Zarządzanie energią – część 2 | MOTOFAKTOR

Zarządzanie energią - część 2

person Andrzej Glajzer 7/08/2020

Rzecz o zaworach i o tym, jak są sterowane.

Użyte w poprzedniej części tego opracowania określenie „lepszej wydajności silników” należy połączyć z efektami badań angielskiego inżyniera i wynalazcy Sir Harry Ricardo oraz opracowania przez niego na początku lat 20. teorii spalania mieszanki jak i optymalnego kształtu komory spalania (część pierwsza artykułu – TUTAJ).

Co było celem jego dociekań?

Otóż korzystając w wcześniejszych badań przebiegu procesu spalania w silnikach spalinowych swojego rodaka Hopkinsona, który w 1909 r. jako pierwszy zauważył i opisał związek między wielkością (objętością) komory spalania z występowaniem spalania detonacyjnego (stukowego) H.Ricardo wykazał, że spalanie stukowe powoduje nie tylko obniżenie mocy, ale również efekt niekorzystnego zwiększania obciążeń mechanicznych elementów.

Naukowo określony przez Hary’ego Ricardo kształt komory spalania wyznaczył nowe tendencje w konstrukcjach silników zasilanych paliwami płynnymi. Praktyczne wdrożenie jego teorii spowodowało sukcesywne dochodzenie od płaskich komór spalania na korzyść klinowych lub półkulistych. H.Ricardo przyczynił się również do upowszechnienia oddzielnych (zdejmowanych) głowic, a tym samym nowych rozwiązań dotyczących lokalizacji zaworów i układów ich sterowania.

Stąd wniosek, że graniczny stopień sprężania, w którym nie następuje jeszcze spalanie detonacyjne zależne jest od kształtu i objętości komory spalania. A zatem! Po pierwsze ukształtowanie komory spalania powinno zapewnić dokładne wymieszanie czynnika roboczego (mieszanki paliwowo-powietrznej) poprzez możliwość jej zawirowań, a po drugie umożliwić różnice temperatur w wolnych przestrzeniach nad grzybkami zaworów w celu możliwości schładzania bardziej obciążonych termicznie zaworów wydechowych.

 

Na marginesie! Dla silników wysokoprężnych H.Ricardo opracował tzw. wstępną i wirową komorę spalania.

 

Jaki ma to wszystko związek z naszymi zaworami? Ano taki, że zauważono, że w przypadku komory spalania z zaworami umieszczonymi po dwóch przeciwległych stronach cylindra i płaskiej komory spalania graniczny stopień sprężania (ważny parametr uzyskiwania wyższej mocy) wynosił mniej więcej 3,5- 4,0:1. Dla zaworów znajdujących się po jednej stronie wartość ta wynosiła 4,5- 50:1, kiedy umiejscowione były nad tłokiem stopień sprężania mógł nawet osiągać wartość ok. 6,0:1.

Nowe otwarcie…

A tak nawiasem mówiąc swoją teorią H.Ricardo narobił sporo zamieszania, czego efektem było rozpoczęcie wyścigu producentów silników w opracowywaniu kształtów komór spalania, a tym samym konstrukcji nowych rodzajów układów rozrządu.

 

Dawne „płaskie” komory spalania stanowiące często monolit z pojedynczymi lub „sparowanymi” cylindrami odeszły w zapomnienie ustępując miejsca oddzielnie montowanym głowicom, w których usytuowane były już nie tylko zawory, ale również wałki rozrządu.

 

Już na początku lat 30. częstymi rozwiązaniami stały się układy SOHC z pojedynczymi wałkami rozrządu w głowicy, ale w konstrukcjach silników wyczynowych zaczęły pojawiać również te z podwójnymi (DOHC), a w jednostkach w układzie „V” z czterema.

