Wałki rozrządu – coraz lżejsze, ale czy lepsze?

Producenci samochodów od dawna dążą do maksymalizacji sprawności energetycznej silników z jednoczesnym odchudzeniem jednostek napędowych. W połączeniu z galopującymi, coraz ostrzejszymi normami emisji spalin, tworzy to specyficzną mieszankę wybuchową. Obecnie oferowane silniki, owszem, są bardziej ekonomiczne, dysponują większą mocą, są lżejsze, emitują znikome ilości zanieczyszczeń, ale coś za coś. Większa moc to większe wymagania dotyczące wytrzymałości elementów silnika, a niższa masa silnika wymusza z kolei „oszczędniejsze” stosowanie materiałów na budowę silnika. Nie można zapomnieć także o:
– zdecydowanie wyższej precyzji wykonania i pracy układów zasilania paliwem,
– wszechobecnych systemach turbodoładowania (z jedną, dwiema a nawet trzema turbosprężarkami),

Jeżeli na to wszystko nałożymy ustawiczną pogoń za klientem (co oznacza mocną, cenową walkę o tego klienta), decydującym się na zakup nowego samochodu – to jaki mamy efekt tych wszystkich skumulowanych zjawisk?

Obecnie coraz mniejsze znaczenie w obsłudze samochodu ma czysta mechanika pojazdowa. Klasyczna wymiana płynów eksploatacyjnych może wymagać zastosowania komputera diagnostycznego dedykowanego do danej marki pojazdu, aby skasować tzw. inspekcję serwisową. Nikt chyba nie lubi jeździć ze świecącą się na desce rozdzielczej informacją o konieczności odwiedzenia serwisu. Jakakolwiek diagnostyka stanu jednostki napędowej i układu wtryskowego bez specjalistycznych narzędzi elektronicznych jest praktycznie niemożliwa (chyba, że silnik właśnie się zatarł – zdiagnozowanie tego nie wymaga specjalistycznej wiedzy). Dodatkowo należy dać sobie dużą poprawkę na zjawiska, które do pewnego momentu były w motoryzacji praktycznie niespotykane – kto jeszcze 10 lat temu by pomyślał, że na tłokach silnika benzynowego może odkładać się sadza, wskutek czego dochodzi do wzrostu ciśnienia w komorze sprężania i w efekcie – wydmuchania uszczelki pod głowicą. Tak samo ustawiczne dążenie do zmniejszenia masy pojazdu poprzez m.in. coraz lżejsze elementy osprzętu silnika nie pozostają bez konsekwencji dla żywotności jednostki napędowej oraz łatwości jej naprawy…

Typowy silnik spalinowy jak wiadomo składa się z bloku, wału, tłoków z korbowodami, głowicy z zaworami, wałkami rozrządu i hydrauliką, sterującą pośrednio pracą zaworów. W prosty sposób można zaoszczędzić parę kg masy zmieniając stop, z którego został odlany blok silnika, zmniejszając ilość materiału, z którego odlewana jest głowica (wykonując np. coraz cieńsze ścianki), czy też wykonując wałki rozrządu, które nie są odlewane ani kute, ale bazują na budowie „rurkowej”. I tym właśnie elementom chciałem poświęcić trochę więcej miejsca w niniejszym artykule.

Wałek rozrządu to element silnika spalinowego, który decyduje o czasie otwarcia zaworów oraz tzw. wznosie zaworów (czyli inaczej – o stopniu ich otwarcia/uchylenia). Obciążenia, jakim jest poddawany, to m.in. duże siły tarcia między krzywkami na wałku a popychaczami oraz zginanie i skręcanie w wyniku nacisku popychaczy. Dlatego też przez wiele wiele lat element ten wykonywany był jako jednolity odlew, lub był wykuwany ze stali węglowych/niskostopowych. Wałki odlewane, w celu ich wzmocnienia, były także hartowane.

