Wałek rozrządu - Camshaft
Rozrządu jest obrotowy object- zwykle wykonane z zawierającego metale, ostre krzywki , który zamienia ruch obrotowy do wzajemnego ruchu. Wałki rozrządu stosowane są w silnikach spalinowych (do obsługi zaworów ssących i wydechowych), mechanicznie sterowanych układach zapłonowych oraz wczesnych regulatorach prędkości silników elektrycznych. Wałki rozrządu w samochodach są wykonane ze stali lub żeliwa i są kluczowym czynnikiem określającym zakres obrotów silnika w zakresie mocy .
Historia
Wałek rozrządu został opisany w 1206 przez islamskiego inżyniera Al-Dżazariego . Używał go jako części swoich automatów, maszyn do podnoszenia wody i zegarów wodnych, takich jak zegar zamkowy .
Wśród pierwszych samochodów, w których zastosowano silniki z jednym górnym wałkiem rozrządu, był Maudslay zaprojektowany przez Alexandra Craiga i wprowadzony w 1902 roku oraz Marr Auto Car zaprojektowany przez pochodzącego z Michigan Waltera Lorenzo Marra w 1903 roku.
Silniki tłokowe
W silnikach tłokowych wałek rozrządu służy do obsługi zaworów dolotowych i wydechowych . Wałek rozrządu składa się z cylindrycznego pręta biegnącego wzdłuż zespołu cylindrów z wieloma krzywkami (tarczami z wystającymi krzywkami ) wzdłuż jego długości, po jednej dla każdego zaworu. Krzywka wymusza otwarcie zaworu, naciskając na zawór lub na jakiś mechanizm pośredni, gdy się obraca. Tymczasem sprężyna wywiera naprężenie, ciągnąc zawór w kierunku jego pozycji zamkniętej. Kiedy krzywka osiąga najwyższe przemieszczenie na popychaczu, zawór jest całkowicie otwarty. Zawór jest zamknięty, gdy sprężyna ciągnie go do tyłu, a krzywka znajduje się na swoim podstawowym okręgu.
Budowa
Wałki rozrządu są wykonane z metalu i zwykle są pełne, chociaż czasami stosuje się wałki drążone. Materiały użyte do wałka rozrządu to zazwyczaj:
- Żeliwo: Powszechnie stosowane w produkcji masowej, chłodzone żelazne wałki rozrządu mają dobrą odporność na zużycie, ponieważ proces chłodzenia powoduje ich utwardzenie. Inne pierwiastki są dodawane do żelaza przed odlewaniem, aby materiał był bardziej odpowiedni do jego zastosowania.
- Stal kęsowa: Gdy wymagany jest wałek rozrządu wysokiej jakości lub produkcja małoseryjna, konstruktorzy silników i producenci wałków rozrządu wybierają kęsy stalowe. Jest to znacznie bardziej czasochłonny proces i generalnie droższy niż inne metody. Metodą budowy jest zwykle kucie , obróbka skrawaniem (na tokarce lub frezarce do metalu ), odlewanie lub hydroformowanie . Można stosować różne rodzaje prętów stalowych, na przykład EN40b. Podczas produkcji wałka rozrządu z EN40b, wałek rozrządu zostanie również poddany obróbce cieplnej poprzez azotowanie gazowe , co zmienia mikrostrukturę materiału. Daje twardość powierzchni 55-60 HRC , odpowiednią do stosowania w silnikach o wysokiej wydajności.
Układy Valvetrain
Większość wczesnych silników spalinowych wykorzystywała układ krzywka w bloku (taki jak górne zawory), w którym wałek rozrządu znajduje się w bloku silnika w pobliżu dolnej części silnika. Wczesne silniki z płaską głowicą lokalizują zawory w bloku, a krzywka działa bezpośrednio na te zawory. W silniku górnozaworowym, który pojawił się później, popychacz (podnośnik) przenosi swój ruch na zawory w górnej części silnika za pomocą popychacza i dźwigni wahacza. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowych silnika w XX wieku, silniki z pojedynczym górnym wałkiem rozrządu (SOHC) — w których wałek rozrządu znajduje się w głowicy cylindrów w pobliżu górnej części silnika — stały się coraz bardziej powszechne, a w ostatnich latach pojawiły się silniki z podwójnym górnym wałkiem rozrządu (DOHC). . Należy zauważyć, że wiele nowoczesnych silników przemysłowych i samochodowych nadal wykorzystuje konstrukcję górnozaworową (z krzywką zamontowaną nisko w bloku silnika), która pozwala na niższą całkowitą wysokość silnika niż podobna konstrukcja krzywki górnej.
