Jednym z kluczowych elementów konstrukcyjnych nowoczesnych silników spalinowych jest układ rozrządu. Strategiczną funkcją układu rozrządu jest sterowanie pracą zaworów czasem ich otwarcia i zamknięcia). Zawory z kolei odpowiadają za doprowadzanie do komory spalania (cylindra) powietrza i odprowadzanie z niej spalin. Jak to wygląda w praktyce? Otóż jak powszechnie wiadomo tłokowy silnik spalinowy uzyskuje energię poprzez spalanie mieszanki paliwowo - powietrznej w zamkniętej komorze spalania, jaką jest cylinder. Jeden cykl pracy silnika składa się z czterech faz (suwów):

-  suw dolotu – tłok znajduje się w górnym położeniu cylindra i dynamicznie przemieszcza się „z góry na dół”. W tym samym czasie w cylindrze wytwarzane jest podciśnienie, któremu towarzyszy otwarcie zaworu ssącego (otwarcie zaworu następuje przy pomocy odpowiednio zsynchronizowanego z wałem napędowym wałka rozrządu, o czym później) i zassanie porcji powietrza do cylindra; suw dolotu kończy się w momencie, gdy tłok osiagnie maksymalne dolne położenie;

- suw sprężania – po osiągnięciu maksymalnego dolnego położenia tłok przemieszcza się „w górę”. Zawór ssący cofa się i kanał dolotowy zostaje zamknięty. Uwięzione w cylindrze powietrze ulegą sprężaniu (wzrasta jego ciśnienie, a co za tym idzie - temperatura) poprzez poruszający sie w górę tłok. Do maksymalnie sprężonego powietrza wtryśnięta zostaje niewielka porcja paliwa przez wtryskiwacz. Przeskakująca iskra na świecy zapłonowej powoduje zapłon mieszanki paliwowo - powietrznej. Suw sprężania kończy się tym momencie.

-  suw pracy – mieszanka paliwowo - powietrzna pod wpływem przeskakującej iskry zostaje zapalona. Następuje wybuch (źródło energii dla napędu całego silnikia), który powoduje przemieszczenie się tłoka ponownie „z góry na dół”. Jest to strategiczny punkt całego procesu – wówczas wytworzona pod wpływem ogromnego ciśnienia energia zostaje przekształcona w energię mechaniczną poruszającego się tłoka. Suw pracy kończy się, gdy tłok osiagnie maksymalne dolne położenie.

-  suw wylotu – uzyskana w suwie pracy energia jest wystarczajaca, aby tłok wykonał dodatkową pracę. W jej trakcie tłok ponownie porusza się „w górę”. Ruchowi temu towarzyszy otwarcie zaworu wydechowego (otwarcie zaworu następuje przy pomocy odpowiednio zsynchronizowanego z wałem napędowym wałka rozrządu, o czym później). Poruszający sie w górę tłok „wypycha” z cylindra powstałe w wyniku wybuchu spaliny poprzez kanał wylotowy.

Zatem jak nietrudno dostrzec funkcja wałka rozrządu polegająca na otwieraniu i zamykaniu zaworów ssącego i wydechowego jest niezbędna dla parwidłowej pracy całego układu. Zatem jak zbudowany jest wałek rozrzadu, jak dziala i w jaki sposób konstruktorom udaje się idealnie skorelować pracę wałka rozrządu z wałem korbowym?

Otóż ma on postać podłużnego wałka zaopatrzonego w „wypustki” – krzywki. Każda z wypustek ma określony kształt, średnicę, budowę i ustawienie względem siebie i zaworów. Liczba „wypustek” (krzywek) jest precyzyjnie skorelowana z liczbą zaworów pracujących w silniku. Dla przykładu, jeśli mamy do czynienia z silnikiem czterocylindrowym, ośmiozaworowym, wówczas na kazdy cylinder będzie przypadać po jednym zaworze dolotowym i jednym wylotowym. Jeśli mamy do czynienia z silnikiem czterocylindrowym, szesnastozaworowym, wówczas na jeden cylinder przypadać będą dwa zawory dolotowe i dwa zawory wylotowe.

Obracający się wałek rozrządu powoduje obracanie się krzywek wraz z nim. Krzywka (asymetryczna wypustka na wałku) trafiając na korpus zaworu (metalowy cylinder połączony z główką zaworu za pomocą popychacza zaworowego) powoduje jego wepchnięcie do wnętrza cylinda, co jest równoznaczne z otwarciem zaworu. Obracający się dalej wałek rozrządu powoduje dalsze przemieszczanie się krzywki wzdłuż korpusu zaworu, co w konsekwencji prowadzi do powrotu główki zaworu do położenia spoczynkowego (przy użyciu sprężyny). Dzięki zróżnicowanemu rozmieszczeniu krzywek wzdłuż wałka rozrządu czasy otwarcia i zamknięcia poszczególych zaworów są zróżnicowane. Każdemu zaworowi przypisana jest jedna krzywka na wałku rozrządu.

Wałki rozrządu, z racji na ich przeznaczenie wykonuje się z niezwykle trwałych i odpornych na ścieranie materiałów, np: z odkuwek lub odlewów.

