Wraz z rozwojem motoryzacji rosną apetyty na coraz to nowsze i ciekawsze rozwiązania. Oczekiwania rynku na lepsze, bardziej niezawodne i mocniejsze samochody zdopingowały producentów do intensywnych poszukiwań, a inżynierów do cięższej pracy. Niepowtarzalna linia nadwozia, czy futurystyczna elektronika, to dziś stanowczo za mało. Dla prawdziwych samochodziarzy liczy się przede wszystkim silnik. Ponieważ sam uważam się za jednego z nich, więc właśnie chęć skonstruowania czegoś nowego stała się główną inspiracją, dla której przed laty postanowiłem włączyć się do poszukiwań.
Moje poprzednie artykuły poświęcone były już opracowanemu i opatentowanemu, ekologicznie czystemu, dwusuwowemu silnikowi spalinowemu nowej generacji. Ta nowatorska konstrukcja wymusiła konieczność dopracowania także pozostałych elementów. Okazało się bowiem, że niektóre stare rozwiązania nie do końca się sprawdzają w konfrontacji z nowym silnikiem. Jednym z takich elementów jest rozrząd.
Ponieważ cykl pracy silnika dwusuwowego zamyka się w 360° OWK, a nie w 720°, jak w przypadku czterosuwu, wiec pozbycie się dwóch suwów znacznie ograniczyło czas na dokonanie wymiany ładunku w cylindrze. W nowym dwusuwowym silniku wałek rozrządu kręci się z taką samą prędkością jak wał korbowy, a więc z prędkością dwukrotnie wyższą od tradycyjnej. Aby nie pogarszać możliwości dokonania pełnej wymiany ładunku należałoby zastosować korzystniejszą charakterystykę i bardziej „strome” krzywki zaworowe. To jednak musiałoby zaowocować większymi prędkościami zaworów, powstaniem większych przeciążeń, a więc i podwyższonym zużyciem. Wprawdzie szybko obracający się wałek rozrządu przyczynia się do szybszego otwierania zaworów, tworząc tym samym korzystniejszą, bardziej „prostokątną” charakterystykę, ale dwukrotnie szybsze otwarcie zaworu wymusza również konieczność dwukrotnie szybszego jego zamknięcie. A to wymaga zastosowania jeszcze silniejszych sprężyn zaworowych. Twarde sprężyny zaworowe w silniku to niestety zło konieczne, a jeszcze bardziej twarde sprężyny zaworowe, to niestety jeszcze większe zło konieczne.
Przy okazji tworzenia nowego, dwusuwowego silnika spalinowego powstała więcpaląca potrzeba przyjrzenia się tym sprzecznościom i znalezienia jakiegoś, w miaręlogicznego kompromisu. Idealnym rozwiązaniem byłoby stworzenia całkiem nowego, prostego układu, o korzystnej charakterystyce, umożliwiającej równie szybką wymianę ładunku, przy znacznie mniejszych obciążeniach. Z racji na większe prędkości zaworów i większe siły boczne natychmiast pojawiają się dodatkowe wymagania w postaci znacznie pewniejszego prowadzenia trzonka zaworu, czy bardziej wydajnego smarowania. Przy tej okazji pokuśmy się jeszcze o kilka dodatkowych życzeń: mniejsze gabaryty, mniejsze obciążenia, wyższa trwałość elementów ruchomych, bezawaryjność, niższe koszty produkcji oraz brak konieczności ustawiania luzów zaworowych, co wyeliminowałoby konieczność stosowania ich hydraulicznej regulacji.
Podsumowując:
- Korzystniejsza, bardziej „prostokątna” charakterystyka pracy rozrządu.
- Szybsze otwieranie i zamykanie zaworów.
- Lepsze prowadzenie i smarowanie zaworów, przy równoczesnym zmniejszeniu ich długości.
- Znaczne zminimalizowanie obciążeń, przez usunięcie sprężyn zaworowych.
- Brak konieczności ustawiania luzów zaworowych.
- Zmniejszenie gabarytów całego układu rozrządu przez zmniejszenie średnicy koła pasowego, skrócenie długości zaworów i usunięcie hydraulicznych regulatorów luzów zaworowych.
- Znaczne zredukowanie utraty mocy silnika niezbędnej do napędu rozrządu.
- Znaczne zwiększenie żywotności i bezawaryjności całego układu.
- Zmniejszenie kosztów produkcji.
