Technika MotoGP – układy zaworowe

Sezon 2007 przyniósł w MotoGP nieoczekiwane wyniki: nie wygrali ani czarny koń Dani Pedrosa, ani Valentino Rossi, ani żaden z innych faworytów. A przecież oczekiwano, że w pierwszym roku obowiązywania pojemności 800 cm3 warunki będą dyktowały Honda RC 212 V i Yamaha YZR-M1. Wspaniałe występy Caseya Stonera i jego Ducati GP7 D16 wstrząsnęły wyścigowym światkiem. Już w pierwszym wyścigu, rozegranym w Katarze, Australijczyk wyprzedził Rossiego o 3 sekundy, Pedrosie dołożył aż 8. Zastanówmy się, dlaczego tak się stało.

Gdy wprowadzono normę dopuszczalnego zużycia paliwa, która wynosi 21 litrów na wyścig, Honda zbudowała szyty na miarę, maleńki motocykl, przeznaczony dla wyścigowej pchły, czyli Daniego Pedrosy. W napędzie bazował on na sprawdzonych rozwiązaniach. 990-centymetrowe silniki RC-211 V zwyciężały także pod względem zużycia paliwa, mimo że korzystały z zadziwiająco konwencjonalnych rozwiązań technicznych, ze zmniejszonym stosunkiem skoku tłoka do średnicy cylindra (rzekomo o 0,57, wobec ekstremalnego 0,47 w Ducati), z układem rozrządu ze szklankowymi popychaczami i stalowymi sprężynami. Zgodnie z logiką, Honda zlikwidowała w V5 jeden cylinder, pozostawiając resztę rozwiązań bez zmian. Obroty utrzymano na poziomie 16 500/min. Ta kalkulacja okazała się błędna.

Pneumatyka
Ichiro Yoda dyrektor do spraw wyścigowych Kawasaki	Pneumatyczne sprężyny zaworowe spełniają nasze wymagania i umożliwiają dalszy rozwój.

Pneumatyczne sterowanie zaworami otwiera zawory (1) za pomocą krzywki na wałku. Zamyka je sprężynami gazowymi (2), zastępującymi typowe sprężyny śrubowe wykonane ze stali. Prawdopodobnie Kawasaki, Suzuki i Yamaha włączyły wleczoną dźwigienkę zaworową (3) między wałek rozrządu (4) a zawór (1). W porównaniu ze szklankowymi popychaczami pozwala to zaoszczędzić około 25% mas ruchomych i umożliwia uzyskanie szybszej pracy zaworów (patrz: wykres na str. 156). Wspólnie z masami zaoszczędzonymi na sprężynach zaworowych umożliwia to uzyskanie wydajniejszych krzywych wznoszenia zaworów. Pneumatyczne sprężyny zmniejszają straty energii, a więc obniżają zużycie paliwa i straty mocy. Obroty mogą być wyższe, gdyż mniejsza masa pakietów obniża bezwładność mas wykonujących ruchy posuwisto-zwrotne. Pomaga w tym także progresywna charakterystyka sprężyn gazowych. Jeżeli obroty mają nadal rosnąć, siłę docisku można łatwo zwiększyć, podwyższając ciśnienie w układzie pneumatycznym.

Wszyscy producenci zasilają sprężyny gazowe ze zbiornika z azotem (5), którego ciśnienie wynosi od 150 do 250 barów. Zawór redukcyjny (6) obniża ciśnienie do wartości 9-14 barów. W czasie ściskania sprężyny ciśnienie to wzrasta do maksymalnie 30 barów. Nieuniknione przedmuchy między tłoczkami (7) a cylindrem (8) są uzupełniane ze zbiornika wyrównawczego. W razie spadku ciśnienia zawory wpadają do komory spalania i awaria silnika gotowa. Dalszy problem: w typowym silniku sprężyny obracają zawór, co pozwala uniknąć występowania spię- trzeń obciążeń i wysokich temperatur oraz na dłuższą metę zapewnia szczelność układu. Sprężyna powietrzna nie zapewnia obrotu. W związku z tym konieczne jest bardzo dokładne wykonanie gniazd z drogich materiałów.

