pochłaniają straty spowodowane tarciem w łańcuchu, tak więc na tylne koło trafia ostatecznie 630 Nm momentu.

Ze względu na obracający się „do tyłu” wał korbowy, Dukat musi zmienić kierunek obrotów za pomocą wałka pośredniego. W tym przypadku na tylne koło trafia 656 Nm momentu. Czyli teoretycznie na ostatnich metrach Ducati przyspiesza nieco szybciej niż Honda.


W silniku podczas szybkiej jazdy sporo się dzieje, prawda? Ale przecież to tylko wierzchołek góry lodowej. Skomplikowanych procesów zachodzących w silniku i współzależności między nimi jest tyle, że są je w stanie ogarnąć tylko bardzo tęgie głowy.

DO POMIARÓW, GOTOWI... START!

Oto podstawowe dane techniczne oraz wyniki naszych pomiarów.

Ducati Panigale V4 R: silnik V4, poj. skokowa 999,7 cm3, śr. cyl .x skok tłoka 81,0 x 48,4 mm, masa tłoka (ze sworzniem i pierścieniami) 240 g
Honda Fireblade RR-R: silnik rzędowa czwórka, poj. skokowa 999,7 cm3, śr. cyl. x skok tłoka 81,0 x 48,5 mm, masa tłoka (ze sworzniem i pierścieniami) 243,6 g
Opony w teście: Michelin Power Performance, 200/55 ZR 17; obwód opony w złożeniu 38,5° – 193,5 cm
Moc maksymalna
Panigale 221 KM (163 kW) przy 15 250 obr/min
Fireblade 213 KM (156,5 kW) przy 14 000 obr/min
Moc zmierzona na tylnym kole
Panigale V4 R 202,5 KM (148,9 kW) przy 15 250 obr/min na piątym biegu
Fireblade RR-R: 200,6 KM (147,5 kW) przy 14 000 obr/min na czwartym biegu
Maksymalny moment obrotowy
Panigale V4 R 112 Nm przy 11 500 obr/min
Fireblade RR-R 112 Nm przy 12 200 obr/min
Maksymalne obroty wału korbowego
Panigale V4 R 16 000 obr/min = 266,7 obr/s
Fireblade RR-R 15 000 obr/min = 250 obr/s
Prędkość obrotowa sprzęgła*
Panigale V4 R 8333,3 obr/min
Fireblade RR-R 9202,0 obr/min
Prędkość obrotowa zębatki zdawczej na 6. biegu*
Panigale V4 R 6666,7 obr/min
Fireblade RR-R 7580,0 obr/min
Prędkość obrotowa tylnego koła
  w obu motocyklach 2171 obr/min
Liczba suwów pracy każdego z cylindrów 125/s
Czas otwarcia zaworów dolotowych
Panigale V4 R 0,0027444 s
Fireblade RR-R 0,0027555 s
Spalanie* około 0,004 l/s
Średnia prędkość tłoków
Panigale V4 R 24,20 m/s = 87,12 km/h
Fireblade RR-R 24,25 m/s = 87,30 km/h
Maksymalna prędkość tłoków
Panigale V4 R 38,01 m/s = 135,8 km/h
Fireblade RR-R 38,09 m/s = 137,1 km/h
Maksymalne opóźnienie tłoka*
Panigale V4 R 59 711 m/s2
Fireblade RR-R 59 834 m/s2
* – przy prędkości obrotowej wału korbowego 15 000 obr/min

zobacz galerię

Zobacz również:
Motocykl odebrany z serwisu jest w gorszym stanie niż przed oddaniem go? To dzisiaj rzadkość, choć przy odrobinie pecha można trafić na nieuczciwego mechanika. Podpowiadamy jak tego uniknąć.
ZOBACZ WIĘCEJ
REKLAMA