Ventily motoru a jejich pohon (Moderní technologie)

Hovoříme o upraveném systému přeplňování turbodmychadlem instalovaném na spalovacím motoru. Twin Turbo je obchodní název zařízení. Občas se také používá sousloví Biturbo (někteří automobiloví nadšenci to myslí jako paralelní typové provedení, o kterém bude řeč později). Vylepšení systému přeplňování bylo nutné k vyřešení klíčového problému takových pohonných jednotek: vytvoření tzv. „pits“ (turbo-lag) – výpadky napájení při nízkých otáčkách klikového hřídele.

Tento „problém“ je způsoben oběžným kolem, které je vyrobeno z tepelně odolných těžkých materiálů. Výsledkem je, že jednotka má slušnou hmotnost a podle toho i setrvačnost. I ty nejmodernější rotační motory s keramickými lopatkami se otáčí relativně pomalu. To negativně ovlivňuje dynamiku vozu a v konečném důsledku i bezpečnost jízdy. Pokud mluvíme o pocitech, pak se „díra“ projevuje jako tlačení při odtahování nebo řazení.

Aby byl rozsah točivého momentu širší a současně se snížila spotřeba paliva a zvýšil výkon, začali používat dvojitou turbínu. Systém lze implementovat podle jednoho ze tří schémat, z nichž každé má svou vlastní konfiguraci, parametry a princip fungování. Celý systém je řízen elektronickým modulem, který přijímá informace ze senzorů a posílá povelové signály do pohonů a ventilů.

Paralelní typ Twin Turbo

To zahrnuje dvojici kompresorů pracujících současně. Proud výfukových plynů je mezi nimi rovnoměrně rozdělen. V každém kompresoru je stlačen a poté jde do sacího traktu přes válce.

S podobným systémem se nejčastěji setkáváme na elektrárnách ve tvaru V. Je to pohodlnější: každé ze dvou výfukových potrubí má svůj vlastní kompresor. Účinnost schématu je dána tím, že dvojice malých turbín má menší setrvačnost ve srovnání s jednou velkou. Výsledkem je, že „díra“ není tak „hluboká“ – kompresory rychle zvyšují plnicí tlak.

Příkladem je japonský vůz Mitsubishi 3000GT, vyráběný v letech 1990 až 2000. Zde každý ze dvou kompresorů odebírá plyny ze tří válců (celkem jich je šest) a poté „fouká“ do společného potrubí. Model vyrobený v letech 1994-1996 měl objem pohonné jednotky 2,972 litru, vývoj 324 litrů. S. Točivého momentu 427 N*m bylo dosaženo již při 2500 ot./min.

3000 Mitsubishi 1995GT s dvojitým turbodmychadlem. Foto: YouTube.com

Sekvenční obvod Twin Turbo

K dispozici je také dvojice turbodmychadel, přibližně stejných svou charakteristikou. První funguje bez vypínání, další se uvádí do provozu podle potřeby: při změně zatížení se mění otáčky klikového hřídele. Aby byl přechod nepostřehnutelný a optimální, používá se mikroelektronika, s jejíž pomocí proudí výfukové plyny z jednoho kompresoru do druhého speciálním ventilem. Pokud je otevřen neustále, získá se výše popsaný paralelní systém.

Sekvenční diagram – vlevo motor pracuje při nízkých a středních otáčkách, vpravo – při vysokých otáčkách. Foto: YouTube.com

Sekvenční design minimalizuje prodlevu turba a podporuje rychlé dodání výkonu. Systém lze vidět na benzínových i naftových pohonných jednotkách celé řady výrobců automobilů. BMW však šlo dále – v roce 2011 představili bavorští inženýři konstrukci sekvenčního přeplňování turbodmychadlem se třemi kompresory, které nazvali Triple Turbo (N57S). Všechny ale předčili konstruktéři, kteří v letech 110-1991 nainstalovali čtyři kompresory na Bugatti EB1995, v letech 2005-2012 Bugatti Veyron a v roce 2016 Bugatti Chiron.

