Młody Technik

Elastyczność nade wszystko

Lipiec 1998   

Od zarania dziejów motoryzacji konstruktorzy prześcigali się w krzesaniu jak największych mocy z silników. Najstarszą i najlepszą receptą na sukces w tym względzie było zwiększenie liczby cylindrów i pojemności skokowej. Szczyt absurdu osiągnięto w latach 70., kiedy to amerykanie powszechnie montowali do aut osobowych silniki od ciężarówek. Wtedy też skończył się złoty wiek motoryzacji - nastał kryzys paliwowy i rozpoczęła się era oszczędzania.

Oszczędzanie dla konstruktorów samochodów oznaczało optymalizację. Kompromisu szukano zarówno między wielkością nadwozia, jego bezpieczeństwem a masą, jak i miedzy osiągami silnika a jego ekonomicznością. Pojemności skokowe jednostek napędowych gwałtownie spadły; w Europie silniki aut popularnych miały pojemność 1000-1200 cm3, aut średnich ok. 1500 cm3, a luksusowe 2000-3000 cm3. Uzyskanie godziwych osiągów z niewielkich pojemności skokowych, przy zachowaniu niewielkiego zużycia paliwa wymagało uelastycznienia sterowania pracą silnika.

W pierwszej kolejności skorygowano moment przeskoku iskry elektrycznej na elektrodach świecy zapłonowej - odśrodkowy regulator zapłonu zaczął powszechnie współpracować z regulatorem podciśnieniowym. Moment zapłonu zaczął zależeć więc nie tylko od obrotów silnika ale także od jego obciążenia. Później wzmocniono energię iskry stosując zapłon elektroniczny (obecnie cyfrowy). W tym ostatnim wypadku moment zapłonu dobierany jest bardzo precyzyjnie i zależy od bardzo wielu czynników.

Podobną ewolucje przeszedł układ zasilania; najpierw poprawiano urządzenia rozruchowe (tzw. ssanie), później poprawiano ekonomiczność gaźników ale ostatecznie zostały one wyparte przez wtrysk benzyny. Ten też podlega ewolucji i uelastycznieniu systemu sterowania: wtrysk jednopunktowy zastąpił wtrysk wielopunktowy a dziś po drogach jeżdżą już pierwsze samochody z bezpośrednim wtryskiem benzyny do komory spalania. Układ dolotowy także doczekał się elastycznego sterowania - niektóre silniki mają kolektor dolotowy o zmiennej długości, dobieranej w zależności od obciążenia silnika.

Do niedawna niezdobytą dla konstruktorów twierdzą był układ rozrządu. Oczywiście hydrauliczne kasowani luzu zaworowego pojawiło się już pół wieku temu a dwa wałki rozrządu w głowicy i cztery zawory na cylinder to już niemal standard. Tym niemniej układem rozrządu do niedawna nie można było sterować elastycznie - czasy napełniania cylindra świeżą mieszanką i opróżniania go ze spalin były stałe, niezależnie od obrotów silnika i jego obciążenia. (...) Problem z układem rozrządu polega na tym, że fazy rozrządy a więc czas otwarcia zaworów oraz moment ich otworzenia i zamknięcia powinny się zmieniać płynie w zależności od chwilowych warunków pracy jednostki napędowej, bardzo podobnie jak czyni to układ zapłonowy. Niestety układ rozrządu jest czysto mechaniczny i o momencie oraz czasie (liczonym w stopniach obrotu wału korbowego) otwarcia zaworu decyduje kształt krzywki wałka rozrządu. (...) W silnikach samochodu zarys krzywki wałka rozrządu, czyli jej kształt jest wynikiem kompromisu i dlatego spece od podrasowywania aut często wymieniają wałki rozrządu na specjalne, podnoszące osiągi silnika. Niestety moc wzrasta ale pogarszają się osiągi w zakresie niskich i średnich obrotów - czyli coś za coś, nie ma więc cudownej recepty.

Nie ma? Ależ skąd, umysł ludzki jest zbyt potężny by tak mogło być! Cudowne recepty na wałki rozrządu elastycznie dostosowujące się do warunków pracy jednostki napędowej przygotowało i wdrożyło do produkcji seryjnej już kilka firm. Zmienne fazy rozrządu - bo o nich tu mowa - opatentowało BMW - system Doppel -Vanos oraz Honda - system VTEC i Alfa Romeo.

Idea zmiennych faz rozrządu polega na wcześniejszym bądź późniejszym, w odniesieniu do kąta obrotu wału korbowego, otwarciu i zamknięciu zaworu. Zmianie ulegają zatem czasy napełniania i opróżniania cylindra ładunkiem. Przykładowo przy niskich prędkościach obrotowych silnika zawór dolotowy jest otwierany później i zamykany wcześniej niż przy wyższych prędkościach. Kąty te zmieniają się w trakcie pracy silnika w zależności od prędkości obrotowej jednostki obrotowej i jej obciążenia. (...) Zastosowanie zmiennych faz rozrządu nie służy jedynie zwiększaniu mocy silnika. Bardzo ważnym powodem jest również ograniczenie zużycia paliwa a zatem obniżenie emisji substancji toksycznych. Rozwiązanie takie zaproponowała Honda w silniku VTEC-E (VTEC-Economy), który przy pojemności skokowej 1,5 dm3 i mocy 90 KM zadowala się zużyciem paliwa o 20% niższym niż w takiej samej jednostce napędowej bez zmiennych faz rozrządu. Dla uzmysłowienia sobie skali oszczędności podam, że Honda Civic z silnikiem VTEC-E przy 90 km/h spala zaledwie 4,5 dm3 benzyny na 100 km, przy 120 km/h 6,6 a w mieście 6,7 dm3/100 km.

Jak każde rozwiązanie, również i zmienne fazy rozrządu mają swoje minusy. Układ rozrządu składa się z większej liczby części, wyższe są zatem koszty jego wytwarzania a także komplikuje się jego konstrukcja. Jednak korzyści wynikłe z zastosowania tego układu są tak wymierne, że już wkrótce należy spodziewać się jego udoskonalenia i upowszechnienia. Podobnie było przecież z silnikami szesnastozaworowymi.

Jerzy Szymański
fot. archiwum i London Picture Service

---