Z cyklu wszystko o... - układ rozrządu

Na początku małe przypomnienie ogólnej zasady działania czterosuwowego silnika spalinowego. Załóżmy, że jest to prosty singiel z dwoma zaworami – ssącym i wydechowym. Podczas suwu ssania do cylindra trafia mieszanka paliwa i powietrza (otwarty jest tylko zawór ssący). Po tym, jak tłok osiągnie najniższy punkt w cylindrze (dolny martwy punkt – DMP) i zacznie iść ku górze, następuje suw sprężania (zawory ssące i wydechowe są zamknięte). Kolejna faza to zapłon mieszanki, nazwana suwem pracy (zawory ssące i wydechowe są zam­knięte). Ostatnia, czwarta faza to suw wydechu, gdy zawór wydechowy jest otwarty, a z cylindra wylatują spaliny.

Z pozoru praca silnika i układu rozrządu jest nieskomplikowana, ale... Jeśli wkręcisz silnik do 14 000 obr/min, wtedy w ciągu sekundy cykl pracy wykona on aż 116 razy!
Układ rozrządu jest odpowiedzialny za to, by mieszanka paliwa z powietrzem trafiła do cylindra w odpowiednim momencie.

Najprościej rzecz ujmując, rozrząd składa się z jego wałków, krzywek, systemu dźwigni przekazujących ruch i kompletu zaworów ssących i wydechowych.

Wałki rozrządu mogą być zamocowane w bloku silnika (wtedy mamy do czynienia z rozrządem OHV) bądź w głowicy (SOHC, DOHC). Wprawiają one w ruch zawory, ale nigdy nie robią tego bezpośrednio. Zwykle odbywa się to za pośrednictwem popychaczy bądź systemu dźwigni.

Najpopularniejsze i naj­tańsze w produkcji rozwiązanie to szklankowe popychacze (nazwane tak ze względu na kształt). W takim rozwiązaniu luz reguluje się za pomocą płytek o różnej grubości, umieszczanych pomiędzy popychaczem a trzonkiem zaworu. Drugim z częściej spotykanych rozwiązań jest dźwigienka mającą w miejscu styku z trzonkiem zaworu śrubę służącą do regulacji luzu.

Zapraszamy na krótką wycieczkę pokazującą rozwój układów rozrządu. Wszystkie rozwiązania łączy rosnąca w miarę upływu lat precyzja działania, walka o każdy gram masy i dążenie do bezawaryjnej pracy w coraz trudniejszych warunkach (duże prędkości obrotowe silników, rosnące moce...).

archiwum MPI

W najstarszych silnikach spalinowych tylko zawór wydechowy był sterowany mechanicznie. Ten rodzaj układu rozrządu spełniał swoje zadanie wyłącznie w niskoobrotowych silnikach spalinowych.

NSU z 1902 roku napędzał prosty jednocylindrowy silnik Zedel. Dopływem mieszanki w tym singlu sterował zawór ssący, który uruchamiało podciśnienie powstające w cylindrze. Mieszanka napływała do komory spalania tak długo, jak długo poruszający się w dół tłok wytwarzał odpowiednio wysokie podciśnienie, wystarczające do pokonania siły sprężyny i otwarcia zaworu. Zaworem wydechowym sterował – za pośrednictwem nieosłoniętego popychacza – umieszczony w bloku wałek rozrządu.

W ciągu kilku lat nastąpił tak duży postęp w konstrukcji silników spalinowych, że zaczęły one pracować z coraz wyższymi obrotami. Wzrosły ciśnienia pracy i temperatury silników. Okazało się wtedy, że ten rodzaj sterowania przepływem mieszanki nie spełnia już swojego zadania.

archiwum MPI

Silnik dolnozaworowy (tzw. bocznozaworowy) - do sterowania zaworami zaprzęgnięto skomplikowane popychacze.

archiwum MPI

W dwucylindrowym silniku JAP z lat 20. ubiegłego wieku zastosowano dolnozaworowy układ rozrządu. Krótki wałek rozrządu miał tylko jedną krzywkę sterującą zaworami dolotowymi i jedną sterującą zaworami wydechowymi. Praca tego systemu była możliwa dzięki skomplikowanemu mechanizmowi napędu popychaczy znajdującemu się w obudowie rozrządu w bloku z lewej strony silnika. Ramiona popychaczy przenosiły zarys krzywek na krótkie laski popychaczy, które z kolei naciskały na trzonki zaworów.

Zalety tego rozwiązania:

• zmniejszenie wysokości silnika
• prosta konstrukcja głowicy

Wady:

• niekorzystny kształt komory spalania
• spore opory przepływu mieszanki
• niski stopień sprężania silnika

Do dzisiaj ten typ rozrządu jest stosowany np. w silnikach kosiarek.

archiwum MPI

W silniku dolnozaworowym zawory są umieszczone równolegle do osi cylindra, a komora spalania jest duża i płaska.

System OHV – najdłużej stosowany układ rozrządu

archiwum MPI

Jest prosty w obsłudze, trwały, przy czym nie najlepiej spisuje się w silnikach wysokoobrotowych.
Dwuzaworowe boksery BMW, big twiny czy silniki Sportstera pracujące w Harleyach, widlaste dwójki Moto Guzzi – wszystkie one są wyposażone w rozrząd typu OHV. Idea jego działania polega na tym, że napęd zaworów umieszczonych w głowicy jest przenoszony z wałka rozrządu umieszczonego w bloku silnika na trzonki zaworów (łatwy napęd za pomocą krótkiego łańcucha) za pośrednictwem długich popychaczy i dźwigienek.