Bugatti Chiron 2016 se 4 turbodmychadly. Foto: YouTube.com

Krokový systém (twin scroll)

Ve srovnání s předchozími dvěma je považován za „nejpokročilejší“ a používá se od roku 2004. Schéma zahrnuje použití dvojice kompresorů různého výkonu instalovaných v sérii. Systém funguje takto:

• ✅ při volnoběhu nebo nízkých otáčkách prochází výfuk přes menší kompresor: díky speciálnímu ventilu je cesta k silnější jednotce uzavřena
• ✅ se zvyšujícími se otáčkami se malá turbína začne točit, zvýší se tlak a ventil se mírně otevře a narazí na oběžné kolo velké turbíny, která se začne otáčet
• ✅ dalším stisknutím plynu řidič dále zvýší tlak v systému a ventil se více otevře
• ✅ při přiblížení k maximální rychlosti se malá turbína deaktivuje, protože velká prostě začne překážet a proud plynů jde přímo k výkonnějšímu kompresoru

Podobný typ Twin Turbo je úspěšně použit na Subaru Legasy B4 RSK (1998-2003). Model byl vybaven motorem s tímto systémem o objemu 2 litry a vyvíjejícím výkon 280 „koní“. Zrychlení na 5,7 km/h trvalo 6,7 sekundy. u manuální převodovky a XNUMX ​​sekundy. s automatickou převodovkou.

Schéma postupného dvojího nabíjení: viditelná malá a hlavní turbína. Foto: YouTube.com

Stupňovité provedení našlo uplatnění nejen v automobilech, ale také v letadlech vybavených pístovými leteckými motory.

Výhody a nevýhody Twin Turbo

Dnes je systém žádaný vývojáři výkonných strojů. Zajišťuje nejvyšší točivý moment téměř v celém rozsahu otáček klikového hřídele. Dvojitý boost umožňuje získat solidní výkon s malými rozměry motoru, což šetří palivo ve srovnání s atmosféricky plněným motorem. Další výhody, které stojí za zmínku:

• ✅ žádné „turbo zpoždění“
• ✅Auto se stává dynamickým i při nízkých otáčkách motoru – řidič jej nemusí zvyšovat
• ✅ zatížení pohonné jednotky se snižuje: spotřebovává se méně maziva, chladicí systém pracuje v šetrném režimu
• ✅ Energie z výfuku je dobře využita

Existují však také nevýhody, které nepřispívají k širokému přijetí dvojitého přeplňování turbodmychadlem. Hlavní nevýhody:

• ✅ složitý design, to je jasně patrné na „nejpokročilejších“ motorech s Twin Turbo
• ✅ vysoké náklady na pohonnou jednotku a vysoké náklady na údržbu
• ✅ nespolehlivost systému z důvodu přítomnosti velkého množství komponentů a dílů

Někdy se stává problémem najít správné náhradní díly a specialistu na přeplňované motory, zvláště pokud majitel vozu žije v odlehlé oblasti. S tím je třeba počítat při nákupu vozu nebo jeho vybavení přeplňovaným agregátem.

Jak prodloužit životnost motoru Twin Turbo

Důležité jsou provozní podmínky a klima regionu, kde bude vůz jezdit. Tento systém vstřikování vzduchu je citlivější na přítomnost maziva než atmosférické motory. S Twin Turbo musíte být opatrnější, pokud se vůz nachází v oblasti s nízkými teplotami. V noci, když motor neběží, mazivo proudí do pánve a součástí a prvky systému vysychají. Pokud ráno nastartujete motor a okamžitě ho zatížíte, můžete „zabít“ kompresor. Před sešlápnutím plynu je proto potřeba nechat auto běžet na nízké otáčky. Potom se olej zředí a dostane se do nejvzdálenějších oblastí vyžadujících mazání. Nezapomeňte: oběžné kolo turbíny se neustálým kontaktem s výfukovými plyny zahřívá až na několik tisíc stupňů a olej má v tomto případě nejen mazací funkci, ale také chladí.

A posledním faktorem ovlivňujícím životnost systému duálního přeplňování je kvalita paliva. Pokud je málo, na oběžném kole se rychle vytvoří vrstva sazí, která konstrukci ztíží a povede k její destrukci.