Układ rozrządu jest zdefiniowany w zależności od liczby wałków rozrządu na zespół cylindrów. Dlatego silnik V6 z łącznie czterema wałkami rozrządu (dwa na zespół cylindrów) jest zwykle określany jako silnik z podwójnym wałkiem rozrządu , chociaż potocznie są one czasami określane jako silniki „quad-cam”.
W silniku górnozaworowym wałek rozrządu naciska na popychacz, który przenosi ruch na górną część silnika, gdzie wahacz otwiera zawór wlotowy/wylotowy. W silnikach OHC i DOHC wałek rozrządu steruje zaworem bezpośrednio lub za pomocą krótkiego wahacza.
Systemy napędowe
Dokładna kontrola położenia i prędkości wałka rozrządu ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania silnika. Wałek rozrządu napędzany jest uniwersalnie dokładnie z połową prędkości wału korbowego albo bezpośrednio, zwykle za pomocą zębatego gumowego paska rozrządu lub stalowego łańcucha rolkowego (zwanego łańcuchem rozrządu ). Od czasu do czasu do napędzania wałka rozrządu używano również kół zębatych. W niektórych wzorów wałek rozrządu napędza również dystrybutor , pompę olejową , pompę paliwową oraz okazyjnie pompę wspomagania układu kierowniczego. W ciężkich zastosowaniach, takich jak ciągniki rolnicze, silniki przemysłowe, silniki lotnicze z napędem tłokowym, ciężkie samochody ciężarowe i silniki wyścigowe, wałki rozrządu z napędem zębatym są powszechne ze względu na ich prostotę mechaniczną i długą żywotność.
Alternatywą stosowaną we wczesnych dniach silników OHC było napędzanie wałków rozrządu za pomocą pionowego wału z zębatkami stożkowymi na każdym końcu. System ten był używany na przykład w przedwojennych samochodach Peugeot i Mercedes Grand Prix. Inną opcją było zastosowanie potrójnego mimośrodu z korbowodami; były one używane w niektórych silnikach zaprojektowanych przez firmę WO Bentley , a także w Leyland Eight .
W silniku dwusuwowym, który wykorzystuje wałek rozrządu, każdy zawór jest otwierany raz na każdy obrót wału korbowego; w tych silnikach wałek rozrządu obraca się z taką samą prędkością jak wał korbowy. W silniku czterosuwowym zawory są otwierane tylko o połowę rzadziej; w ten sposób na każdy obrót wałka rozrządu występują dwa pełne obroty wału korbowego.
Charakterystyka wydajności
Czas trwania
Czas trwania wałka rozrządu określa, jak długo zawór wlotowy/wylotowy jest otwarty, dlatego jest to kluczowy czynnik w ilości mocy wytwarzanej przez silnik. Dłuższy czas działania może zwiększyć moc przy wysokich prędkościach obrotowych silnika (RPM), jednak może to wiązać się z kompromisem w postaci mniejszego momentu obrotowego wytwarzanego przy niskich obrotach.
Na pomiar czasu trwania wałka rozrządu ma wpływ wielkość wzniosu wybranego jako punkt początkowy i końcowy pomiaru. Wartość wzniosu 0,050 cala (1,3 mm) jest często stosowana jako standardowa procedura pomiarowa, ponieważ jest ona uważana za najbardziej reprezentatywną dla zakresu wzniosu, który określa zakres obrotów, w którym silnik wytwarza moc szczytową. Charakterystyki mocy i biegu jałowego wałka rozrządu o takim samym znamionowym czasie trwania, który został określony przy użyciu różnych punktów podnoszenia (na przykład 0,006 lub 0,002 cala) mogą się znacznie różnić od wałka rozrządu o znamionowym czasie trwania przy użyciu punktów podnoszenia 0,05 cala.