12-cylindrowy silnik „V” z wałkami rozrządu napędzanymi przekładniami łańcuchowymi
Silnik z cylindrami w układzie „V”. Cztery wałki rozrządu ulokowane w głowicach

Konstrukcje układów rozrządu stawały się coraz bardziej zwarte, co wynikało zarówno z powodu możliwości stosowania większej ilości zaworów na cylinder jak i z powodu osiąganych wyższych prędkości obrotowych jednostek i konieczności zmniejszania sił bezwładności mechanizmów.

 

Dalszy ciąg opowieści ze stopniem sprężania w tle i możliwość jego zwiększania przez dodawanie do benzyn związków ołowiu to wczesne lata 40. nad czym od 1921 r. pracowali Thomas Midglay i Charles Kettering z GM Research, ale to zupełnie inna historia… chociaż również łącząca się rozwojem konstrukcji układów rozrządu.

 

I jeszcze „rozrządowa” ciekawostka z lat 20.! W 1906 r. amerykański inżynier i wynalazca Charles Knight opracował też inny, żeby nie powiedzieć bardzo nowatorski rodzaj układu rozrządu, ale tym razem bez obecności standardowych zaworów!

Bezzaworowy silnik Knighta to trochę połączenie idei przepłukiwania cylindra w „dwusuwach” z mechaniką wywodzącą się z maszyn parowych. Rolę zaworów spełniały poruszające się płaszczyźnie pionowej między gładzią cylindra a tłokiem dwa suwaki wykonane z wysokiej jakości stali. Połączone były koncentrycznie z wałem korbowym specjalnym mechanizmem mimośrodowym, który powodował ich wzajemny ruch pozwalający na otwieranie i zamykanie okien ssącego i wydechowego znajdujących siew górnej części silnika.

 

Silnik miał wiele zalet jak choćby dzięki dużej powierzchni okien, lepsze od normalnego silnika napełnianie cylindra mieszanką oraz możliwość uzyskiwania wyższego stopnia sprężania, ale z kolei bezwładność układu mechanicznego ograniczała jego obroty maksymalne a tym samym moc.

 

Był niezwykle cichy i dlatego poza określeniem „sleeve valve” w języku angielskim nazywano go również „silent”. Pracował praktycznie bez wibracji przez co stosowano go między innymi do napędu luksusowych aut Hispano- Siuza, Mercedes, Voisin, prestiżowych modeli Peugeot, ale wymagał też doskonałej jakości drogiego oleju silnikowego o niskiej lepkości.

 

Każdy, nawet najmniejszy luz układu mechanicznego powodował rozszczelnianie układu i rozcieńczanie oleju benzyną, a to jak widomo początek kłopotów z układem tłokowo korbowym.

 

Poza tym skomplikowana budowa nastręczała klientom ogromnych trudności w serwisowaniu „Knightów”. Niby doskonały, a jednak nie wytrzymał próby czasu i reguł rynku. „ Knighty” przetrwały mniej więcej do wybuchu Drugiej Wojny Światowej…i wyginęły jak dinozaury.

Jak to połączyć?

Rodzaje napędu wałków rozrządu. 1-2: napęd za pomocą przekładni zębatych, 3: napęd przekładnią łańcuchową, 4: napęd mieszany za pomocą przekładni łańcuchowej i zębatych, 5: napęd wałkiem pośrednim z przekładniami stożkowymi (wałek królewski), 6: napęd za pomocą wałka pośredniego i zębatych przekładni czołowych, 7: napęd z pomocą przekładni pasowej z paskiem zębatym.

Większość przekładni napędzających wały krzywkowe w latach 20. i wczesnych 30. to przekładnie zębate zbudowane z kół stalowych o zębach prostych lub skośnych, ale wraz z postępem technologicznym już od drugiej połowy lat 30. w układach napędu układów rozrządu zaczęto stosować przekładnie łańcuchowe z łańcuchami jedno lub wielorzędowymi.

 

Ze względu na niewielkie odległości między osiami wałów (npędzanego i napędzającego) długość łańcuchów w silnikach OHV nie może być oczywiście porównywalna z późniejszymi i współczesnymi napędami jednostek SOHC czy DOHC.

