7
6
5
4
3
2
1

Układy rozrządu

Wersja dokumentu 1.0
ostatnia aktualizacja: 26 grudnia 2010

WSTĘP

Po przeczytaniu poprzednich artykułów wiemy już, jak działa silnik, skąd się bierze w ogóle jego charakter pracy, jak przetwarzana jest energia wewnętrzna w ruch i w jaki sposób kształtować przebieg momentu obrotowego silnika. To na czym skupimy się w tej części, to zasada działania rozrządu, jego budowa oraz na czym polega praca zmiennych faz rozrządu.

WYMAGANIA WSTĘPNE

By świadomie analizować materiał z tej części sugerowałbym przeczytać słowniczek pojęć oraz opis zjawisk fizycznych zachodzących w silniku. Mając tą wiedzę będziemy ją uzupełniać o kolejne klocki stanowiące podwaliny ŚWIADOMEGO tuningu ;)

CO ROBI ROZRZĄD

Wiemy, że silnik spalinowy w samochodach takich jak nasze, pracuje cyklicznie a w każdym cyklu występują 4 zależne od siebie etapy pracy - tzw. suwy. I tak mamy suwy: ssania, sprężania, pracy i wydechu. W każdym z nich zachodzą zmiany w energii ładunku zgromadzonego w komorze spalania. Przepływem tego ładunku oraz synchronizacją tego przepływu z pracą tłoków zajmuje się właśnie układ rozrządu. Wiemy, że w suwie ssania musimy doprowadzić do otwarcia zaworów ssących, przy jednoczesnym zamknięciu zaworów wydechowych w trakcie poruszania się tłoka od TDC do BDC (w dół); w trakcie suwu sprężania WSZYSTKIE zawory muszą być zamknięte, gdy tłok porusza się od BDC do TDC (w górę); w suwie pracy nadal zawory pozostają zamknięte i tłok przez wzrost ciśnienia w komorze spalania porusza się w dół; na koniec suw wydechu - zawory wydechowe muszą zostać uchylone by podczas ruchu tłoka w górę możliwe było luźne wypchnięcie z komory spalania spalonej mieszanki.

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA

Zacznijmy od zaworów - kawałka pręta zakończonego "grzybkiem", który wykonany jest ze specjalnego stopu stali odpornego na wysoką temperaturę. Grzybek przylega do tzw. gniazda zaworowego w głowicy i zapewnia szczelność komory spalania. Zawór porusza się w prowadnicy zaworowej - tulei która zamontowana jest w głowicy i ustawia zawór w stosownej pozycji w czasie jego pracy. Od góry głowicy kolejno mamy gniazda sprężyn zaworowych, uszczelniacze zaworowe (ograniczają one przepływ oleju z głowicy do komory spalania - gdy są zużyte występuje wzmożone palenie oleju przez silnik), natępnie mamy sprężyny zaworowe i talerzyki u ich góry, talerzyk jest spięty z końcówką zaworu przez tzw. zamki.

Budowa głowicy silnika

Układ rozrządu i krzywki wałka w bardzo znacznym stopniu wpływają na charakterystykę napełniania i pracę silnika w różnych zakresach obrotowych. Kształtują one czasy wzniosu zaworu oraz wielkość "prześwitu" między zaworem a przylgnią zaworową.

Sprężynki opierając się na talerzykach zaworowych powodują chowanie się zaworów i ciasne przyleganie do przylgni gniazd zaworowych. Uchylanie zaworów następuje przez naciskanie przez dźwigienki zaworowe na końcówkę zaworu albo przez hydrauliczne popychacze. W przypadku popychaczy współpraca z krzywką jest zawsze prostopadła do krzywizny wałka rozrządu, natomiast w przypadku dźwigienek kąt pod jakim współpracuje krzywka wałka z powierzchnią ślizgową dźwigienki - jest zmienny. Stosowanie hydraulicznych popychaczy ma ten plus, że nie jest wymaganie regulacji luzów zaworowych. Luzy zaworowe są efektem faktu, że jak wiadomo ze wzrostem temperatury materia ulega rozszerzeniu, stąd by kompensować termiczne rozszerzanie zostawia się odstęp między zaworem a wałkiem. Jest to konieczne z tego względu, że rozgrzany wałek mógłby cały czas odpychać zawór, który nie mógłby się w pełni zamknąć i rozszczelniałby komorę spalania a dodatkowo zawór nie mając kontaktu z gniazdem zaworowym, niemożliwe by było jego chłodzenie przez oddawanie ciepła do głowicy - wszak owiewany jest ciągle mieszaniną gazów o temperaturze 500-900 st. Celsjusza.