W świetle znanych dotąd rozwiązań, wyżej wymienione wymagania są raczej niemożliwe do zrealizowania. Ale opracowany właśnie nowy i już opatentowany projekt: „Wielokrzywkowy system napędu zaworów silnika spalinowego” spełnia wszystkie te wymogi. Jego konstrukcja jest bardzo prosta, a jej nowatorstwo polega głownie na zastąpieniu sprężyn zaworowych dodatkową krzywką. Podstawową zasadą jest to, że jedna krzywka otwiera zawór, a druga go zamyka. Dlaczego więc tak prostego rozwiązania dotąd nie stosowano? Pewnie z kilku powodów. Po pierwsze, skoro nie istniała paląca potrzeba modyfikacji już istniejących rozwiązań to po co je zmieniać? Po drugie, nie istniały wówczas obrabiarki CNC, a wykonanie precyzyjnych krzywek bez ich pomocy byłoby obarczone znacznymi kosztami. Po trzecie, od silników spalinowych nie wymagano aż tak wyśrubowanych parametrów, a ich wielkość również nie miała większego znaczenia.
Nowe rozwiązanie może występować w dwóch wariantach. Wariant pierwszy, to dwie wzajemnie zintegrowane krzywki (wewnętrzna i zewnętrzna), wraz z umieszczonymi między nimi rolkami i zastosowaniem dwuczęściowej dźwigni zaworowej. Drugi, to dwie tradycyjne krzywki zewnętrzne, współpracujące z dwiema rolkami osadzonymi na jednej, wspólnej dźwigni.
Zacznijmy jednak od konstrukcji samego zaworu. Tradycyjny długi trzonek zaworu prowadzony w pojedynczej, długiej, słabo smarowanej prowadnicy, narażony był na dewastujące działanie głównie sił bocznych, pochodzących głownie z jego napędu. W nowym rozwiązaniu trzonek zaworu podparty jest nie w jednym, lecz w dwóch, skrajnie oddalonych od siebie punktach. Dolny punkt podparcia to dolna, znacznie skrócona prowadnica zaworowa, z tradycyjnym pierścieniem uszczelniającym. Górny punkt podparcia to większa, doskonale smarowana powierzchnia górnej części nowej prowadnicy, która przyjmuje oddziaływanie większości sił działających na dźwignię zaworu. Zamiana pojedynczej prowadnicy na dwie skrajne znacznie polepsza prowadzenie, przenosi większość obciążeń tradycyjnej, źle smarowanej, dolnej prowadnicy na górną i pozwala na znaczne skrócenie tej dolnej. Krótsza, dolna prowadnica i brak sprężyn zaworowych pozwalają także na zmniejszenie długości samego trzonka. W zasadzie sama idea tego rozwiązania z powodzeniem mogłaby być zaadaptowana również do tradycyjnego systemu ze sprężynami, co znacznie poprawiłoby warunki pracy całego rozrządu.
Istotą wynalazku nie jest jednak konstrukcja zaworu lecz system jego napędu.
Każdy zawór napędzany jest dwiema krzywkami (1a, 1b). Dźwignia zaworowa składa się z dwóch wzajemnie zazębionych części (6,7), osadzonych obrotowo na wspólnym wałku (3). Obie części mogą wykonywać ruch obrotowy na wałku, przy czym ich zazębienie ma niewielki luz obwodowy (A). Luz ten jest zerowany przez niewielką sprężynę (4) spinającą obie części. Sprężyna ta w całym układzie pełni głównie rolę elementu dociskającego grzybek zaworu do gniazda w momencie jego zamknięcia.