Przekładnie zębate napędu wału rozrządu . Do lat 30. najczęściej były to przekładnie z kołami stalowymi, ale już pod koniec lat 40. zaczęto stosować także cichsze przekładnie zębate z kołami wykonywanymi z tworzyw sztucznych (textolit). Takie rozwiązanie znajdziemy między innymi w silnikach samochodów Warszawa M20.

Innym rodzajem przekładni stosowanym przy napędach układów rozrządu i to już od 1909 r. (początkowo głównie w silnikach lotniczych, a potem w wielolitrażowych silnikach stosowanych do napędu aut luksusowych) były przekładnie o zazębieniu stożkowym z pionowymi wałami pośrednimi tzw. wałki królewskie. Oprócz przekładni stożkowych w tym samym czasie stosowano pochodne takiego rozwiązania, czyli dwustronne przekładnie zębate z kołami o zębach spiralnych lub skośnych.

Napęd wałków rozrządu za pomocą pionowo umieszczonego wału pośredniego z przekładniami o zazębieniu stożkowym, chociaż stosowano też przekładnie ślimakowe lub kół śrubowych. Rozwiązania tego typu stosowano często w latach 30. głównie w silnikach z wysokimi cylindrami ( dużą pojemnością skokową, momentem obrotowym i mocą) co dotyczyło zwłaszcza aut luksusowych wyczynowych oraz silników lotniczych.„Wałek królewski” to także specjalność silnikowców z Porsche.

Bardzo niekonwencjonalnym, ale wartym zauważenia rozwiązaniem był też napęd bardzo długiego wałka rozrządu w silniku skonstruowanym przez W.O Bentleyaią do napędu luksusowego Bentleya Eight. Wał rozrząd napędzany był w tym przypadku przez umieszczony z tyłu silnika układ korbowodowy łączący go z wałem korbowym.

No cóż! Nie bez przesady E.Bugatti mówił o W.O jako o „budowniczym najszybszych ciężarówek na świecie”!

Jak to jest teraz?

W zasadzie poza technologią nic się nie zmieniło. Doskonalenie produkcji łańcuchów napędu wałów rozrządu pozwoliło na ich dominację w sinikach samochodowych i to zarówno tych mniejszych jak i większych jednostek.

 

Stały się standardem już w latach 60. i trwa to dziś… z pewnym jednak wyjątkiem! W 1962 r. firma produkująca samochody marki Glass po raz pierwszy do napędu wałka rozrządu w autach seryjnych zastosowała elastyczny pasek zębaty, którego geneza sięga 1945 r.

Podstawową zaletą napędu wałków rozrządu paskami zębatymi jest płynność pracy układu oraz niski poziom hałasu. Ze względu na postęp technologiczny ich wytwarzania już od lat 80. paski zębate stały się najbardziej rozpowszechnionym rodzajem stosowanych napędów układów rozrządu… aż do dziś kiedy do łask znowu powracają napędy przekładniami łańcuchowymi. Nieodłącznym elementem napędów wałków rozrządu za pomocą pasków zębatych są napinacze, które zarówno jak paski podlegają bezwzględnej wymianie w czasie ściśle określonym przez producentów silników.

Początkowo nie zauważony ze względu na ilość sprzedawanych Glass’ów, na poważnie zadebiutował w wydaniu fiatowskim, kiedy zastosowano go po raz pierwszy produkcji seryjnej w wysilonym silniku R4 z rozrządem typu DOHC napędzającym model Fiat Dino.

 

Jest znacznie cichszy od łańcucha i po latach produkcji oraz ciągłego ulepszania pod względem stosowania nowych technologii tańszy…ale! Podstawową jego wadą jest „milczenie”, czyli brak jakichkolwiek wcześniejszych informacji i aktualnym stanie zużycia.

