Pokud jste četli článek Jak fungují motory automobilů, víte o ventilech, které pouštějí směs vzduch/palivo do motoru a výfuk ven z motoru. Vačkový hřídel používá laloky (nazývané vačky ), které tlačí na ventily, aby je otevřely, když se vačkový hřídel otáčí; pružiny na ventilech je vrátí do uzavřené polohy. Toto je kritická práce a může mít velký vliv na výkon motoru při různých rychlostech. Na další stránce tohoto článku můžete vidět animaci, kterou jsme vytvořili, abychom vám skutečně ukázali rozdíl mezi výkonným vačkovým hřídelem a standardním.
V tomto článku se dozvíte, jak vačkový hřídel ovlivňuje výkon motoru. Máme několik skvělých animací, které vám ukáží, jak se liší rozložení motoru, jako je jedna horní kamera (SOHC) a dvojitá horní kamera (DOHC), opravdu funguje. A pak si projdeme několik úhledných způsobů, jak některá auta upravují vačkový hřídel, aby mohl efektivněji zvládat různé otáčky motoru.
Začněme se základy.
Klíčovými částmi každého vačkového hřídele jsou laloky . Jak se vačkový hřídel otáčí, laloky se otevírají a zavírají sací a výfukové ventily v čase s pohybem pístu. Ukazuje se, že existuje přímá úměra mezi tvarem vačkových laloků a způsobem, jakým motor funguje v různých rozsazích otáček.
Abyste pochopili, proč tomu tak je, představte si, že motor běží extrémně pomalu -- při pouhých 10 nebo 20 otáčkách za minutu (RPM) -- takže pístu trvá několik sekund, než dokončí cyklus. Bylo by nemožné provozovat normální motor takto pomalu, ale představme si, že bychom mohli. Při této pomalé rychlosti bychom chtěli vačkové laloky tvarované tak, aby:
Toto nastavení by pro motor fungovalo opravdu dobře, pokud by běžel při této velmi nízké rychlosti. Ale co se stane, když zvýšíte otáčky? Pojďme to zjistit.
Když zvýšíte otáčky, konfigurace 10 až 20 otáček za minutu pro vačkový hřídel nefunguje dobře. Pokud motor běží při 4 000 otáčkách za minutu, ventily se otevírají a zavírají 2 000krát za minutu nebo 33krát za sekundu. Při těchto rychlostech se píst pohybuje velmi rychle, takže směs vzduchu a paliva proudící do válce se také pohybuje velmi rychle.
Když se sací ventil otevře a píst zahájí svůj sací zdvih, směs vzduchu a paliva v sacím potrubí se začne zrychlovat do válce. V době, kdy píst dosáhne dna svého sacího zdvihu, se vzduch/palivo pohybuje poměrně vysokou rychlostí. Pokud bychom zabouchli sací ventil, veškerý vzduch/palivo by se zastavilo a nevstoupilo by do válce. Tím, že necháte sací ventil otevřený o něco déle, hybnost rychle se pohybujícího vzduchu/paliva bude nadále tlačit vzduch/palivo do válce, když píst zahájí svůj kompresní zdvih. Takže čím rychleji motor jede, tím rychleji se pohybuje vzduch/palivo a tím déle chceme, aby sací ventil zůstal otevřený. Chceme také, aby se ventil při vyšších rychlostech otevřel více – tento parametr se nazývá zdvih ventilu , se řídí profilem laloku vačky.
Animace níže ukazuje, jak funguje běžná kamera a výkonná kamera mají jiné časování ventilů. Všimněte si, že cykly výfuku (červený kruh) a sání (modrý kruh) se na výkonové vačce mnohem více překrývají. Z tohoto důvodu mají auta s tímto typem vačky tendenci běžet na volnoběh velmi hrubě.
Jakýkoli daný vačkový hřídel bude perfektní pouze při jedné rychlosti motoru. Při všech ostatních otáčkách motoru nebude fungovat naplno. Pevný vačkový hřídel je tedy vždy kompromisem. To je důvod, proč výrobci automobilů vyvinuli schémata pro změnu profilu vačky při změnách otáček motoru.
Existuje několik různých uspořádání vačkových hřídelů na motorech. Budeme mluvit o některých z nejběžnějších. Pravděpodobně jste slyšeli terminologii:
V další části se podíváme na každou z těchto konfigurací.
Toto uspořádání označuje motor s jednou vačkou na hlavu . Pokud se tedy jedná o řadový 4válcový nebo řadový 6válcový motor, bude mít jednu vačku; pokud je to V-6 nebo V-8, bude mít dvě vačky (jednu pro každou hlavu).
Vačka ovládá vahadla, která tlačí na ventily a otevírají je. Praže vraťte ventily do uzavřené polohy. Tyto pružiny musí být velmi pevné, protože při vysokých otáčkách motoru jsou ventily velmi rychle stlačeny dolů a jsou to právě pružiny, které udržují ventily v kontaktu s vahadlami. Pokud by pružiny nebyly dostatečně silné, mohly by se ventily uvolnit z vahadel a zaklapnout zpět. Toto je nežádoucí situace, která by vedla k nadměrnému opotřebení vaček a vahadel.