Podobnie zagalopowała się Yamaha. Jej 800-centymetrowa M1 dysponowała wprawdzie większą rezerwą obrotów, ale dysponowała podobnie konserwatywną konstrukcją układu rozrządu. Co przegapili dwaj japońscy giganci? W konstrukcji motocykli MotoGP o różnicach decydowały – oczywiście oprócz elektroniki – najważniejsze podzespoły. Potęga Suzuki i Kawasaki bazowała na potencjale pneumatycznych sprężyn zamykających zawory. W Ducati był to układ desmodromiczny.

Pomijając silniki GSV-R i ZX-RR, maszyny te są bardzo podobne do poprzedniczek o pojemności 990 cm3. Jednostki napędowe zarówno Suzuki, jak i Kawasaki, w 2007 roku kręciły 18 000 obr/min. Ducati zaś, dzięki desmodromice, osiągało nawet 19 000 obr/min. Nic zatem dziwnego, że Honda i Yamaha wymiękły.

Obowiązujące obecnie 800 cm3 postawiło przed silnikami skomplikowane zadanie. Miały mieć dużą moc, a przy tym spalić maksimum 21 l paliwa. „Produkowanie” mocy odbywa się z grubsza zawsze w ten sam sposób: trzeba w komorze spalania spalić mieszankę paliwa z powietrzem, uzyskać przy tym maksymalne ciśnienie gazów i przetworzyć je możliwie efektywnie na ruch obrotowy. Jeżeli odbywa się to na wysokich obrotach, silnik rozwija dużą moc.

Dlaczego desmo
Claudio Domenicali dyrektor Ducati-Corse	Rozrząd desmodromiczny powoduje mniejsze straty na średnich obrotach, pozwala osiągać wyższe obroty i precyzyjniej steruje zaworami. Oznacza to oszczędność paliwa i większą moc.
	Stoner i Ducati GP7 D16 na czele, m.in. dzięki desmodromicznemu układowi rozrządu.
	Wałek rozrządu D16: olbrzymie skoki zaworów oraz wielkie krzywki otwierające i zamykające.
Tak jak w seryjnych Dukatach, i w silniku D16 mamy desmodromiczny rozrząd. Dzięki geniuszowi legendarnego konstruktora Fabio Taglioniego, opóźnienie Japończyków pod względem know -how jest szacowane na ponad 50 lat. To pozwala Ducati z optymizmem patrzeć na sezon 2008. GP8 podobno kręci na hamowni już ponad 20 000 obr/min. W minionym sezonie Casey Stoner dysponował 19 000 obr/min, czyli co najmniej o 1000 obr/min więcej od konkurentów. Jak to możliwe?
	Rozrząd desmo steruje zaworami (1) w ten sposób, że dźwigienka (2) otwiera zawór (3). Współ- pracująca z krzywką zamykającą dwuramienna dźwigienka w kształcie litery L (4) dociska zawór do gniazda. W przeciwieństwie do systemów z zaworami zamykanymi sprężynami, uniemożliwia to ruchy wymuszone siłami bezwładności. Oderwanie się zaworu od krzywki w trakcie zamykania jest wykluczone. Dzięki takiej stabilności ruchu, układ desmo osiąga wyższe obroty i umożliwia większe przyspieszenia zaworów niż w konwencjonalnych układach ze sprężynami. Pozwala to na stosowanie korzystniejszych czasów sterowania i innych charakterystyk rozrządu (patrz: wykres na str. 156). W Ducati otwieranie i zamykanie zaworów odbywa się w sposób korzystniejszy dla wymiany ładunku i zmniejszający czas wspólnego otwarcia zaworów – wydechowy jeszcze otwarty, wlotowy już otwarty.
W efekcie uzyskuje się lepsze napełnienie komory spalania i tym samym efektywniejsze spalanie mieszanki przy mniejszych stratach na płukanie, a zatem przy niższym zużyciu paliwa.

Udział mas ruchomych przypadających na jeden zawór – mimo braku sprężyny – jest chyba nie mniejszy niż w systemach klasycznych. Winę za to ponosi stosowanie dwóch dźwigni sterujących. Z tego powodu desmo prawdopodobnie nie wykazuje mniejszych strat na wysokich obrotach, ale za to na średnich ma do pokonania zdecydowanie mniejsze opory. Pozwala to osiągać tę samą moc przy mniejszym zużyciu paliwa.