A oto zasada działania nowego systemu, która w praktyce jest dość prosta, choć w opisie może robić wrażenie trochę zawiłej: Zamknięty zawór nie może przemieszczać się ku górze, ponieważ grzybek zaworu opiera się o gniazdo zaworowe. Pozycja połączonej z zaworem, drugiej części dźwigni (7) jest więc uzależniona od pozycji zaworu. Pozycja pierwszej części dźwigni (6), zaopatrzonej w rolki (5), umieszczone między dwiema krzywkami, jest z kolei uzależniona od ich położenia. W tej chwili sprężyna jest napięta (położenie 0º). Objawia się to powstaniem maksymalnego luzu obwodowego (A) między obu częściami dźwigni. Napięta sprężyna powoduje przyciąganie drugiej część dźwigni, co przekłada się na docisk grzybka zaworu do gniazda. Kiedy wałek rozrządu zacznie się obracać, krzywka otwierająca (1a) wymusi ruch rolki, a więc pierwszej części dźwigni. Powoduje to zmniejszenie napięcia sprężyny, a tym samym zmniejszenie docisku grzybka zaworu do gniazda. Kiedy na skutek dalszego ruchu obrotowego wałka luz (A) zostaje wyzerowany (położenie 30º), nieruchoma dotąd druga część dźwigni zostaje zabrana przez ciągle poruszającą się pierwszą część. Zawór zaczyna się otwierać. Dalszy obrót wałka rozrządu wymusza ruch zaworu pod dyktando krzywki otwierającej (położenie 45º). Po osiągnięciu maksymalnego otwarcia zaworu (położenie 90º), czyli momentu przejścia części wznoszącej krzywki (1a) w cylindryczną, następuje zatrzymanie zaworu w pozycji otwartej. Wałek rozrządu porusza się nadal, aż do momentu rozpoczęcia działania krzywki zamykającej (1b) (położenie ok. 150º). Krzywka zamykająca wymusza ruch rolki, a dalej – pierwszej części dźwigni. Część ta, przy nadal wyzerowanym lub lekko zwiekszonym luzie (A) zaczyna „miękko” zabierać drugą część. Następuje zamykanie zaworu. Moment dotknięcia grzybka zaworu do gniazda jest momentem zatrzymania zaworu w pozycji zamkniętej i początkiem dalszego wzrostu luzu między częściami (położenie 150- 180º). Wraz z nim rośnie napięcie sprężyny i docisk grzybka zaworu do gniazda. Jeśli silnik osiągnie na tyle wysokie obroty, że podczas zamykania zaworu dość delikatna sprężyna nie będzie w stanie utrzymać pierwszej części na swojej pozycji, następuje rozciągnięcie sprężyny, aż do powstania maksymalnego luzu. Maksymalna wielkość luzu (A) po jednej stronie zazębienia, to zerowa wielkość luzu (B) po drugiej stronie. Obie części dźwigni zetkną się więc po drugiej stronie i nastąpi „twarde” zabieranie pierwszej części i zamykanie zaworu.
Wyżej opisany luz obwodowy miedzy obiema częściami nie jest luzem zaworowym, w dotychczasowym rozumieniu. Nawet spory błąd jego wielkości nie ma żadnego wpływu na poprawne działanie układu. Jego wielkość określa konstruktor i nie podlega on żądnym regulacjom. Podobnie jest ze sprężyną, która służy głównie do docisku grzybka zaworu do gniazda. Jej sztywność może być wielokrotnie niższa od zestawu tradycyjnych sprężyn zaworowych.
Opisany system spełnia więc wszystkie, wyżej określone wymagania. Jest niezbędny dla prawidłowej pracy nowego, dwusuwowego silnika, co wcale nie oznacza, że nie może on być zaadaptowany do współczesnych silników czterosuwowych. Jest to nowy pomysł, który wymaga wykonania prototypu, przetestowania go i wprowadzenia niezbędnych poprawek. Silniki z takim systemem mogłyby być o wiele sprawniejsze, mniejsze i tańsze. Skończyłyby się problemy z okresową wymianą rozrządu, paska lub łańcuszka, czy z „wybijaniem” gniazd zaworowych na skutek działania silnych sprężyn zaworowych. Zniknęłyby też kłopoty z mechanizmem regulacji luzów zaworowych. Pozbycie się sprężyn zaworowych otwiera także drogę do kolejnego, bardzo ważnego kroku: do elektronicznego systemu sterowania zaworami. Wszyscy wiemy, jak ważne byłoby to usprawnienie. Mogłoby zmienić konstrukcje silników na miarę wprowadzenia elektronicznego wtrysku paliwa. Już teraz podejmowane są takie próby. Niestety, jak dotąd, z umiarkowanymi sukcesami. Główną przeszkodą okazuje się bowiem brak wystarczająco mocnego i szybkiego siłownika. Wymuszenie otwarcia zaworu z siłą przewyższającą siłę sprężyn zamykających w czasie ok. 0,001 sek. okazuje się nie do zrealizowania. Proponowane rozwiązanie może jednak okazać się pierwszym krokiem do osiągnięcia tego ambitnego zamierzenia.
inż. Jacek Majewski
artykuł pochodzi z wydania 6/7 (153/154) 2020