Dodatkowym efektem wydłużenia czasu trwania może być zwiększone nakładanie się , które określa czas, przez jaki otwarte są zarówno zawory dolotowe, jak i wydechowe. To właśnie nakładanie się ma największy wpływ na jakość biegu jałowego, ponieważ „przedmuch” ładunku wlotowego natychmiast wycofuje się przez zawór wydechowy, który występuje podczas nakładania się, zmniejsza wydajność silnika i jest największy podczas pracy przy niskich obrotach. Ogólnie rzecz biorąc, zwiększenie czasu trwania wałka rozrządu zazwyczaj zwiększa nakładanie się, chyba że kąt separacji krzywek zostanie zwiększony w celu skompensowania.
Laika może łatwo wykryć wałek rozrządu o długim czasie trwania, obserwując szeroką powierzchnię, na której krzywka popycha zawór do otwarcia przy dużej liczbie stopni obrotu wału korbowego. Będzie to wyraźnie większe niż bardziej spiczaste uderzenie wałka rozrządu niż obserwowane na wałkach rozrządu o krótszym czasie trwania.
Wyciąg
Skok wałka rozrządu określa odległość między zaworem a gniazdem zaworu (tj. jak daleko otwarty jest zawór). Im dalej zawór unosi się ze swojego gniazda, tym większy przepływ powietrza może być zapewniony, zwiększając w ten sposób wytwarzaną moc. Wyższy skok zaworu może mieć taki sam efekt, jak zwiększenie mocy szczytowej, jak wydłużenie czasu trwania, bez wad spowodowanych zwiększonym nakładaniem się zaworów. Większość silników górnozaworowych ma przełożenie wahliwe większe niż jeden, dlatego odległość, na którą otwiera się zawór ( skok zaworu ) jest większa niż odległość od szczytu krzywki wałka rozrządu do okręgu podstawy ( wznoszenie wałka rozrządu ).
Istnieje kilka czynników, które ograniczają maksymalny udźwig możliwy dla danego silnika. Po pierwsze, zwiększenie skoku przybliża zawory do tłoka, więc nadmierny skok może spowodować uderzenie i uszkodzenie zaworów przez tłok. Po drugie, zwiększony skok oznacza, że wymagany jest bardziej stromy profil wałka rozrządu, co zwiększa siły potrzebne do otwarcia zaworu. Powiązanym problemem jest pływak zaworu przy wysokich obrotach, gdzie napięcie sprężyny nie zapewnia wystarczającej siły, aby utrzymać zawór podążający za krzywką w jego wierzchołku lub zapobiec podskakiwaniu zaworu po powrocie do gniazda zaworu. Może to być wynikiem bardzo stromego wznoszenia się krzywki, gdzie popychacz oddziela się od krzywki (ze względu na bezwładność mechanizmu rozrządu zaworowego jest większa niż siła zamykająca sprężyny zaworowej), pozostawiając zawór otwarty dłużej niż zamierzono. Pływak zaworu powoduje utratę mocy przy wysokich obrotach, aw skrajnych sytuacjach może skutkować wygięciem zaworu, jeśli zostanie uderzony przez tłok.
wyczucie czasu
Taktowanie (kąt fazowy) wałka rozrządu względem wału korbowego można regulować, aby przesunąć pasmo mocy silnika na inny zakres obrotów. Przesunięcie wałka rozrządu do przodu (przestawienie go przed rozrządem wału korbowego) zwiększa moment obrotowy przy niskich obrotach, podczas gdy opóźnienie wałka rozrządu (przestawienie go za wałem korbowym) zwiększa moc przy wysokich obrotach. Wymagane zmiany są stosunkowo niewielkie, często rzędu 5 stopni.
Nowoczesne silniki ze zmiennymi fazami rozrządu często są w stanie dostosować rozrząd wałka rozrządu do prędkości obrotowej silnika w danym momencie. Pozwala to uniknąć powyższego kompromisu wymaganego przy wyborze stałego rozrządu krzywki do użytku zarówno przy wysokich, jak i niskich obrotach.
Kąt separacji płata
Kąt separacja płat (LSA, zwany także płat kąt oś ) jest kątem pomiędzy linią środkową płatów wlotowy i środkową płatów spalin. Wyższy LSA zmniejsza nakładanie się, co poprawia jakość biegu jałowego i podciśnienie wlotowe, jednak użycie szerszego LSA w celu skompensowania nadmiernego czasu trwania może zmniejszyć moc i moment obrotowy. Ogólnie rzecz biorąc, optymalny LSA dla danego silnika jest związany ze stosunkiem objętości cylindra do powierzchni zaworów dolotowych.