Zalety:

• mała wysokość głowicy

Wady:

• stosunkowo duża masa wszystkich elementów
• niewystarczająca na potrzeby silników sportowych precyzja działania
• brak możliwości zastosowania systemu zmiennych faz rozrządu

Rozrząd SOHC

archiwum MPI

W produkcji seryjnej po raz pierwszy zastosowała go Honda. Rozwiązanie to polega na umieszczeniu wałka rozrządu w głowicy i przekazywaniu ruchu za pośrednictwem krótkich dźwigienek. W ten sposób czterocylindrowe silniki Hondy były w stanie uzyskiwać nawet 10 000 obr/min.

Mimo skomplikowanej konstrukcji i konieczności obróbki wałka rozrządu z oddzielnymi krzywkami dla zaworów dolotowych i wydechowych, silniki z rozrządem OHC były tańsze w produkcji niż jednostki napędowe z dwoma wałkami rozrządu w głowicy. Honda przez dobrych 10 lat od wprowadzenia tego rozwiązania trzymała się go. Największą jego zaletą była łatwość kształtowania głowicy cylindra wraz z osadzonymi w niej zaworami.

archiwum MPI

Oprócz wielu zalet, rozrząd SOHC ma wady – zbyt delikatne dźwigienki mogły ulec wygięciu podczas pracy, przez co spadała precyzja.

Rozrząd DOHC i szklankowe popychacze

archiwum MPI

Popychacze szklankowe są lekkie i tanie w produkcji. Jeśli nie liczyć kilku egzotycznych czterocylindrowców MV Agusty z końca lat 60., Kawasaki było pierwszą firmą, która w 1972 roku rozpoczęła seryjną produkcję silników z dwoma wałkami rozrządu umieszczonymi w głowicy (DOHC).

Wałki naciskają na popychacze mające kształt szklanek. W tym rozwiązaniu do regulacji luzu zaworowego służą specjalne płytki, które są umieszczone między szklanką a trzonkiem zaworu. Pokazany na dole silnik napędzający Suzuki RF 600 z 1993 roku był właściwie krokiem wstecz pod względem konstrukcji układów rozrządu, bo starsza o kilka lat i chłodzona powietrzem/olejem seria silników z modelu GSX-R 750 miała układ z dźwigienkami wleczonymi zamiast szklanek. Za decyzją o zastosowaniu szklankowych popychaczy stała wyłącznie chęć obniżenia kosztów produkcji. Dopiero w bardziej wysilonych silnikach motocykli sportowych powrócono do rozwiązania z dźwigienkami.

archiwum MPI

Rozrząd DOHC i dźwigienki wleczone

archiwum MPI

Z toru do produkcji seryjnej. Największą przewagą dźwigienek wleczonych nad szklankowymi popychaczami jest ich niższa masa, która z kolei pozwala uzyskać większe prędkości pracy elementów układu rozrządu. Żeby nie było nieporozumień: mowa tu wyłącznie o ślizgowych dźwigienkach wleczonych. Zastosowanie rozwiązań wykorzystujących rolki z jednej strony zwiększa masę układu, ale z drugiej obniża tarcie, dlatego takie rozwiązania są stosowane w motocyklach turystycznych. Ponadto dźwigienki wleczone lepiej radzą sobie z siłami bocznymi powstającymi podczas pracy niż popychacze szklankowe.

archiwum MPI

Plotka głosi, że dźwigienki zastosowane w czterocylindrowcu beemki S 1000 R pochodzą z silników BMW z Formuły 1, które pracowały z prędkością ponad 18 000 obr/min. W przypadku łagodniej zestrojonych czterocylindrowców napędzających S 1000 RR, które nie wkręcają się powyżej 14 500 obr/min, zrezygnowano z frezowania boków. Przyczyna: chęć obniżenia kosztów produkcji.

Również podczas projektowania układu rozrządu ostatniej wersji Yamahy YZF-R1 konstruktorzy poszli drogą zastosowania w maszynach seryjnych rozwiązań z motocykli startujących w MotoGP.

archiwum MPI

Sprytne połączenie, czyli układy mieszane

archiwum MPI	archiwum MPI
Znakiem rozpoznawczym Ducati jest rozrząd desmodromiczny. Zawory są zamykane i otwierane za pomocą dźwigienek.

Zasada działania desmodromicznego układ rozrządu, typowego dla Ducati, polega na tym, że to nie sprężyny domykają zawory, lecz dzieje się to za pośrednictwem dodatkowych dźwigienek sterowanych wałkiem rozrządu. Tu nie ma klasycznych sprężyn zaworowych. Dzięki temu rozwiązaniu wzrasta precyzja sterowania zaworami, ale rosną skomplikowanie układu rozrządu i precyzja wykonania, a to wszystko przekłada się na kasę.

Unicam, czyli patent Hondy

archiwum MPI	archiwum MPI
Honda VFR 1200 F. System pod nazwą Unicam zastosowany w tym bike’u nie lubi wysokich obrotów i nic nie szkodzi, bo przecież VFR 1200 nie jest motocyklem sportowym.

W Hondzie konstruktorzy są wierni systemowi Unicam, stosowanemu przede wszystkim w crossówkach, ale też w VFR-ach 1200. Zaworami dolotowymi sterują szklankowe popychacze, a wydechowymi – dźwigienka.

Pocket Valve Engine Harley-Davidson

archiwum MPI	archiwum MPI
Harley-Davidson 16 F. Amerykanie nazwali układ rozrządu tego silnika Pocket Valve Engine. Zawory dolotowe były zamontowane w głowicy, a wydechowe z boku cylindra.

W pierwszej V-dwójce Harleya-Davidsona zastosowano układ z zaworami dolotowymi w głowicy i wydechowymi z boku cylindra. Każdy z nich miał inny rodzaj sterowania.