• Sergej M.
• https://youtube.com

Všechny moderní motory osobních automobilů mají kotoučové ventily – připomínají obrácené houby, které pevně zapadají do válcových sedel. Ventily jsou obvykle drženy zavřené pružinami a otevírány (spouštěny) v případě potřeby zdvihátky, která tlačí na dřík ventilu. Je také možné ovládat ventily systémem, který je násilně otevírá a zavírá – „desmodromický“ princip. V tomto případě nejsou potřeba žádné pružiny, ale samotný princip je složitý a nákladný na výrobu a údržbu. Tento ventilový systém se používá v některých motorech závodních automobilů, zejména ve vozech Mercedes GP z poloviny 50. let, které byly četnými vítězi soutěží, a v některých vysokootáčkových motorech některých motocyklů, ale nikdy ne v sériových osobních automobilech.

Některé moderní závodní motory používají k uzavření ventilů stlačený vzduch místo pružin, čímž se šetří hmotnost pružin a síla potřebná k jejich stlačení, ale tyto motory vyžadují, aby byl před závodem do válců načerpán vzduch, což by u běžných vozů bylo obtížné.

V každém případě platí, že čím větší ventil, tím lépe. Aby motor dosáhl maximálního výkonu, potřebuje co nejvíce směsi paliva a vzduchu v co nejkratším čase. Je zřejmé, že čím větší jsou ventily a čím hlouběji se otevírají, tím více směsi se dostane do spalovací komory – pokud zbytek sacího systému nebrání proudění. Všimněte si, že průchod není kruhový (jak se často předpokládá), ale prstencový, protože směs vstupuje do spalovací komory prstencovým otvorem mezi hlavou ventilu a sedlem.

Proto má dnes tolik motorů dva sací a dva výfukové ventily. Pokud vezmeme v úvahu jednoduchou geometrii hlavy ventilů s jedním průměrem 40 mm, její plocha je přibližně 12,6 cm² a obvod je 12,6 cm. Pokud vezmeme dva ventily s průměrem 20 mm, pak jejich celková plocha je pouze 6,3 cm² a jejich celkový obvod zůstává 12,6 cm, takže při stejném otevření budou schopny propustit více směsi. Zpravidla se mohou otevřít stejně, protože maximální zdvih ventilu je určen vůlí pod hlavou válců a ta zůstává stejná bez ohledu na to, kolik ventilů je.

Diagram znázorňuje spalovací komoru (červeně), ventily a zapalovací svíčky v motoru Alfa Romeo s dvojitým vačkovým hřídelem. U čtyř ventilů na válec je jedna zapalovací svíčka umístěna centrálně a druhá je odsazena, blíže ke stěně válce. Stejně jako u většiny high-tech motorů s dvojitým vačkovým hřídelem se ventily otevírají přímo zdvihátky válců působícími na dřík ventilu. Viditelný je také variátor, který mění úhel vačkového hřídele sání vzhledem k hnacímu ozubenému kolu tak, že se časování ventilů mění v závislosti na zatížení a otáčkách. (Alfa Romeo)

Proč na tom záleží? Nejméně ze čtyř důvodů. Zaprvé, díky polokulové spalovací komoře můžete jednu hlavu ventilů nahradit dvěma, jejichž rozměry jsou podstatně větší než polovina jejího průměru. Pokud si to spočítáte, válec o průměru 86 mm v čtyřválcovém motoru o objemu 4 litru může mít jeden sací ventil o průměru 2 mm, ale ve stejné polokouli je dostatek místa pro dva ventily o průměru 36 mm, což má celkový obvod o 30 % větší než obvod jednoho velkého ventilu, což umožňuje, aby za stejnou dobu protékala více než polovina směsi. Druhým faktorem je hmotnost; kvůli zákonu o rozměrech (plocha je druhá mocnina lineárních rozměrů, objem, a tedy hmotnost, je třetí mocnina) váží dva ventily dohromady jen o 67 % více než jeden velký a hmotnost ventilu je důležitá, jak uvidíme. Třetím faktorem je třeba zvážit, že i výfukové ventily se mohou stejným způsobem spojit do dvojice, což vytváří místo pro zapalovací svíčku v samém středu spalovací komory – nejlepší možné místo pro ni. Čelo plamene se směsí prohání kratší vzdálenost. Čtvrtý a poslední faktor je složitější a zahrnuje různé možnosti, které lze získat použitím dvou sacích ventilů místo jednoho.

