Hur kamaxlar fungerar

Kamaxeln (klicka på bilden för att se animering). Se bilder på bilmotorer.

Om du har läst artikeln Hur bilmotorer fungerar vet du om ventilerna som släpper in luft / bränsle i motorn och avgaserna från motorn. Kamaxeln använder lobar (kallas kammar) som trycker mot ventilerna för att öppna dem när kamaxeln roterar; fjädrar på ventilerna återför dem till sitt stängda läge. Detta är ett kritiskt jobb och kan ha stor inverkan på motorns prestanda i olika hastigheter. På nästa sida i den här artikeln kan du se animationen som vi byggde för att verkligen visa dig skillnaden mellan en prestanda kamaxel och en standard en.

I den här artikeln kommer du att lära dig hur kamaxeln påverkar motorns prestanda. Vi har några fantastiska animationer som visar hur olika motorlayouter gillar enda kam (SOHC) och dubbel overhead cam (DOHC), fungerar verkligen. Och sedan går vi över några av de snygga sätten att vissa bilar justerar kamaxeln så att den kan hantera olika motorvarvtal mer effektivt.

Låt oss börja med grunderna.

Grundläggande om kamaxel

De viktigaste delarna av vilken kamaxel som helst är lober. När kamaxeln snurrar öppnar flikarna och stänger inlopps- och avgasventilerna i tid med kolvens rörelse. Det visar sig att det finns ett direkt samband mellan kamlobernas form och hur motorn fungerar i olika hastighetsområden.

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 långsamma hastighet vill vi ha kamlober formade så att:

• Precis som kolven börjar röra sig nedåt i insugningsslaget (kallas övre dödcentrum, eller TDC), skulle insugningsventilen öppnas. Inloppsventilen stängs höger när kolven bottnar ut.
• Avgasventilen öppnas åt höger när kolven bottnar ut (kallas botten död mitt, eller BDC) i slutet av förbränningsslaget och skulle stängas när kolven slutför avgasslaget.

Denna inställning skulle fungera riktigt bra för motorn så länge den gick med denna mycket långsamma hastighet. Men vad händer om du ökar varvtalet? Låt oss ta reda på.

När du ökar varvtalet fungerar inte 10 till 20 varvtalskonfigurationen för kamaxeln bra. Om motorn går med 4 000 varv / min öppnar och stängs ventilerna 2000 gånger varje minut, eller 33 gånger varje sekund. Vid dessa hastigheter rör sig kolven mycket snabbt, så att luft / bränsleblandningen som rusar in i cylindern också rör sig mycket snabbt.

När inloppsventilen öppnas och kolven startar sitt insugningsslag börjar luft / bränsleblandningen i insugningsröret att accelerera in i cylindern. När kolven når botten av sitt insugningsslag rör sig luften / bränslet med en ganska hög hastighet. Om vi ​​skulle slänga inloppsventilen stängd, skulle all den luft / bränsle stoppa och inte komma in i cylindern. Genom att lämna inloppsventilen öppen lite längre fortsätter momentumet för den snabba rörliga luften / bränslet att tvinga luft / bränsle in i cylindern när kolven startar sin kompressionsslag. Så ju snabbare motorn går, desto snabbare rör sig luft / bränsle, och desto längre vill vi att inloppsventilen ska hålla sig öppen. Vi vill också att ventilen öppnas bredare vid högre hastigheter - denna parameter, kallad ventillyft, styrs av kamloppsprofilen.

Animeringen nedan visar hur a vanlig kam och prestanda cam har olika ventiltider. Lägg märke till att avgaser (röd cirkel) och intag (blå cirkel) cyklar överlappar mycket mer på prestandakam. På grund av detta tenderar bilar med denna typ av kam att köra mycket grovt på tomgång.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Två olika kamprofiler: Klicka på knappen under uppspelningsknappen för att växla mellan kammar. Cirklarna visar hur länge ventilerna håller sig öppna, blå för intag, röda för avgas. Ventilöverlappningen (när både insugnings- och avgasventilerna är öppna samtidigt) markeras i början av varje animering.

Varje given kamaxel kommer bara att vara perfekt med en motorvarvtal. Vid varannan motorvarvtal fungerar inte motorn till fullo. EN fast kamaxel är därför alltid en kompromiss. Det är därför biltillverkare har utvecklat scheman för att variera kamprofilen när motorvarvtalet ändras.

Det finns flera olika arrangemang av kamaxlar på motorer. Vi pratar om några av de vanligaste. Du har antagligen hört terminologin:

• Enkel kam (SOHC)
• Dubbel overheadkam (DOHC)
• Tryckstång

I nästa avsnitt tittar vi på var och en av dessa konfigurationer.

