Zarządzanie energią – część 1 | MOTOFAKTOR

Zarządzanie energią - część 1

person Andrzej Glajzer 6/07/2020

Rzecz o zaworach i o tym, jak są sterowane.

Silniki dwusuwowe są dziś jak się to często określa passé. Choć bardziej sprawne od czterosuwów pod względem mechanicznym umówiliśmy się, że nie lubimy ich za toksyczność i źle kojarzony z minionymi czasami dźwięk Syren, Trabantów i jeszcze kilku podobnych pojazdów.

 

Pozostały więc benzynowe i wysokoprężne czterosuwy, ciągle dyskutowane przez „przepowiadaczy” przyszłości jako kolejny motoryzacyjny relikt,… choć z drugiej strony i według innych, ciągle jeszcze mające przyszłość! Póki co do napędu czystym ekologicznie wodorem jeszcze dość daleko, złoża ropy naftowej nie do końca wyczerpane, a jeździć chcą wszyscy! „Hybrydy” to również czterosuwy i może to je na jakiś czas obroni.

 

Dlaczego taki wstęp? Bo z wymienionych dwóch rodzajów jednostek napędowych tylko czterosuwy (chociaż nie do końca, ponieważ można je spotkać w niektórych konstrukcjach silników dwusuwowych) wyposażone są w zawory, których działanie musi być ściśle zsynchronizowane z posuwisto-zwrotnym ruchem tłoka.

 

Najczęściej po dwa na jeden cylinder, czyli tak jak było od dawna, ssący (dolotowy) i wydechowy, ale bywało, że po trzy i nawet po pięć… chociaż obecnie maksymalnie stosuje się po cztery.

 

A propos! Układy dziś określane jako 4v to nie takie znowu nowe rozwiązanie. Stosowane były w silnikach benzynowych samochodów sportowych jeszcze przed I Wojną Światową i znajdziemy je choćby w 3 litrowych silnikach R4 Peugeota GP z 1912 r. projektowanych przez Ernesta Henry’e go, a także w konstrukcjach Ettore Bugatti’ego np. słynnym modelu Brescia z 1921 r.

Dlaczego w ogóle są zawory w silniku?

Silnik spalinowy jest maszyną cieplną i pracuje dlatego, że podczas gwałtownie zachodzącego procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej i występującego wówczas wzrostu ciśnienia wewnątrz cylindra następuje zamiana energii chemicznej na mechaniczną powodującą ruch posuwisty tłoka.

 

Ten z kolei zamieniany jest na ruch obrotowy i dalej… wszystko się już kręci samo! Aby jednak dostarczana do cylindra „energia chemiczna” mogła być efektywnie wykorzystana musi znaleźć się we właściwym miejscu, w określonej ilości i w najbardziej oczekiwanym momencie.

 

Mało tego! Mając na uwadze określony wzorzec, czyli wymyślony przez Nicolasa Augusta Otto cykl pracy silnika czterosuwowego raz na dwa obroty wału korbowego wymagane jest bezzwłoczne, sukcesywne i dokładne oczyszczenie cylindra ze spalin będących nieodłącznym efektem procesu spalania.

Jeden z wczesnych silników gazowych Deutz z zaworami grzybkowymi umieszczonymi w tej samej osi unoszonymi ku sobie. Zawór wlotowy (ssący na górze). Lata 80. XIX w.

Aby tak się jednak działo nie mogło obyć się bez dodatkowego wyposażenia. Stąd sterowane mechanicznie zawory, które tak naprawdę zarówno pod względem samej idei jak i mechanicznego ich sterowania pozostają niezmienne od chwili prezentacji pierwszego sprawnie działającego czterosuwu w 1876 r.

 

Dodajmy, że niekoniecznie zasilanego paliwem płynnym!

Gdzie je umieścić?

Na początku była zwykła intuicja,…,a tak naprawdę spoglądanie na efekty pracy innych, którzy wcześniej próbowali i wykorzystywali już siłę wybuchu. Stąd funkcjonujące przed silnikami spalinowymi polskie określenie „motory wybuchowe”.

 

Od zajmujących się na co dzień silnikami gazowymi (szacunek między innymi dla Etienne Lenoir’a i Augusta Otto) wiadomo było, że cylinder należało napełniać mieszanką paliwowo-powietrzną w momencie, kiedy tłok przemieszczał się w dół i kiedy tworzące się między zaślepionym górnym końcem cylindra a denkiem tłoka podciśnienie umożliwiało niemal samoistne jej zasysanie.

