Wałek rozrządu
W silnikach tłokowych wałek rozrządu służy do obsługi zaworów ssących i wydechowych. Wałek rozrządu składa się z cylindrycznego pręta biegnącego wzdłuż brzegu cylindra z pewną liczbą krzywek (tarcz z wystającymi płatkami krzywkowymi) wzdłuż jego długości, po jednej dla każdego zaworu. Płatek krzywki wymusza otwarcie zaworu poprzez nacisk na zawór lub na mechanizm pośredni podczas obrotu. W tym samym czasie sprężyna wywiera napięcie, pociągając zawór w kierunku jego pozycji zamkniętej. Kiedy płatek osiąga swoje największe przesunięcie na popychaczu, zawór jest całkowicie otwarty. Zawór jest zamknięty, gdy sprężyna ciągnie go z powrotem, a krzywka znajduje się na swoim podstawowym okręgu.
KonstrukcjaEdit
Wałki rozrządu są wykonane z metalu i zazwyczaj są pełne, chociaż czasami stosuje się wałki rozrządu drążone. Materiały stosowane do produkcji wałów rozrządu to zazwyczaj:
- Odlew żeliwny: Powszechnie stosowane w produkcji wielkoseryjnej, chłodzone żelazne wałki rozrządu mają dobrą odporność na zużycie, ponieważ proces chłodzenia utwardza je. Inne elementy są dodawane do żelaza przed odlewaniem, aby materiał był bardziej odpowiedni do zastosowania.
- Stal kęsowa: Gdy wymagany jest wałek rozrządu wysokiej jakości lub produkcja niskoseryjna, konstruktorzy silników i producenci wałków rozrządu wybierają stalowy kęs. Jest to znacznie bardziej czasochłonny proces, i jest na ogół droższy niż inne metody. Metoda konstrukcji to zazwyczaj kucie, obróbka skrawaniem (przy użyciu tokarki lub frezarki do metalu), odlewanie lub hydroformowanie. Można stosować różne rodzaje prętów stalowych, jednym z przykładów jest EN40b. W przypadku produkcji wałka rozrządu z EN40b jest on dodatkowo poddawany obróbce cieplnej poprzez azotowanie gazowe, które zmienia mikrostrukturę materiału. Daje to twardość powierzchni 55-60 HRC, odpowiednią do stosowania w silnikach o wysokiej mocy.
Układy ValvetrainEdit
Większość wczesnych silników spalinowych wykorzystywała układ cam-in-block (taki jak zawory górne), w którym wałek rozrządu znajduje się w bloku silnika w pobliżu dolnej części silnika. W XX wieku, wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, coraz powszechniejsze stawały się silniki z pojedynczym wałkiem rozrządu (SOHC), w których wałek rozrządu znajduje się w głowicy cylindrów w górnej części silnika, a w ostatnich latach silniki z podwójnym wałkiem rozrządu (DOHC).
Układ układu rozrządu definiuje się na podstawie liczby wałków rozrządu na każdy cylinder. Dlatego silnik V6 z łącznie czterema wałkami rozrządu (po dwa na każdy cylinder) jest zwykle określany jako silnik z podwójnym wałkiem rozrządu, chociaż potocznie są one czasami określane jako silniki czterokrzywkowe.
W silniku górnozaworowym wałek rozrządu naciska na popychacz, który przenosi ruch do górnej części silnika, gdzie dźwignia otwiera zawór ssący/wydechowy. W silnikach OHC i DOHC wałek rozrządu obsługuje zawór bezpośrednio lub poprzez krótki wahacz.
Układy napędoweEdit
Dokładna kontrola położenia i prędkości wałka rozrządu jest krytycznie ważna dla umożliwienia prawidłowej pracy silnika. Wałek rozrządu jest napędzany przez wał korbowy albo bezpośrednio, zwykle za pomocą gumowego paska zębatego lub stalowego łańcucha rolkowego (zwanego łańcuchem rozrządu). Niekiedy do napędu wałka rozrządu stosuje się również koła zębate. W niektórych konstrukcjach wałek rozrządu napędza również rozdzielacz, pompę olejową, pompę paliwową i czasami pompę wspomagania układu kierowniczego.
Alternatywą stosowaną w początkach silników OHC było napędzanie wałka (wałków) rozrządu za pomocą pionowego wału z przekładniami stożkowymi na każdym końcu. System ten był, na przykład, stosowany w samochodach Grand Prix Peugeota i Mercedesa sprzed I wojny światowej. Inną możliwością było zastosowanie potrójnego mimośrodu z korbowodami; były one stosowane w niektórych silnikach zaprojektowanych przez W.O. Bentleya, a także w Leylandzie Eight.
