A vezérműtengely
A dugattyús motorokban a vezérműtengely a be- és kipufogószelepek működtetésére szolgál. A vezérműtengely egy, a hengersor hosszában futó hengeres rúdból áll, amelynek hosszában több, szelepenként egy-egy szelephez tartozó bütyök (kiálló bütyökkel ellátott tárcsa) található. A vezérműtengely forgása közben a szelepet a szelepre vagy valamilyen közbenső mechanizmusra nyomva nyitja ki a szelepet. Eközben egy rugó olyan feszültséget fejt ki, amely a szelepet a zárt helyzet felé húzza. Amikor a forgókar a legnagyobb elmozdulást éri el a tolórúdon, a szelep teljesen nyitva van. A szelep akkor van zárva, amikor a rugó visszahúzza, és a bütyök az alapkörén van.
KonstrukcióSzerkesztés
A vezérműtengelyek fémből készülnek, és általában tömörek, bár néha üreges vezérműtengelyeket is használnak. A vezérműtengelyhez használt anyagok általában vagy:
- öntöttvas: A nagy sorozatgyártásban általánosan használt, hűtött vasból készült vezérműtengelyek jó kopásállósággal rendelkeznek, mivel a hűtési folyamat megkeményíti őket. Az öntés előtt más elemeket adnak a vashoz, hogy az anyag alkalmasabbá váljon az alkalmazásra.
- Billet acél: Ha kiváló minőségű vezérműtengelyre vagy kisszériás gyártásra van szükség, a motorépítők és a vezérműtengelygyártók az acél tuskót választják. Ez egy sokkal időigényesebb folyamat, és általában drágább, mint más módszerek. A gyártási módszer általában vagy kovácsolás, megmunkálás (fém esztergával vagy marógéppel), öntés vagy hidroformázás. Különböző típusú acélrudak használhatók, például az EN40b. EN40b acélból történő gyártáskor a vezérműtengelyt gáznitridálással hőkezelik, ami megváltoztatja az anyag mikroszerkezetét. Ez 55-60 HRC felületi keménységet eredményez, amely nagy teljesítményű motorokban való felhasználásra alkalmas.
Szelepvezérlés elrendezéseSzerkesztés
A legtöbb korai belsőégésű motor cam-in-block elrendezést használt (pl. felső szelepek), ahol a vezérműtengely a motorblokkban, a motor aljának közelében helyezkedik el. Ahogy a 20. században a motorok fordulatszáma nőtt, egyre elterjedtebbé váltak az egyszeres vezérműtengelyes (SOHC) motorok – ahol a vezérműtengely a hengerfejben, a motor teteje közelében található -, majd az utóbbi években a dupla vezérműtengelyes (DOHC) motorok.
A szeleptörzs elrendezését a hengersoronkénti vezérműtengelyek száma határozza meg. Ezért egy V6-os motort, amelynek összesen négy vezérműtengelye van (hengersoronként kettő), általában dupla felső vezérműtengelyes motornak neveznek, bár a köznyelvben néha “quad-cam” motoroknak is nevezik őket.
A felső szelepes motorokban a vezérműtengely egy tolórudat nyom, amely a mozgást a motor tetejére továbbítja, ahol egy lengőkar nyitja a szívó-/kipufogószelepet. Az OHC és DOHC motorok esetében a vezérműtengely közvetlenül vagy egy rövid lengőkaron keresztül működteti a szelepet.
HajtásrendszerekSzerkesztés
A vezérműtengely helyzetének és fordulatszámának pontos szabályozása kritikusan fontos ahhoz, hogy a motor megfelelően működjön. A vezérműtengelyt a forgattyús tengely vagy közvetlenül, általában fogazott gumi vezérműszíjjal vagy acél görgős lánccal (úgynevezett vezérműlánc) hajtja. Alkalmanként fogaskerekeket is használtak a vezérműtengely meghajtására. Egyes konstrukciókban a vezérműtengely hajtja az elosztót, az olajszivattyút, az üzemanyagszivattyút és esetenként a szervokormány-szivattyút is.
Az OHC motorok korai időszakában alkalmazott alternatíva az volt, hogy a vezérműtengely(eke)t egy függőleges tengelyen keresztül hajtották meg, amelynek mindkét végén ferde fogaskerék volt. Ezt a rendszert használták például az első világháború előtti Peugeot és Mercedes Grand Prix autókban. Egy másik lehetőség volt a hármas excenter használata összekötőrudakkal; ezeket egyes W.O. Bentley által tervezett motorokon és a Leyland Eight motorokon is használták.
