IN POWER WE TRUST c.d. Dwa parametry skok tłoka/średnica cylindra- odwieczni rywale

W pierwszej części wstępnej czytaj tutaj nadmieniłem, że przedmiotem moich rozważań będzie silnik podkwadratowy gdzie d <s (średnica cylindra < skok tłoka) ewentualnie silnik kwadratowy gdzie d=s. 

Na wstępie trzeba powiedzieć co konkretnie wiąże się z taką geometrią silnika oraz jakie są zalety i wady silnika długo-skokowego. W obecnych czasach z niezrozumiałych dla mnie przyczyn odchodzi się od konstruowania silników długo-skokowych na rzecz krótko-skokowych, a co za tym idzie szybkoobrotowych konkurentów. Ta popularność jest niewątpliwie spowodowana większym popytem na motocykle z rodowodem z torów wyścigowych. Dlatego coraz większą część rynku motocyklowego zajmują konstrukcje, których „czerwone pole obrotomierza” zaczyna się grubo ponad 10 tysięcy obrotów. Konstrukcje te mają komory spalania przystosowane do szybkiej wymiany ładunku w bardzo krótkim czasie, w związku z tym muszą dysponować dużą ilością zaworów na cylinder. Poza konstrukcyjną komplikacją układu rozrządu, która jest konieczna przy silnikach wysokoobrotowych, przy okazji otrzymujemy również dużą i nieefektywną komorę spalania, która poza zwiększoną ilością zaworów dodatkowo musi pomieścić świecę zapłonową. Przy bardzo dużych komorach spalania oscylujących w granicach 100 mm i powyżej, aby skrócić czas rozchodzenia się płomienia, stosuje się nawet dwie świece zapłonowe jak np. w najnowszym produkcie Harley’a: Milwaukee-Eight. Efektem tego jest strata stref wyciskania mieszanki (squish band), będących częściami komory głowicy, do których w górnym martwym punkcie maksymalnie zbliża się tłok wyrzucając mieszankę paliwowo-powietrzną w kierunku świecy zapłonowej.

Przez analogię zatem, w silnikach wolnoobrotowych nie musimy całej ich konstrukcji podporządkowywać potrzebie błyskawicznej wymiany ładunku. A zatem konstrukcja ta pozwala na budowę zwartych i mniejszej średnicy komór spalania, efektywną i pełniejszą wymianę ładunku dzięki dłuższym czasom pomiędzy poszczególnymi suwami a także na pełniejsze spalenie ładunku. Długi skok w połączeniu ze zwartą komorą spalania powoduje, że czoło płomienia spalanej mieszanki zaraz po wystąpieniu iskry rozchodzi się bardzo szybko i do tego ma do pokonania niewielką drogę, aby zająć całą niespaloną do tej pory mieszankę. Pomimo, że spalanie jest bardzo szybkie, to dzięki dobremu wymieszaniu paliwa z powietrzem (squish band) tendencja do wystąpienia szkodliwego spalania stukowego w funkcji stopnia sprężania jest dużo mniejsza, innymi słowy zwarta komora spalania pozwala zwiększyć stopień sprężania bez występowania tego zjawiska. Dokładniej o komorach spalania i możliwościach ingerencji w nie napiszę w jednym z kolejnych odcinków.
Nie bez znaczenia pozostaje też potencjalnie mniejsze nagrzewanie denka tłoka dzięki jego mniejszej powierzchni, dlatego bilans cieplny pozwala na olejowo-powietrzną metodę chłodzenia silnika, co dodatkowo redukuje masę w stosunku do silników chłodzonych cieczą. To co jest zaletą może stać się wadą, gdyż w przypadku chłodzenia powietrzem, długotrwała praca silnika na postoju lub w skrajnie wysokich temperaturach bądź też pod długotrwałym maksymalnym obciążeniem, może spowodować jego przegrzanie.

Jest też jeszcze jedno podstawowe ograniczenie dla silników długo-skokowych, które również w takim samym stopniu dotyczy jednostek krótko-skokowych, mianowicie jest to parametr średniej prędkości tłoka w cylindrze. Przekroczenie dopuszczalnej średniej prędkości tłoka w cylindrze będzie skutkować gwałtownym jego zużyciem lub nawet całkowitym zniszczeniem. Przy ogólnie dostępnych możliwościach technicznych średnia prędkość tłoka w cylindrze może na krótko i sporadycznie przekraczać około 26m/s. bez obawy o zniszczenia silnika. Z racji tego, że producenci nie podają nigdzie tego parametru dla swoich silników a jest on dla nas niezmiernie ważny przy tuningu, warto policzyć go samodzielnie. Dla Harley’a, który został zbudowany w systemie calowym liczy się ten parametr w następujący sposób

Powyższy wzór funkcjonuje jeśli skok tłoka liczymy w calach. Natomiast skok tłoka podany w milimetrach dzielimy przez 25,4 (1 cal = 25,4 mm).

