Układy dolotowe - głęboki wdech

Te 108 l/s dotyczy czterocylindrowego silnika o pojemności 1000 cm3, który rozwija moc ok. 200 KM i kręci 13 000 obr/min (obroty mocy maksymalnej), gdy przepustnice są w pełni otwarte. Ponieważ stosunek masy paliwa do powietrza powinien wynosić 1:14,7, oznacza to, że do spalenia 1 litra wachy potrzeba 14,7 kg powietrza, czyli aż 12 m3(!).

W silniku chodzi o to, żeby strumień powietrza przepływał do komór spalania z możliwie najmniejszym oporem. Żeby to osiągnąć, producenci stosują najróżniejsze aerodynamiczne triki. Np. taki, że aby uzyskać jak największe ciśnienie powietrza jego wlot trzeba umieść na elementach owiewki jak najbardziej prostopadłych do kierunku jazdy. Na zaokrągleniach i pochylonych powierzchniach (szyba i boki przedniej owiewki) ciśnienie maleje.

Najlepszy efekt daje umieszczenie bezpośredniego wlotu powietrza w prawym rogu air boxa. Przy czym nie ma znaczenia, czy gardziel jest jednoczęściowa (Ducati do MotoGP), czy ma dwa otwory (Honda RCV MotoGP do 2013 r.). Istotna jest wyłącznie pozycja na najbardziej wysuniętej części owiewki. Mimo że zakłóca to aerodynamikę, przynosi efekt w postaci takiego wzrostu mocy przy dużej prędkości, że z nadwyżką rekompensuje to skutki nieco gorszego współczynnika oporu powietrza (CX), wywołanego występującymi w okolicy otworu zawirowaniami.

Producenci szukali i innych rozwiązań. Np. kanały dolotowe można znaleźć za główką ramy (Honda CBR 900) lub wloty po bokach owiewki (Kawasaki ZX-R 750 czy Suzuki GSX-R 750 SRAD). Było to na początku lat 90. Dziś nikt się nie bawi w rozwijanie tej drogi. Osadzone na środku, ale ukośnie biegnące i służące raczej designowi niż funkcjonalności kanały wlotowe w Kawasaki ZX-10R czy BMW S 1000 RR nie pracują tak wydajnie, jak rozwiązania stosowane w maszynach z MotoGP.

Na drodze powietrza, aż do wlotu do cylindra, stoi cała masa przeszkód. Nadciągający huragan wyhamowują mniej lub bardziej wykrzywione przewody powietrzne, kanty i załamania w komorze fi ltra powietrza (airboxie), a także on sam. Nie mówiąc już o szczelinie między gniazdem a grzybkiem zaworu.

Walka o napełnienie

W maszynach sportowych przewody doprowadzające powietrze są prostsze i lepiej dopracowane aerodynamicznie, co ma na celu poprawę efektu napełniania. Stosowane w MotoGP filtry powietrza przepuszczają więcej powietrza, a wraz z nim zanieczyszczeń, ale tu nie ma dramatu, bo na torze jest dość czysto. Inaczej na ulicy, gdzie jest więcej zanieczyszczeń, a i nasze (motocyklistów) oczekiwania co do trwałości silnika są zdecydowanie większe niż w sporcie.

Mimo że pęd powietrza jest kierowany do airboxu z prędkością chwilowo większą od prędkości motocykla, efekt nawet w przybliżeniu nie jest tak duży, jak w przypadku mechanicznego doładowania za pomocą turbosprężarki czy kompresora. Dzieje się tak dlatego, że system kierujący strumień powietrza do silnika nie jest zamknięty i jeśli powstanie tam za wysokie nadciśnienie powietrze może płynąć w kierunku odwrotnym, czyli do wlotu.

W przypadku mechanicznego doładowania w zamkniętym systemie dolotowym turbina po prostu wtłacza powietrze do komory spalania. W silnikach dragsterów ciśnienie doładowania dochodzi do 4 barów.

Ułamki bara

Optymalny system doładowania bezsprężarkowego, nazywany ram air, daje (czysto teoretycznie i w najlepszych warunkach) ciśnienie około 18 milibarów przy 200 km/h, natomiast przy 300 km/h około 40 milibarów. Tyle teorii. Według pomiarów dobry system przy prędkości około 300 km/h podwyższa "ciśnienie doładowania" w fabrycznej maszynie MotoGP o zaledwie 25 milibarów (0,025 bara).

10 milibarów daje wzrost mocy silnika o około 1%, co, że w przypadku litrowych maszyn MotoGP o mocy około 260 KM zysk 6,5 KM. Niby nie tak dużo, ale jeśli gra idzie o dziesiąte części sekundy, liczy się każdy koń mechaniczny. Kolejnym argumentem przemawiającym za takim dostarczaniem świeżego powietrza jest temperatura zasysanego powietrza. Chłodne powietrze ma większą gęstość, dzięki czemu ilość tlenu w litrze chłodnego powietrza jest większa niż w litrze ogrzanego.

