Wałki rozrządu - budowa i działanie
Czym jest tak naprawdę wałek rozrządu? Jakie ma on zadania oraz wymagania? Na co zwrócić uwagę podczas kupna, w jaki sposób opisywane są parametry wałka rozrządu oraz co one dla nas tak naprawdę znaczą? Odpowiedzi na te pytania w artykule.
24.01.2011 | aktual.: 30.03.2023 12:29
Czym jest tak naprawdę wałek rozrządu? Jakie ma on zadania oraz wymagania? Na co zwrócić uwagę podczas kupna, w jaki sposób opisywane są parametry wałka rozrządu oraz co one dla nas tak naprawdę znaczą? Odpowiedzi na te pytania w artykule.
Za co odpowiedzialny jest wałek rozrządu i czym tak naprawdę jest? Otóż służy on przede wszystkim do sterowania pracy zaworów (zarówno ssących, jak i wydechowych), ich otwierania i zamykania. Oprócz tego pośredniczy w olejeniu silnika oraz może napędzać aparat zapłonowy, pompę oleju, paliwa lub pompę wtryskową.
Te czynności są wykonywane za pomocą - nazwijmy to - układu wirujących dźwigni, bo tym właśnie są główne elementy budowy wałka rozrządu – krzywki. Ich kształt oraz rozmieszczenie decydują o czasie otwarcia zaworu. W silniku czterosuwowym zawory wydechowy i ssący otwierają się raz na dwa obroty wału korbowego. Jasno więc wynika, że wałek rozrządu musi obracać się o połowę wolniej.
Typowy wałek rozrządu składa się zazwyczaj z zakończenia przedniego, które służy do jego napędu, krzywek, czopów łożyskowych, mimośrodów i czasem koła zębatego, które może służyć do napędu różnych mechanizmów silnika. Środek wałka jest często przewiercany dla zmniejszenia wagi lub w celu umożliwienia przepływu oleju do smarowania łożysk.
W silnikach rzędowych przeważnie na jeden cylinder przypadają dwie krzywki – jedna dla zaworu ssącego, druga dla zaworu wydechowego. Obecnie coraz więcej silników jednak ma po 4 lub 5 zaworów na cylinder. Stosuje się wówczas rozgałęźniki dźwigniowe bądź po prostu drugi wałek rozrządu – jeden dla zaworów ssących, drugi dla zaworów wydechowych.
Najczęściej w starszych konstrukcjach można spotkać się z łożyskowaniem wałka rozrządu w kadłubie silnika. Obecnie w większości przypadków w silnikach rzędowych wałek jest umieszczony na głowicy. Zmniejsza to liczbę części i masę ruchomych elementów rozrządu, a także obniża głośność pracy. W silnikach widlastych - zależnie od położenia wałka rozrządu - może być zastosowany jeden (na dole silnika pomiędzy widłami cylindrów) lub dwa, a nawet cztery przy górnym rozmieszczeniu.
Mówiąc o warunkach pracy wałka rozrządu, trzeba wziąć pod uwagę duże siły tarcia, jakimi są obciążone powierzchnie między krzywkami a popychaczami oraz między czopami (miejsca, gdzie wał jest podpierany) a łożyskami. Kolejnymi siłami działającymi na ten wał są siły gnące i skręcające w wyniku nacisku popychaczy oraz oddziaływania mechanizmów przez niego napędzanych. Takie środowisko pracy wymaga doboru odpowiednich materiałów i technologii wytwarzania. Czopy i krzywki powinny być dostatecznie twarde, natomiast rdzeń miękki i elastyczny.
Wałki rozrządu są przeważnie kute lub odlewane. Ze stali niskostopowych oraz węglowych wałki są odkuwane, a następnie ich powierzchnie robocze krzywek, czopów i mimośrodów podlegają procesowi nawęglania i hartowania. W przypadku zastosowania żeliwa sferoidalnego lub stopowego wałki są odlewane, a następnie hartowane. Krzywki i mimośrody są hartowane powierzchniowo do głębokości ok. 2-7 mm. Wałki rozrządu mogą być także wykonywane z rury ciągnionej na zimno - powierzchnie pod czopy są utwardzane i szlifowane, a kute krzywki umieszcza się na wale poprzez wprasowanie.
Na koniec przypatrzymy się jeszcze bliżej krzywkom. Ich zarys ma bardzo istotny wpływ na pracę rozrządu. Decyduje on o szybkości i czasie otwierania oraz zamykania zaworów, ich przyspieszeniu, a co za tym idzie - także o siłach bezwładności działających na składowe elementy rozrządu. Można wyróżnić trzy główne rodzaje zarysu krzywek: styczna, harmoniczna i syntetyczna. Wszystkie zostały przedstawione na poniższym rysunku.