To je dáno především tím, že tato metoda umožňuje dosáhnout odlišného průtoku směsi každým z ventilů, obvykle vhodného pro nízkorychlostní i vysokorychlostní provoz – k této problematice se vrátíme později.

Tyto důvody vysvětlují, proč má tolik moderních motorů čtyři ventily na válec (dva sací a dva výfukové). Z konstrukčního hlediska není tato myšlenka nová – motor Peugeotu Grand Prix z roku 1912 měl čtyři ventily na válec – ale až v 70. letech XNUMX. století se začala používat v osobních automobilech a evropským a japonským standardem se stala až v posledních několika letech. Ne všichni souhlasí s tím, že je to nejlepší řešení. Například mnoho nejnovějších motorů Mercedes má tři ventily na válec, dva sací a jeden výfukový, se dvěma zapalovacími svíčkami, jednou na každé straně výfukového ventilu. Některé motory Volkswagen a některé japonské motory používají pět ventilů na válec. Toto geometrické uspořádání může vést k dobrému výsledku, který umožňuje vstup vzduchu do válce ještě vyšší rychlostí, ale ve skutečnosti je potřeba efektivně ovládat všechny ventily poněkud problematická.

Zatímco většina konstruktérů motorů přešla ze dvou ventilů na válec na čtyři, Mercedes vypočítal, že emise se snižují použitím dvou sacích ventilů a pouze jednoho výfukového ventilu, se dvěma zapalovacími svíčkami umístěnými na druhé straně sacích ventilů. Zde zobrazená konstrukce se používá ve většině středně velkých a velkých motorů společnosti. (Mercedes)

Ventily se otevírají a zavírají vačkami na vačkovém hřídeli – nebo dvěma hřídeli, jednou pro sací ventily a jednou pro výfukové ventily. Vačkový hřídel je poháněn klikovým hřídelem buď řetězem, nebo ozubeným řemenem, nebo přímo ozubenými koly v případě vysoce výkonných závodních motorů. Protože (alespoň teoreticky) se každý ventil musí otevřít pouze jednou za dvě otáčky motoru, vačkový hřídel se otáčí poloviční rychlostí klikového hřídele. Vačky mohou působit přímo na zdvihátka ventilů, nebo je mohou ovládat pomocí vahadel či pák. Hlavní rozdíl mezi nimi spočívá v tom, že vahadla mají otočný bod uprostřed, vačka tlačí na jeden konec a na ventil působí druhý konec vahadla. Páky jsou kloubově uloženy na konci nejdále od ventilu, zatímco vačka působí blíže k ventilu.

Vahadla mohou být také poháněna tlačnými tyčemi z vačkového hřídele umístěného jinde, obvykle poblíž klikového hřídele. Při přímém působení na ventil jsou tlačné tyče malé „misky“ namontované na dříku ventilu.

Většina raných automobilových motorů měla ventily umístěné blízko pístu a otevírané nahoru, směrem od spalovacího prostoru. Tato konstrukce umožňovala umístění motoru níže a hlava válců byla plochá, malá a snadno se dala vyjmout pro dekarbonizaci, což byl běžný postup pro řidiče ve 30. letech 50. století, kteří to museli dělat v pravidelných intervalech kvůli (podle moderních standardů) otřesné kvalitě používaného paliva a olejů. Tyto „spodní“ ventily byly jednoduše ovládány krátkými tlačnými tyčemi z jediného vačkového hřídele umístěného v bloku válců, blízko klikového hřídele, a poháněného krátkým, jednoduchým řetězem. Motory s OHV ventily byly běžné až do začátku 100. let a byly montovány do automobilů, jako byl Morris Minor a Ford řady XNUMXE Anglia/Prefect. Byly však neúčinné kvůli velkým ztrátám při čerpání při průchodu směsi paliva a vzduchu a výfukových plynů kanály a spalovací komorou, a když pominula potřeba pravidelného odstraňování karbonových usazenin, ustoupily motorům OHV (OHV) s uspořádáním OHV ventilů přímo nad pístem.