 

Teoretycznie więc żaden zawór nie był do tego potrzebny, aczkolwiek przydawał się potem, kiedy przesuwający się w górę tłok powodował jej sprężanie i zawór chronił przed przedwczesnym opuszczeniem cylindra.

 

Będąc producentami „gazowców” Karl Benz i Gottlieb Daimler doskonale o tym wiedzieli i w swoich pierwszych jednocylindrowych motorach zasilanych paliwem płynnym również stosowali zawory otwierane podciśnieniem powstającym w rurze ssącej. Ich zamykanie odbywało się jednak tak jak przetrwało to dziś, czyli dzięki sile sprężyny spiralnej. Żeby jednak opróżnić cylinder ze spalin powstałych podczas suwu pracy potrzebny był jednak osobny zawór, który tym razem otwierany specjalnie skonstruowanym mechanizmem.

 

Żeby było jasne! Mechaniczne otwieranie zaworu wydechowego umieszczonego w tej samej osi co zaworu ssącego z grzybkami skierowanymi ku sobie to też znacznie wcześniejszy system, jeszcze sprzed ery lekkiego silnika benzynowego czego dowodem są konstrukcje motorów gazowych (między innymi produkowanych przez firmę Deutz jak i K.Benza oraz wspomnianej powyżej spółki G.Daimler – W.Maybach.

W pierwszym silniku zasilanym paliwem płynnym G.Daimler i W.Maybach zastosowali mimośrodowy układ sterowania zaworu wydechowego.
Silnik Daimlera w układzie V. Zawory wydechowe sterowane były również mimośrodem umieszczonym w kole zamachowym.

Problem polegał jednak na tym, że układ sterowania zaworami w silnikach stacjonarnych był duży i ciężki i dlatego za techniczne novum pierwszego lekkiego silnika zasilanego paliwem płynnym (Standhhr – zegar stający) Daimlera należy uznać nowatorskie rozwiązanie sterowania zaworem wydechowym polegające na zastosowaniu układu mimośrodowego oraz popychaczy, których ślizgacze umieszczone były w rowku w kształcie mimośrodowych pętli wykonanych na płaskiej zewnętrznej powierzchni koła zamachowego.

 

Ukształtowanie rowka wymuszało ruch ślizgaczy, które podczas jednego obrotu wału korbowego przez popychacze i dźwigienki podnosiły, a podczas drugiego opuszczały zawór.

 

Dodatkowym mechanizmem był osadzony na wale korbowym odśrodkowy regulator bezwładnościowy (ciężarkowy). Jego zadaniem było niedopuszczenie do przekroczenia określonej przez konstruktora obrotów mogących doprowadzić do tzw. rozbiegania silnika i wynikającej z tego powodu możliwości uszkodzeń mechanizmów.

 

Poprzez układ specjalnie dobranych dźwigienek regulator powodował odchylanie drążków popychaczy, które nie trafiały wtedy w trzonek zaworu wydechowego i uniemożliwiały jego otwieranie.

 

Dawało to możliwość chwilowej przerwy pracy silnika i spadek obrotów, aż do chwili kiedy regulator wracał do pozycji wyjściowej. W tym czasie, czyli mniej więcej do roku 1902 większość produkowanych (w tym sporo na licencji Daimlera) silników wyposażano w taki rodzaj rozrządu, przy czym stosowano w nich różne rodzaje regulatorów. Mowa tu jednak o silnikach, które osiągały moc w zakresie 2,5 – 3,75 KM przy obrotach rzędu 300 obr./min.

W silniku Phoenix z 1895 r. konstrukcji.Daimlera i W.Maybacha do napędu zaworów zastosowano już wał krzywkowy. Poza samymi zaworami cały układ rozrządu znajdował się na zewnątrz.

Około 1905 r. wraz z możliwością zwiększana obrotów silników (dzięki między innymi zastosowaniu nowoczesnych iskrowników Roberta Boscha) dotychczasowe układy sterowania zaworów również musiały ulec modyfikacji.

 

Sterowane podciśnieniowo zwory już nie wystarczały i zaczęto stosować mechaniczny napęd obydwu zaworów – ssącego i wydechowego… i właściwie wtedy narodziło się pojęcie układu rozrządu, czyli mechanizmu identycznego pod względem idei i technicznie podobnego do takiego, który funkcjonuje w silnikach spalinowych do dziś!

