Silnik

bg‑orange

Rodzaje silników motocyklowych

Do napędu motocykli spalinowych używane są niskoprężne silniki tłokowe z zapłonem iskrowym o posuwisto‑zwrotnym ruchu tłoka. Wyjątkami są motocykle napędzane silnikami Wankla o obrotowym ruchu tłoka, kilka maszyn rekordowych napędzanych silnikami odrzutowymi i kilka modeli motocykli napędzanych silnikami wysokoprężnymi o zapłonie samoczynnym. Oddzielną grupą są motocykle i skutery napędzane silnikami elektrycznymi. Są to najczęściej bezszczotkowe silniki prądu stałego.

Motocykle napędzane silnikami Wankla zyskały pewną popularność w latach siedemdziesiątych XX wieku, ale liczne wady, takie jak wysokie zużycie paliwa, niska trwałość uszczelnień tłoka i wysoka awaryjność przyczyniły się do odrzucenia tych konstrukcji przez rynek motocyklowy. Później do tej koncepcji napędu powracały jeszcze niektóre firmy motocyklowe skuszone zwartą budową, małą masą i wysoką mocą takiego silnika, jednak motocykle napędzane silnikami Wankla nigdy nie odniosły komercyjnego sukcesu.

Najpopularniejszym motocyklem napędzanym silnikiem wysokoprężnym (sprzedanym w największej liczbie egzemplarzy) był indyjski Royal Diesel. Niestety zastosowano w nim przemysłowy jednocylindrowy silnik wysokoprężny generujący bardzo dokuczliwe drgania, co uniemożliwiało dłuższą jazdę tym motocyklem z prędkościami powyżej $50 \frac{km}{h}$ . Motocykl legitymował się natomiast bardzo ograniczonym zapotrzebowaniem na paliwo, co doceniono na rynkach azjatyckich.

Motocyklowe silniki niskoprężne o posuwisto‑zwrotnym ruchu tłoka i zapłonie iskrowym, dzielimy na dwusuwowe i czterosuwowe.

Silniki czterosuwowe charakteryzują się tym, że jeden cykl pracy przypada tu na dwa obroty wału korbowego, czyli cztery suwy tłoka. Posiadają zawór dolotowy i zawór wylotowy. W silniku czterosuwowym wymiana ładunku zachodzi jedynie w przestrzeni nad tłokiem, a cykle pracy następują kolejno i nie zachodzą na siebie, jak ma to miejsce w silniku dwusuwowym.

$1$ suw – zassanie mieszanki do przestrzeni nad tłokiem (tłok porusza się od GMP do DMP),
$2$ suw – sprężenie zassanej mieszanki w komorze spalania i zapłon (tłok porusza się od DMP do GMP),
$3$ suw – praca, czyli gazy powstałe w wyniku procesu spalania wywierają nacisk na denko tłoka (tłok porusza się od GMP do DMP),
$4$ suw – wydech, czyli wypływ częściowo rozprężonych gazów do układu wylotowego.

Wbrew pozorom w silnikach dwusuwowych jeden cykl pracy nie przypada na jeden obrót wału korbowego (dwa suwy tłoka). Cykl pracy silnika dwusuwowego to także cztery suwy tłoka, czyli dwa obroty wału korbowego.

$1$ suw – zassanie mieszanki do skrzynki korbowej (tłok porusza się od DMP do GMP),
$2$ suw – wstępne sprężenie mieszanki w skrzynce korbowej i gdy tłok otworzy kanały przelotowe, następuje przetłoczenie wstępnie sprężonej mieszanki do przestrzeni nad tłokiem (tłok porusza się od GMP do DMP),
$3$ suw – sprężenie mieszanki w komorze spalania i zapłon (tłok porusza się od DMP do GMP),
$4$ suw – praca, czyli gazy powstałe w wyniku procesu spalania wywierają nacisk na denko tłoka aż do chwili otwarcia okna kanału wylotowego; ten suw kończy się wypływem spalin do kolektora wylotowego i napływem ze skrzynki korbowej świeżej mieszanki do przestrzeni nad tłokiem.

W silniku dwusuwowym co drugi suw to suw pracy, gdyż cykle pracy nakładają się na siebie. Wymiana ładunku odbywa się tu w przestrzeni nad tłokiem i w przestrzeni pod tłokiem. Nad tłokiem kończy się jeden cykl pracy, a pod tłokiem w tym samym momencie rozpoczyna się kolejny cykl.

Niezależnie od konstrukcji silniki tłokowe o zapłonie iskrowym zasilane są mieszanką benzyny z powietrzem spalającą się wewnątrz cylindra. W procesie spalania powstaje duża ilość gazów i ciepła. Ciepło nie powstaje tylko w procesie spalania, ale również w wyniku oddziaływania gazów na nieruchome ścianki komory spalania – wytwarzane jest w wyniku oddziaływania na siebie dwóch sil o tym samym kierunku i przeciwnych zwrotach – przed dojściem tłoka do GMP w suwie sprężania. Ten konflikt sił spowodowany jest wyprzedzeniem zapłonu i powstaje w chwili zainicjowania procesu spalania i wytwarzania gazów spalinowych, zanim tłok osiągnie GMP. Po GMP gwałtowny wzrost ciśnienia oddziałującego również na denko tłoka powoduje przesunięcie tłoka w cylindrze. Posuwisty ruch tłoka zamieniany jest za pomocą wału korbowego na ruch obrotowy.

Budowa i działanie silnika dwusuwowego

Klasyczny silnik dwusuwowy charakteryzuje się prostą budową i małą liczbą elementów, ponieważ funkcje układu rozrządu przejmuje tam tłok otwierający i zamykający okna dolotowe – przelotowe i wylotowe. Zasadniczymi elementami ruchomymi są wał korbowy z korbowodem i tłokiem. Pozostałe elementy to korpus silnika z łożyskami wału korbowego, cylinder z oknami i kanałami, głowica z wkręconą świecą zapłonową, urządzenie zasilające (gaźnik lub układ wtryskowy), urządzenie zapłonowe i prądotwórcze, a także układ smarowania, jeżeli silnik nie jest smarowany mieszankowo.

