Om du har läst artikeln Så fungerar bilmotorer så känner du till ventilerna som släpper in luft/bränsleblandningen i motorn och avgaserna ur motorn. Kamaxeln använder lober (kallade kammar ) som trycker mot ventilerna för att öppna dem när kamaxeln roterar; fjädrar på ventilerna återför dem till stängt läge. Detta är ett kritiskt jobb och kan ha stor inverkan på en motors prestanda vid olika hastigheter. På nästa sida i den här artikeln kan du se animationen vi byggde för att verkligen visa dig skillnaden mellan en prestandakamaxel och en standard.
I den här artikeln får du lära dig hur kamaxeln påverkar motorns prestanda. Vi har några fantastiska animeringar som visar hur olika motorlayouter, som enkel överliggande kam (SOHC) och dubbel överliggande kam (DOHC), fungerar verkligen. Och sedan ska vi gå igenom några av de snygga sätten som vissa bilar justerar kamaxeln så att den kan hantera olika motorvarvtal mer effektivt.
Låt oss börja med grunderna.
De viktigaste delarna av varje kamaxel är loberna . När kamaxeln snurrar öppnar och stänger loberna insugnings- och avgasventilerna i takt med kolvens rörelse. Det visar sig att det finns ett direkt samband mellan formen på kamloberna och hur motorn presterar i olika varvtalsområden.
För att förstå varför detta är fallet, föreställ dig att vi kör en motor extremt långsamt -- med bara 10 eller 20 varv per minut (RPM) -- så att det tar kolven ett par sekunder att slutföra en cykel. Det skulle vara omöjligt att faktiskt köra en normal motor så långsamt, men låt oss föreställa oss att vi kunde. Vid denna låga hastighet skulle vi vilja ha kamlober formade så att:
Denna inställning skulle fungera riktigt bra för motorn så länge den gick i denna mycket låga hastighet. Men vad händer om du ökar varvtalet? Låt oss ta reda på det.
När du ökar varvtalet fungerar inte 10 till 20 varv/min-konfigurationen för kamaxeln bra. Om motorn går med 4 000 rpm öppnar och stänger ventilerna 2 000 gånger varje minut, eller 33 gånger per sekund. Vid dessa hastigheter rör sig kolven mycket snabbt, så luft/bränsleblandningen som rusar in i cylindern rör sig också mycket snabbt.
När insugningsventilen öppnar och kolven börjar sitt insugningsslag, börjar luft/bränsleblandningen i insugningskanalen att accelerera in i cylindern. När kolven når botten av sitt insugningsslag rör sig luften/bränslet med en ganska hög hastighet. Om vi skulle slå igen insugningsventilen skulle all den luften/bränslet stanna och inte komma in i cylindern. Genom att lämna insugningsventilen öppen lite längre, fortsätter rörelsemängden hos den snabbrörliga luften/bränslet att tvinga in luft/bränsle i cylindern när kolven börjar sitt kompressionsslag. Så ju snabbare motorn går, desto snabbare rör sig luften/bränslet, och desto längre vill vi att insugningsventilen ska vara öppen. Vi vill också att ventilen ska öppnas bredare vid högre hastigheter -- denna parameter, som kallas ventillyft , styrs av kamlobsprofilen.
Animationen nedan visar hur en vanlig kamera och en prestandakamera har olika ventiltider. Lägg märke till att avgascyklerna (röd cirkel) och insugningscyklerna (blå cirkel) överlappar mycket mer på prestandakammen. På grund av detta tenderar bilar med den här typen av kam att gå väldigt grovt på tomgång.
Varje given kamaxel kommer att vara perfekt endast vid ett motorvarvtal. Vid vartannat motorvarvtal kommer motorn inte att prestera till sin fulla potential. En fast kamaxel är därför alltid en kompromiss. Det är därför biltillverkarna har utvecklat system för att variera kamprofilen när motorvarvtalet ändras.
Det finns flera olika arrangemang av kamaxlar på motorer. Vi kommer att prata om några av de vanligaste. Du har säkert hört terminologin:
I nästa avsnitt kommer vi att titta på var och en av dessa konfigurationer.
Detta arrangemang betecknar en motor med en kam per huvud . Så om det är en inline 4-cylindrig eller inline 6-cylindrig motor kommer den att ha en kam; om det är en V-6 eller V-8 kommer den att ha två kammar (en för varje huvud).
Kammen aktiverar vipparmar som trycker ner ventilerna och öppnar dem. Fjädrar återför ventilerna till stängt läge. Dessa fjädrar måste vara mycket starka eftersom vid höga motorvarvtal trycks ventilerna ner mycket snabbt, och det är fjädrarna som håller ventilerna i kontakt med vipparmarna. Om fjädrarna inte var tillräckligt starka kan ventilerna komma bort från vipparmarna och snäppa tillbaka. Detta är en oönskad situation som skulle resultera i extra slitage på kammarna och vipparmarna.