Jeśli chcemy uzyskać wynik w metrach na sekundę (m/s) należy pomnożyć otrzymany ze wzoru wynik przez współczynnik 0,00508. 

I tak dla przykładu, we współczesnym dwucylindrowym Ducati 959 Panigale z silnikiem o pojemności 955 i średnicy cylindra s=100 mm oraz skoku d=60,8 mm, średnia prędkość tłoka w cylindrze to 21,34m/s. (dla 10 500 max rpm) natomiast często spotykana modyfikacja Harley’a na dłuższy skok s= 120,65 mm (4,75”), którego silnik może osiągnąć 6000 rpm przy mocy podobnej do ww. Ducati da średnią prędkość tłoka w cylindrze 24,13 m/s. (dla 6000 max. rpm), co jest wartością o 13% większą od krótko-skokowego Ducati. Z powyższego przykładu widać jak łatwo „przedobrzyć” przy tuningu silników długo-skokowych, zbliżając się niebezpiecznie do granicznej prędkości tłoków, co może spowodować ich uszkodzenie. 

Jak zatem usprawnić i zoptymalizować mechanizm korbowy i jednocześnie ulżyć ciężkiej doli tłoka użytkowanego w silniku długo-skokowym. 

Jest kilka zmiennych, które możemy modyfikować tak, aby zoptymalizować działanie tego prostego mechanizmu. Jego podstawową wadą, o której pisałem już w jednym z poprzednich wpisów jest to, że przekazuje mimośrodowo ruch posuwisto-zwrotny na ruch obrotowy przy pomocy wykorbienia, a maksymalne ciśnienie naciskające na tłok wypada w chwili, gdy korbowód jest ustawiony prawie pionowo czyli w jednej linii z osią cylindra i osią obrotu łożysk głównych wału korbowego. Z tego powodu większość ciśnienia spalania oddziałującego na tłok jest bezpowrotnie tracone na zwiększone tarcie tłok-cylinder, siły gnące korbowód, temperaturę, dlatego silnik spalinowy charakteryzuje się max. 35 % wydajnością. Jedną z lepszych modyfikacji dla tego układu jest wydłużenie korbowodu, tak aby współczynnik jego długości (n) zawierał się w przedziale od 1,8 do 2. Współczynnik ten liczymy dzieląc długość korbowodu przez skok wału

Większa długość korbowodu ustawia go pod mniejszym kątem względem wykorbienia w chwili wystąpienia maksymalnego ciśnienia nad tłokiem, przez co redukujemy siły gnące i wyboczenie korbowodu. Redukcja sił gnących pozwala nam dodatkowo wysmuklić przekrój trzona korbowodowego i zmniejszyć jego masę pomimo zwiększonej długości. Jest to dokładnie widoczne jeśli porównamy korbowody silnika H-D i dolnozaworowego silnika Indian Chief 1200. Silniki Indian charakteryzują się smukłymi i dłuższymi o 18 mm korbowodami. Aby zniwelować „wyginanie” (wyboczenie) smukłego korbowodu Indian zastosował szersze łożyskowanie główki i stopy korbowodu. Nie wskazane jest wydłużanie korbowodu poza współczynnik n=2,2, gdyż poza wpływem sił gnących zwiększamy również masę po stronie ruchu posuwisto-zwrotnego, a to z kolei przekłada się na poziom drgań silnika. Ten aspekt również opiszę dokładniej w kolejnych odcinkach.

* żródło victorylibrary.com

Innym sposobem na odciążenie korbowodu oraz zmniejszenie nacisku tłoka na ściankę cylindra podczas suwu pracy, jest przesunięcie osi cylindra lub osi sworznia tłokowego względem osi symetrii wału korbowego w kierunku obrotu kół zamachowych. Powoduje to mniejszy kąt nachylenia korbowodu względem osi symetrii wału korbowego i cylindra w chwili wystąpienia maksymalnego ciśnienia spalania mieszanki, co pozwala na lepsze spożytkowanie energii.