Silnik dwusuwowy wykonuje pełen cykl pracy w ciągu dwóch obrotów wału korbowego. Tłok porusza się w cylindrze w kierunku zwrotu zewnętrznego, wytwarzając podciśnienie w szczelnej skrzyni korbowej. Dolna krawędź tłoka lub otwór w płaszczu tłoka odsłania okno kanału ssącego. Różnica pomiędzy ciśnieniem atmosferycznym i panującym wewnątrz skrzyni korbowej powoduje zassanie mieszanki paliwowo‑powietrznej do wnętrza skrzyni korbowej. Tłok nadal porusza się w kierunku zwrotu zewnętrznego, sprężając porcję mieszanki zassanej w poprzednim cyklu, która obecnie znajduje się nad tłokiem i kontynuując ssanie nowej porcji mieszanki do wnętrza skrzyni korbowej. Na skutek elektrycznego wyładowania iskrowego pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej przed zwrotem zewnętrznym następuje zapłon sprężonej nad tłokiem mieszanki paliwowo‑powietrznej. Gwałtowne spalenie mieszanki powoduje powstanie dużej ilości gazowych produktów spalania, znajdujących się pod wysokim ciśnieniem. Ciśnienie to działa na tłok, który zaczyna poruszać się w kierunku zwrotu wewnętrznego, wykonując pracę użyteczną, zamykając okno kanału ssącego i sprężając wstępnie w skrzyni korbowej zassaną tam porcję mieszanki. Przed zwrotem wewnętrznym górna krawędź tłoka otwiera okno wylotowe, a po chwili okna przelotowe, przez które wstępnie sprężona porcja mieszanki przedostaje się ze skrzyni korbowej do cylindra, wypychając jednocześnie resztki produktów spalania. Tłok osiąga zwrot wewnętrzny i rozpoczyna drogę w kierunku zwrotu zewnętrznego. Zamyka okno przelotowe, a następnie wylotowe, rozpoczynając proces sprężania porcji mieszanki znajdującej się w cylindrze i wytwarzając podciśnienie w zamkniętej skrzyni korbowej. Okno kanału ssącego zostaje otwarte, po czym następuje zapłon kolejnej porcji sprężonej mieszanki. Po zwrocie zewnętrznym tłok pod naciskiem gazów spalinowych porusza się w kierunku zwrotu wewnętrznego, sprężając jednocześnie w skrzynce korbowej świeżo zassaną porcję mieszanki. Przed zwrotem wewnętrznym następuje otwarcie kanału wylotowego, a po chwili otwarcie kanałów przelotowych. Cykl się powtarza.

W klasycznym silniku dwusuwowym występują straty związane z niedostatecznym napełnianiem cylindra, pozostawaniem w cylindrze części produktów spalania z poprzedniego cyklu i ucieczką części świeżej porcji mieszanki paliwowo‑powietrznej przez okno wydechowe. Straty te sprawiają, że mimo dwukrotnie większej liczby suwów pracy przypadających na tę samą liczbę obrotów, silnik dwusuwowy nie jest dwa razy mocniejszy od silnika czterosuwowego o tej samej pojemności.

Pierścienie tłokowe pełnią w silniku dwusuwowym funkcję uszczelniaczy tłoka w cylindrze, izolują też przestrzeń nad tłokiem od przestrzeni pod tłokiem, czyli oddzielają przestrzeń roboczą cylindra od przestrzeni roboczej skrzynki korbowej. Dzięki nim mieszanka paliwowo‑powietrzna może być prawidłowo sprężona w skrzynce korbowej, żeby sprawnie przedostać się nad tłok i zostać sprężona w komorze spalania. Po spaleniu mieszanki sprawnie działające pierścienie nie dopuszczają do przedostawania się gazów spalinowych pod tłok, gdzie już znajduje się zassana do skrzynki korbowej nowa porcja mieszanki paliwowo‑powietrznej.

Silniki dwusuwowe przeważnie budowane są jako jednostki jednocylindrowe, rzadziej dwucylindrowe lub trzycylindrowe rzędowe. Występują obecnie w niewielkiej grupie pojazdów. Ich niedoskonałości konstrukcyjne, skutkujące przedostawaniem się części niespalonego ładunku do atmosfery i wysoką emisją szkodliwych związków pochodzących ze spalonego oleju, stały się przyczyną stopniowej rezygnacji z ich zastosowania.

Budowa i działanie silnika czterosuwowego

Silnik czterosuwowy różni się tym od silnika dwusuwowego, że cała wymiana ładunku odbywa się w nim w przestrzeni nad tłokiem. Przestrzeń pod tłokiem nie bierze udziału w wymianie ładunku, znajduje się tam olej rozprowadzony w celu smarowania i chłodzenia współpracujących części. Silnik czterosuwowy, oprócz tłoka i wału korbowego, posiada cały szereg części ruchomych, wchodzących w skład układu rozrządu. Wałek rozrządu obracający się dwa razy wolniej niż wał korbowy uruchamia za pomocą krzywek zawory ssące i wydechowe – sterujące wymianą ładunku w cylindrze. Cylinder silnika czterosuwowego jest pozbawiony okien i posiada jednolitą gładź. Elementem występującym obowiązkowo w silnikach czterosuwowych jest układ smarowania z pompą oleju (napędzaną zazwyczaj od wału korbowego silnika). Silniki czterosuwowe wyposażone są w układ odpowietrzania skrzynki korbowej, który podczas ruchu tłoka od GMP do DMP zapobiega powstawaniu szkodliwego nadciśnienia w przestrzeni pod tłokiem.