Konserwacja i zużycie
Wiele starszych silników wymagało ręcznej regulacji wahaczy lub popychaczy w celu utrzymania prawidłowego luzu zaworowego w miarę zużywania się mechanizmu rozrządu zaworowego (w szczególności zaworów i gniazd zaworów). Jednak większość nowoczesnych silników samochodowych ma hydrauliczne podnośniki, które automatycznie kompensują zużycie, eliminując potrzebę regulacji luzu zaworowego w regularnych odstępach czasu.
Tarcie ślizgowe między powierzchnią krzywki a popychaczem krzywki, który się po niej porusza, może być znaczne. Aby zmniejszyć zużycie w tym momencie, krzywka i popychacz są utwardzane powierzchniowo , a nowoczesne oleje silnikowe zawierają dodatki zmniejszające tarcie ślizgowe. Występy wałka rozrządu są zwykle lekko zwężone, a powierzchnie popychaczy zaworów lekko wypukłe, co powoduje, że popychacze obracają się i rozprowadzają zużycie na częściach. Powierzchnie krzywki i popychacza są zaprojektowane tak, aby „ścierały się” razem, dlatego każdy popychacz powinien pozostać przy swoim oryginalnym garbie krzywki i nigdy nie powinien być przenoszony do innego garbu. Niektóre silniki (szczególnie te ze stromymi występami wałka rozrządu) wykorzystują popychacze rolkowe w celu zmniejszenia tarcia ślizgowego na wałku rozrządu. W przypadku zwiększenia wzniosu wałka rozrządu lub zwiększenia obrotów roboczych silnika na minutę, może być konieczne zwiększenie nacisku sprężyny zaworowej, aby utrzymać fizyczny kontakt podnośnika z wałkiem rozrządu.
Łożyska wałków rozrządu, podobnie jak łożyska wału korbowego, są łożyskami ślizgowymi zasilanymi olejem pod ciśnieniem. Jednak łożyska wałka rozrządu w głowicy nie zawsze mają wymienne panewki, w takim przypadku należy wymienić całą głowicę cylindra, jeśli łożyska są wadliwe.
Alternatywy
Oprócz tarcia mechanicznego, do otwarcia zaworów wymagana jest znaczna siła, pokonując opór zapewniany przez sprężyny zaworów. Może to stanowić około 25% całkowitej mocy silnika na biegu jałowym.
W silnikach spalinowych zastosowano następujące alternatywne systemy:
- Zawory desmodromiczne , w których zawory są zamknięte za pomocą krzywki i systemu dźwigni, a nie sprężyn. System ten był używany w różnych motocyklach wyścigowych i drogowych Ducatti, odkąd został wprowadzony w motocyklu wyścigowym Ducati 125 Desmo z 1956 roku .
- Silnik tłokowy bezkrzywkowy , który wykorzystuje siłowniki elektromagnetyczne, hydrauliczne lub pneumatyczne. Po raz pierwszy zastosowany w turbodoładowanych silnikach Renault Formuły 1 w połowie lat 80. i przeznaczony do użytku w samochodach drogowych w Koenigsegg Gemera .
- Silnik Wankla , silnik obrotowy, który nie wykorzystuje ani tłoków, ani zaworów. W szczególności używany przez Mazdę od Mazdy Cosmo z 1967 roku aż do wycofania Mazdy RX-8 w 2012 roku.
Układy zapłonowe silnika
W mechanicznie sterowanych układach zapłonowych oddzielna krzywka w dystrybutorze jest dostosowana do silnika i obsługuje zestaw punktów zerwania, które wyzwalają iskrę we właściwym czasie w cyklu spalania.
Regulatory prędkości silników elektrycznych
Przed pojawieniem się elektroniki półprzewodnikowej , sterowniki wałka rozrządu były używane do kontrolowania prędkości silników elektrycznych . Do sekwencyjnej obsługi styczników zastosowano wałek rozrządu napędzany silnikiem elektrycznym lub pneumatycznym . W ten sposób rezystory lub przełączniki zaczepów były włączane lub wyłączane z obwodu w celu zmiany prędkości silnika głównego. System ten był stosowany głównie w elektrycznych zespołach trakcyjnych i lokomotywach elektrycznych .
Zobacz też
Bibliografia