Technika motocyklu - 7. část - rozvody

U čtyřdobých motorů je zajištěna výměna náplně válce pomocí ventilů. U prvních motorů bylo možné použít sacího ventilu s ovládáním podtlakem a mechanicky se ovládal pouze ventil výfukový. Při podtlaku ve válci (pohyb pístu k DÚ) se sací ventil otevřel a při poklesu podtlaku byl pružinou vrácen zpět. Jak se dozvíme dále, je tento způsob ovládání velmi nevýhodný. Vzpomeňme na princip 4T motoru. Jeden cyklus obsahuje čtyři fáze a každá z nich probíhá 180° otočení klikové hřídele tj. půl otáčky (v tuto chvíli si nekomplikujme úvahu setrvačností proudící směsi a následný vliv na otevření ventilů). Z toho vyplývá že klikový hřídel musí být spojen s ovládáním ventilů v poměru 2:1. Ovládání ventilů je provedeno pomocí vačkové hřídele, která má poloviční otáčky než hřídel kliková. Vačka je prvek při jehož rotaci dochází k pohybu spražené součásti ve směru radiálním (např. ventil, kladívko zapalování) nebo ve směru axiálním (např. řadící kulisa). Požadavky na rozvodový mechanismus jsou mj. velká tuhost a malá hmotnost (malá hmotnost=malá setrvačnost=možnost vyšších otáček=vyšší výkon). Během vývoje motorů se řešilo různé umístění vačkové hřídele přičemž vše má své klady i zápory. Dnes již nepoužívaný je rozvod typu SV (side valve). Vačková hřídel je v blízkosti klikové hřídele, ventil se opírá přímo o vačku a je rovnoběžný s osou válce. Rozvod tedy splňuje dobře předpoklady svou velkou tuhostí a malou hmotností. Důvod jeho nevyužití je vlivem velmi nevhodného spalovacího prostoru, který je pro takové umístění ventilu nutný. V dnešních motocyklech už jen málokdy je k nalezení systém OHV (overhead valve). Vačková hřídel je umístěna v klikové skříni blízko klikové hřídele a přenos síly na ventily je pomocí zdvihací tyčky a vahadla. Tento systém není dostatečně tuhý pro vysokootáčkový motor a setkáme se s ním např. na starších modelech BMW, HD, Yuki. V současnosti je nejrozšířenější systém OHC (overhead camshaft). Vačková hřídel je uložená v hlavě válců a působí buď přes vahadlo (dříve, dnes omezeně) nebo přímo na ventil (dnes nejčastěji). Pokud je použito jedné vačkové hřídele je systém označen jako SOHC (single OHC), pokud je pro sací a výfukový ventil použito po jedné vačkové hřídeli (v hlavě jsou tím pádem dvě) je systém značen jako DOHC (double OHC). Pro výkonné motory je cesta systémem DOHC, který zaručuje vyšší tuhost systému a umožňuje vynechání vahadel pro přenos síly což snižuje hmotnost (setrvačné hmoty). Dále nám při ladění motoru umožňuje časovat sání i výfuk odlišně.

Každou energii vydanou navíc považujeme za ztrátovou. Jedno ze ztrátových míst je i ventilový rozvod obsahující pružiny na vracení ventilů. Síla pružiny musí být zvolena tak, aby nedošlo při velkém zrychlení k tomu, že vačka „uteče“ ventilu. Ventil pak dosedá velkou rychlostí a může dojít až k upadnutí talířku ventilu a následnému velkému poškození motoru. Pružiny bývají často použity dvě s protisměrným vinutím k zamezení zapříčení jedné do druhé v případě prasknutí pružiny. Výhoda dvou pružin je i možnost „naladit“ každou z nich na jiný rezonanční kmitočet. Nyní se objevují i u výkonných motorů opět i jednopružinová provedení ve spojení s lehkými titanovými ventily. Nevýhody použití pružin řeší systém s nuceným zavíráním ventilů – desmodromické ovládání, používané převážně u Ducati. Jedná se o použití dvou vaček na jeden ventil. Jedna vačka ovládá vahadlo pro otvírání, druhá jej zavírá. Systém je náročnější na seřízení a je možné navrhnout vhodnější zdvihovou křivku, jelikož si zde můžeme dovolit větší zrychlení (zpomalení) ventilu. Plocha pod křivkou určuje účinnost plnění.

