„W celu inicjacji pracy silnika spalinowego konieczny jest jego rozruch. W sprawnym silniku wystarczy by jeden z tłoków wykonał suw ssania i sprężania do momentu zapłonu, by dalsza praca była podtrzymana samoczynnie. Niekiedy konieczne jest wykonanie kilku cykli pracy zanim nastąpi pełny rozruch silnika. W małych silnikach motocyklowych oraz tych napędzających innego rodzaju sprzęt stosuje się rozruch manualny. Dla większych silników konieczne jest wspomaganie rozruchu. Najczęściej do tego celu stosuje się zasilany z akumulatora silnik elektryczny (rozrusznik), który w czasie rozruchu sprzęgnięty jest z kołem zamachowym silnika. Duże silniki np. okrętowe, uruchamia się doprowadzając przez rozdzielacz i specjalne zawory rozruchowe, sprężone powietrze do cylindrów. Rzadko do uruchamiania stosuje się mniejszy silnik spalinowy.” Tyle Wikipedia.
Silniki spalinowe pojazdów współczesnych są zasadniczo uruchamiane przy pomocy maszyn elektrycznych. Silniki motocyklowe, w szczególności jedno i dwucylindrowe, są uruchamiane elektrycznie, w sposób nieco odmienny od samochodowych. Brak miejsca i ograniczenia masowe powodują, że ani akumulator, ani rozrusznik nie mogą być tak duże jak w samochodzie. W tych warunkach większość silników motocyklowych wykorzystuje tzw. odprężnik dla ułatwienia rozruchu. Funkcja odprężnika polega na otwarciu dodatkowego zaworu, lub nie zamknięciu jednego z zaworów wylotowych. Ma to na celu umożliwienie obracania wałem korbowym ze znacznie mniejszymi oporami. Kiedy silnik osiągnie tą drogą wystarczająco duże obroty następuje zamknięcie zaworu i uruchomienie silnika. Rozwiązań konstrukcyjnych jest wiele. W najprostszych, np. Royal Enfield Delux, odprężnik jest sterowany ręcznie. Instrukcja zaleca stosowanie go dla wspomagania rozruchu przy zimnym silniku. W wielu motocyklach jest on uruchamiany elektromagnetycznie. W niektórych jest uruchamiany automatycznie z wykorzystaniem sprężyny i siły odśrodkowej. Takie rozwiązanie (chronione patentami) preferuje Honda w dużych singlach. Całe urządzenie jest umieszczone w głowicy na wałku rozrządu i powoduje otwieranie prawego zaworu wylotowego poniżej pewnej prędkości obrotowej. Przy wyłączaniu silnika słychać charakterystyczny metaliczny stuk sygnalizujący zadziałanie urządzenia i przygotowanie silnika do kolejnego rozruchu.
Jest też grupa motocykli klasycznych, które nie posiadają wcale rozrusznika elektrycznego tylko tzw. kick starter zwany po polsku „kopką”. Uruchamianie motocykla w taki sposób jest ciągle w bardzo dobrym tonie. Ta czynność staje się jednak kłopotliwa, jeśli trzeba ją powtórzyć zbyt wiele razy. Typową sytuacją jest tzw. zalanie silnika, czyli zjawisko spowodowane nieumiejętnym stosowaniem urządzenia rozruchowego w gaźniku. Jedynym wyjściem z takiej sytuacji jest „przedmuchanie” silnika przez pokręcanie wałem korbowym, przy wyłączonym urządzeniu rozruchowym „ssaniu” i całkowicie otwartej przepustnicy, w celu usunięcia nadmiaru paliwa.
Dziś widok ten nie jest zbyt częsty, ale dawniej widywało się motocyklistów pchających swoje pojazdy w celach rozruchowych. W takiej sytuacji wszelkie wzniesienia były dużą pomocą w rozruchu: zjazd w dół z wykorzystaniem grawitacji służył do tego najlepiej.