Kolejnym czynnikiem, który należy brać pod uwagę podczas planowania usprawnień naszego silnika jest masa kompletnego wału korbowego. Masa ta wiąże się bezpośrednio ze zjawiskiem nierównomierności biegu silnika czyli pulsacyjnym charakterem oddawania momentu obrotowego podczas pracy. Ten problem bardziej dotyczy silników długo-skokowych i wolnoobrotowych dysponujących wystarczającym do jazdy momentem obrotowym już niemal od biegu jałowego i jest najbardziej widoczny w silnikach jednocylindrowych. Przy niskich obrotach silnika i dużym obciążeniu, gdy nie zredukujemy w porę biegu, a także przy ruszaniu z miejsca jest odczuwalne charakterystyczne „szarpanie” motocyklem. Oznacza ono, że właśnie weszliśmy w nieużytkowy zakres momentu obrotowego. Zjawisko to, poza tym, że wywołuje dyskomfort użytkownika pojazdu, to może być szkodliwe dla silnika- szczególnie w niskim zakresie obrotów. Wówczas z pomocą przychodzi nam moment bezwładności obracającego się wału korbowego, czyli jego wirująca masa, im jest ona większa tym silnik będzie wolniej schodził z obrotów i wyrównywał szarpnięcia związane ze zmianą jego obciążenia podczas jazdy. Właściwa masa tego układu zależy od tego w jakim zakresie obrotów będzie najczęściej użytkowany nasz silnik, a ściślej rzecz ujmując sposobu w jaki ma być użytkowany (turystyka, sport). Nie będzie to szczególnie odkrywcze, gdy napiszę, że w zastosowaniach sportowych dążymy do zredukowania masy, także tej wirującej w silniku. Nie każdy zaś zdaje sobie sprawę z tego, że ekstremalna redukcja masy przy normalnym użytkowaniu jest wręcz szkodliwa. Zadajmy sobie zatem pytanie, dlaczego odpowiednia masa układu korbowego jest dla nas tak ważna. Bezwładność koła zamachowego ma wpływ na wiele parametrów pracy silnika:
- stabilność pracy na wolnych obrotach,
- tolerancje na spalanie stukowe przy wysokich stopniach sprężania,
- płynność pracy sprzęgła szczególnie widoczną na niskich obrotach,
- wibracje silnika,
-wewnętrzne opory tarcia silnika poprzez wielkość łożysk głównych wału korbowego,
- ciśnienie oleju na wolnych obrotach,
- warunkuje czasy i kształt krzywek wałków rozrządu.

Co zatem uzyskamy „odchudzając” wał korbowy:
- trudniejszy rozruch silnika przy rozruchu nożnym,
- wyższe obroty silnika biegu jałowego,
- łatwiejsza zmiana biegów oraz lepsza praca sprzęgła przy niskich obrotach silnika,
- krótsza żywotność układu przeniesienia napędu (łańcuch/pas sprzęgłowy),
- brak płynności ruchu przy wolnych przejazdach,
- lepsza reakcja na gaz i hamowanie silnikiem,
- większa trwałość łożysk głównych,
- mniejszy wpływ żyroskopowy wału korbowego na właściwości jezdne motocykla.
W przypadku Harley’a i Indiana mamy do wyboru kilku producentów wałów korbowych np. Truet&Osborn, S&S, Jims, którzy oferują przeciwwagi o różnych masach. Dla przykładu T&O sprzedaje wały w dwóch grupach wagowych. Ciężkie koła zamachowe wałów dedykowane do motocykli z nożnym sprzęgłem i ręczną zmianą biegów oraz jazdy turystycznej o nazwie Torque Monster ważą 15,4 kg. Dla porównania fabryczne H-D do tych samych motocykli 14,51 kg. T&O oferuje też lekkie przeciwwagi o standardowym jak i wydłużonym skoku dedykowane do motocykli z ręcznym sprzęgłem i nożną zmianą biegów- ważą one 12,7 kg. Jeszcze lżejsze wagi o masie 11,34 kg oferuje firma S&S .
A zatem dobór konfiguracji skokowej i wagowej wału korbowego wcale nie jest prosty i warto przemyśleć wszystkie za i przeciw zanim podejmiemy decyzję.
Jeśli zdecydujemy się już na redukcję masy wału korbowego to należy pamiętać o dodatkowych funkcjach, które mogą pełnić koła zamachowe. W H-D właściwa średnica przeciwwag warunkuje pozbywanie się nadmiaru oleju z komory korbowej, dlatego w tym przypadku lepiej pozbyć się masy z powierzchni czołowych kół zamachowych, lecz i tu tkwi pułapka, gdyż tym sposobem zmienimy procentowe wyważenie wału korbowego. Innymi słowy, cytując klasyka „nie ma nic za nic”.

  Rozmowy przy wycinaniu lasu: Nie ma nic za nic 😏

W kolejnej części opiszę aspekty dotyczące komory spalania.