Pohon vačkové hřídele (hřídelí) od klikové hřídele pro systémy OHC lze řešit několika způsoby:

1) hřídelí – hřídel (nazýván též „královský“) s kuželovými ozubenými koly vede od klikové hřídele podél válce do hlavy válců na vačkovou hřídel. Tento systém byl použit dříve např. na Jawa 500
2) řetězem – kliková hřídel je rovnoběžná s hřídelí vačkovou a mají ozubená kola pro pohon řetězem. Řetěz vlivem namáhání se prodlužuje a je nutné použít napínák na odlehčené straně řetězu. Řetěz je mazán ostřikem a broděním. V dnešní době u motocyklů nejrozšířenější.
3) řemenem – prakticky stejné jako u pohonu řetězem jen se používá gumový řemen vyztužený kevlarovými vlákny. Řemen je opatřen zuby pro zamezení změny časování vlivem prokluzu. Řemen je opatřen napínací kladkou a vyžaduje suché prostředí pro svůj provoz. Používá se především u aut, jinak např. na motocyklech Ducati, Gilera.
4) ozubenými koly – od klikové hřídele vedou soukolí k hlavě válců. Systém je spolehlivý avšak složitější a náročnější na místo (např. VFR). Je možné se setkat i s kombinací např. u TL, kde řetězem je poháněn hřídel v hlavě válců a dále přes ozubená kola jsou poháněny dvě vačkové hřídele (semigear).

Ventily jsou použity kruhového tvaru pro snadnou výrobu a dobrou funkčnost. Vzhledem k tvaru spalovacího prostoru je jediný způsob zvětšení průtočné plochy ventilu použít více ventilů. Pokusy obejít vratný pohyb nikam moc nevedly (nař. rotační ventil) a tak se tvar ventilu používá ve všech spalovacích motorech prakticky stejný. Plnící tlak je rozdíl mezi atmosférickým tlakem a podtlakem vlivem pohybu pístu z HÚ (platí pro nepřeplňované motory). Tlak na vyprázdnění spalin je způsoben expanzí při hoření a následně pohybem pístu k HÚ. Abychom příliš neomezovali vstup čerstvé směsi je nutné zajistit maximální prostup do válce. Dnes nejčastěji dvěma ventily, Yamaha již mnoho let používá s oblibou třech sacích ventilů na jeden válec (ve výsledku 5 ventilů/válec). Čtyřventilová hlava má velmi vhodné umístění zapalovací svíčky oproti hlavě dvouventilové. Doba sání je krátká (při 12 000 ot/min to jsou necelé 4ms) a při atmosférickém plnění není možné naplnit válec na 100%. Velkou roli zde hraje i viskozita vzduchu. Posuzuje se účinnost plnění tzn. hmotnost směsi skutečně se dostaví do válce v poměru s hmotností teoretickou vycházející ze zdvihovým objemu válce při atmosférickém tlaku. U nepřeplňovaných motorů se pohybuje kolem 70%-90%, u přeplňovaných motorů 120%-160%. Znamená to, že do jednoho válce o objemu 500ccm dostaneme při sání např. jen 350 ccm směsi, na rozdíl u přeplňovaného motoru až 800 čímž „zvětšíme“ objem motoru. Výfukové ventily jsou konstruovány s menším průměrem s maximálně stejným počtem jako je ventilů sacích. Jsou více tepelně namáhány (800°C) oproti ventilům sacím (600°C) a je potřeba jejich teplo účinně odvést do hlavy válců. To silnou měrou ovlivňuje velikost styčné plochy „ventil-sedlo“ a doba přenosu tepla (zavření ventilu).