Silnik czterosuwowy wykonuje pełny cykl pracy w ciągu dwóch obrotów wału korbowego. Cykl pracy silnika czterosuwowego rozpoczyna się od zassania mieszanki paliwowo‑powietrznej przez otwarty zawór dolotowy. W klasycznym silniku czterosuwowym zasysanie następuje w wyniku działania podciśnienia wytwarzanego w cylindrze, przez tłok poruszający się od zwrotu zewnętrznego do zwrotu wewnętrznego. Po osiągnięciu przez tłok zwrotu wewnętrznego proces zasysania mieszanki się kończy, zawór dolotowy zostaje zamknięty, a tłok podążający teraz od zwrotu wewnętrznego do zwrotu zewnętrznego rozpoczyna proces sprężania. Na chwilę przed osiągnięciem przez tłok zwrotu zewnętrznego rozpoczyna się proces spalania. Przed wystąpieniem iskry na świecy zapłonowej mieszanka paliwowo‑powietrzna znajduje się pod wysokim ciśnieniem. Wzrost ciśnienia powoduje wzrost temperatury. Wówczas następuje wyładowanie iskrowe na elektrodach świecy zapłonowej, które rozpoczyna gwałtowny proces spalania. Znajdujące się w tlenie (pochodzącym z zassanego powietrza) gazowe produkty spalania paliwa są pod bardzo wysokim ciśnieniem, dlatego przesuwają tłok od zwrotu zewnętrznego do zwrotu wewnętrznego, wykonując pracę użyteczną. Przed osiągnięciem przez tłok zwrotu wewnętrznego otwiera się zawór wylotowy, dając drogę ucieczki spalinom znajdującym się jeszcze pod dość dużym ciśnieniem. Tłok podążający od zwrotu wewnętrznego do zwrotu zewnętrznego wypycha resztki spalin z cylindra. Po osiągnięciu przez tłok zwrotu zewnętrznego zawór wydechowy się zamyka, a otwiera się zawór ssący. Rozpoczyna się proces zasysania świeżej porcji mieszanki. Cykl się powtarza.

Silniki czterosuwowe we współczesnych motocyklach pracują z wykorzystaniem dynamicznej wymiany ładunku i zjawisk falowych, a ich cykl pracy wygląda nieco inaczej. We współczesnym silniku czterosuwowym, tylko podczas rozruchu zasysanie następuje w wyniku działania podciśnienia wytwarzanego w cylindrze, przez tłok poruszający się od zwrotu zewnętrznego do zwrotu wewnętrznego. Podczas suwu ssania w kolektorze dolotowym przemieszcza się masa świeżego ładunku posiadająca znaczną energię kinetyczną. Gdyby zamknąć zawór dolotowy w chwili osiągnięcia przez tłok zwrotu wewnętrznego, energia kinetyczna gazów dolotowych zostałaby zmarnowana, dlatego otwarcie zaworu dolotowego przedłużone jest na kilka, a niekiedy nawet kilkanaście stopni (kątowa miara obrotu wału korbowego) po osiągnięciu przez tłok zwrotu wewnętrznego. Gdy ciśnienie wytwarzane w cylindrze podczas suwu sprężania nie pozwala już na napływ świeżego ładunku, proces zasysania mieszanki kończy się, zawór dolotowy zostaje zamknięty, a tłok podążający teraz do zwrotu zewnętrznego, spręża mieszankę paliwa z powietrzem. Przed osiągnięciem przez tłok zwrotu zewnętrznego rozpoczyna się proces spalania. Przed wystąpieniem iskry na świecy zapłonowej mieszanka paliwowo‑powietrzna znajduje się pod wysokim ciśnieniem. Wzrost ciśnienia powoduje wzrost temperatury. Wówczas następuje wyładowanie iskrowe na elektrodach świecy zapłonowej, które rozpoczyna gwałtowny proces spalania. Znajdujące się w tlenie pochodzącym z zassanego powietrza gazowe produkty spalania paliwa, będąc pod bardzo wysokim ciśnieniem, przesuwają tłok od zwrotu zewnętrznego do zwrotu wewnętrznego i wykonują pracę użyteczną. Zależnie od konstrukcji i prędkości obrotowych osiąganych przez wał korbowy różny jest kąt, w którym zaczyna się otwierać zawór wylotowy. Zawsze jednak otwarcie tego zaworu następuje przed osiągnięciem przez tłok zwrotu wewnętrznego, umożliwiając spalinom znajdującym się jeszcze pod dość dużym ciśnieniem, szybkie opuszczenie przestrzeni nad tłokiem. Układ wylotowy współczesnego silnika czterosuwowego zbudowany jest tak, że w początkowej jego części wypływ spalin ulega przyspieszeniu. Spaliny dość szybko opuszczają przestrzeń nad tłokiem i przemieszczają się w układzie wylotowym, tworząc falę ciśnienia i powodując powstawanie podciśnienia wewnątrz cylindra, a niekiedy także w początkowej części układu wylotowego. Tłok, podążający od zwrotu wewnętrznego do zwrotu zewnętrznego, tylko w niewielkim stopniu jest w stanie wpływać na zmniejszenie tego podciśnienia, gdyż pojemność układu wylotowego jest duża, a falę rozprężających się w układzie wylotowym spalin można porównać do tłoczka w pompce wysysającej gazy z przestrzeni nad tłokiem. Nie chcąc marnować energii kinetycznej wału korbowego na zassanie świeżego ładunku, wystarczy otworzyć zawór dolotowy przed osiągnięciem przez tłok zwrotu zewnętrznego w suwie wydechu, aby mieszanka paliwowo‑powietrzna (wykorzystując podciśnienie) zaczęła płynąć w kierunku cylindra. Świeża mieszanka napływa do komory spalania i wypełnia także początkowy fragment układu wylotowego, odbierając ciepło od najbardziej rozgrzanych elementów (grzybek zaworu wylotowego, wylotowy kanał w głowicy). W tym samym czasie fala gazów wylotowych dociera do przegrody tłumika, zbudowanej tak, że odbija się od niej i powraca w kierunku cylindra. Przez układ dolotowy do cylindra płynie z dużą energią fala świeżego ładunku, a druga fala wstępnie ogrzanego ładunku płynie do cylindra przez kolektor wylotowy, gdyż popychana jest przez cofającą się falę gazów wylotowych. Spiętrzenie obu fal nie następuje, ponieważ po osiągnięciu zwrotu zewnętrznego w suwie wydechu tłok rozpoczął już ruch w kierunku zwrotu wewnętrznego w suwie ssania i obie fale gazów skutecznie napełniają cylinder świeżym ładunkiem. Napełnianie jest tu dużo lepsze niż w silniku wykorzystującym do zasysania ładunku jedynie podciśnienie generowane przez tłok, bez udziału zjawisk falowych. Dodatkowym zyskiem energetycznym jest zawrócenie do przestrzeni nad tłokiem dużej ilości energii cieplnej, która wydostała się już do układu wylotowego.