Koncern Volkswagen vyrobil více motorů s pěti ventily na válec než kterákoli jiná skupina, většinou jako u zde zobrazených čtyřválcových konstrukcí. Pohon tří sacích ventilů na válec z jediného vačkového hřídele není ideální, protože střední ventil je dále od osy válce než ostatní ventily, ale nezdá se, že by to způsobovalo nějaké zvláštní problémy. Zvláštností tohoto motoru je použití ozubeného řemenového pohonu pouze pro výfukový vačkový hřídel, přičemž sací vačkový hřídel je poháněn krátkým řetězem z opačného konce hřídele. Zapalování je přímé s cívkami na zapalovacích svíčkách. Klikový hřídel je plně vyvážený a konstrukce pístů odpovídá moderní praxi. (Audi)

Ventily typického motoru OHV z 60. let 60. století byly ovládány táhly a vahadly. Většina motorů té doby měla sací a výfukové otvory na stejné straně hlavy válců, aby mohl být nasávaný vzduch předehříván unikajícími výfukovými plyny. Tyto motory měly všechny ventily v jedné řadě, buď svisle, nebo šikmo na jednu stranu, což znamenalo jednoduchou a levnou výrobu hlav. Některé motory však měly sací a výfukové otvory a ventily na různých stranách. Toto uspořádání umožňovalo rychlejší proudění plynu a zvýšení výkonu, takže většina výkonnostních sad v XNUMX. letech XNUMX. století sestávala primárně z těchto hlav, které nahradily standardní jednostranné hlavy. Ovládání protilehlých ventilů s táhly z jednoho vačkového hřídele však nikdy nebylo jednoduchým úkolem a mnoho výrobců automobilů následovalo průkopníky, jako byla Alfa Romeo, kteří se táhel zbavili a vačkový hřídel přesunuli do hlavy válců, čímž vznikl moderní motor OHC (vačkový hřídel v hlavě válců).

Některé motory s dvojitým vačkovým hřídelem šetří místo v hlavě válců tím, že pohánějí pouze vačkový hřídel sání. Vačkový hřídel výfuku je poháněn buď pečlivě vypočítanými šikmými ozubenými koly, nebo, jako v případě Toyoty, řetězovým pohonem přes dvě malá ozubená kola namontovaná na druhém konci hřídelí. Tuto metodu používá i Volkswagen. (Toyota)

Motor může mít v hlavě válců jediný hřídel, který může ovládat jednu sadu ventilů (obvykle sací) přímo a druhou sadu pomocí vahadel, nebo může být namontován blízko středu hlavy a ovládat všechny ventily pomocí pák nebo vahadel.

Tento design rozvodového rozvodu vyvinula společnost Renault pro verzi s 16ventilovým vznětovým motorem common rail o objemu 1,9 litru, který se sice ještě nevyrábí, ale díky přeplňování turbodmychadlem dokáže dodat výkon 140 koní a poměrně velký točivý moment. (Renault)

Alternativně lze použít dva vačkové hřídele, jeden pro každou sadu ventilů, takové motory se nazývají „dvojitý vačkový hřídel nad hlavou“ (DOHC).

Existují argumenty ve prospěch všech těchto konstrukcí, ale zdaleka nejběžnější je konstrukce se 4 ventily a 16 vačkami. Částečně je to proto, že jeden klikový hřídel se 4 vačkami (u čtyřválcového motoru) je poměrně složitý a nákladný na výrobu, a částečně proto, že dva hřídele v hlavě válců ponechávají pohodlné centrální umístění pro zapalovací svíčky. Je to také proto, že pokud má motor variabilní časování ventilů (o čemž bude řeč později), lze činnost každé sady ventilů nastavit nezávisle a relativně snadno. Na druhou stranu, protože dva hřídele jsou od sebe značně vzdáleny, není problém s instalací ozubených kol pro jejich pohon, zejména pokud se pro pohon používá ozubený řemen. U některých dvouhřídelových motorů (od Toyoty po Volkswagen) je jeden z vačkových hřídelí poháněn přímo z klikového hřídele a druhý pomocí řetězu nebo ozubených kol z prvního. Motor s dvouhřídelovou hlavou válců je objemnější a obtížněji se instaluje do automobilu.

