Układ rozrządu — budowa i rodzaje rozrządów samochodowych

Rozrząd to jeden z najważniejszych elementów składowych, w jaki jest wyposażony każdy silnik spalinowy (silnik diesla oraz silnik benzynowy i benzynowy, zasilany instalacją LPG). We współczesnych samochodach (od ponad 30 lat) stosuje się układ rozrządu w głowicy silnika (układ górnozaworowy). Podstawowa rola rozrządu to sterowanie pracą zaworów ssących / dolotowych (doprowadzających powietrze do cylindrów) oraz zaworów wylotowych / wydechowych (odprowadzających spaliny). Jak działa rozrząd? Czym jest napęd rozrządu?  Co to jest układ zmiennych faz rozrządu? Odpowiedź w naszym tekście.

Jak działa rozrząd w samochodzie?

Każdy cylinder (komora spalania) w silniku samochodu wypełnia się mieszanką paliwowo - powietrzną.

• W silnikach benzynowych jest to mieszanka powietrza (często skompresowanego przez turbosprężarkę albo kompresor) i benzyny, która jest zapalana przez przeskok iskry na elektrodzie świecy zapłonowej.
• W silnikach benzynowych z LPG jest to mieszanka powietrza i gazu, zapalana tak samo jak w przypadku benzyny.
• W silnikach diesla jest to mieszanka skompresowanego powietrza i oleju napędowego, która zapala się w cylindrze samoistnie. W początkowym cyklu pracy komora spalania (cylinder) jest podgrzana przez świece żarowe.
• Po wybuchu mieszanina gazów spalinowych usuwana jest do układu wydechowego, gdzie jest poddawana procesom oczyszczania.

Do silników trzeba dostarczyć powietrze. Jest ono zasysane przez silnik, poprzez układ dolotowy, dzięki wytwarzanemu podciśnieniu. Dalej może być skompresowane. Dopływem powietrza do cylindrów sterują zawory dolotowe (inna nazwa zawory ssące). Paliwo do wnętrza cylindra może być podawane za pomocą wtrysku pośredniego, albo bezpośredniego.

Po wybuchu mieszanki paliwowo - powietrzne i wywołaniu przez to ruchu tłoka, powstają gazy wydechowe. Trzeba je usunąć z komory spalania (jaką jest każdy cylinder, a dokładnie jego górna część) za pomocą zaworów wydechowych (inna nazwa zawory wylotowe). Rozrząd steruje pracą zaworów dolotowych i wylotowych.  Każdy współczesny silnik jest czterosuwowy.

Ruch wszystkich elementów rozrządu (zaworów dolotowych i wylotowych) musi być ściśle powiązany z położeniem każdego tłoka w cylindrze. Zawory dolotowe i wylotowe muszą się otwierać i zamykać w odpowiednim momencie, kiedy tłok w cylindrze znajduje się we właściwej pozycji. Dlatego stosuje się bardzo precyzyjny napęd rozrządu (łańcuch albo pasek rozrządu / pasek zębaty), dzięki któremu całość pracuje niczym szwajcarski zegarek. Wszelakie zaburzenia w pracy rozrządu powodują utratę synchronizacji przez silnik. W starszych silnikach mogło to powodować szereg problemów związanych z właściwą pracą jednostki napędowej. W nowszych (produkowanych od kilku lat) utrata synchronizacji przez silnik może skończyć się fatalnie. Na skutek zderzenia elementów rozrządu i układu korbowego (tłoka z zaworami) dochodzi do tak dużych uszkodzeń, że silnik nie nadaje się do remontu. Koszt jego naprawy jest nieopłacalny. 

Jak w praktyce działa rozrząd przy pracy silnika? Postaramy się to pokrótce i w miarę prosto wyjaśnić na przykładzie współczesnego silnika.