Niższe straty mocy mogą oznaczać albo lepsze przyspieszenia motocykla, albo mniejsze zużycie paliwa przy porównywalnej mocy. W desmo nie ma problemu braku obrotu zaworów. Ujemnym aspektem tego rozwiązania jest duże obciążenie dźwigni, szczególnie zamykających, i związane z tym szybsze ich zużycie.
Gigantyczne moce silników MotoGP biorą się głównie z wydajności wymiany ładunków. Tych wymian nie można traktować jako czegoś, co kończy się wraz z kolejnym suwem. Są to ciągłe strumienie dopływającej mieszanki i wylatujących spalin, w których fale ciśnienia wytwarzają pulsację, a co za tym idzie – zwiększa się ilość mieszanki dostarczanej do komór spalania. Właśnie tę pulsację konstruktorzy chcą widzieć w komorach spalania między otwarciem a zamknięciem zaworów. Kluczem do sprawy jest układ sterujący zaworami.

W minionym roku czterocylindrowiec Hondy uzyskiwał maksymalnie 550 zapłonów na sekundę. Kawasaki, a później tak- że Suzuki i Yamaha osiągały 600. V4 Ducati uzyskiwał o 85 zapłonów więcej w ciągu sekundy. To tłumaczy, dlaczego Ducati uzyskiwało moc większą o ponad 20 KM. Ale w jaki sposób GP7 i dwie małe japońskie maszyny zadowalały się 21 litrami paliwa? Działo się tak dlatego, że ich pozornie nietypowe koncepcje wykazywały w pewnych zakresach obrotów mniejsze straty energii i tym samym mniejsze zużycie paliwa, a równocześnie umożliwiały uzyskiwanie wyższych obrotów. Jak to funkcjonuje, wyjaśniają podane w ramkach opisy poszczególnych systemów. Są to cechy decydujące w twardej walce o uzyskanie sukcesu.

Sprężyny zaworowe
Chris Herring dyrektor sportowy Hondy	Do 2007 r. Honda stosowała technikę zbliżoną do seryjnej. W sezonie 2008 także my wykorzystamy zawory zamykane pneumatycznie.
	Hayden walczył nie tylko z rywalami, ale również z wy- żyłowanym układem zaworowym swojej Hondy.
W pierwszym roku obowiązywania pojemności 800 cm3 Honda i Yamaha stosowały sterowanie zaworami (1) podobne do tego z większości silników sportowych. Znaczy to, że za otwieranie odpowiadały wałki rozrządu (2) i szklankowe popychacze (3), a za zamykanie – sprężyny śrubowe. To rozwiązanie z jednej strony korzysta z dziesiątków lat doświadczeń z zakresu wysokich mocy (na rysunku seryjna głowica cylindrów), ale z drugiej – cierpi z powodu „wady genetycznej” (sprężyny zaworowe nie zawodzą do około 18 000 obr/min; powyżej tej granicy barierą stają się masa elementów ruchomych, siła zamykająca i drgania rezonansowe sprężyny – wszystko to zwiększa tarcie wewnętrzne silnika i moc traconą na układ rozrządu).

Szklankowe popychacze zwiększają masy ruchome nawet o 25% w porównaniu z typowymi rozwiązaniami z dźwigienkami wleczonymi. W zamian poprawiają prowadzenie zaworów, które nie są narażone na działanie sił bocznych. Sprężyna ma swoją masę i przyczynia się do zwiększenia bezwładności systemu. 40 czy 50 gramów masy stawia przy ruchu odbywającym się w czasie kilku tysięcznych sekundy – tyle trwa zamykanie zaworu – olbrzymi opór. Szczególnie przy ostrych czasach sterowania trzeba stosować twarde sprężyny, niepozwalające zaworowi oderwać się od krzywki wałka rozrządu. Ma to swoje granice i limituje możliwe przebiegi otwarcia zaworów oraz wymaga długiego, wspólnego otwarcia zaworów wlotowych i wylotowych, jeżeli nie chce się zrezygnować z dobrego napełnienia komory spalania. W efekcie rosną straty na płukanie, a tym samym zużycie paliwa. Rośnie ono szczególnie w średnim zakresie obrotów, gdy mimo niskiej mocy opory otwierania zaworów są duże. Żeby nie było nieporozumień – wszystko to dzieje się w zakresach, w których motocykle seryjne pracują jak szwajcarskie zegarki.