W silniku dwusuwowym, w którym zastosowano wałek rozrządu, każdy zawór jest otwierany raz na każdy obrót wału korbowego; w tych silnikach wałek rozrządu obraca się z tą samą prędkością co wał korbowy. W silniku czterosuwowym zawory są otwierane tylko o połowę rzadziej; w związku z tym na każdy obrót wału korbowego przypadają dwa pełne obroty wału rozrządu.
Charakterystyka pracyEdit
Czas trwaniaEdit
Czas trwania wałka rozrządu określa, jak długo zawór dolotowy/wydechowy jest otwarty, dlatego jest to kluczowy czynnik wpływający na ilość mocy, jaką wytwarza silnik. Dłuższy czas trwania może zwiększyć moc przy wysokich prędkościach obrotowych silnika (RPM), jednak może to oznaczać mniejszy moment obrotowy wytwarzany przy niskich RPM.
Na pomiar czasu trwania wałka rozrządu ma wpływ wielkość skoku, która jest wybierana jako punkt początkowy i końcowy pomiaru. Wartość skoku 0,050 in (1,3 mm) jest często używana jako standardowa procedura pomiarowa, ponieważ jest ona uważana za najbardziej reprezentatywną dla zakresu skoku, który określa zakres obrotów, w którym silnik wytwarza maksymalną moc. Moc i charakterystyka biegu jałowego wałka rozrządu o tym samym czasie trwania, który został określony przy użyciu różnych punktów wzniosu (na przykład 0,006 lub 0,002 cala) może znacznie różnić się od wałka rozrządu o czasie trwania określonym przy użyciu punktów wzniosu 0,05 cala.
Ponadrzędnym efektem zwiększonego czasu trwania może być zwiększone nakładanie się, które określa długość czasu, w którym zarówno zawory ssące, jak i wydechowe są otwarte. To właśnie nakładanie się najbardziej wpływa na jakość biegu jałowego, ponieważ „przedmuch” ładunku dolotowego natychmiast powraca przez zawór wydechowy, który występuje podczas nakładania się, zmniejsza wydajność silnika i jest największy podczas pracy na niskich obrotach. Ogólnie rzecz biorąc, zwiększenie czasu trwania wałka rozrządu zwykle zwiększa zazębianie się, chyba że Kąt Oddzielenia Płatków zostanie zwiększony, aby to skompensować.
Edycja wzniosu
Wznios wałka rozrządu określa odległość między zaworem a gniazdem zaworu (tj. jak daleko otwarty jest zawór). Im dalej zawór znajduje się od swojego gniazda, tym większy jest przepływ powietrza i tym samym wzrasta wytwarzana moc. Większy skok zaworu może mieć ten sam efekt zwiększenia mocy szczytowej, co zwiększony czas trwania, bez minusów spowodowanych przez zwiększone nakładanie się zaworów. Większość silników górnozaworowych ma stosunek dźwigni zaworowych większy niż jeden, dlatego odległość, na jaką otwiera się zawór (wznios zaworu) jest większa niż odległość od szczytu krzywki wałka rozrządu do koła podstawowego (wznios wałka rozrządu).
Istnieje kilka czynników, które ograniczają maksymalny możliwy wznios dla danego silnika. Po pierwsze, zwiększenie skoku przybliża zawory do tłoka, więc zbyt duży skok może spowodować uderzenie w zawory i ich uszkodzenie 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 pływanie zaworu przy wysokich obrotach, gdzie napięcie sprężyny nie zapewnia wystarczającej siły, aby utrzymać zawór za krzywką w jej wierzchołku lub zapobiec odbijaniu się zaworu podczas powrotu do gniazda zaworu. Może to być wynikiem bardzo stromego wznoszenia się krzywki, gdzie dźwignia zaworowa oddziela się od krzywki (z powodu bezwładności układu rozrządu większej niż siła zamykania sprężyny zaworowej), pozostawiając zawór otwarty dłużej niż jest to zamierzone. Pływanie zaworu powoduje utratę mocy przy wysokich obrotach, a w skrajnych sytuacjach może doprowadzić do wygięcia zaworu, jeśli zostanie on uderzony przez tłok.