• W dolnej części silnika znajduje się wał korbowy, napędzany przez tłoki. To on przekazuje napęd na skrzynię biegów, a następnie na koła pojazdu.
• Napęd rozrządu (łańcuch rozrządu albo pasek zębaty) łączy wałek rozrządu z wałkiem korbowym (po drodze występuje jeszcze szereg elementów dodatkowych, takich jak napinacz paska zębatego, napinacz hydrauliczny łańcucha, dodatkowe koła zębate / rolki prowadzące, inne napędzane urządzenia, np. pompa cieczy chłodzącej). Wałek rozrządu obraca się dwa razy wolniej od wału korbowego. Łańcuch rozrządu albo pasek zębaty i koła zębate dbają o to, aby napęd był przenoszony w sposób precyzyjny. Każdy przeskok (o jedno oczko albo jeden ząbek) może mieć tragiczny wpływ (co wyjaśniliśmy wcześniej).
• W silnikach o mniejszej pojemności można znaleźć rozrząd z jednym wałkiem rozrządu, ale standardowo stosuje się dwa.
• Wałek rozrządu w głowicy obraca się, dzięki specjalnym krzywkom wywołuje nacisk na elementy pośredniczące, takie jak popychacz zaworowy. Ruch obrotowy wałka i nacisk ze strony krzywek powoduje otwarcie odpowiedniego zaworu, najpierw ssącego, a potem wylotowego. Odpowiednie zawory otwierają się i zamykają automatycznie, dzięki zastosowaniu takich elementów jak sprężyna zaworowa.  Krzywki wałka mogą być też wykonane inną metodą i osadzane na rurze stalowej wałka rozrządu. Wszystko zależy od czasu powstania i konstrukcji silnika.

Ze względu na konieczność zapewnienia idealnej synchronizacji pomiędzy wałem korbowym a wałkiem rozrządu, niezwykle ważna jest precyzja podczas wymiany paska rozrządu albo łańcucha rozrządu. Niewłaściwie wykonana może spowodować zniszczenia silnika (remont będzie nieopłacalny) albo (w zależności od rodzaju silnika) jego całkowite rozsynchronizowanie się. W takim przypadku silnik pracuje nierówno, przygasa, mniejsze obciążenia silnika (na przykład podczas dojeżdżania do świateł na skrzyżowaniu) powodują gaśnięcie jednostki napędowej (na skutek niewłaściwego czasu otwarcia zaworu). Kierowca musi też pamiętać o tym, aby regularnie kontrolować terminy wymiany rozrządu. Zerwany pasek rozrządu to najczęściej śmierć silnika (pokrzywione tłoki, uszkodzone zawory, uszkodzone komory spalania w głowicy).

Co to jest wałek rozrządu?

Wałek rozrządu to skomplikowany element, wykonany ze specjalnego stopu metalu. W ostatnich trzydziestu latach konstruktorzy silników zdecydowali się go umieścić w górnej części jednostki napędowej, czyli w głowicy. W wielu klasykach wałek rozrządu znajduje się w dolnej części silnika (o rodzajach rozrządu piszemy dalej).

Wałek rozrządu jest zazwyczaj odlewany, rzadziej kuty. Składa się z głównego elementu, wału, na którym znajdują się odpowiednio wyprofilowane krzywki, powodujące otwieranie i zamykanie zaworów. Na końcu wałka rozrządu zamontowane jest koło zębate, którego kształt zależny jest od tego, czy napęd rozrządu realizowany jest poprzez łańcuch, czy pasek zębaty (napęd wałka).  Krzywki na wałki rozrządu są zazwyczaj umieszczone tak, aby jedna krzywka sterowała pracą jednego zaworu.

W starszych jednostkach napędowych wałek rozrządu napędzał rozdzielacz zapłonu (zamontowany nad blokiem silnika, w specjalnej kopułce). Podczas każdego obrotu wałka, wraz z nim obracał się palec rozdzielacza zapłonu. Był on zamontowany po przeciwnej stronie koła zębatego. Elementy układu zapłonowego tego typu wyeliminowano w nowszych autach.

Materiał używany do budowy wałka rozrządu i wału korbowego jest często taki sam. Obydwie części silnika są bardzo drogie.

Który zawór jest większy – ssący czy wydechowy?

Większą średnicę mają zawory wydechowe (zawory wylotowe), Na przestrzeni lat stosowano różne kombinacje zaworów dolotowych i wylotowych. Jak to wygląda w przypadku silnika czterosuwowego w nowoczesnych silnikach?

• 8V - po jednym zaworze dolotowym i wylotowym na cylinder.
• 12V - po dwa zawory dolotowe i jeden wylotowe na cylinder.
• 16V - po dwa zawory dolotowe i wylotowe na cylinder.
• Układ rozrządu steruje pracą wszystkich cylindrów, zatem w przypadku ich większej ilości (16V, 24V), niezbędne jest zastosowanie dwóch wałków rozrządu (są różne rodzaje układu rozrządu) i większej ilości krzywek, wywołującej nacisk na prowadnice zaworowe w czasie pracy silnika.