Prawie oznacza różnice…

Najprostszym i najczęściej stosowanym rozwiązaniem zastępującym mimośrody okazał się wałek krzywkowy, którego geneza jak można doszukać się w źródłach historycznych sięga 300 lat p.n.e , a zastosowania w technice XIII w.

 

W kolejnej generacji silników (już szybkoobrotowych – ok. 800 obr./min) większość elementów sterowania zaworami, łącznie z wałkiem krzywkowym, popychaczami, drążkami popychaczy i dźwigienkami często montowany był na zewnątrz karteru silnika, ale dość szybko ze względu na konieczność smarowania przeniesiono go wewnątrz skrzyni korbowej.

 

Wał krzywkowy (w polskiej literaturze motoryzacyjnej z lat 20. stawidłowy lub noskowy, a krzywki nazywały się kułaki lub noski) w większości ówczesnych konstrukcji silników znajdował się mniej więcej w połowie wysokości między osią wału korbowego a komorą spalania (pol. przestrzeni dawkowej) i napędzany był najczęściej przekładnią zębatą od wału korbowego w stosunku 2:1. Oznacza to, że na dwa obroty wału korbowego przypada jeden obrót wałka rozrządu… i tak musi być wg. teorii Pana Otto!

 

Kolejnymi elementami układu rozrządu były oparte o czołowe powierzchnie krzywek popychacze, drążki popychaczy i pionowo unoszone i osadzone po jednej lub obu stronach cylindrów zawory.

Silnik Daimlera o mocy 35PS z dwoma wałkami krzywkowymi napędzanymi przekładnią zębatą.

Najbardziej popularnym i praktycznie stosowanym do czasów wybuchu I Wojny Światowej układem rozrządu był więc układ z jednym lub dwoma wałkami rozrządu, zaworami bocznymi lub układ mieszany (zwory boczne i wiszące) dolnozaworowy, który dziś praktycznie nie jest już stosowany tzw. typ „F”.

Rodzaje układów rozrządu pod względem umieszczania zaworów i wałów krzywkowych.

 

Od lewej:

 

  • Układ boczno lub dolnozaworowy – zawory otwieranie go góry umieszczone równolegle z boku bloku silnika. Wał rozrządu
    w bloku silnika.
  • Układ mieszany górno-boczno zaworowy – zawory wydechowe w bloku silnika. Ssące w głowicy wydechowe w bloku. Wał rozrządu w bloku silnika.
  • Układ górnozaworowy OHV – zawory ssące i wydechowe umieszczone równolegle w głowicy, wał rozrządu w bloku silnika.
  • Układ górnozaworowy z wałkiem rozrządu umieszczonym w głowicy silnika (OHC).

 

Na dole od lewej:

 

  • Układ górnozaworowy z zaworami umieszczonymi skośnie w głowicy i pojedynczym wałkiem rozrządu w głowicy (SOHC).
  • Układ z zaworami i dwoma wałkami rozrządu umieszczonymi w głowicy. (DOHC).

 

Wyjaśnienie! Dwa napędzane przez wał korbowy przekładnią zębatą wałki krzywkowe stosowano w przypadku umieszczenia zaworów po przeciwnych stronach cylindrów. Taki układ stosowany był między innymi przez Forda i określany był jako układ zaworów „T”.

Rysunek z książki Adama Tuszyńskiego „Samochód nowoczesny- 1946 r. Widoczne umieszczone w karterze silnika dwa wały krzywkowe napędzane przekładnią zębatą.

Innym, początkowo rzadko stosowanym, ale już od połowy lat 20. ze względu na potrzebę uzyskiwania lepszej wydajności pracy (czytaj większej mocy), bardzo szybko zyskującym popularność rodzajem silników były jednostki wyposażone układy rozrządu z tzw. zaworami wiszącymi, czyli umieszczonymi w głowicy silnika.

 

Te jednak najczęściej nadal sterowane były znajdującymi się w bloku silnika wałami krzywkowymi za pomocą dźwigienek i drążków popychaczy, które dziś określilibyśmy je jako OHV (Over Head Valve).

 

Spotykanym wówczas również dość często rozwiązaniem umieszczania zaworów był też tzw. układ „F” polegający na tym, że jednym wałkiem krzywkowym jedne zawory otwierane były do góry i znajdowały się z boku cylindra, a drugie umieszczone były na górze komory spalania a ich sterowanie wymagało popychacza oraz dźwigienki.

Zawory górne (wiszące z wałkiem umieszczonym w karterze (rysunki i pisownia oryginalna wg. wyd. „zasady działania i obsługi samochodu” 1931 r.).

Zdjęcia: 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).