Edycja rozrządu
Rozrząd (kąt fazowy) wału rozrządu względem wału korbowego może być dostosowany do przesunięcia pasma mocy silnika na inny zakres obrotów. Przyspieszenie wałka rozrządu (przesunięcie go przed wał korbowy) zwiększa moment obrotowy przy niskich obrotach, podczas gdy opóźnienie wałka rozrządu (przesunięcie go za wał korbowy) zwiększa moc przy wysokich obrotach. Wymagane zmiany są stosunkowo małe, często rzędu 5 stopni.
Nowoczesne silniki, które mają zmienne rozrządy zaworów są często w stanie dostosować rozrząd wałka rozrządu do RPM silnika w danym momencie. Pozwala to na uniknięcie powyższego kompromisu wymaganego przy wyborze stałego rozrządu do stosowania zarówno przy wysokich jak i niskich obrotach.
Kąt oddzielenia płatów
Kąt oddzielenia płatów (LSA, zwany również kątem linii środkowej płatów) jest kątem pomiędzy linią środkową płatów dolotowych i linią środkową płatów wylotowych. Wyższy LSA zmniejsza nakładanie się, co poprawia jakość pracy na biegu jałowym i podciśnienie w układzie dolotowym, jednak zastosowanie szerszego LSA w celu skompensowania zbyt długiego czasu trwania może spowodować spadek mocy i momentu obrotowego. Ogólnie rzecz biorąc, optymalne LSA dla danego silnika jest związane ze stosunkiem objętości cylindra do powierzchni zaworu wlotowego.
Konserwacja i zużycieEdit
Wiele starszych silników wymagało ręcznej regulacji dźwigni zaworowych lub popychaczy w celu utrzymania prawidłowego luzu zaworowego w miarę zużywania się układu rozrządu (w szczególności zaworów i gniazd zaworowych). Jednak większość nowoczesnych silników samochodowych posiada hydrauliczne popychacze, które automatycznie kompensują zużycie, eliminując potrzebę regulacji luzu zaworowego w regularnych odstępach czasu.
Tarcie ślizgowe pomiędzy powierzchnią krzywki a jeżdżącą po niej dźwignią może być znaczne. W celu zmniejszenia zużycia w tym miejscu, krzywka i dźwignia są utwardzane powierzchniowo, a nowoczesne oleje silnikowe zawierają dodatki zmniejszające tarcie ślizgowe. Płatki wałka rozrządu są zazwyczaj lekko stożkowe, a powierzchnie dźwigni zaworowych lekko wypukłe, co powoduje, że dźwignie obracają się, rozkładając zużycie na części. Powierzchnie krzywki i dźwigni są zaprojektowane tak, aby „zużywały się” razem, dlatego każda dźwignia powinna pozostać przy swoim oryginalnym płacie krzywki i nigdy nie powinna być przenoszona na inny płat. W niektórych silnikach (szczególnie tych ze stromymi krzywkami) stosuje się popychacze rolkowe w celu zmniejszenia tarcia ślizgowego na wałku rozrządu.
Łożyska wałków rozrządu, podobnie jak łożyska wału korbowego, są łożyskami ślizgowymi, zasilanymi ciśnieniowo olejem. Łożyska wałków rozrządu nie zawsze mają jednak wymienne panewki, a w przypadku uszkodzenia łożysk konieczna jest wymiana całej głowicy cylindrów.
AlternatywyEdit
Oprócz tarcia mechanicznego, do otwarcia zaworów potrzebna jest znaczna siła, której nie wytrzymują sprężyny zaworowe. Może to wynosić około 25% całkowitej mocy silnika na biegu jałowym, co zmniejsza ogólną wydajność.
Następujące alternatywne systemy zostały użyte w silnikach spalinowych:
- Zawory Desmodromiczne, gdzie zawory są zamykane przez krzywkę i system dźwigni, a nie sprężyny. System ten był stosowany w różnych motocyklach wyścigowych i drogowych Ducatti od momentu wprowadzenia go w 1956 roku w motocyklu wyścigowym Ducati 125 Desmo.
- Bezkrzywkowy silnik tłokowy, który wykorzystuje elektromagnetyczne, hydrauliczne lub pneumatyczne siłowniki. Po raz pierwszy zastosowany w turbodoładowanych silnikach Renault Formuły 1 w połowie lat 80. i przewidziany do użytku w samochodach drogowych w Koenigsegg Gemera.
- Silnik Wankla, silnik rotacyjny, który nie wykorzystuje ani tłoków, ani zaworów. Najczęściej stosowany przez Mazdę od modelu Mazda Cosmo z 1967 r. do momentu wycofania z produkcji modelu Mazda RX-8 w 2012 r.
.