Skador från en kolv som slår till en ventil

Enkel Overhead Cam

Detta arrangemang anger 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. Springs återför ventilerna till sitt stängda läge. Dessa fjädrar måste vara mycket starka eftersom höga motorhastigheter trycks ned ventilerna 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 knäppas tillbaka. Detta är en oönskad situation som skulle resultera i extra slitage på kammarna och vipparmarna.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

En enda kam

På enstaka och dubbla kammotorer drivs kammarna av vevaxeln via antingen ett bälte eller kedja som kallas kamrem eller tidkedja. Dessa bälten och kedjor måste bytas ut eller justeras med jämna mellanrum. Om ett tidsbälte går sönder kommer kammen att sluta snurra och kolven kan träffa de öppna ventilerna.

Bilden ovan visar vad som kan hända när en kolv träffar en öppen ventil.

Dubbel overhead-kamera

En dubbel överliggande kammotor har två kammar per huvud. Så inline-motorer har två kammar, och V-motorer har fyra. Vanligtvis används dubbla huvudkammar på motorer med fyra eller fler ventiler per cylinder - en enda kamaxel kan helt enkelt inte passa tillräckligt med kamlober för att manövrera alla dessa ventiler.

Det främsta skälet till att använda dubbla kamar är att möjliggöra mer inlopps och avgasventiler. Fler ventiler innebär att intag och avgaser kan strömma mer fritt eftersom det finns fler öppningar för dem att strömma igenom. Detta ökar motorns effekt.

Den slutliga konfigurationen som vi kommer att gå in på i denna artikel är pushrodmotorn.

En tryckrodmotor

Pushrodmotorer

Liksom SOHC- och DOHC-motorer är ventilerna i en pushrod-motor placerade i huvudet ovanför cylindern. Den viktigaste skillnaden är det kamaxeln på en motor med tryckstång är inuti motorblocket, snarare än i huvudet.

Kammen aktiverar långa stavar som går upp genom blocket och in i huvudet för att flytta vipporna. Dessa långa stänger lägger till massan i systemet, vilket ökar belastningen på ventilfjädrarna. Detta kan begränsa hastigheten för tryckmotorer; den överliggande kamaxeln, som eliminerar tryckstången från systemet, är en av motorteknologierna som möjliggör högre motorvarvtal.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

En tryckrodmotor

Kamaxeln i en tryckstångsmotor drivs ofta av växlar eller en kort kedja. Växeldrivare är i allmänhet mindre benägna att brytas än bältdrivningar, som ofta finns i kammotorer.

En stor sak i utformningen av kamaxelsystem är att variera tidpunkten för varje ventil. Vi undersöker ventiltid i nästa avsnitt.

Det variabla kamsystemet som används på vissa Ferraris

-Det finns ett par nya sätt på vilka biltillverkare varierar ventiltiden. 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 intagskam med egen rocker, som följer denna kam. Profilen på denna kam håller inloppsventilen öppen längre än den andra kamprofilen. Vid låga motorvarvtal är denna vippa inte ansluten 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 framåt ventiltidsinställningen. Detta håller inte ventilerna öppna längre; istället öppnar det dem senare och stänger dem senare. Detta görs genom att rotera kamaxeln några grader framåt. Om inloppsventilerna normalt öppnar 10 grader före topp dödcentrum (TDC) och stängs vid 190 grader efter TDC är den totala varaktigheten 200 grader. Öppnings- och stängningstiderna kan flyttas med en mekanism som roterar kammen lite framåt när den snurrar. Så ventilen kan öppna 10 grader efter TDC och stänga 210 grader efter TDC. Det är bra att stänga ventilen 20 grader senare, men det skulle vara bättre att kunna öka varaktigheten när insugningsventilen är öppen.

Ferrari har ett riktigt snyggt sätt att göra detta. Kamaxlarna på vissa Ferrari-motorer skärs med en tredimensionell profil som varierar längs kamloben. I den ena änden av kamloben är den minst aggressiva kamprofilen, och i den andra änden den mest aggressiva. Kammans form smälter dessa två profiler smidigt. En mekanism kan skjuta hela kamaxeln i sidled så att ventilen går i ingrepp med 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 ventilens timing optimeras.

Flera motortillverkare experimenterar med system som skulle möjliggöra oändlig variation i ventiltid. Föreställ dig till exempel att varje ventil hade en magnetventil på sig som kunde öppna och stänga ventilen med hjälp av datorstyrning snarare än 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, ventiltid och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.

relaterade artiklar

• Kamaxelquiz
• Motorquiz
• -Hur bilmotorer fungerar
• Hur Gear Ratios fungerar
• Vad gör VTEC-systemet i en Honda-motor?
• Är det skillnad mellan inline- och V-motorkonfigurationer?

Fler bra länkar

• Handledning för ventiltiming
• Instruktioner för kamaxel
• Tidsbältesersättningsintervall och interferensbeteckning
• Animering av kamaxeln
• Animering av Rocker Camshaft

-