Stejně jako většina ostatních motorů je i tento čtyřválcový motor Alfy Romeo 4 typický pro moderní konstrukce se 156 ventily na válec. Rozdíl spočívá v použití dvou zapalovacích svíček na válec, jedné uprostřed válce a jedné blíže ke stěně. Toto uspořádání je méně působivé než původní systém Twin Spark u osmiventilového motoru, který má symetrické svíčky, ale Twin Spark se stal hlavní reklamní kampaní pro Alfu Romeo a druhá svíčka musí být namontována, i když je pro ni málo místa. Všimněte si CVT namontovaného na předním konci vačkového hřídele sacích ventilů, který mění časování ventilů, a dlouhého sacího traktu, který vyhlazuje proudění vzduchu. Zajímavý je také design úchytů motoru a umístění olejového filtru. (Alfa Romeo)

Důležitý je také tvar spalovací komory. Nejúčinnější spalovací komora je nejkompaktnější, ale nejlepší kompaktnosti se dosahuje malými úhly mezi dříky ventilů a plochou hlavou pístu. Na druhou stranu, pro lepší proudění by sací ventily měly být blíže k výfukovým ventilům, s velkým úhlem mezi ventily, a hlava pístu by měla být víceméně konvexní, aby se dosáhlo dostatečně vysokého kompresního poměru (jinak může být nutné hlavu pístu zahloubit, aby se zajistila potřebná vzdálenost od ventilů).

V praxi se moderní motory DOHC dělí na „ekonomické“ s úhlem mezi sacím a výfukovým ventilem přibližně 20–30° a „výkonné“ s úhlem blízkým 40–45°.

Pohled na spodní stranu hlavy válců motoru BMW Valvetronic ukazuje pětiúhelníkový tvar spalovací komory typický pro konstrukce se čtyřmi ventily na válec, centrálními zapalovacími svíčkami a uspořádání kanálů pro chladicí kapalinu a otvorů pro montážní šrouby. Velký otvor vlevo slouží k umístění rozvodových kol poháněných klikovým hřídelem, která jsou instalována jako předem smontovaná jednotka během výroby. (BMW)

Samotné ventily zůstávají poměrně jednoduché, ačkoli materiály, z nichž jsou vyrobeny, zejména u vysoce výkonných motorů, jsou speciálně vyvinuté slitiny. Pro chlazení ventilu může být v jeho dříku vyvrtán otvor, který se poté naplní malým množstvím čistého sodíku, který se roztaví a proudí dovnitř, čímž odvádí teplo z hlavy ventilu. Tato investice se však vyplatí pouze u vysoce výkonných motorů. Vinuté pružiny ventilů musí být navrženy tak, aby byla zajištěna jejich účinnost při nejvyšších otáčkách motoru, ale zároveň nesmí být jejich tuhost příliš vysoká, jinak bude k jejich otevření vynaloženo velké úsilí. Až donedávna mělo mnoho motorů omezovač otáček, který fungoval na principu „odrážejícího se ventilu“ – při určité rychlosti začala pružina rezonovat, což způsobovalo střídavé otevírání a zavírání ventilu a motor ztrácel výkon. Dnes mají téměř všechny motory v řídicí jednotce motoru instalován elektronický omezovač otáček. Konstruktéři někdy bojují s rezonancí snížením průměrné tuhosti pružiny, ale použitím dvou válcových pružin s různou tuhostí pro jeden ventil.

Moderní vysoce výkonné motory mají složitou konstrukci. Tato ilustrace znázorňuje hlavu válců motoru BMW Valvetronic. Všechny pohyblivé části jsou zobrazeny samostatně. Součásti uspořádané ve čtyřech řadách vpravo patří k mechanismu, který mění stupeň otevření ventilů, což umožňuje provoz bez konvenční škrticí klapky. (BMW)