A kétütemű, vezérműtengelyt használó motorokban minden egyes szelep a forgattyús tengely minden fordulatára egyszer nyílik ki; ezekben a motorokban a vezérműtengely a forgattyús tengellyel azonos sebességgel forog. Egy négyütemű motorban a szelepek csak feleannyiszor nyílnak ki; így a forgattyús tengely minden egyes forgatására két teljes forgás jut.
TeljesítményjellemzőkSzerkesztés
IdőtartamSzerkesztés
A vezérműtengely időtartama határozza meg, hogy a szívó-/kipufogószelep mennyi ideig van nyitva, ezért kulcsfontosságú tényezője a motor által termelt teljesítménynek. A hosszabb időtartam növelheti a teljesítményt a motor magas fordulatszámán (RPM), ez azonban azzal a kompromisszummal járhat, hogy alacsony fordulatszámon kevesebb nyomaték keletkezik.
A vezérműtengely időtartamának mérését befolyásolja a mérés kezdő- és végpontjaként választott emelés mértéke. A 0,050 in (1,3 mm) emelési értéket gyakran használják szabványos mérési eljárásként, mivel ezt tekintik a legjellemzőbbnek arra az emelési tartományra, amely meghatározza azt a fordulatszám-tartományt, amelyben a motor csúcsteljesítményt produkál. Egy azonos időtartamú, de más emelési pontokkal (például 0,006 vagy 0,002 hüvelykkel) meghatározott vezérműtengely teljesítmény- és üresjárati jellemzői jelentősen eltérhetnek egy olyan vezérműtengelytől, amelynek időtartamát 0,05 hüvelyk emelési pontokkal határozták meg.
A megnövelt időtartam másodlagos hatása lehet a megnövekedett átfedés, amely meghatározza, hogy a szívó- és kipufogószelepek mennyi ideig vannak nyitva. Az átfedés befolyásolja leginkább az alapjárati minőséget, mivel a szívótöltet “átfúvása” a kipufogószelepen keresztül, ami az átfedés során következik be, csökkenti a motor hatásfokát, és alacsony fordulatszámon történő működés közben a legnagyobb. Általában a vezérműtengely időtartamának növelése általában növeli az átfedést, kivéve, ha ennek ellensúlyozására megnöveljük a forgattyúszög elválasztási szögét.
LiftEdit
A vezérműtengely emelése határozza meg a szelep és a szelepfészek közötti távolságot (azaz, hogy mennyire nyitott a szelep). Minél messzebb emelkedik a szelep az ülésétől, annál nagyobb légáramlást tud biztosítani, így növelve a termelt teljesítményt. A nagyobb szelepemelésnek ugyanaz a csúcsteljesítményt növelő hatása lehet, mint a megnövelt időtartamnak, a megnövekedett szelepátfedés okozta hátrányok nélkül. A legtöbb felsőszelepes motorban a lengőkarok aránya nagyobb, mint egy, ezért a szelep nyitási távolsága (a szelepemelkedés) nagyobb, mint a vezérműtengely csücskétől az alapkörig terjedő távolság (a vezérműtengely emelése).
Egy adott motor esetében több tényező is korlátozza a maximálisan lehetséges emelést. Először is, a növekvő emelés közelebb hozza a szelepeket a dugattyúhoz, így a túlzott emelés miatt a szelepeket a dugattyú megütheti és megrongálhatja. Másodszor, a megnövekedett emelés azt jelenti, hogy meredekebb vezérműtengelyprofilra van szükség, ami növeli a szelepek kinyitásához szükséges erőket. Ehhez kapcsolódó probléma a szelepek lebegése magas fordulatszámon, amikor a rugófeszítés nem biztosít elegendő erőt ahhoz, hogy a szelep a csúcsponton kövesse a vezérműtengelyt, vagy megakadályozza a szelep pattogását, amikor visszatér a szelepülésre. Ennek oka lehet a vezérműtengely nagyon meredek emelkedése, amikor a vezérműtengely-követő elválik a vezérműtengelytől (mivel a szeleptörzs tehetetlensége nagyobb, mint a szeleprugó záróereje), és a szelep a tervezettnél hosszabb ideig marad nyitva. A szelep lebegése magas fordulatszámon teljesítménycsökkenést okoz, és szélsőséges helyzetekben a szelep elgörbülését eredményezheti, ha a dugattyúnak ütközik.