Silnik czterosuwowy, w odróżnieniu od dwusuwu, nie spręża wstępnie ładunku w skrzynce korbowej, a w przestrzeni pod tłokiem znajduje się olej silnikowy rozpylony podczas pracy. Pierścienie tłokowe silnika czterosuwowego mają nie tylko uszczelnić i oddzielić przestrzeń nad tłokiem od przestrzeni pod tłokiem, lecz także nie dopuścić do przedostawania się oleju z przestrzeni pod tłokiem do komory spalania. Trzecim, i nie zawsze branym pod uwagę, zadaniem wszystkich pierścieni tłokowych jest odprowadzenie ciepła z rozgrzanego denka tłoka do chłodzonych ścian cylindra. Wypełnienie tych zadań wymaga zastosowania pierścieni o zróżnicowanej konstrukcji, a więc pierścieni uszczelniających i zgarniających, zwanych też pierścieniami olejowymi.

W silniku czterosuwowym jeden suw pracy przypada na dwa obroty wału korbowego, mimo to jest on w stanie dorównać mocą silnikowi dwusuwowemu o takiej samej pojemności, ponieważ następuje dokładne oczyszczenie cylindra z produktów spalania, porcje mieszanki paliwowo‑powietrznej są precyzyjnie odmierzone i nie następuje strata części ładunku.

Silnik czterosuwowy charakteryzuje się spokojną i równą pracą, ale jest bardziej skomplikowany i droższy od silnika dwusuwowego, dlatego nie wszyscy producenci motocykli stosowali w ubiegłych latach silniki czterosuwowe.

Układy odpowietrzania skrzynki korbowej

Układ odpowietrzania skrzynki korbowej (niekiedy nazywany odmą) występuje w silnikach czterosuwowych i zapobiega powstawaniu szkodliwego nadciśnienia w przestrzeni pod tłokiem podczas ruchu tłoka do DMP, czyli podczas suwów ssania i pracy. Układy odpowietrzania skrzynki korbowej dzielimy na układy otwarte i układy pracujące z wytwarzaniem podciśnienia w skrzynce korbowej.

Układy otwarte zapewniają stałe połączenie wnętrza skrzynki korbowej z atmosferą, a w nowoczesnych silnikach z komorą zasobnikową w układzie dolotowym. Połączenie to odbywa się za pośrednictwem filtra, zwanego potocznie odolejaczem, który zapobiega wydostawaniu się oparów i drobin oleju ze skrzynki korbowej. Podczas działania układów tego typu nie dochodzi do powstawania nadciśnienia wewnątrz skrzynki korbowej, gdy tłok przemieszcza się w kierunku DMP, a także nie dochodzi do powstawania podciśnienia, gdy tłok przemieszcza się w kierunku GMP.

Układy odpowietrzania skrzynki korbowej pracujące z wytwarzaniem podciśnienia najczęściej stosowane są w sporcie i zapobiegają silnemu wyciekaniu oleju przez nieszczelności, powstałe na przykład w wyniku pęknięcia bloku silnika lub uszkodzenia uszczelnień. Zawór układu odpowietrzającego otwiera się tylko podczas przemieszczania tłoka od GMP do DMP, natomiast zamykany jest, gdy tłok porusza się w kierunku odwrotnym. Takie działanie zaworu powoduje wypływ nadmiaru powietrza ze skrzynki korbowej i powstawanie podciśnienia, gdy tłok przemieszcza się w kierunku GMP. Podciśnienie wytwarzane wewnątrz skrzynki korbowej wymusza napływanie powietrza z zewnątrz przez nieszczelności bloku i hamuje wypływ oleju. Układy odpowietrzania skrzynki korbowej pracujące z wytwarzaniem podciśnienia powodują zwiększenie wewnętrznych oporów pracy silnika.

Korpus silnika

Nowoczesne motocykle posiadają silnik, sprzęgło i skrzynię biegów zblokowane we wspólnej obudowie. Wyjątek stanowią niektóre motocykle napędzane silnikami typu boxer lub widlastymi. Zastosowanie oddzielnej obudowy silnika i skrzyni biegów komplikuje i podwyższa koszty produkcji, ale znacznie ułatwia naprawę motocykla – w razie awarii nie trzeba rozbierać całego zespołu napędowego, a jedynie sam silnik, skrzynię biegów lub sprzęgło.

W zblokowanym korpusie silnika łożyskowany jest wał korbowy, wałki skrzyni biegów, a w czterosuwowych silnikach z rozrządem SV i OHV także wałek lub wałki rozrządu. Do korpusu silnika mocowane są inne elementy silnika, takie jak cylinder lub cylindry, rozrusznik, alternator, iskrownik. Korpus silnika może być zamocowany w ramie motocykla, może stanowić fragment konstrukcji ramy lub tylnego zawieszenia, a niekiedy bywa elementem nośnym, do którego dokręcone są pozostałe zespoły motocykla, jednak najlepszym rozwiązaniem z perspektywy trwałości jest odciążenie korpusu silnika.