Układy rozrządu wszystkich producentów są konstrukcyjnie bardzo do siebie podobne. W silnikach do MotoGP wszystkie zawory otwierają się od strony wydechu o około 13 mm, a od strony dolotu o 15 mm. W porównaniu z silnikami seryjnymi są to olbrzymie wartości. We wszystkich „800” pracują po dwa zawory dolotowe o średnicach od 33 do 36 mm i po dwa zawory wydechowe o średnicach od 26 do 29 mm. Kąty rozwarcia zaworów wynoszą około 18O. Wszystkie cztery zawory każdego z cylindrów wykonano ze stopów tytanu, zawierających aluminium i wanad. Czysty tytan nie wytrzymałby długo olbrzymiego obciążenia, ponieważ w przejściu między grzybkiem a trzonkiem zawory wydechowe rozgrzewają się do temperatury ponad 700 OC. Prowadnice zaworów i gniazda wykonano ze stopów miedzi, wzmocnionych berylem lub tlenkami aluminium. Dzięki dobremu przewodnictwu odprowadzają one ciepło z krytycznych obszarów zaworów, a oprócz tego są wystarczająco stabilne, aby wytrzymać wielkie obciążenia występujące zwłaszcza w układach pneumatycznych. Są one spowodowane tym, że w przeciwieństwie do innych systemów zawory nie obracają się w czasie pracy.

Olbrzymie obroty oraz ich ekstremalne wahania – np. przy szybkiej redukcji biegów – wymagają ich niezawodnego przetworzenia. Wałki rozrządu i wały korbowe zachowują się przy tym jak drążki skrętne w zawieszeniu – wpadają w drgania skrętne wzdłuż osi. Na szczęście, ich częstotliwość jest minimalna. Łańcuchy napędzające rozrząd, stosowane w prawie każdym seryjnym motocyklu, mogą przy tym wpaść w rezonans. Jest to bardzo niebezpieczne, gdy weźmie się pod uwagę, że przy sprężaniu grzybki zaworów dzielą od zbliżających się tłoków zaledwie dziesiąte części milimetra. Ich styk spowodowałby zniszczenie silnika. We wszystkich silnikach czterosuwowych wałki rozrządu mają dwukrotnie mniejszą prędkość obrotową od wału korbowego. Redukcję obrotów uzyskuje się przez zastosowanie kół zębatych o prostym uzębieniu. W zwartych silnikach koła zębate są tak rozmieszczone, że możliwe jest zastosowanie kół o małych średnicach. Zmniejsza to moment bezwładności układu rozrządu i wymiary silnika. To wszystko zastosowano w Hondach i Yamahach, ale niestety zbyt konserwatywnie. Próby ratowania sytuacji, podjęte w połowie sezonu, spowodowały uszkodzenia silników. Podobno Yamaha eksperymentowała nawet z czterema różnymi konfiguracjami głowic. W 2008 roku prawdopodobnie – tak jak i Honda – zastosuje pneumatyczne sprężyny zaworowe.

Za mało prawdopodobne uznajemy, że Honda zastosuje rozrząd desmodromiczny. Prędzej można się spodziewać, że w sezonie 2008 zostaną zastosowane układy zmiennych faz rozrządu. Zarówno Honda, jak i Yamaha zastanawiają się nad dynamiczną zmianą czasów zaworowych – przy zastosowaniu skręcanych wałków rozrządu – lub nad regulacją krzywych wzniesienia zaworów – przez wyłączanie krzywek lub zmianę ich skoku.

Pozostaje pytanie, czy wskutek tych zmian technika MotoGP nie oddali się jeszcze bardziej od motocykla seryjnego. Tak – ponieważ sprężyny pneumatyczne pracują w zakresach obrotów zupełnie niepotrzebnych w motocyklach seryjnych. W razie spadku ciśnienia grozi całkowite zniszczenie silnika. Nie – ponieważ Ducati ma na ulicy obłaskawionego D16. Drugie „nie” wynika z tego, że w MotoGP obowiązuje ograniczenie zużycia paliwa. Dla producentów będzie to okazja do zebrania doświadczeń, które wkrótce powinny zaowocować produkcją mocnych motocykli sportowych, spełniających coraz ostrzejsze normy dotyczące czystości spalin.