Co to są prowadnice zaworowe?

Jak porusza się zawór? Na skutek presji ze strony krzywek na wałki rozrządu, dźwignia zaworowa (często stosuje się określenie dźwigienki zaworowe) zaczyna naciskać na dolną część trzonka zaworu. Prowadnice zaworowe to metalowe rurki, w których prowadzone są trzonki zaworów dolotowych i wylotowych. Trzonki te w silniku górnozaworowym poruszają się do dołu, kiedy są otwarte, a także do góry, kiedy są zamknięte. Prędkość otwierania i zamykania zależna jest od prędkości obrotowej silnika. Prowadnice zaworowe mają prawo zużyć się w starszych silnikach. Czasami powodem awarii jest brak odpowiedniej regulacji. Niektóre jednostki napędowe wymagają dodatkowej czynności serwisowej. Trzeba w nich sprawdzać luz zaworowy. Powodem problemów może być stosowanie złego oleju silnikowego, zbierający się nagar, albo bardzo mocne zużycie silnika (przy bardzo dużych przebiegach). Zbyt duży luz albo nagar oznacza niemożność dokładnego zamknięcia zaworów. Nawet wtedy, gdy współpraca pomiędzy wałem korbowym a wałkiem rozrządu układa się idealnie, silnik nie będzie pracować w odpowiedni sposób.

Rodzaje rozrządów samochodowych

Na przestrzeni lat stosowano kilka rodzajów rozrządu silników spalinowych. W każdym z nich rozrząd steruje pracą silnika poprzez otwieranie i zamykanie zaworów dolotowych i wylotowych.

Układ OHV

W tym przypadku stosuje się tzw. zawory wiszące w głowicy silnika. Wałek rozrządu umieszczony jest w bloku silnika.  

Układ OHC

W tym układzie wałek rozrządu pracuje nad głowicą, a zawory są umieszczone w głowicy.

Rozrząd DOHC

W tym układzie zawory silnika są sterowane przez dwa wałki, zamontowane nad głowicą jednostki napędowej.

Układ SOHC

W tym przypadku elementu układu rozrządu są napędzane przez jeden wałek, zamontowany w głowicy. Z racji tego, że jeden wałek może mieć ograniczoną ilość krzywek, to można dokonać otwarcia i zamknięcia zaworów w ograniczonej ilości. Dlatego ten układu stosuje się najczęściej w przypadku rozrządu 8V (ośmiozaworowego), ewentualnie 12V.

Układ CVH

Ten układ wykorzystuje zawory w układzie V, z wałkiem rozrządu zamontowanym w głowicy silnika i z systemem hydraulicznego kasowania luzów zaworowych. To stary rozrząd zaworowy, stosowany głównie w latach 80 - tych i 90 - tych przez firmę Ford.

Zmienne fazy rozrządu

Od ponad 20 lat stosuje się układ zmiennych faz rozrządu. Jego zadaniem jest usprawnienie pracy silnika przy mniejszych i większych obciążeniach. Dzięki temu silnik pracuje bardziej wydajnie, zużywa mniej paliwa i emituje mniej spalin.

Stosuje się takie rozwiązania, jak zmienne fazy rozrządu, w których zmienia się czas otwarcia zaworów, albo zmienny napęd rozrządu, gdzie zmienia się czas otwarcia zaworów, prędkość otwierania zaworów jak również wznios zaworów. Do sterowania zmiennymi fazami rozrządu często wykorzystywane jest ciśnienie oleju silnikowego (zależne od prędkości obrotowej silnika), które powoduje odpowiednie przestawienie wałka albo wałków rozrządu.

Podsumowanie na temat układu rozrządu

Rozrząd i napęd rozrządu to bardzo ważne części składowe każdego silnika samochodowego. Jak o nie dbać? Kierowca musi pamiętać o stosowaniu dobrego oleju silnikowego, jego regularnej wymianie, regularnej wymianie napędu rozrządu, jak również o stosowaniu odpowiedniego filtra powietrza. Warto stosować płukanki do silnika przy wymianie oleju, aby zapobiec powstawaniu nagaru. W przypadku określonych typach aut niezbędna jest kasacja luzu zaworowego w warsztacie.