Dla mechanika motocyklowego najistotniejszy jest sposób podziału korpusu. Wyróżniamy korpusy silnika z podziałem pionowym i poziomym. Większość popularnych silników dwusuwowych i duża grupa silników czterosuwowych, zwłaszcza jednocylindrowych lub widlastych, posiada podział pionowy. Podział poziomy mają wielocylindrowe silniki rzędowe. Obok najpopularniejszych dzielonych korpusów silnika występują także korpusy monolityczne, wyposażone w szereg pokryw, których demontaż pozwala na dotarcie do wewnętrznych mechanizmów silnika. Zaletą większości korpusów monolitycznych używanych w motocyklach sportowych jest możliwość wymontowania i naprawy poszczególnych zespołów, bez konieczności wyciągania silnika z ramy i całkowitego demontażu silnika (związanego z rozpołowieniem korpusu). Wadą takiego rozwiązania jest wysoki koszt wykonania skomplikowanego odlewu monolitycznego.

Najpopularniejszym materiałem, z którego wykonuje się korpusy silników jest stop aluminium. Spotykamy także korpusy silników wykonane z materiałów takich jak żeliwo lub stop magnezowy.

Cylindry

Cylindry silników dwusuwowych i czterosuwowych mają podobny wygląd zewnętrzny, lecz odmienną budowę wewnętrzną. Silniki dwusuwowe ze wstępnym sprężaniem w skrzyni korbowej mają cylindry z kanałami dolotowymi, wylotowymi i przelotowymi, oraz oknami precyzyjnie wyciętymi w wewnętrznej ścianie cylindra.

Cylindry silników czterosuwowych mają jednolitą gładź cylindra, która może posiadać jedynie ujścia kanałów doprowadzających olej na płaszcz tłoka. Budowa cylindrów silników czterosuwowych jest więc znacznie prostsza. Wyjątek stanowią, rzadko dziś spotykane, czterosuwowe silniki bocznozaworowe (SV), które gniazda zaworowe i prowadnice oraz kanał ssący i wylotowy mają umieszczone w bloku cylindra.

Cylindry różnią się budową i wyglądem zewnętrznym, w zależności od zastosowanego systemu chłodzenia. Cylindry chłodzone powietrzem mają rozbudowane żebra, które służą do odprowadzania znacznych ilości ciepła powstającego w procesie spalania. Cylindry chłodzone cieczą mają gładką lub lekko żebrowaną powierzchnię zewnętrzną, pod którą kryje się płaszcz wodny pozwalający na swobodny przepływ cieczy chłodzącej wokół wewnętrznych ścianek cylindra.

Cylindry silników niskoobciążonych wykonane są z żeliwa. Monolityczne cylindry żeliwne zastępowane są w nowoczesnych silnikach przez cylindry aluminiowe z tuleją żeliwną oraz przez aluminiowe cylindry z gładzią utwardzoną ceramicznie (metodami galwanicznymi lub przez platerowanie).

W silnikach wielocylindrowych mogą znajdować się bloki cylindrów, grupujące we wspólnej obudowie dwa lub więcej otworów cylindrowych. Bloki cylindrowe czterosuwowych silników z rozrządem OHC lub DOHC często mają oddzielne otwory na przeprowadzenie łańcucha rozrządu.

Podczas pracy silnika cylinder ulega normalnemu zużyciu. Daleko posunięte wyrobienie gładzi cylindrowej to główny, ale nie jedyny, powód wyłączenia cylindra z eksploatacji. Innymi mogą być różnego rodzaju uszkodzenia. Zewnętrznych uszkodzeń cylindra, takich jak rozległe wyłamanie żeber chłodzących lub uszkodzenie płaszcza wodnego, obecnie już się nie naprawia. Nie ma to ekonomicznego uzasadnienia, ponieważ ślady po takich naprawach są zazwyczaj bardzo widoczne, a cylinder nie odzyskuje fabrycznej sprawności.

Wyczuwalny spadek mocy, intensywne dymienie czterosuwu, podwyższona głośność pracy, zwiększone zużycie paliwa, przedostawanie się paliwa i produktów spalania do oleju silnikowego to typowe objawy wskazujące na zużycie cylindra.

Największy wzrost średnicy cylindra, związany ze zużyciem, występuje w punkcie, do którego docierają pierścienie tłokowe podczas zwrotu zewnętrznego tłoka (ZZ).

Najmniejsze zużycie cylindra występuje w miejscu, do którego nie docierają pierścienie tłokowe, a jedynie górna krawędź tłoka. Jest tu nagar, który może utrudnić prawidłowy pomiar.

W dolnej części gładzi cylindra, po której nie pracują już pierścienie tłokowe, a jedynie płaszcz tłoka, występować może nieco większe zużycie niż na górze cylindra.

Przy ponownym montażu częściowo zużytego cylindra lub przy wymianie pierścieni tłokowych bez szlifowania cylindra istnieje ryzyko uszkodzenia górnego pierścienia o próg powstały w wyniku wypracowania gładzi cylindrowej.

Tłoki i sworznie tłokowe

Tłoki, pierścienie i sworznie są elementami silnika, na które działają duże obciążenia mechaniczne i termiczne. Na denko tłoka działa nie tylko wysokie ciśnienie, ale również wysoka temperatura. Tłok ma za zadanie przenieść na korbowód siły działające na jego denko, a wraz z pierścieniami uszczelnia komorę spalania i musi częściowo odprowadzić ciepło wytworzone w procesie spalania. Temperatura górnej części tłoka w rozgrzanym silniku przekracza często $400 ° C$ , a różnice temperatur, mierzone przy denku i w dolnej części płaszcza, mogą wynosić ponad $200 ° C$ .