Współcześnie w wyścigach zabytkowych motocykli wyścigowych również spotyka się taką technikę rozruchu, gdyż sam rozrusznik elektryczny został wyeliminowany z pojazdu dla zmniejszenia jego masy, albo w dawnej konstrukcji wcale go nie było. Dzisiejsi motocykliści nie pchają już swoich pojazdów, ponieważ powstały przewoźne rolkowe urządzenia rozruchowe zasilane akumulatorami. Takie urządzenie pod nazwą Solo Starter można zakupić w Anglii. Jest ono pokazane na zdjęciu 1.
Kilka potyczek z regulacją gaźnika mojego klasycznego motocykla spowodowało, że zacząłem pragnąć takiego urządzenia. Potrzebę tę nasiliły jeszcze moje dwa zabytkowe samochody marki Volkswagen. Ich układ paliwowy jest tak zbudowany, że zbiornik paliwa znajduje się w przedniej części pojazdu, a silnik z tyłu. Po zimowej przerwie eksploatacyjnej, gdy paliwo odparuje z pompy paliwowej i zaworki się zeschną, i tracą szczelność, pierwszy wiosenny rozruch jest wyzwaniem. Kręcenie rozrusznikiem jest wykluczone, bo szkoda rozrusznika i akumulatora. Na całe szczęście oba pojazdy mają korby rozruchowe. Tak więc każdej wiosny mozolnie kręciłem korbą, lecz w miarę upływu lat coraz mniej chętnie i z narastającą irytacją. Po pierwszym rozruchu problem ustępuje i mamy spokój do następnej wiosny. Pomyślałem sobie, że dobrze by było mieć urządzenie rozruchowe do moich pojazdów, by przestać się męczyć. Jak zwykle zadziałała potrzeba, jako matka wynalazków. Dodatkową motywacją, by przejść ze sfery koncepcji do czynów, była potrzeba okresowego pokręcania silnika moich czterech zabawowych pojazdów w okresie zimowym. W jednostkach spalinowych jest to zalecane dla przesmarowania wszystkich elementów silnika i ochrony gładzi cylindra przed korozją. Mówiąc krótko, miałem czym kręcić i nie chciałem już tego dłużej robić siłą moich mięśni.
Założenia
Po obejrzeniu kilku podobnych urządzeń w Internecie przystąpiłem do formułowania założeń projektu. Już we wstępnej fazie zrezygnowałem z zasilania akumulatorami, ponieważ urządzenie miało być stosowane tylko w garażu lub przed nim. Tak więc, urządzenie miało spełniać następujące wymagania i być:
- zasilane z sieci, aby nie trzeba było zajmować się kolejnym akumulatorem;
- ruchome, przewoźne, bo pojazdów do obsługi jest kilka;
- składane, aby po użyciu nie zajmowało zbyt wiele miejsca;
- z jedną rolką napędzaną, ponieważ pod obciążeniem to ona przenosi większość momentu napędowego;
- posiadające regulację umożliwiającą dostosowanie go do rozmiaru koła i mieć wystarczająco szerokie rolki, gdyż każdy z czterech pojazdów ma inną średnicę i szerokość kół;
- zabezpieczone (jak każdy rozrusznik) przed uszkodzeniem, po uruchomieniu silnika spalinowego;
- estetyczne, żeby można je było bez wstydu pokazać żonie i kolegom;
- w całości do zmontowania w moich, czyli przeciętnych, warunkach warsztatowych.
Obliczenia
Moc silnika rozrusznika
Jak to często bywa, obliczenia wprawiły mnie w zakłopotanie. Opierając się na bogatej bibliotece zawodowej ułożyłem w arkuszu kalkulacyjnym stosowny algorytm, w którym mogłem żonglować parametrami. Moja konfuzja wynikała z dużej rozpiętości uzyskanych wyników. Z obliczeń wynikało, że do rozruchu mojego motocykla klasycznego wystarczy w najlepszym razie silnik elektryczny o mocy 500W, a w najgorszym około 900W. W moim przypadku musiałem jeszcze uwzględnić sprawność przekładni ciernej pomiędzy rolką napędową urządzenia a oponą, sprawność starodawnej skrzynki biegów z wałkiem pośrednim ułożyskowanym na tulejkach z brązu i sprawność przekładni łańcuchowej sprzęgła.