Niemniej zawartość tlenu zmierzona w całkowitej objętości powietrza nie zmienia się: zarówno w chłodnym, jak i w gorącym powietrzu wynosi około 21%. Tutaj przed konstruktorami staje kolejne wyzwanie, bo w drodze do cylindra zasysane chłodne powietrze rozgrzewa się od silnika. Umieszczony najczęściej nad głowicą cylindra air box i obudowa przepustnicy łącznie z kanałami dolotowymi leżą na drodze przepływu gorącego powietrza płynącego od chłodnicy i rozgrzanych kolektorów wydechowych.

Dlatego tunerzy i konstruktorzy próbują jak najbardziej izolować te podzespoły, np. za pomocą szczeliny powietrznej, przez którą przepływa świeże – czytaj: chłodne – powietrze, i mat termoizolacyjnych. Za pomocą mierzonych przez specjalne czujniki takich informacji, jak temperatura powietrza czy np. jego ciśnienie, komputery układów wtryskowych są w stanie określić odpowiednią ilość wtryskiwanego paliwa, czyli skład mieszanki.

Napełnij mnie!

Decydującym czynnikiem dla uzyskania maksymalnej mocy jest stopień napełnienia cylindrów. M.in. z tej wielkości wynika, ile powietrza musi zassać silnik przy pełnym obciążeniu, kręcący z maksymalnymi obrotami. Z powodu oporu powietrza na drodze do airboxu i w znajdującym się za nim kanale ssącym w okolicy zaworów, czterosuwowy silnik w bardzo ograniczonym zakresie obrotów całkowicie wypełnia pojemność skokową cylindrów mieszanką paliwowo-powietrzną.

W przypadku litrowego silnika czterocylindrowego (4 x 250 cm3) przy najlepszym stopniu napełnienia każdy z cylindrów jest wypełniany świeżym gazem o objętości około 250 cm3, a więc w 100%. Decydujące dla optymalnego napełnienia cylindrów mieszanką paliwowo-powietrzną jest geometryczne zaprojektowanie air boxa. Jego wymagana objętość jest uzależniona głównie od liczby cylindrów i kątów zapłonu.

Do dobrego napełnienia mieszanką w stosunku do pojemności skokowej twiny o dużej pojemności czy single potrzebują o wiele większych airboxów niż równomiernie napełniane silniki 3-, 4- lub 6-cylindrowe. Żelazną regułą jest, że w przypadku litrowej czwórki rzędowej, z zapłonami mieszanki co 180°, komora airboxu powinna mieć objętość dziesięciokrotnie większą niż pojemność silnika, czyli 10 litrów.

W celu uzyskania optymalnej mocy silnik dwucylindrowy o pojemności 500 cm3 potrzebuje 20-krotności, a jednocylindrowy silnik o pojemności 250 cm3 nawet 40-krotności pojemności silnika, czyli w każdym przypadku jest to 10 litrów. 

500 km/h mieszanki

Geometria kanałów dolotowych podlega jasnym regułom. Długie kanały o małych średnicach sprzyjają napełnieniu przy niskich i średnich obrotach, co umożliwia uzyskanie wyższej wartości momentu obrotowego w tych zakresach. Krótkie kanały dolotowe o dużych średnicach zwiększają napełnianie, a więc i moment obrotowy w górnym zakresie obrotów. W ten sposób wzmacniamy pulsacje powietrza w kanałach dolotowych.

Jak to przebiega? Otóż na niskich obrotach strumień gazów w układzie dolotowym ma zbyt małą prędkość, a więc i bezwładność masy. Ta bezwładność powoduje, że zassana mieszanka paliwowo-powietrzna (która w okolicy zaworów wlotowych osiąga prędkość do 500 km/h!) napływa do komory spalania także wtedy, gdy podciśnienie w cylindrze maleje. Dzieje się to, gdy tłok osiąga dolny martwy punkt albo porusza się już do góry.

Niestety, ten zależny m.in. od długości i średnicy kanałów ssących system pracuje optymalnie jedynie w określonym zakresie obrotów. Rozwiązanie? Jest! Zmienna długość kanałów dolotowych. Inżynierowie próbują uzyskać w ten sposób dobre osiągi i na wysokich, i na średnich oraz niskich obrotach.

W tym celu w silnikach samochodowych są montowane robudowane kolektory dolotowe i układy rezonansowe, które dzięki elektronicznie sterowanym zaworom pozwalają uzyskać stosunkowo szeroki zakres momentu obrotowego o możliwie wysokiej wartości. Niestety, w motocyklach trudno znaleźć miejsce na komory rezonansowe.