Efektem końcowym procesu produkcyjnego był solidny kawał żelaza, które praktycznie nie ulegało uszkodzeniom innym niż wytarcie krzywek. Praktycznie nie było mowy o zginaniu się wałków rozrządu, a także o przesuwaniu/obracaniu się krzywek względem osi wałka – coś takiego nie jest możliwe przy jednolitych odlewach.

Działając wg zasady „lżejsze jest lepsze” wprowadzono na rynek wałki rozrządu nowego typu – tzw. wałki rurkowe (inne nazewnictwo – wałku puste). Ich sposób wykonania daleki jest od tego, co przez lata doskonale zdawało egzamin. Otóż na cienkościenną rurę (trzon wałka) naprasowywane są krzywki oraz pierścienie, pełniące role panewek wałka i w ten sposób otrzymujemy coś, co w efekcie faktycznie jest lekkie (ok. 40% lżejsze od klasycznego wałka), ale za to bardzo podatne na:
– samoistne obrócenie się krzywki względem osi wałka (niedostrzegalne gołym okiem),
– pękanie krzywek,
– wygięcie się wałka (niedostrzegalne gołym okiem).

Można by powiedzieć – cóż w tym takiego strasznego, przecież nawet przy starego typu wałkach rozrządu mogło wystąpić ich wytarcie i też takie zupełnie bezproblemowe nie były. Tak, tylko wytarcie krzywki po prostu widać, jej pęknięcie, jak i pęknięcie całego wałka – również.

Jaki jest w efekcie skutek tych wszystkich zmian? Dobre strony wprowadzonych innowacji to mniejsza masa wałka rozrządu i co za tym idzie – mniejsze siły potrzebne na jego rozkręcenie i wyhamowanie. Stąd teoretycznie mniejsze obciążenia paska rozrządu (chociaż śmiem twierdzić, że największe siły na pasek wywierane są od kręcącego się ze zmienną szybkością wału korbowego, a nie wałków rozrządu). Do tego zdecydowanie mniejsze straty materiału podczas produkcji. Z drugiej strony – bardzo, ale to bardzo trudna diagnostyka przyczyn nieprawidłowej pracy silnika w sytuacji, gdy doszło do uszkodzenia wałka rozrządu (ze względu na wymienione powyżej niedostrzegalne gołym okiem defekty).

Najczęściej objawy wygięcia się wałka lub przestawienia krzywek wyglądają następująco – zimny silnik zapala bez problemu, przez parę chwil pracuje bez zarzutu. Dodanie i odpuszczenie gazu lub pozostawienie silnika pracującego na wolnych obrotach przez dłuższą chwilę skutkuje tym, że zaczyna on pracować nierówno – nie na wszystkich cylindrach dochodzi do zapłonu mieszanki. Pierwszą rzeczą, którą pokażą urządzenia diagnostyczne, będzie wysoka korekcja dawek paliwa na wtryskiwacz w cylindrze, który nie pracuje prawidłowo. Stąd też mechanik błędnie wytypuje uszkodzenie wtryskiwacza. Niestety jego wymiana nie przyniesie oczekiwanej poprawy. Kolejna rzecz (o ile nie wykonano jej wcześniej, a znając procedury naprawcze – nie liczyłbym na taką kolej rzeczy) to pomiar kompresji. Mało kto lubi się parzyć, usiłując wykonać taką operację na gorącym silniku – dlatego też pomiaru dokonuje się najczęściej po lekkim ostygnięciu motoru. I o dziwo – kompresja może być wzorcowa. I mechanik staje wtedy przed trudnym dylematem – co wymienić, żeby usunąć defekt? Jeśli ktoś zada sobie trud pomiaru kompresji na silniku rozgrzanym, który przez pewien czas chodził nierówno – uda mu się złapać moment, gdy kompresji faktycznie na jednym (lub większej liczbie) cylindrze nie ma prawie wcale. Brak kompresji = konieczność remontu silnika, włącznie z wymianą pierścieni tłokowych. Poskładany na nowo silnik zostaje uruchomiony i – niespodzianka – usterka dalej występuje. Wtedy mechanik najczęściej rzuca kilka soczystych przekleństw a właściciel auta zaczyna już poważnie wątpić w kompetencje serwisu…