TimingEdit
A vezérműtengely forgattyús tengelyhez viszonyított időzítése (fázisszöge) beállítható, hogy a motor teljesítménysávját egy másik fordulatszám-tartományba helyezzük át. A vezérműtengely előretolása (a forgattyús tengely időzítése elé tolása) növeli az alacsony fordulatszámú nyomatékot, míg a vezérműtengely hátráltatása (a forgattyús tengely utánra tolása) növeli a magas fordulatszámú teljesítményt. A szükséges változtatások viszonylag kicsik, gyakran 5 fokos nagyságrendűek.
A változó szelepvezérlésű modern motorok gyakran képesek a vezérműtengely időzítését a motor mindenkori fordulatszámához igazítani. Így elkerülhető a fenti kompromisszum, amelyre akkor van szükség, ha a fix vezérműtengely-kiosztást választjuk magas és alacsony fordulatszámon való használathoz egyaránt.
Megmunkálási szög
A vezérműtengely-elválasztási szög (LSA, más néven vezérműtengely-középponti szög) a szívólebenyek középvonala és a kipufogólebenyek középvonala közötti szög. A nagyobb LSA csökkenti az átfedést, ami javítja az üresjárat minőségét és a szívási vákuumot, azonban a túlzott időtartam kompenzálására használt szélesebb LSA csökkentheti a teljesítményt és a forgatónyomatékot. Általánosságban elmondható, hogy egy adott motor optimális LSA értéke a henger térfogatának és a szívószelepek felületének arányával függ össze.
Karbantartás és kopásSzerkesztés
Sok régebbi motor esetében a szelepsorok (különösen a szelepek és a szelepülések) kopása miatt a megfelelő szelepsáv fenntartása érdekében a lengőkarok vagy a tolórudak kézi beállítására volt szükség. A legtöbb modern autómotor azonban olyan hidraulikus emelővel rendelkezik, amely automatikusan kompenzálja a kopást, így nincs szükség a szelepsorsó rendszeres időközönkénti beállítására.
A vezérműtengely felülete és a rajta futó vezérműtengely között jelentős lehet a csúszó súrlódás. Annak érdekében, hogy csökkentsék a kopást ezen a ponton, a bütyök és a követő is felületi edzéssel van ellátva, és a modern motorolajok adalékanyagokat tartalmaznak a csúszó súrlódás csökkentésére. A vezérműtengely bütykei általában enyhén kúposak, a szelepemelők felületei pedig enyhén domborúak, ami az emelők forgását okozza, hogy eloszlassa az alkatrészek kopását. A bütyök és a követő felületeit úgy tervezték, hogy együtt “kopjanak”, ezért minden követőnek az eredeti bütyöklebenyén kell maradnia, és soha nem szabad áthelyezni egy másik bütyökre. Egyes motorok (különösen a meredek vezérműtengelylebenyekkel rendelkezők) görgős csapágyakat használnak a vezérműtengely csúszó súrlódásának csökkentése érdekében.
A vezérműtengelyek csapágyai, hasonlóan a forgattyús tengelyekhez, simacsapágyak, amelyeket nyomás alatt olajjal táplálnak. A felső vezérműtengely csapágyai azonban nem mindig rendelkeznek cserélhető héjakkal, ilyenkor a csapágyak meghibásodása esetén az egész hengerfejet ki kell cserélni.
AlternatívákSzerkesztés
A mechanikai súrlódás mellett jelentős erőre van szükség a szelepek kinyitásához a szeleprugók által nyújtott ellenállással szemben. Ez a motor teljes teljesítményének becslések szerint akár 25%-át is kiteheti üresjáratban, ami csökkenti az általános hatásfokot.
A belsőégésű motorokban a következő alternatív rendszereket alkalmazták:
- Desmodromikus szelepek, ahol a szelepeket nem rugók, hanem egy bütyök és egy tőkeáttételi rendszer zárja pozitívan. Ezt a rendszert különböző Ducatti verseny- és utcai motorkerékpárokon használják az 1956-os Ducati 125 Desmo versenymotoron való bevezetése óta.
- Dugattyús dugattyús motorok, amelyek elektromágneses, hidraulikus vagy pneumatikus működtetőelemeket használnak. Először a Renault Forma-1-es turbófeltöltős motorjaiban használták az 1980-as évek közepén, és a Koenigsegg Gemera közúti autóban történő felhasználását tervezik.
- Wankel-motor, forgódugattyús motor, amely nem használ sem dugattyút, sem szelepeket. Leginkább a Mazda használta az 1967-es Mazda Cosmótól a Mazda RX-8 2012-es gyártásának megszüntetéséig.