Obecnie produkowane silniki spalinowe mogą być wyposażone w jeden lub dwa wałki rozrządu. W zależności od umiejscowienia wałka rozrządu silniki dzielimy na:

-  Silniki z wałkiem rozrządu w korpusie silnika:

• typ IOE (Intake Over Exhaust – ssanie ponad wydechem) lub F – z zaworami ssącymi w głowicy silnika i wydechowymi w bloku silnika;
• SV (Side Valve – silnik dolnozaworowy) – z wałkiem rozrządu umieszczonym poniżej bloku silnika i zaworami znajdującymi się w bloku silnika;
• OHV (Over Head Valve – zawór w głowicy) – oba zawory znajdują się w głowicy silnika.

-  Silniki z wałkiem rozrządu oraz zaworami w głowicy silnika OHC (Over Head Camshaft – wałek rozrządu ponad głowicą):

• SOHC (Single Over Head Camshaft) - silniki wyposażone w jeden wałek rozrządu;
• DOHC (Double Over Head Camshaft) - silniki wyposażone w dwa wałki rozrządu.

Jak już wcześniej wspomniano praca wałka rozrządu jest odpowiednio skorelowana z pracą wału korbowego. Na dwa obroty wała korbowego przypada jeden obrót wałka rozrządu. Zatem na jeden cykl pracy silnika przypadają dwa obroty wału korbowego i jeden obrót wałka rozrządu. W jaki sposób konstruktorom udało się tak idealnie skorelować pracę obu tych podzespołów?

Wałek rozrządu zaopatrzony jest w koło, które przy pomocy paska (bądź łańcucha) połączone jest z podobnym kołem założonym na wał korbowy. Upraszczając można rzec, iż dzięki odpowiedniemu dobraniu średnic owych kół oraz precyzyjnemu ich ułożeniu względem siebie (wspomagane poprzez prowadnice, rolki, napinacze i inny osprzęt zapewniający stabilną pracę i likwidujący nieprawidłowości wynikające z rozciagania się paska bądź łańcucha) udaje się uzyskać taką konfigurację, w której na dwa obroty wału korbowego przypada jeden obrót wałka rozrządu.

Niemal regułą jest, że przy zakupie używanego samochodu jednym z pierwszych pytań zadawanych sprzedającemu przez kupującego jest data ostatniej wymiany paska rozrządu. Niemal każdy wie, że o to nalezy zapytać, jednak chyba nie wszyscy do końca zdają sobie sprawę dlaczego jest to tak istotne. Otóż, jak wcześniej napisano praca wału korbowego i wałka rozrządu jest skorelowana przy pomocy paska rozrządu. Zatem idelana i stabilna praca zalezy od trwałości i niezawodności tego podzespołu. Jak wiadomo zawory otwierając się nieznacznie wnikają do wnętrza cylindra. Natomiast we wnetrzu cylindra poruszą się tłok. Dopóki obroty wałka rozrządu i wału napędowego są utrzymywane we właściwym porządku przez pasek rozrządu, nie ma powodów do obaw. Jednak w momencie zerwania paska rozrządu właściwe skorelowanie w czasie pracy i ruchów tłoka i zaworów zostaje zachwiane. Wówczas w silnikach kolizyjnych (z płaskimi komorami spalania w głowicy, z zaworami „wnikającymi” w przestrzeń pracy tłoka) istnieje duże prawdopodobieństwo, że poruszający się tłok uderzy w zawór, który nie zdąży „usunąć się” z cylindra. Pokrzywienie zaworów, tłoków, cylindrów, prowadnic zaworów, a nawet uszkodzenie głowicy silnika i korbowodu to tylko niektóre z możliwych konsekwencji zerwania paska rozrządu. Naprawa tak uszkodzonego silnika może pochłonąc majątek, a bywa i tak, że jest po prostu nieopłacalna.

W obecnie budowanych silnikach spalinowych zsynchronizowanie pracy obu podzespołów jest także dość często wykorzystywane do napędzania innych elementów silnika, takich jak pompy wody, pompy oleju, czy też aparatu zapłonowego.

Obecnie większość nowoczesnych silników czterocylindrowych wykonanych jest w technologii DOHC, czyli z dwoma wałkami rozrządu w głowicy. Zatem w przypadku takiego silnika każdy cylinder będzie obsługiwany przez 4 zawory (2 zawory dolotowe i 2 wylotowe).

W typowym czterocylindrowym szesnastozaworowym silniku DOHC spalinowym liczba krzywek na obu wałkach rozrządu wynosi łącznie 16 (po 8 na kazdym wałku rozrządu). W miarę wzrostu prędkości obrotowej silnika klasyczne ułożenie krzywek na wałku rozrządu staje się niewystarczające dla wydajnej pracy jednostki napędowej. Stąd tez konstruktorzy silników rozpoczęli poszukiwania systemu, który płynnie regulowałby czasy owtarcia i zamknięcia zaworów w miarę zmiany prędkości obrotowej silnika. Rozwiązaniem okazał się system zmiennych faz rozrządu (np.: VTEC w przypadku Hondy, czy VVTi w przypadku Toyoty). Jednak system zmiennych faz rozrządu to już temat na następny artykuł...

« poprzednia		następna »