Pora na omówienie parametrówm jakie opisują wałek rozrządu, a tak naprawdę krzywki znajdujące się na nim. Są to przede wszystkim: wznios zaworu i czas otwarcia zaworu.
Wznios zaworu jest przeważnie podawany w milimetrach (w Europie). To wysokość, na jaką nos krzywki unosi szklankę popychacza, co odpowiada odległości od czubka nosa do teoretycznej podstawy okręgu, na którym opiera się profil krzywki. Trzeba zaznaczyć, że wznios krzywki nie zawsze odpowiada skokowi zaworu. W przypadku stosowania dźwigienek zaworowych, zależnie od ich współczynnika (powyżej 1,0), zawory mogą być podnoszone na większą wartość niż ta, która wynikałaby z długości ramienia krzywki. Należy także uwzględnić luz zaworowy, wynoszący przeważnie od 0,05 mm do 0,5 mm.
Czas otwarcia zaworu jest wyrażany w stopniach obrotu wału korbowego i dotyczy on przekroczenia pewnej wartości wzniosu, od której mierzony jest czas otwarcia zaworu, aż do zamknięcia, czyli ponownego przekroczenia tej samej wartości. Brzmi nieco zawile, ale postaram się to wyjaśnić najprościej, jak potrafię.
Otóż w idealnych warunkach zawór powinien się otwierać w momencie osiągnięcia górnego martwego położenia tłoka (GMP), a zamykać w dolnym martwym położeniu (DMP). W takim przypadku wał korbowy wykonuje obrót o 180[sup]o[/sup] i taki też byłby czas otwarcia zaworu. Jednak ani gazy wylotowe, ani mieszanka paliwowo-powietrzna nie mają niestety takich zdolności, aby w jednej chwili znaleźć się w komorze spalania lub ją równie szybko i błyskawicznie opuścić. Dlatego też zawory otwierają się nieco wcześniej niż następuje GMP i zamykają nieco później od osiągnięcia DMP.
W ten sposób doszliśmy do wyodrębnienia kątów otwarcia ssania i zamknięcia ssania (lub wydechu, zależnie od rozpatrywanego zaworu). Pierwszy z nich określa kąt, na ile przed osiągnięciem GMP położenia tłoka rozpoczyna się proces otwierania zaworu. Drugi z nich określa kąt, na ile po osiągnięciu DMP położenia tłoka zakończy się proces zamykania zaworu. Przykładowo, zawór dolotowy otwiera się 36[sup]o[/sup] przed GMP położenia tłoka, a zamyka 52[sup]o[/sup] po osiągnięciu DMP przez tłok. Dodając te wartości do 180[sup]o[/sup], osiągnie się czas otwarcia zaworu - w tym przypadku będzie on wynosić 268[sup]o[/sup].
Wiadomo już, co oznaczają dane parametry, które określają charakterystykę krzywek w wałku rozrządu. Jak je interpretować? Czy zawsze więcej znaczy lepiej? Dlaczego każdy wałek rozrządu o czasie otwarcia zaworów np. 270o nie jest taki sam? Tutaj zaczynają się tak zwane: „reklamowane czasy otwarcia”, którymi posługują się producenci. Otóż sam czas otwarcia niewiele nam powie, jeśli nie wiadomo, od którego momentu jest on liczony (jakiej wartości wzniosu zaworu), o czym pisałem na samym początku w definicji.
Przeważnie czas otwarcia zaworu podaje się dla wzniosu od 0 mm do 0,5 mm. Rozbieżność jest zatem - jak widać - bardzo duża, biorąc pod uwagę fakt, że mieści się w zakresie luzu zaworowego. Wznios zaworu w tych granicach ma więc tak naprawdę niewielkie znaczenie, ponieważ przepływ mieszanki będzie bardzo znikomy. Dopiero porównanie wałków przy większych wartościach wzniosu ma sens.
Poniżej dla przykładu na dwa wałki rozrządu, jeden wyprodukowany przez Peugeot Sport, a drugi przez Cat Cams. Oto specyfikacja:
W sklepie oba wałki można znaleźć na tej samej półce z czasem otwarcia zaworów 300[sup]o[/sup]/299[sup]o[/sup]. Jak widać, jednak parametry przy wzniosie równym 1 mm różnią się już o 11[sup]o[/sup]. Zawór w przypadku wałka Cat Cams otwiera się szybciej i dlatego będzie on rozwiązaniem, którego poszukujemy dla naszego silnika.