Časování rozvodu

Jak již bylo zmíněno v článku o motorech (odkaz na článek 5), není zejména vlivem setrvačnosti směsi vhodné otvírat sací ventil přesně v HÚ a zavírat v DÚ. Obdobně s výfukem motoru. Kliková hřídel je neustále spojena s vačkovou hřídeli v přesném poměru 2:1 a natočení vačky se přepočítává na úhel klikové hřídele. Otvírání sacího ventilu probíhá 20°-40° KH (klikové hřídele) před horní úvratí pístu, po celou dobu pohybu pístu směrem k dolní úvrati a zavírá se až 60°-80° KH za DÚ. Pokud tedy sečteme jednotlivé úhly vidíme celkový úhel otevření 40°+180°+80°=300° což je hodnota už pro dost výkonný motor a sériově se používají úhly otevření cca do 280°. Doba otevření i velikost otevření ovlivňuje chování motoru (kroutící moment). Časování rozvodu lze zobrazit v kruhovém diagramu případně i ve zdvihové charakteristice. Zdvihová charakteristika nám ukazuje dobu otevření ventilu (ve °KH) a zároveň i velikost otevření ventilu. Teoreticky by bylo nejlepší otevřít ventil v krátkém čase naplno, ponechat otevřený potřebnou dobu a pak v krátkém okamžiku jej zavřít. Bohužel toho nelze dosáhnout kvůli nezanedbatelné hmotnosti ventilu potažmo celého rozvodu, protože by docházelo vlivem velkého zrychlení k nadměrné síle a vlivem setrvačnosti by ventil „odskakoval“. Zdvih ventilu se volí s ohledem na velikost zrychlení a velikosti průtočné plochy ventilu. Průtočná plocha ventilu je omezena průměrem ventilu a není tedy možné ji zvyšovat jen velikostí otevření ventilu. Zdvih ventilu (vysunutí ze zavřené polohy) se pohybuje cca 0,2-0,3 průměru ventilu. Aby ventil neodskakoval při vysokých otáčkách motoru je nutné správné navržení tvaru vačky. Používá se především vaček symetrických, kdy průběh otvírání je shodný s průběhem zavírání ventilu. Rozvinutý tvar vačky nám určuje zdvih ventilu. Funkce této křivky musí mít spojitou minimálně druhou derivaci (obvykle má i čtvrtou), tzn. zrychlení ventilu nemá špičky a je hladké.

Výhodné je měnit úhel otevření v závislosti na otáčkách motoru v lepším případě i zdvih ventilu. To se však více řeší v současné době v automobilových motorech i když pár motocyklů proměnné časování ventilů používá. Pro proudění směsi je vhodná rychlost 115-140m/s. Např. Honda používá systém VTEC na motorech VFR. Jedná se o čtyřventilový spalovací prostor pracující do 7000 ot/min jako dvouventilový (je funkční pouze jeden sací a jeden výfukový ventil). V 7000 ot/min se uvedou do provozu zbylé dva ventily pomocí tlakového oleje a vymezení jisté vůle. Mění se tedy jen počet činných ventilů ne však další vhodné parametry jako je zdvih ventilu či časování ventilu.

Napínáky rozvodových řetězů

Systémy využívající jako přenos síly řemen mají napínací kladku většinou manuálně ovládanou a během jízdy zajištěnou proti pohybu. Délka řemene se během jeho životnosti zvláště nemění a řemen se vyznačuje oproti řetězu větší pružností a tišším chodem. Napnutí kladky je vhodné provádět dle intervalu uváděné výrobcem. Rozvodové řetězy na motocyklech přibližně od roku 1982 mají automatické napínáky mechanické případně hydraulické (např. BMW GS 1100R, CBR). Nejstarší napínáky objevující se na doposud jezdících moto jsou napínáky manuální. Jedná se o čep tlačený pružinou opírající se o vodící lištu řetězu. Zpětnému pohybu zamezuje čepu aretační šroub umístěný kolmo na čep. Napínák je nutné pravidelně seřizovat. Naopak hydraulické napínáky nevyžadují žádnou kontrolu. Převážná většina současných motocyklů má napínáky mechanické buď s pružinou tlačnou doplněno systémem rohatka-západka (např. GSXR, XJR) nebo druhý systém má pružinu spirálovou působící na šroubový čep (např. SV, R1). Zpětnému chodu je zamezeno předpětím pružiny a vhodným zvolením stoupání závitu. Při demontáži vačkových hřídelí je nutné automatické napínáky deaktivovat. U „rohatky-západky“ je nutné vyjmout pružinu a vhodné je vyjmout celý napínák, u systému se spirálovou pružinou lze po sejmutí zátky (šroub M6 případně gumová zátka) otáčet šroubem a tak zasouvat čep do tělesa napínáku. Existují i další systémy automatických napínáků, kde dochází k zamezení zpětného chodu např. vlivem třecí síly. U sportovních motorů je často automatický napínák nahrazen manuálním, kde je nutná údržba za cenu větší spolehlivosti.



Špatná funkce napínáku je více patrná při nižších otáčkách motoru kdy vlivem malé setrvačnosti rotujících součástí vzniká silně proměnná síla v rozvodu. Umístění napínáku je vždy na odlehčené straně řetězu z čehož plyne jedna z možností určení otáčení klikové hřídele.

Informace o redaktorovi

Mirek Rollinger - (Odebírat články autora)

POKRAČOVAT V DALŠÍ KAPITOLE