Wałek rozrządu jest znacznie mniejszy niż wał korbowy, ale niemniejsze jest jego znaczenie. W dzisiejszym artykule przybliżymy czytelnikom zasadę działania wałka rozrządu oraz jego konstrukcję.

Konstrukcja i wymagania

Bez względu na to, jaki rodzaj systemu rozrządu jest stosowany w czterosuwowych silnikach spalinowych, zawory otwierają się i zamykają za sprawą wałka z osadzonymi na nim krzywkami.

Umożliwiają one precyzyjne sterowanie zaworami w zależności od położenia tłoka. Profile krzywek warunkowane są trzema czynnikami. Pierwszym z nich jest punkt otwarcia i zamknięcia zaworu, drugim pożądana wysokość skoku zaworu, a trzecim przyśpieszenie uzyskiwane, gdy zawór otwiera się i zamyka.

Otwarcie i zamknięcie zaworów nie odbywa się na samym początku i końcu suwów, ale przed i po punktach martwych. Aspekty te warunkuje dynamika spalania mieszanki paliwowej.

Wielkość promienia krzywki i średnica wałka rozrządu zależą głównie od maksymalnej wysokości wzniosu zaworu. Kąt natarcia krzywki decyduje o tym, jak bardzo agresywnie będą otwierane zawory. Należy jednak pamiętać, że krzywki o zbyt szpiczastym lub płaskim kształcie nie mogą działać poprawnie poza pewnym zakresem. W przypadku systemów dźwigienek zaworowych możliwe jest zastosowanie przekładni modyfikującej, dzięki czemu wznios krzywki może być niższy niż wnios zaworu.

Jednym z najważniejszych zadań krzywek jest otwieranie i zamykanie zaworów oraz utrzymanie stanu otwartego przez odpowiedni czas. W tej metodzie obowiązują pewne ogólne zasady:

• Należy wyprofilować krzywkę w sposób umożliwiający maksymalne napełnianie cylindra w dostępnym czasie. Można to osiągnąć, uzyskując najwyższą możliwą prędkość otwarcia zaworu, czyli uzyskanie pełnego skoku w dostępnym czasie.
• Należy jednak pamiętać, że prędkość otwierania i zamykania zaworu można zwiększać tylko w ograniczonym zakresie, którego nie da się przekroczyć. Ponieważ im większe są przyspieszenia, tym większe jest obciążenie elementów rozrządu – a co za tym idzie, tym większe prawdopodobieństwo uszkodzenia lub kołysania się mechanizmu. Obu tych zjawisk należy oczywiście unikać.
• Powyższe aspekty wydają się być wzajemnie sprzeczne, należy szukać odpowiedniego kompromisu, a więc krzywki o odpowiednio szerokim profilu, która jednocześnie zapewni akceptowalne wartości przyśpieszenia.
• Prędkość wzniosu zaworu zależy łącznie od profilu krzywki wałka rozrządu, dźwigni i popychacza, modyfikacja tego parametru jest możliwa tylko przy łącznym uwzględnieniu wymienionych czynników.
• Wreszcie, konstrukcja krzywki musi być taka, aby mogła zapewnić niezbędny luz zaworowy.

Profile krzywek

W praktyce stosuje się wiele różnych profili, ale istnieją trzy podstawowe typy, z których wywodzi się większość stosowanych do dziś wersji: krzywka styczna, krzywka harmoniczna oraz krzywka syntetyczna.

Krzywka styczna jest używana w zastosowaniach o większych kątach natarcia, takich jak turbodoładowane silniki wysokoprężne. Końcówka krzywki jest połączona z podstawą prostym bokiem, więc może współpracować tylko z popychaczem rolkowym lub ewentualnie z dźwignią o okrągłej powierzchni stykowej. Przy zupełnie płaskiej końcówce w teorii możliwe byłoby uzyskanie nieskończenie wielkiego przyspieszenia. Jeśli chcemy uzyskać duże otwarcie zaworów i jednocześnie duży zasys (na przykład w przypadku silników wyścigowych), preferowana jest krzywka styczna o stromym profilu.

Krzywka o profilu harmonicznym składa się z boków o wypukłym profilu. Nazwa „harmoniczny” pochodzi stąd, że wykres równania ruchu składa się z krzywych harmonicznych (sinus, cosinus). Ta konstrukcja o płaskiej podstawie jest niezwykle szeroko rozpowszechniona.

Krzywka syntetyczna, czyli z bokiem wklęsłym, z biegiem czasu zniknęła właściwie z technologii silnikowej, choć kiedyś znajdowała zastosowanie tam, gdzie wymagana była niska prędkość oraz szeroki kąt natarcia. Mogła być używana wyłącznie z popychaczem rolkowym.

Krzywki o profilu specjalnym

Chociaż przedstawione wcześniej ogólne profile krzywek wydają się być odpowiednie pod wieloma względami dla dużej liczby zastosowań, nie są one pozbawione wad. Ich wspólną wadą jest to, że w momencie otwarcia przyspieszenie osiąga maksymalną wartość w czasie t=0. To samo dzieje się w miejscu punktu przegięcia, gdzie znak przyspieszenia również zmienia się w nieskończenie krótkim czasie.

W praktyce oznacza to, że gdy zawór jest otwarty, następuje skok otwarcia. Gdy zawór się zamyka, zawór uderza w gniazdo zaworu, co również powoduje znaczne obciążenie obu elementów. Podobnym problemem jest nagła zmiana siły występująca przy zmianie znaku przyspieszenia, tylko w tym przypadku obciążenie przejmuje sprężyna zaworu.

Obecnie, bez wyjątku, stosuje się tak zwane krzywki bezwstrząsowe, dzięki którym można drastycznie zmniejszyć wymienione powyżej efekty dynamiczne. Ich krzywa przyspieszenia jest ciągła, nie ma w nich przerw.

Te dwie filozofie mają odmienne założenia już w fazie projektowania. Chociaż obliczanie przyspieszenia jest bardziej złożone niż w tym drugim przypadku, tutaj profil jest przede wszystkim determinowany przez charakter przyspieszenia, a nie na odwrót. Istotna różnica polega na tym, że krzywki te zawsze wykorzystują etap wstępnego otwarcia, unikając dużego skoku otwarcia. Ponieważ bardzo trudno jest określić kąt otwarcia zaworu, wielu producentów przypisuje wartości otwarcia i zamknięcia do skoku zaworu.

Ważnym dodatkiem jest to, że asymetryczne profile są używane często od dziesięcioleci, dzięki czemu zawór może cofać się wolniej, co za tym idzie jest mniej podatny na wybuchy.