 

Oczywiście to uwaga bezzasadna w momencie kiedy użytkownik silnika dokładnie przestrzega okresu eksploatacji, ale jednak jest coś na rzeczy skoro coraz częściej producenci silników skłaniają się ponownie ku napędom łańcuchowym.

Przekładnie łańcuchowe do napędu wałków rozrządu stosowano już pod koniec lat 20. i zwykle stosowano w nich trzy rodzaje łańcuchów: zębate, tulejkowe i rolkowe Przetrwały do dziś, a nawet więcej , po latach ponownie zaczynają konkurować z paskami zębatymi.

Pasek czy łańcuch (nawet ten zdolny pracować w kąpieli olejowej)- oto jest pytanie?! Tak jak pytaniem jest, co dalej z konstrukcjami układów rozrządu? Zmienne fazy rozrządu i „jaskółki” w postaci zaworów sterowanych elektrycznie… to mało w porównaniu z tym co wydarzyło się w rozrządach przez blisko 150 lat.

 

A wydarzyło się niewiele! Układ rozrządu to ciągle mechaniczny układ przemieszczających się w miarę precyzyjnie względem siebie elementów. No, może bardziej precyzyjnie niż dawniej!

 

Oczywiście powyższe opracowanie to zaledwie tzw. prześlizgnięcie po temacie „układ rozrządu”. Nic o samych zaworach i ich konstrukcjach w dziejach, rodzajach zamków trzonków zaworów, wałkach krzywkowych, o sprężynach zaworowych, dość zawiłej geometrii i architekturze krzywek. O hydraulice popychaczy i wielu jeszcze aspektach, które z pewnością warte są osobnych opracowań na ich temat. Może więc w tzw. przyszłości?!

 

Zapraszamy do przeczytania pierwszej części artykułu.

 

Zdjęcia z archiwum autora

Zobacz podobne

Szanowny Czytelniku

Zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) z dnia 27 kwietnia 2016 r. w sprawie ochrony osób fizycznych w związku z przetwarzaniem danych osobowych i w sprawie swobodnego przepływu takich danych oraz uchylenia dyrektywy 95/46/WE (ogólne rozporządzenie o ochronie danych) informujemy Cię o przetwarzaniu Twoich danych.

Administratorem danych jest Proautomotive Sp. z o.o., 39 - 200 Dębica, ul. Kolejowa 28. Chodzi o dane, które są zbierane w ramach korzystania przez Ciebie z naszych usług, w tym stron internetowych, newsletterów i innych funkcjonalności udostępnianych przez Proautomotive Sp. z o.o., głównie zapisanych w plikach cookies i innych identyfikatorach internetowych, które są instalowane na naszych stronach przez nas oraz naszych zaufanych partnerów. Gromadzone dane są wykorzystywane wyłącznie w celach: świadczenia usług drogą elektroniczną wykrywania nadużyć w usługach pomiarów statystycznych i udoskonalenia usług

Osoba, której dane dotyczą, ma prawo dostępu do danych, sprostowania i usunięcia danych, ograniczenia ich przetwarzania. Osoba może też wycofać zgodę na przetwarzanie danych osobowych. Wszelkie zgłoszenia dotyczące ochrony danych osobowych prosimy kierować na adres biuro@motofaktor.pl lub pisemnie na adres Proautomotive Sp. z o.o., 39 - 200 Dębica, ul. Kolejowa 28 z dopiskiem "ochrona danych osobowych".

Więcej o zasadach przetwarzania danych osobowych i przysługujących Użytkownikowi prawach znajduje się w Polityce prywatności.

Zapisz się na newsletter główny

Chcę otrzymywać wiadomości e-mail (W każdej chwili możesz zrezygnować z subskrybcji).

 

To był tydzień!

Chcę otrzymywać wiadomości e-mail (W każdej chwili możesz zrezygnować z subskrybcji).

 

Strefa Ciężka

Chcę otrzymywać wiadomości e-mail (W każdej chwili możesz zrezygnować z subskrybcji).