Prosty wzór empiryczny na obliczanie mocy rozruchowego silnika elektrycznego jest następujący [1]:
Nr = ½Vsc · pt · n
Gdzie:
Nr – to moc silnika rozruchowego w kW
Vsc – to pojemność skokowa uruchamianego silnika w cm3 (dla RE Bullet to 500 cm3)
pt – to tzw. średnie ciśnienie tarcia (jako suma oporów) w kN/m2 ( założono maksymalne teoretyczne 850 kN/m2)
n – to obroty w obr/s (założono 3,4 obr/s tj. około 200 obr/min)
po podstawieniu:
Nr = ½ · 500 · 10-6 · 850 · 3,7 = 0,786 kW
Po uwzględnieniu sprawności przekładni łańcuchowej, zębatej i ciernej;
N = Nr·1/ ηł·1/ ηc·1/ ηz
ηł – sprawność przekładni łańcuchowej przyjęto na poziomie 0,99
ηc – sprawność ciernej przyjęto na poziomie 0,9
ηł – sprawność przekładni zębatej przyjęto na poziomie 0,98
ostatecznie:
N = 0,74 · 1/0.99 · 1/0,9 · 1/0.98 = 0,9kW
Nie dałem temu wiary, ponieważ moc oryginalnego rozrusznika napędzającego silnik jedynie przez dwie przekładnie zębate, z hartownymi zębami, ułożyskowane na łożyskach tocznych wynosi 0,9 kW. Na wszelki wypadek przyjąłem z zapasem 1,1 kW, zakładając współczynnik przeciążenia na poziomie około 1,2. Jak się później okazało, nie był to dobry wybór. Postanowiłem zastosować silnik trójfazowy o obrotach znamionowych 1450 obr/min. Po pierwsze dlatego, że daje on największy moment rozruchowy, ponadto jest tańszy od silników jednofazowych z fazą rozruchową na kondensatorze. Ten wybór ułatwił mi późniejsze przejście na większy silnik, praktycznie odkręciłem jeden silnik i przykręciłem drugi. W obliczeniach nie zajmowałem się samochodami. Znając opór jaki stawiały korby rozruchowe wiedziałem, że cztery mniejsze cylindry po około 300 cm3 każdy, stawiają mniejszy opór niż jeden duży o pojemności 500 cm3.
Przekładnia
W miarę pogrążania się w obliczeniach i przemyśliwaniu zadania moja konfuzja rosła. Chcąc dobrać optymalne przełożenie dla czterech pojazdów, racjonalną średnicę rolki napędowej i uzyskać około 200 obr./min., jako obroty rozruchowe silnika, zacząłem się zapętlać. Postanowiłem odwrócić zagadnienie. Urządzenie miało być proste i dlatego przekładnia pomiędzy silnikiem elektrycznym a rolką miała być jednostopniowa. Średnicę rolki założyłem opierając się na obserwacji istniejących konstrukcji i dostępnej rurze stalowej. Liczba zębów zębnika była narzucona tzw. „bendiksem” czyli zespołem sprzęgającym z rozrusznika FSO Poloneza i wynosiła 9. Urządzenie to ma koło zębate i zawiera sprzęgło jednokierunkowe, a zatem rozwiązuje i problem przełożenia, i ochrony silnika elektrycznego przed nadmiernymi obrotami, po uruchomieniu silnika spalinowego pojazdu. Drugą oczywistą zaletą była dostępność i cena. Z tej oryginalnej handlowej części odciąłem na drążarce drutowej część tulei z wielowypustem śrubowym, pozostawiając jedynie potrzebne mi – zębnik i sprzęgło jednokierunkowe. Elementy te zostały osadzone w części zwanej zabierakiem pokazanej na rysunku poniżej (Rys.1).
Zabierak został umieszczony wprost na wale silnika. Ponieważ z założenia zębnik miał mieć jednostronne łożyskowanie tylko na wale silnika, a cały zabierak jest dość długi, został on skonstruowany bardzo masywnie, dla zachowania dużej sztywności. Kilkuletnie doświadczenie eksploatacyjne zdaje się potwierdzać poprawność rozwiązania. Drugie koło zębate było ograniczone geometrycznie. Miało być osadzone na osi rolki i nie mogło ocierać o podłoże.