Tłoki silników motocyklowych wykonywane są z aluminiowych stopów lekkich o dużej zawartości krzemu. Zaletami tych stopów jest dobra przewodność cieplna i mała masa, wadą zaś – znaczna rozszerzalność cieplna. Wada ta powoduje konieczność utrzymywania dużych luzów tłoka w cylindrze. Fabryczne luzy tłoka uzależnione są od proporcji pomiędzy rozszerzalnością termiczną tłoka i cylindra. Niektóre silniki podczas pracy mogą emitować stuki wywoływane uderzaniem dolnej krawędzi luźnego tłoka (pokonującego zwrot zewnętrzny) w gładź cylindra, co nie musi być objawem zużycia. Pod wpływem działania wysokiej temperatury tłok najbardziej rozszerza się w osi sworznia. Powierzchnią roboczą tłoka jest prostopadła do osi sworznia część płaszcza, dlatego tłok poddaje się owalizacji.

Owalizacja wpływa na zmniejszenie luzu tłoka w cylindrze w płaszczyźnie roboczej i polega na zmniejszeniu średnicy tłoka w osi sworznia pod rowkami pierścieniowymi. Przekrój tłoka w osi sworznia ma kształt owalny lub kolisty ze ściętymi ścianami.

Podczas pracy silnika spalinowego tłok podlega normalnemu zużyciu. Na skutek tarcia o gładź cylindra zmniejsza się średnica tłoka, jego denko pokrywa się nagarem, otwór na sworzeń się powiększa, a rowki pierścieniowe ulegają wyrobieniu.

Podczas normalnej eksploatacji tłok podlega kilkakrotnie mniejszemu zużyciu niż cylinder, dlatego konieczność szlifowania cylindra na kolejny nadwymiar określa się po wielkości „progu”. Naprawcze powiększenie średnicy cylindra wymaga zamontowania nowego tłoka o większej średnicy. Pierścienie umieszczone są w rowkach wyciętych w tłoku. To części, które zużywają się dość szybko. Pierścienie kwalifikować można do wymiany już po osiągnięciu przez silnik przebiegu równego $\frac{1}{2}$ przebiegu międzynaprawczego.

Wartością decydującą o konieczności wymiany pierścieni jest wynik pomiaru luzu na zamkach i luzu pierścieni w rowkach cylindrowych. Ważny jest w tym wypadku stopień zużycia cylindra, gdyż znaczne jego zużycie czyni operację wymiany pierścieni bezcelową. Pierścienie nie zdołają się dopasować do wypracowanej gładzi cylindra i zużycie oleju będzie jeszcze większe. Przy zakładaniu nowych pierścieni do nieszlifowanego cylindra istnieje niebezpieczeństwo połamania ich o próg w górnej części cylindra, dlatego zaleca się honowanie progów. Przed założeniem pierścieni należy oczyścić rowki pierścieniowe. Po założeniu pierścienia na tłok powinien on łatwo przesuwać się w rowku.

Wielkość luzu na zamku pierścienia tłokowego mierzymy w górnej lub dolnej, najmniej wyrobionej części cylindra. Mierzony pierścień ustawiamy równo – prostopadle do osi cylindra.

Kolejną wartością jest wielkość luzu pierścieni w rowkach tłoka. Ważne jest, aby luz ten nie był zbyt mały, gdyż pierścienie mogą zostać zakleszczone. Luz nowych pierścieni w rowkach można zwiększyć przez ich szlifowanie. W silnikach czterosuwowych większy luz powoduje zjawisko pompowania oleju do komory spalania.

Sworzeń tłokowy jest elementem łączącym tłok z główką korbowodu. Sworznie wykonywane są ze stali stopowej lub węglowej, jako walce drążone wewnątrz i utwardzone powierzchniowo. Przed wysunięciem się z piast tłoka sworzeń zabezpieczony jest za pomocą pierścieni rozprężnych, umieszczonych w rowkach wykonanych wewnątrz otworów piast tłoka. Współczesne silniki posiadają zabezpieczenia sworznia wykonane jako pierścienie rozprężne o przekroju okrągłym, a rzadziej jako pierścienie Segera o przekroju prostokątnym. Sworzeń tłokowy może być osadzony w piastach tłoka na stałe, czyli z pewnym wciskiem, lub pływająco. Sworzeń osadzony pływająco jest lepiej zabezpieczony przed zatarciem, gdyż nawet podczas chwilowego zablokowania w główce korbowodu, może obracać się w piastach tłoka. Tłok przystosowany do zamontowania sworznia pływającego powinien posiadać otworki lub kanaliki do rozprowadzania oleju, wykonane w piastach sworznia. Sworzeń tłokowy łożyskowany jest w główce korbowodu za pomocą łożyska ślizgowego (tuleja główki korbowodu) lub za pomocą łożyska igiełkowego. Łożyska igiełkowe występują zazwyczaj w główkach korbowodowych silników dwusuwowych. Zużycie sworznia tłokowego występuje w miejscu współpracy z powierzchnią piast tłoka, a częściej w miejscu współpracy z łożyskiem lub tuleją główki korbowodu.

Wał korbowy

Typowy wał korbowy silnika motocyklowego składa się z jednego lub kilku korbowodów wraz z łożyskowaniem główki i stopy oraz czopów głównych, korbowodowych i tarcz, które mogą zostać zastąpione wspólnym odlewem (w przypadku ślizgowego łożyskowania stóp korbowodów). Wały korbowe i korbowody motocyklowych silników dwusuwowych i większości starszych silników czterosuwowych łożyskowane są tocznie. Wały korbowe i korbowody wysoko obciążonych czterosuwowych silników motocyklowych, począwszy od lat osiemdziesiątych XX wieku, powszechnie łożyskowane są ślizgowo.