Stosuje się więc kanały dolotowe o zmiennej długości, przełączanej bardziej finezyjnie. Najczęściej odbywa się to dwustopniowo: dłuższa wersja jest przeznaczona do zwiększenia momentu obrotowego w dolnym zakresie, a krótsza podnosi jego wartość w górnym zakresie. Najprostszym patentem jest zamontowanie w silniku czterocylindrowym dwóch długich i dwóch krótkich kanałów dolotowych.

W ten sposób można uzyskać kompromis między elastycznością a ochotą pracy na wysokich obrotach (patrz zdjęcia z lewej). Ta metoda jest prosta i niezbyt kosztowna, ale "w zamian" daje skromny efekt.

Dobrany duet

Modelowym przykładem dwóch całkowicie odmiennie zasilanych litrowych czterocylindrowców z odpowiednią regulacją długości i średnic lejków ssących są silniki BMW S 1000 RR i Kawy Z 1000. Silnik Kawy prezentuje na papierze imponującą krzywą momentu obrotowego (patrz wykres na str. 100). Ale jeśli chodzi o jazdę na maksa, zetowi zaczyna brakować tchu, a BMW pokazuje, co potrafi.

Życiodajny tlen

Niezbędnego do spalania tlenu dostarcza silnikowi powietrze, zasysane z otoczenia. Składa się ono z tlenu (około 21%), azotu (około 78%), gazu szlachetnego argonu (około 1%) i domieszek innych gazów. Powietrze nie ma zapachu, jest bezbarwne i bezsmakowe. W znormalizowanych warunkach (0O C oraz 1013 hPa) 1 m3 powietrza waży 1,293 kg.

Żeby powstała mieszanka o "wzorcowym" składzie, stosunek masy paliwa do powietrza powinien wynosić 1:14,7 (w kilogramach). Taką mieszankę cechuje współczynnik składu mieszanki λ (lambda), o wartości równej 1. Aby spalić 1 kg paliwa, potrzeba 12 m3 powietrza. Odpowiednio, aby spalić 1 litr paliwa o średniej gęstości 0,75 kg/l, silnik musi zassać 9 m3 powietrza.

W przypadku spalania mieszanki bogatszej – o wartości = 0, 9 – wzrastają osiągi silnika, ale spaliny są bardziej trujące i rośnie zużycie paliwa. Odpowiednio, przy spalaniu mieszanki uboższej – o wartości λ = 1,1 – maleją osiągi silnika, spaliny są czystsze i maleje zużycie paliwa. 

trochę możesz Zrobić Sam

Każdy miłośnik mocy może nieco zoptymalizować swój motocykl, jak najbardziej odizolowując układ dolotowy, czyli airbox i obudowę przepustnicy, od powietrza nagrzewającego się od silnika. Wystarczy mata termoizolacyjna włożona między głowicę cylindra a układ dolotowy. To w dużym stopniu ograniczy ogrzewanie się zasysanego powietrza, dzięki czemu moc może wzrosnąć o wartości dające się już zmierzyć (ale nie oszukujmy się – wzrost nie będzie duży). Mata izolacyjna po dopasowaniu powinna wystawać 2 cm, żeby włókniste brzegi można było zagiąć i zszyć lub skleić.

Używając tego samego materiału możesz też okleić obudowę filtra powietrza i gardziele ssące, a także dolną część zbiornika paliwa. To zapobiegnie ogrzewaniu się paliwa, co doprowadzi do podobnego efektu, jak w przypadku gorącego powietrza. Ważna sprawa! Zostaw wystarczająco dużo miejsca, żeby nie zatrzymać ruchu powietrza chłodzącego silnik.

Sens ma również sprawdzenie filtra powietrza, a przy okazji całego układu dolotowego (czy silnik nie zasysa lewego powietrza, czy airbox nie jest nigdzie pęknięty, czy kanały dolotowe są drożne i dobrze spasowane). Wystarczy brudny filtr nasączony do tego olejem z odmy i już zwiększa się opór przepływającego powietrza, pogarsza napełnienie cylindrów, a przy okazji spada moc i rośnie zużycie paliwa.

Zużyty papierowy filtr nadaje się wyłącznie do śmietnika – przedmuchiwanie go czy też otrzepywanie jest jak rzeźbienie w g..., tzn. na dłuższą metę nie zadziała. Inaczej sprawa wygląda w przypadku filtrów piankowych (najczęściej stosowanych w off-roadach). Są one wielokrotnego użytku. Co jakiś czas trzeba je umyć, a do perfekcyjnego działania potrzebują nasączenia specjalnym olejem. 

Motocykl

Werner Koch, Stefan Myszkowski