Wałek rozrządu niezależnie od typu głowicy DOHC/SOHC jest prętem wyposażonym w krzywki o kształcie kropli deszczu, przesunięte w fazie obrotu tak, by zapewnić napełnianie/opróżnianie cylindrów w odpowiedniej kolejności.

Każda krzywka posiada 3 obszary pracy:

- nabieg
- wznios efektywny
- zbieg

Nabieg ma na celu eliminowanie luzu zaworowego i hałasu - delikatne natarcie dźwigienki zapobiega jej odkształcaniu. Wznios efektywny warunkuje parametry pracy silnika i kształtuje przebieg momentu obrotowego i moc maksymalną rozwijaną przez silnik. Zbieg zaś ma na celu łagodne osadzenie zawory w gnieździe, przeciwdziała odkształcaniu przylgni zaworowych. Obszary nabiegu i zbiegu są z punktu widzenia generowania mocy złem koniecznym, najlepiej jakby ich nie było i zawory otwierały i zamykałyby się w pełni od razu - niestety nie jest to możliwe. Stopniowe uchylanie zaworów ma tą wadę, że nie umożliwia ciągłego i pełnego - możliwie najefektywniejszego przepływu ładunku. Popychacze zaworowe mimo tej zalety, że nie wymagają regulacji są dość ciężkie i w związku z tym nie mogą być stosowane w silnikach mocno wysilonych, wysokoobrotowych.

Krzywka opisana jest przez 3 następujące parametry:

- efektywny kąt otwarcia zaworu
- maksymalny wznios
- wypełnienie

Decydują one o obrotach mocy maksymalnej. Oczywistym jest, że z punktu widzenia mocy najlepsza by była prostokątna krzywka, gdyż zapewniałaby stały i maksymalny efektywny przepływ ładunku, niestety nie jest to możliwe ze względu na konieczność istnienia nabiegu i zbiegu. Z punktu widzenia producentów samochodów i potrzeby zachowania możliwie płaskiej krzywej momentu obrotowego krzywki maja dość niewielkie wypełnienie.

Ze względu na fakt, że czasy rozrządu podaje się w stopniach obrotu wału korbowego, stąd okres przez który zawór pozostaje uchylony podawany jest przez efektywny kąt otwarcia zaworu. Im dłuższy czas czas otwarcia zaworów ssących tym ciśnienie uzyskane w BDC w cylindrze bliższe jest ciśnieniu w kolektorze ssącym. Wypełnienie krzywki warunkuje przez jaką część czasu wzniosu krzywki przepływ ładunku jest najszybszy. Natomiast maksymalny wznios warunkuje maksymalną wartość wznosu zaworu, a tym samym największą objętość ładunku, jaka może zostać wtłoczona do cylindra.

Upraszczając: 3 powyższe parametry krzywek pozwalają kształtować przebieg charakterystyki napełniania. Sam wpływ parametrów jest trudny do przewidzenia i wyjaśnienia, ale można przyjąć, że im wyższy wznios, tym moment obrotowy jest większy i przeniesiony w zakres wyższych obrotów. Zaś pozostałe dwa parametry kształtują całkowitą wysokość krzywych momentu. Wynika to z faktu istnienia omówionych wcześniej zjawisk dynamicznych - większy wznios = większy przekrój - wolniejszy przepływ ładunku, mniejsze wzniosy, a większe czasy otwarcia, szybszy przepływ w zakresie niskich obrotów, ale niedostatecznie duża przepustowość przy wysokich ilościach przepływającego ładunku.