På enkel- och dubbelkammotorer drivs kammarna av vevaxeln, antingen via en rem eller kedja som kallas kuggremmen eller tidskedja . Dessa remmar och kedjor måste bytas ut eller justeras med jämna mellanrum. Om en kamremmen går sönder kommer kammen att sluta snurra och kolven kan träffa de öppna ventilerna.
En dubbel kammotor har två kammar per huvud . Så inlinemotorer har två kammar och V-motorer har fyra. Vanligtvis används dubbla överliggande kammar på motorer med fyra eller fler ventiler per cylinder -- en enda kamaxel kan helt enkelt inte passa tillräckligt med kamlober för att aktivera alla dessa ventiler.
Det främsta skälet till att använda dubbla överliggande kammar är att möjliggöra fler insugs- och avgasventiler. Fler ventiler gör att insugs- och avgaser kan flöda mer fritt eftersom det finns fler öppningar för dem att strömma igenom. Detta ökar motorns kraft.
Den slutliga konfigurationen som vi ska gå in på i den här artikeln är stötstångsmotorn.
Liksom SOHC- och DOHC-motorer är ventilerna i en tryckstångsmotor placerade i huvudet, ovanför cylindern. Den viktigaste skillnaden är att kamaxeln på en tryckstångsmotor är inuti motorblocket , snarare än i huvudet.
Kammen aktiverar långa stavar som går upp genom blocket och in i huvudet för att flytta vipparna. Dessa långa stavar tillför massa till systemet, vilket ökar belastningen på ventilfjädrarna. Detta kan begränsa hastigheten på stötstångsmotorer; den överliggande kamaxeln, som eliminerar stötstången från systemet, är en av motorteknologierna som möjliggjorde högre motorvarvtal.
Kamaxeln i en stötstångsmotor drivs ofta av växlar eller en kort kedja. Kugghjulsdrifter är i allmänhet mindre benägna att gå sönder än remdrift, som ofta finns i överliggande kammotorer.
En stor sak med att designa kamaxelsystem är att variera timingen för varje ventil. Vi kommer att titta på ventiltiming i nästa avsnitt.
Det finns ett par nya sätt på vilka biltillverkare varierar ventiltiderna. Ett system som används på vissa Honda-motorer kallas VTEC .
VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) är ett elektroniskt och mekaniskt system i vissa Honda-motorer som gör att motorn kan ha flera kamaxlar. VTEC-motorer har en extra insugskam med egen vipp , som följer denna cam. Profilen på denna kam håller insugningsventilen öppen längre än den andra kamprofilen. Vid låga motorvarvtal är denna vipp inte kopplad till några ventiler. Vid höga motorvarvtal låser en kolv den extra vippan till de två vipporna som styr de två insugningsventilerna.
Vissa bilar använder en enhet som kan föra fram ventiltimingen . Detta håller inte ventilerna öppna längre; istället öppnar den dem senare och stänger dem senare. Detta görs genom att vrida fram kamaxeln några grader. Om insugningsventilerna normalt öppnar vid 10 grader före övre dödpunkten (TDC) och stänger vid 190 grader efter TDC, är den totala varaktigheten 200 grader. Öppnings- och stängningstiderna kan ändras med hjälp av en mekanism som roterar kammen lite framåt medan den snurrar. Så ventilen kan öppna vid 10 grader efter TDC och stänga vid 210 grader efter TDC. Att stänga ventilen 20 grader senare är bra, men det vore bättre att kunna öka tiden som insugningsventilen är öppen.
Ferrari har ett riktigt snyggt sätt att göra detta. Kamaxlarna på vissa Ferrari-motorer är kapade med en tredimensionell profil som varierar längs kamlobens längd. I ena änden av kamloben finns den minst aggressiva kamprofilen och i andra änden den mest aggressiva. Formen på kammen smälter samman dessa två profiler. En mekanism kan förskjuta hela kamaxeln i sidled så att ventilen griper in i olika delar av kammen. Axeln snurrar fortfarande precis som en vanlig kamaxel -- men genom att gradvis skjuta kamaxeln i sidled när motorvarvtalet och belastningen ökar kan ventiltiden optimeras.
Flera motortillverkare experimenterar med system som skulle tillåta oändlig variation i ventiltider. Föreställ dig till exempel att varje ventil hade en solenoid på sig som kunde öppna och stänga ventilen med hjälp av datorstyrning istället för att förlita sig på en kamaxel. Med denna typ av system skulle du få maximal motorprestanda vid varje varvtal. Något att se fram emot i framtiden...
För mer information om kamaxlar, ventiltider och relaterade ämnen, kolla in länkarna nedan.
Ursprungligen publicerad:13 december 2000