U motorů s jednoduchou a dvojitou vačkou nad hlavou jsou vačky poháněny klikovým hřídelem buď řemenem nebo řetězem nazývaným rozvodový řemen nebo časový řetězec . Tyto řemeny a řetězy je třeba v pravidelných intervalech vyměňovat nebo seřizovat. Pokud se přetrhne rozvodový řemen, vačka se přestane otáčet a píst by mohl narazit na otevřené ventily.
Motor s dvojitou horní vačkou má dvě vačky na hlavu . Takže řadové motory mají dvě vačky a motory V mají čtyři. Obvykle se dvojité vačky v hlavě používají u motorů se čtyřmi nebo více ventily na válec – na jediný vačkový hřídel se prostě nevejde dostatek vačkových laloků k ovládání všech těchto ventilů.
Hlavním důvodem použití dvojitých horních vaček je umožnit více sacích a výfukových ventilů. Více ventilů znamená, že sací a výfukové plyny mohou proudit volněji, protože existuje více otvorů, kterými mohou proudit. To zvyšuje výkon motoru.
Poslední konfigurací, které se v tomto článku budeme věnovat, je motor tlačné tyče.
Stejně jako motory SOHC a DOHC jsou ventily v motoru s tlačnou tyčí umístěny v hlavě, nad válcem. Klíčový rozdíl je v tom, že vačkový hřídel na motoru s tlačnou tyčí je uvnitř bloku motoru , spíše než v hlavě.
Vačka ovládá dlouhé tyče, které procházejí blokem a do hlavy, aby pohybovaly vahadlami. Tyto dlouhé tyče přidávají do systému hmotu, což zvyšuje zatížení ventilových pružin. To může omezit rychlost tlačných motorů; vačkový hřídel nad hlavou, který vylučuje tlačnou tyč ze systému, je jednou z technologií motoru, která umožnila vyšší otáčky motoru.
Vačkový hřídel v motoru s tlačnou tyčí je často poháněn ozubenými koly nebo krátkým řetězem. Ozubené převody jsou obecně méně náchylné ke zlomení než řemenové převody, které se často vyskytují u vačkových motorů nad hlavou.
Velkou věcí při navrhování systémů vačkových hřídelů je změna časování každého ventilu. V další části se podíváme na časování ventilů.
Existuje několik nových způsobů, kterými výrobci automobilů mění časování ventilů. Jeden systém používaný u některých motorů Honda se nazývá VTEC .
VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) je elektronický a mechanický systém v některých motorech Honda, který umožňuje motoru mít více vačkových hřídelů. Motory VTEC mají přídavnou sací vačku s vlastní vahadlem , který sleduje tuto kameru. Profil na této vačce udržuje sací ventil otevřený déle než jiný profil vačky. Při nízkých otáčkách motoru není toto vahadlo připojeno k žádným ventilům. Při vysokých otáčkách motoru píst zablokuje další vahadlo ke dvěma vahadlům, které ovládají dva sací ventily.
Některá auta používají zařízení, které dokáže posunout časování ventilů . To neudrží ventily otevřené déle; místo toho je otevře později a zavře později. To se provádí otočením vačkového hřídele o několik stupňů dopředu. Pokud se sací ventily normálně otevírají při 10 stupních před horní úvratí (TDC) a zavírají se při 190 stupních po TDC, celková doba trvání je 200 stupňů. Časy otevírání a zavírání lze posunout pomocí mechanismu, který otáčí vačkou trochu dopředu, když se točí. Takže ventil se může otevřít při 10 stupních po TDC a zavřít při 210 stupních po TDC. Zavřít ventil o 20 stupňů později je dobré, ale bylo by lepší mít možnost prodloužit dobu, po kterou je sací ventil otevřený.
Ferrari má opravdu elegantní způsob, jak to udělat. Vačkové hřídele u některých motorů Ferrari jsou řezány s trojrozměrným profilem která se mění po délce vačkového laloku. Na jednom konci laloku vačky je nejméně agresivní profil vačky a na druhém konci je nejagresivnější. Tvar vačky tyto dva profily hladce spojuje. Mechanismus může posouvat celý vačkový hřídel bočně tak, že ventil zabírá různé části vačky. Hřídel se stále točí stejně jako běžný vačkový hřídel – ale postupným posouváním vačkového hřídele do strany, jak se otáčky motoru a zatížení zvyšují, lze optimalizovat časování ventilů.
Několik výrobců motorů experimentuje se systémy, které by umožňovaly nekonečnou variabilitu časování ventilů. Představte si například, že každý ventil měl na sobě solenoid, který mohl otevřít a zavřít ventil pomocí počítačového ovládání, spíše než se spoléhat na vačkový hřídel. S tímto typem systému byste získali maximální výkon motoru při každých otáčkách za minutu. Něco, na co se můžete v budoucnu těšit...
Další informace o vačkových hřídelích, časování ventilů a souvisejících tématech naleznete na níže uvedených odkazech.
Původně zveřejněno:13. prosince 2000