Maksymalna dopuszczalna liczba zębów wynosi 56. Uzyskane przełożenie i = 6,22 jest również poprawne z punktu widzenia teorii przekładni zębatych.
Pomyślałem sobie, że skoro obliczenia zakładały uruchamianie motocykla klasycznego na drugim biegu, a uzyskane przełożenie urządzenia będzie zbyt wolne, to będę uruchamiał silnik na pierwszym biegu (i tak się też stało na pierwszych próbach). Pozostałe pojazdy też mają skrzynki biegów, więc jakoś sobie poradzę.
Uruchamianie motocykla Royal Enfield Bullet na drugim biegu ma swoje uzasadnienie. Po pierwsze sąsiaduje on z położeniem neutralnym. Drugim atutem jest możliwość wykorzystania dodatkowej dźwigni do szybkiego włączania biegu neutralnego ze wszystkich biegów, z wyjątkiem pierwszego. Ludzie oglądający mój motocykl często pytają o przeznaczenie tej tajemniczej dźwigni.
Decyzja
Zmęczony spekulacjami na temat mocy i przełożeń postanowiłem przystąpić do rysowania. Pamiętałem zasady szefa, którego jako jedynego, w mojej długiej drodze zawodowej, bałem się. Było to w jednej amerykańskiej firmie. Szef był ode mnie starszy, mądrzejszy, inteligentniejszy i do tego złośliwy. Dał mi kilka lekcji, które zapamiętałem na całe życie. Gdy pewnego dnia, spytał mnie o stan jednego z wielu projektów, które dla niego realizowałem, zacząłem się wykręcać, tłumacząc, że później zaistnieją warunki, by wykonać zadanie optymalnie. Dość szybko przeciął mój pokrętny wywód powiedzeniem: ”Jerzy, better immediate action than postponed perfection”, co można przetłumaczyć na język polski jako: „lepsze natychmiastowe działanie niż odwlekana doskonałość”. Ja również uważam, że lepsze jest nawet nieporadne działanie niż uczone spekulacje. Jeśli bowiem w wyniku niezbyt wyrafinowanych działań uzyskamy marny rezultat, to i tak zaczynamy lepiej rozumieć zjawiska i możemy korygować nasze metody. Uprawiając spekulacje, przez cały czas pozostajemy w punkcie wyjścia. Postanowiłem, że lepiej będzie zacząć działanie i korygować swoje błędy, niż próbować rozwiązać problem zza biurka.
Ostatecznym zagrożeniem wielu konstrukcji jest to, że cała energia twórcza pójdzie w samą koncepcję.
Dokumentacja
Ponieważ oprócz innych przywar jestem maniakiem legalności oprogramowania, a w tamtym czasie (rok 2005/6) nie miałem w domu nic lepszego, to cała dokumentacja powstała w darmowym programie DesignCAD 2D zakupionym wraz z czasopismem Enter w 1996 roku. Jak się okazuje, nawet taki prosty program umożliwia skonstruowanie przyzwoitego urządzenia, bo przecież to konstruktor stanowi o jakości konstrukcji, a nie narzędzie do rysowania. Przykładowy rysunek elementu napędowego przedstawia rysunek 1.
Budowa prototypu
Postanowiłem wykonać ramę urządzenia jako konstrukcję spawaną z blachy stalowej, a wszystkie potrzebne kształtki wypalić laserem. Etap spawania ramy pokazano na fotografiach 2, 3 i 4.
Pokazane na zdjęciu 3 wzmocnienia w postaci dwóch płaskowników i jednej śruby dwustronnej M8 miały za zadanie zmniejszyć deformacje spawalnicze i po zespawaniu całości zostały usunięte. Zdjęcie 4 pokazuje ramę kompletną.
Pozostałe elementy miały być mocowane śrubami. Pierwsze próby ruchowe i przymiarki do motocykla zostały przeprowadzone wiosną 2006. Jedna z przymiarek jest pokazana na zdjęciach 5, 6, 7 i 8.