Wał korbowy silnika czterosuwowego może być niedzielony, najczęściej wykonywany jako odlew. Do takiego wału stosuje się dzielone korbowody z panewkami. W nowoczesnych czterosuwowych silnikach wielocylindrowych czopy główne i korbowodowe wałów korbowych łożyskowane są na łożyskach ślizgowych z panewkami. Panewki główne i korbowodowe muszą posiadać odpowiedni luz osiowy i promieniowy. Za mały luz osiowy i promieniowy panewki spowoduje zbyt wolną wymianę oleju w panewce i jej przegrzewanie. Za duży luz promieniowy świadczy o zużyciu łożyska i może być powodem zbyt szybkiego wypływania oleju z panewki, a w konsekwencji rozerwaniem filmu olejowego, półsuchą pracą panewki i jej przyspieszonym zużyciem. Podobne efekty da za duży luz osiowy panewki. Naprawy zużytego wału korbowego łożyskowanego na panewkach dokonuje się przez przeszlifowanie czopów na mniejszy wymiar naprawczy i zastosowanie odpowiednich panewek nadwymiarowych. Konstrukcja większości nowoczesnych silników motocyklowych nie przewiduje naprawczego szlifowania czopów, ponieważ ich powierzchnie są utwardzone bardzo płytko, a wytwórnia nie dostarcza panewek o wymiarach naprawczych. Starsze konstrukcje silników czterosuwowych przewidywały zastosowanie łożysk kulkowych lub wałeczkowych do łożyskowania wałów korbowych. Łożyska kulkowe i wałeczkowe używane są powszechnie do łożyskowania wałów korbowych silników dwusuwowych.

Głowice

Głowice silników motocyklowych wykonane są ze stopów lekkich, żeliwne występują tylko w najstarszych konstrukcjach. Wewnętrzna powierzchnia głowicy zamyka górną część komory spalania. W silnikach chłodzonych powietrzem zewnętrzna część głowicy jest silnie użebrowana, głównie w celu odprowadzenia nadmiaru ciepła powstającego w procesie spalania. Głowica silnika chłodzonego cieczą posiada kanały dla tej cieczy. Głowica klasycznego silnika dwusuwowego, podobnie jak głowica czterosuwowego silnika bocznozaworowego (SV), charakteryzuje się bardzo prostą budową. Przeważnie jest ona monolitycznym odlewem posiadającym otwory na świecę i śruby mocujące. Niektóre głowice mogą mieć otwór, w którym mocowany jest odprężnik. W silnikach czterosuwowych funkcję odprężnika pełni mechanizm unoszący zawór wydechowy.

Głowice silników górnozaworowych mają budowę znacznie bardziej skomplikowaną. Umieszczone są tam zawory wraz z prowadnicami, dźwignie zaworowe i sprężyny, przy rozrządzie OHC – jeden wałek rozrządu, a przy rozrządzie DOHC – dwa wałki. Głowice silników górnozaworowych posiadają także kanały ssące i wydechowe.

Układy rozrządu

Precyzyjne sterowanie dolotem ładunku i wylotem spalin to podstawowy czynnik decydujący o mocy silnika.

Układy rozrządu w silnikach czterosuwowych dzielimy na zaworowe i suwakowe. Zaworowe układy rozrządu dzielimy na bocznozaworowe SV (side valve) i górnozaworowe OHV (overhead valve), OHC (overhead camshaft) i DOHC (double overhead camshaft). W najstarszych motocyklach występowały układy mieszane SV/OHV z wymuszonym sterowaniem zaworami lub ze ssącym zaworem atmosferycznym, czyli podciśnieniowym. Mogły one pracować w systemie IOE (inlet over exhaust) i EOI (exhaust over inlet). Pojazdy z rozrządem mieszanym i bocznozaworowym są obecnie zabytkami muzealnymi. W praktyce warsztatowej bocznozaworowe silniki spotykamy w motocyklach–weteranach, takich jak M‑72, K‑750, MW‑750, Harley Davidson model WL, model UL i model K, które ciągle jeszcze pozostają w ruchu.

W układzie bocznozaworowym (SV) wałek lub wałki rozrządu z krzywkami zaworowymi znajdują się w bloku silnika. Popychacze oparte bezpośrednio na krzywkach pokonują opór sprężyn i podnoszą zawory osadzone w bloku cylindra równolegle do jego osi. Jest to najprostszy system rozrządu zaworowego. Wałek lub wałki rozrządu umieszczone w bloku silnika przyjmują napęd od wału korbowego za pośrednictwem kół zębatych lub łańcucha. Przełożenie napędu wynosi $1 : 2$ , ponieważ we wszystkich silnikach czterosuwowych jeden cykl pracy przypada na dwa obroty wału korbowego, a wałek rozrządu wykonuje jeden obrót na jeden cykl pracy silnika. Bocznozaworowy rozrząd wymuszał projektowanie rozległych komór spalania o niekorzystnym kształcie (w komorze spalania zawory musiały zmieścić się obok tłoka). Mankamentem takiej konstrukcji były bardzo długie czasy wypalania ładunku, co powodowało konieczność ustawiania dużego wyprzedzenia zapłonu lub spalania części ładunku już po GMP, a to z kolei niekorzystnie wpływało na sprawność silników. Moce silników bocznozaworowych skutecznie ograniczał także niski stopień sprężania, charakterystyczny dla rozległych komór spalania. Silniki te odznaczały się za to miękką, przyjemną pracą, prostotą konstrukcji i małym obciążeniem układu korbowo‑tłokowego. Zapewniało to łatwe naprawy i długie przebiegi międzyremontowe.

