Rozrząd: gdy sprężyny nie wystarczają

Gdy przyjrzeć się silnikom wyczynowym, można zauważyć, że śrubowe sprężyny zaworowe stosowane są tylko w silnikach nieprzekraczających ok. 15 000 obr./min. Przy bardziej wysokoobrotowych jednostkach stosowanych w Formule 1 czy motocyklowym MotoGP potrzebne są pewniejsze rozwiązania, jak sprężyny pneumatyczne czy rozrząd desmodromiczny.

Wady stalowej sprężyny śrubowej

Sprężyna śrubowa zachowuje się dobrze w silnikach nieosiągających wysokich prędkości obrotowych. Problem w tym, że wzrost prędkości obrotowych powoduje konieczność coraz szybszego cofania zaworów. Siły generowane przez sprężynę muszą być wyższe. Sztywność sprężyny można zwiększyć na dwa sposoby: zmniejszając jej średnicę lub zwiększając średnicę drutu, z którego została nawinięta.

Wydawałoby się, że wystarczy zrobić sprężynę o małej średnicy (np. 2 cm) z grubego drutu (np. o,5 cm). Nie wnikając w szczegóły wytrzymałości materiałów, taka sprężyna natychmiast by pękła z powodu przekroczenia dopuszczalnych naprężeń. Konieczne jest zwiększanie średnicy drutu i jednoczesne powiększanie średnicy samej sprężyny.

Ostatecznie okazuje się, że sprężyna spełniająca wymagania sportu wyczynowego byłaby zbyt duża, by umieścić ją w głowicy. Na domiar złego połowa masy sprężyny jest liczona do mas ruchomych rozrządu — razem z zaworem czy popychaczem szklankowym.

Inny problem to drgania własne sprężyny. Przy pewnych prędkościach obrotowych może ona drgać w niepożądany sposób. Czasami nawet potrafi pracować w przeciwfazie do wymuszenia od krzywki rozrządu.

Jak zapobiec zerwaniu paska rozrządu?

Sprężyna pneumatyczna

Rozwiązanie to jako pierwsze wprowadził Renault w bolidzie Formuły 1. Pomysł jest prosty: zastąpić sprężynę śrubową cylinderkiem (22) i tłoczkiem (20) poruszającym się wraz z zaworem. Reszta układu rozrządu (wałki, krzywki itp.) nie uległy zmianie. W cylinderku znajduje się sprężony gaz (28), zwykle azot, który jest ściskany podczas otwierania zaworu (4).

Pozbyto się w ten sposób ciężkiej stalowej sprężyny. Sztywność sprężyny gazowej można zwiekszać niemal w nieskończoność, bez wzrostu jej rozmiarów. Głównym ograniczeniem jest tylko jakość uszczelnień.

Pewną niedogodnością takiego rozrządu jest konieczność napełnienia cylinderków przed uruchomieniem silnika. Obecnie sprężyny pneumatyczne stosują wszystkie zespoły F1.

Najwyższy stopień wtajemniczenia: bezstopniowa regulacja wzniosów zaworów

Rozrząd desmodromiczny

Okres największej popularności tego rozwiązania już minął. Stosował je Mercedes już w latach 50.

Koncepcja opiera się na całkowitym usunięciu sprężyn i zastosowaniu dodatkowych dźwigienek zamykających zawory. Współpracują one z dedykowanymi krzywkami. Rozwiązanie niemal idealne, może pracować przy bardzo wysokich prędkościach obrotowych, a przy niższych nie marnuje energii na ściskanie nadmiernie sztywnych sprężyn.

Niestety łatwo zauważyć, że jest to układ skomplikowany i trudny w regulacji. Aktualnie jedynym producentem stosującym szerzej rozrząd desmodromiczny jest wytwórca motocykli Ducati. Nawet japońska konkurencja z MotoGP skierowała się ku sprężynom gazowym.

Źródło: scarbsf1.com • 8000vueltas.com