Teoretycznie przyczyna takiego zachowania się silnika jest banalna. Zawory, których luz regulowany jest przez hydrauliczne popychacze, otwierają się i zamykają pod wpływem nacisku krzywki wałka rozrządu na szklanki zaworowe. Przy krzywym wałku rozrządu (a wystarczy bicie osiowe rzędu 0.7 mm !!!) popychacze hydrauliczne zostają za bardzo napompowane olejem i zawory przestają się domykać. Z tego też powodu kompresja na cylindrach znika praktycznie do zera. Zimny silnik, lub silnik który nie był uruchamiany przez parę godzin, traci odrobinę ciśnienia w popychaczach hydraulicznych i zawory zamykają się. Stąd też pierwsze chwile pracy jednostki napędowej nie wskazują na jakąkolwiek nieprawidłowość.

Dlatego też – biorąc pod uwagę powyższe informacje – pomiar ciśnienia sprężania jest w takich przypadkach nieodzowną wskazówką pomagającą prawidłowo ocenić przyczynę defektu.

Kiedy dochodzi do skrzywienia wałka rozrządu lub przestawienia się krzywki na wałku? Sytuacje są różne – z racji tego, iż (jak wspomniałem powyżej) wałki poddawane są dużym obciążeniom termicznym oraz naprężeniom – mogą się wykrzywić samoistnie w miarę rosnącego przebiegu pojazdu. W sytuacji pęknięcia paska lub łańcucha rozrządu – kolizja tłoków z zaworami w większości przypadków również doprowadzi do zgięcia się wałka lub przestawienia krzywki. I uwaga – wystarczy minimalna odchyłka od normy (rzędu 0.5-0.7 mm na całej długości wałka) aby silnik zaczął się zachowywać nieprawidłowo. No i na koniec – naprawdę nie jest trudno, nieostrożnie obchodząc się z takim wałkiem – uszkodzić go np. przez nieodpowiednie jego przechowywanie i wywarcie na nim zbyt dużego nacisku (co praktycznie jest niemożliwe w przypadku wałków odlewanych – skrzywienie ich wymagało przyłożenia doń Herkulesowej siły).

Ocena stanu wałków rozrządu, jeżeli padnie podejrzenie o ich uszkodzenie, także nie należy do najprostszych czynności. Serwisy, które potrafią zbadać skrzywienie wałka (pomiar bicia bocznego) oraz prawidłowość ustawienia krzywek w stosunku do wałka wzorcowego, to na polskim rynku rzadkość. I uwaga – naprawa wałka (prawidłowe ustawienie krzywki lub wyprostowanie wałka) – jest praktycznie niemożliwa, jeżeli klient chce otrzymać na taką usługę jakąkolwiek gwarancję.

W jakich obecnie samochodach montowane są tego typu wałki? W roku 2002 wałki tego typo wprowadziło Audi w swoich 2.5 V6 TDI 180KM, walcząc z tematem wycierających się krzywek na starego typu wałkach. Nowe, poprawione wałki, cierpiały na inną przypadłość – pękające krzywki. Podobno problem wyeliminowany został po 2003 roku. Ford, w swoich 24-zaworowych silnikach benzynowych V6 Duratec także stosuje tego typu części. Rzędowe diesle BMW, z lat 2006 i nowsze – rozwiązanie identyczne. Szczególnie podatne na skrzywienie wałków rozrządu (z racji ich długości) są tutaj rzędowe 6-cylindrowce tego producenta. Można domniemywać, iż w erze downsizingu i pogodni za jak najlepszym wykorzystaniem małej pojemności silnika – takie rozwiązanie wkrótce będzie zupełnym standardem.