Nowocześniejszy rozrząd OHV zastosowano w celu uzyskania korzystnego kształtu komory spalania, pozwalającego na podwyższenie stopnia sprężania. Rozwiązanie to charakteryzuje się umieszczeniem zaworów wraz z prowadnicami i sprężynami zaworowymi w głowicy silnika. W głowicy znajdują się także dźwigienki zaworowe wyposażone często w mechanizmy regulacyjne. Wałek rozrządu pozostaje nadal w korpusie silnika. Ten typ rozrządu, choć nowocześniejszy od układu SV, także odchodzi powoli do historii i jest obecnie spotykany jedynie w nielicznych modelach klasycznych motocykli użytkowych. W układzie OHV popychacze odbierają napęd od krzywek zaworowych umieszczonych na oddzielnych wałkach lub wspólnym wałku rozrządu osadzonym w korpusie silnika. W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych pomiędzy krzywką a popychaczem znajdują się wahacze zaworowe. Dalej napęd przekazywany jest za pośrednictwem długich drążków popychaczy do dźwigni zaworowych umieszczonych w głowicy. Ramiona dźwigni zaworowych naciskają na trzonki zaworowe. Konstrukcja ta pozwala na uzyskiwanie symetrycznych komór spalania z zaworami umieszczonymi pod kątem. Podstawową wadą rozrządu OHV jest duża masa elementów ruchomych (popychacze, długie drążki popychaczy, dźwigienki zaworowe). Przy dużych obrotach silnika siły bezwładności ruchomych elementów rozrządu są tak wielkie, że sprężyny zaworowe nie są w stanie ich przezwyciężyć i zawory zamykają się z opóźnieniem. Powoduje to znaczne straty mocy i wypalanie zaworów. Dlatego masa elementów ruchomych w rozrządzie OHV ogranicza maksymalne obroty uzyskiwane przez silnik. Duże masy bezwładne w układach rozrządu są szkodliwe dla silników wyczynowych, ale w silnikach motocykli użytkowych rozrząd OHV sprawdza się znakomicie.

Stałe dążenie do osiągania przez silniki większych mocy sprawiło, że konstruktorzy powszechnie wprowadzali system rozrządu OHC. Umieszczenie wałka rozrządu w głowicy pozwoliło na poważne zmniejszenie ruchomych mas w mechanizmach rozrządu. Wyeliminowano ciężkie laski popychaczy, których bezwładność ograniczała prędkość obrotową silnika. Elementy rozrządu wykonujące ruchy wahliwe i posuwisto‑zwrotne, a więc te, których masa ma istotny wpływ na zdolność silnika do osiągania wysokich prędkości obrotowych, ograniczone zostały do zaworów i dźwigni zaworowych. Niektóre rozwiązania rozrządu OHC, gdzie zawory umieszczone są równolegle, mogą obyć się bez dźwigni zaworowych (zawory odbierają napęd bezpośrednio od wałka rozrządu), niestety uzyskujemy wówczas komorę spalania o niekorzystnym kształcie, ponieważ gniazda zaworowe znajdują się w jednej płaszczyźnie, a trzonki zaworowe są równoległe. Napęd wałka rozrządu realizowany jest najczęściej za pośrednictwem łańcucha umieszczonego w specjalnej komorze i wyposażonego w napinacz. Napinacz ten może być automatyczny (samoczynnie likwidujący powstający luz) lub ręczny (wymagający okresowej regulacji). Komora łańcucha rozrządu najczęściej znajduje się z boku cylindra (w silnikach jednocylindrowych) lub pomiędzy parą środkowych cylindrów (w wielocylindrowych silnikach rzędowych). Wałek rozrządu umieszczony w głowicy może być napędzany także za pomocą systemu kół zębatych, paska rozrządu, „wałka królewskiego” lub systemu mimośrodowo‑korbowodowego ultramax. Wszystkie te systemy są zdecydowanie droższe w produkcji i bardziej skomplikowane od powszechnie stosowanego napędu za pomocą łańcucha rozrządu. Budowa łańcucha rozrządu w starszych konstrukcjach silników motocyklowych przypomina łańcuch napędowy (łańcuch ogniwowo‑rolkowy). Łańcuchy tego typu charakteryzują się tendencją do wychodzenia na ząb i przeskakiwania, a także niewielką wytrzymałością i niską trwałością. We współczesnych silnikach do napędu rozrządu stosuje się łańcuchy zębate. Łańcuch zębaty (wielopłytkowy) charakteryzuje się dużą wytrzymałością i trwałością, a także brakiem skłonności do wychodzenia na ząb – z uwagi na inny rozkład sił przy przenoszeniu napędu z łańcucha na koło zębate. Sterowanie pracą zaworów w systemie OHC ma jedną zasadniczą wadę, która polega na konieczności wyboru pomiędzy optymalnym kształtem komory spalania a minimalną masą ruchomych elementów układu rozrządu. Prawidłowy półkolisty kształt komory spalania z zaworami umieszczonymi pod kątem osiągniemy w układzie OHC jedynie przy zastosowaniu dźwigienek zaworowych, które niestety powiększą masę elementów ruchomych. Wyeliminowanie dźwigienek zmusza do równoległego ustawienia zaworów bezpośrednio pod wałkiem rozrządu. Otrzymujemy wówczas płaskie sklepienie komory spalania przy małej masie ruchomych elementów rozrządu.

Półkolisty kształt komory spalania i małą masę ruchomych elementów rozrządu zapewnić może układ DOHC, gdzie jeden wałek rozrządu steruje zaworem ssącym, a drugi wydechowym. Układ DOHC stosowany jest w przypadku projektowania głowic wielozaworowych, a także przy zastosowaniu zmiennych faz rozrządu. Wielkość i masa głowicy są znaczne, lecz wzrost mocy silnika wyposażonego w rozrząd DOHC i cztery lub pięć zaworów na cylinder przewyższa straty. Wskaźnik $\frac{kW}{kg}$ jest dużo korzystniejszy dla silników wyposażonych w rozrząd DOHC. Dzieje się tak głównie za sprawą zastosowania większej liczby zaworów na cylinder, co pozwala na lepsze napełnianie cylindra mieszanką paliwowo‑powietrzną i skuteczniejsze odprowadzanie spalin z przestrzeni nad tłokiem. Przy zastosowaniu rozrządu DOHC można pozwolić sobie na umieszczenie na wałkach rozrządu większej liczby krzywek zaworowych przypadających na jeden cylinder, gdyż na dwóch wałkach rozrządu jest na to miejsce. Podobnie jak przy układzie OHC, napęd wałków rozrządu umieszczonych w głowicy realizowany jest za pomocą łańcucha, paska zębatego, wałka królewskiego, szeregu kół zębatych lub systemu ultramax.