OSTRE WAŁKI

Wydawałoby się można zrobić krzywki o wielkich wzniosach, bardzo pękate i dzięki temu mielibyśmy świetny moment obrotowy zachowany do bardzo wysokich obrotów. Niestety nie można w ten sposób w nieskończoność powiększać tych parametrów z prostego względu: wzrost ciśnienia w komorze spalania ma przebieg zbliżony do logarytmicznego - początkowo przepływ jest bardzo szybki i ciśnienie wzrasta bardzo szybko, potem wraz z maleniem różnicy ciśnień w komorze spalania i układzie dolotowym - narost ciśnienia jest coraz mniejszy. Dodatkowo ostrzejsze wałki powodują jeden istotny problem - im więcej powietrza jest wstanie układ rozrządu dostarczyć w czasie do komory spalania tym większy jest ładunek i w efekcie mamy bardzo dużo mieszanki dostarczonej na niskich obrotach, gdzie zapotrzebowanie na nią jest znikome, przez co każdy cykl pracy powoduje zbyt znaczny przyrost prędkości tłoka a tym samym wału korbowego, przez ECU odcina podawanie paliwa, gdy przekroczona zostaje prędkość obrotów jałowych - w efekcie pojawia się nierówna i hałaśliwa praca silnika. Stąd dobór wałków do auta ulicznego jest sztuką kompromisu między kulturą pracy, ekonomią spalania a maksymalną mocą i momentem.

ZMIENNE FAZY ROZRZĄDU

Ze względu na problemy jakie przysparzają ostre krzywki wałków, wielu producentów w tym Honda stosuje system zmiennych faz rozrządu. Dzięki niemu możliwe jest niejako stosowanie dwóch zestawów krzywek - łagodnych, ale zapewniających dostatecznie dobry przepływ by generować dobry moment obrotowy w zakresie niskich obrotów, pozwalające uzyskać niskie prędkości obrotów jałowych, dobrą kulturę pracy silnika i co najważniejsze dobrą ekonomię spalania oraz zestaw krzywek ostrych, o większym wzniosie i wypełnieniu, które umożliwiają dostarczenie dużej ilości mieszanki na wysokich obrotach i generowanie dużej mocy. Dzięki temu możliwe jest pogodzenie ekonomii i ekologii z adrenaliną przyspieszania. Różni producenci pod różnymi nazwami kryją system zmiennych faz rozrządu, lecz we wszystkich przypadkach sprowadza się on do przełączania układu rozrządu do pracy na stosownym zestawie krzywek.

Fragment wałka silnika bez systemu zmiennych faz rozrządu - widać dwie osobne krzywki dla dla dwóch zaworów.

Budowa typowych wałków rozrządu

A tu dla odmiany Fragment wałka stosowanego w systemie zmiennych faz rozrządu - VTEC, widać dwie krzywki po bokach - przeznaczone do pracy na niskich obrotach - mają różną wysokość, dzięki czemu wprowadzone jest zawirowanie powietrza, które poprawia odparowywanie paliwa i lepszą ekonomię spalania oraz znacznie wyższą i pełniejszą krzywkę po środku, która wykorzystywana jest podczas pracy na wysokich obrotach.

Budowa wałków systemu zmiennych faz rozrządu VTEC

REGULOWANE KOŁA ROZRZĄDU

Fabryczne ustawienia rozrządu mają na celu zachowanie optymalnej dynamiki auta. Ale gdy pojawia się potrzeba walki o konie, okazują się one niedostatecznie dobre.

Regulowane koła rozrządu

W tym miejscu warto by było wspomnieć o istnieniu czegoś takiego jak kąt współotwarcia zaworów. Wartość ta jest kątem obrotu w czasie którego częściowo uchylone są zawory ssące i wydechowe naraz. Ma to miejsce przy zakończeniu suwu wydechu i przejście do suwu ssania. Otóż na koniec suwu wydechu zawory nie zamykają się, jeszcze częściowo uchylone są na samym początku suwu ssania, kiedy to świeża mieszanka zasysana jest do komory i jej zasysanie jest wspomagane powstającym podciśnieniem, które wytwarza słup gazów wydechowych w kanałach głowicy.

Kąt współotwarcia zaworów Wpływ kąta współotwarcia zaworów na napełnianie

Regulowane koła rozrządu pozwalają przyspieszyć/opóźnić otwarcie/zamykanie zaworów, zmieniać kąt współotwarcia zaworów (w przypadku głowic DOHC) i tym samym wpływać na generowany moment obrotowy.

ostatnia modyfikacja: Nie, 9 października 2011 20:48:31, przez obeny