Zdjęcie 7 pokazuje istotne szczegóły konstrukcji. Widać na nim otwory umożliwiające zmianę położenia rolki biernej w celu dopasowania jej położenia do średnicy koła pojazdu. Widoczną jest też radełkowana powierzchnia rolki czynnej napędzającej. Rolka bierna jest gładka. Obie rolki są wykonane jako konstrukcja spawana. Powierzchnie toczną wykonano z rury stalowej. Całość ocynkowano elektrolitycznie dla ochrony przed korozją i dla estetyki. Do ramy przykręcone są oprawy łożysk. Są to łożyska kulkowe w wahliwych oprawach, stosowane głównie w maszynach rolniczych. Bardzo dobrze znoszą one odkształcenia konstrukcji. W środkowej wewnętrznej części ramy widoczne są stożki i rolki pozycjonujące. Stożki mają za zadanie wprowadzić koło we właściwe położenie, a rolki – nie dopuszczać do tarcia opony obracającego się koła o ramę urządzenia. Składana rampa najazdowa jest dość długa, dla łatwego wprowadzania pojazdów do urządzenia. W pozycji roboczej rama spoczywa na przyspawanych krótkich nóżkach z pręta stalowego.
Po przeprowadzeniu udanych prób rozruchowych, urządzenie zostało wyposażone w osłony, instalację elektryczną i pomalowane. Blacha najazdowa została usztywniona żebrem z płaskownika i ocynkowana ogniowo. Do tego żebra przyspawano hak na przewód elektryczny. Ostateczny kształt pierwszej wersji przedstawiają zdjęcia 9, 10, 11 i 12.
Zdjęcia pokazują urządzenie w pozycji roboczej, złożone w pozycji poziomej i złożone w pozycji pionowej. W tej pozycji urządzenie może być przechowywane i jest gotowe do transportu na kółkach, widocznych na zdjęciu.
Zmiany konstrukcji
Po pierwszym okresie eksploatacji doszedłem do wniosku, że mojemu aparatowi brakuje mocy. Dzięki stosowaniu pierwszego biegu w motocyklu mogłem go bez problemów uruchamiać, szczególnie gdy wspomagałem pierwszą fazę rozruchu odprężnikiem. Odnosiłem jednak wrażenie, że silnik elektryczny pracuje cały czas w przeciążeniu.
W tej sytuacji postanowiłem zdecydowanie dodać mocy i podnieść obroty silnika. Jak już wcześniej wspominałem, dokonałem więc wymiany silnika na znacznie mocniejszy, o mocy 3 kW i o obrotach znamionowych 3000 obr/min. Trochę się z tą decyzją ociągałem, ale wołem przeholować niż nadal cierpieć niedostatek. Ostatecznie wyłożyłem kolejne 300 PLN i kupiłem większy silnik. Ponieważ był on od tego samego producenta i z tego samego typoszeregu, wymiana trwała pół godziny. Efekt przeszedł moje oczekiwania. Urządzenie w końcu zaczęło działać tak, jak chciałem, by pracowało od początku. Motocykl zapalał szybciej i lżej na drugim biegu.
Nowy silnik różni się od poprzedniego jedynie tym, że jest nieco dłuższy. Urządzenie w ostatecznej postaci pokazano na zdjęciach 12 i 13. Z silnikiem o mocy 3kW ochoczo pokręca on silnikami moich samochodów i motocykli. Jeszcze raz potwierdziło się amerykańskie powiedzonko dotyczące mocy silników: „the bigger the better” czyli im większe, tym lepsze. To stwierdzenie jest dziś niezbyt poprawne politycznie, ale każdy, kto jeździł kiedyś Trabantem lub Maluchem, wie co chcę powiedzieć.
Całe urządzenie kosztowało około 2000 PLN, nie licząc oczywiście mojej pracy, którą traktuję jako twórczą zabawę i przyjemność. Niestety nie jest to mało, ale prawie wszystkie męskie zabawki mają to do siebie, że są kosztowne lub bardzo kosztowne.
Jerzy Mydlarz
Literatura:
[1] Jędrzejowski J.: Obliczanie tłokowego silnika spalinowego. WNT, 1971
[2] Niewiarowski K.: Tłokowe silniki spalinowe. WKiŁ, 1983
[3] Wajand J.A., Wajand J.T.: Tłokowe silniki spalinowe. WNT, 1993
artykuł pochodzi z wydania 10 (25) październik 2009