Omówiliśmy parametry oraz to, skąd biorą się ich wartości. Wyjaśnijmy jeszcze kwestię, czy więcej znaczy lepiej. Można kupić wałek rozrządu o takiej charakterystyce krzywek, które zapewnią większy wznios i dłuższy czas otwarcia zaworu, co powinno spowodować oczywisty przyrost mocy. A jednak nie zawsze. Gdzie znajdują się ograniczenia?
Oczywiście w konstrukcji silnika oraz przeznaczeniu. Zajmijmy się najpierw pierwszym aspektem. Większy wznios zaworów pozwoli na przepływ większej ilości mieszanki paliwowo-powietrznej. Należy jednak pamiętać, że ogranicza nas denko tłoka, którego zawór dotykać nie powinien. Zwiększenie skoku zaworu wiąże się także ze zwiększeniem jego przyspieszenia, z jakim się porusza. Zawór musi w końcu pokonać dłuższą drogę, ale w takim samym czasie bądź nawet krótszym (zależnie od charakterystyki krzywki). Większe przyspieszenia powodują większe siły bezwładności. Zawór nie będzie już osiadał na gnieździe tak łagodnie, co może prowadzić do wybijania się przylgni zaworowych w gnieździe i na zaworze, a nawet urywania się grzybków zaworowych w skrajnych przypadkach.
Nie można też przesadzić z czasem otwarcia zaworów. Niepisany podział wśród firm tuningowych wyróżnia trzy typy wałków rozrządu – sportowe, rajdowe, wyczynowe. Tak naprawdę tylko pierwszy z nich nadaje się do codziennej dynamicznej jazdy w ruchu miejskim. Wszystkie wałki rozrządu, które mają na celu podnieść moc silnika, charakteryzują się tym, że powodują szersze otwieranie się zaworu, na dłużej i szybciej. W języku potocznym mówi się wtedy o „ostrych wałkach”.
Poniżej porównanie dwóch wałków. Po lewej - wałek rozrządu o czasie otwarcia zaworów 241[sup]o[/sup] przy wzniosie 0,05 cala, a po prawej typowo wyczynowy wałek rozrządu o czasie otwarcia zaworów 296[sup]o[/sup] przy takim samym wzniosie.
Jakie są w takim razie następstwa dłuższego otwarcia zaworów? Na pewno zwiększone zużycie paliwa. Jako że procesy otwierania i zamykania się zaworów nakładają się na siebie, świeża mieszanka paliwowo-powietrzna wypycha spaliny z cylindra. Poprawia to dynamikę silnika w górnym zakresie obrotów, ale duża ilość mieszanki nie jest spalana, co wpływa na czystość spalin. Im „ostrzejszy” wałek rozrządu, tym samochód gorzej pracuje na wolnych obrotach. Można zapomnieć o elastyczności. Silnik doskonale sprawuje się w górnych partiach obrotów, a te przecież są używane w samochodach przeznaczonych do sportu. Po mieście w końcu nie jeździ się przez cały czas powyżej 4-5 tys. obr/min.
Szybszy i dłuższy czas otwarcia zaworu skraca czas styku zaworu z gniazdem. Okres, w którym zawór oddaje ciepło. Skracając czas oddawania ciepła przez grzybek do gniazda, podnosi temperaturę zaworu, a to może skutkować ich nadpaleniem i tym samym nieszczelnością.
Należy więc postawić sobie na początku pytanie, do jakich celów posłuży samochód. Do jazdy na co dzień czy do wyścigów? Wybór odpowiedniego wałka w pierwszym rodzaju samochodu będzie zatem zawsze kompromisem. Zmianie wałka rozrządu towarzyszy także ustawienie kąta wyprzedzenia zapłonu i przeprogramowanie seryjnego komputera. Zależnie od rodzaju zastosowanego wałka mogą być potrzebne kolejne modyfikacje.
W niektórych przypadkach należy zamontować także nowe elementy współpracujące jak popychacze, dźwignie zaworowe lub płytki. Czasem wymagana jest nawet obróbka kanałów dolotowych i wylotowych w głowicy oraz wytrzymalsze zawory i tłoki. Jeśli nie ma się wystarczającej wiedzy na ten temat, zawsze trzeba zwrócić się do specjalisty, który zależnie od potrzeb klienta postara się dobrać odpowiedni wałek rozrządu dla silnika.
