Wie Nockenwellen funktionieren

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Die Nockenwelle (klicken Sie auf das Bild, um die Animation zu sehen). Siehe Bilder von Automotoren.

Wenn Sie den Artikel Funktionsweise von Automotoren gelesen haben, kennen Sie die Ventile, mit denen das Luft / Kraftstoff-Gemisch in den Motor und die Abgase aus dem Motor gelangen. Die Nockenwelle verwendet Nocken (genannt Nocken) die gegen die Ventile drücken, um sie zu öffnen, wenn sich die Nockenwelle dreht; Federn an den Ventilen bringen sie in ihre geschlossene Position zurück. Dies ist eine wichtige Aufgabe und kann bei unterschiedlichen Drehzahlen einen großen Einfluss auf die Leistung eines Motors haben. Auf der nächsten Seite dieses Artikels sehen Sie die Animation, die wir erstellt haben, um Ihnen den Unterschied zwischen einer Leistungsnockenwelle und einer Standardnockenwelle zu zeigen.

In diesem Artikel erfahren Sie, wie sich die Nockenwelle auf die Motorleistung auswirkt. Wir haben einige großartige Animationen, die Ihnen zeigen, wie unterschiedlich die Motorlayouts sind einzelne obenliegende Nocke (SOHC) und doppelte obenliegende Nocke (DOHC), wirklich arbeiten. Und dann werden wir einige der netten Möglichkeiten durchgehen, mit denen einige Autos die Nockenwelle so einstellen, dass sie unterschiedliche Motordrehzahlen effizienter handhaben kann.

Beginnen wir mit den Grundlagen.

Grundlagen der Nockenwelle

Die Schlüsselteile jeder Nockenwelle sind die Lappen. Wenn sich die Nockenwelle dreht, öffnen und schließen die Nocken die Einlass- und Auslassventile rechtzeitig mit der Bewegung des Kolbens. Es stellt sich heraus, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Form der Nocken und der Leistung des Motors in verschiedenen Drehzahlbereichen besteht.

Um zu verstehen, warum dies der Fall ist, stellen Sie sich vor, wir lassen einen Motor extrem langsam laufen - mit nur 10 oder 20 Umdrehungen pro Minute (U / min) -, sodass der Kolben einige Sekunden benötigt, um einen Zyklus abzuschließen. Es wäre unmöglich, einen normalen Motor so langsam laufen zu lassen, aber stellen wir uns vor, wir könnten es. Bei dieser langsamen Geschwindigkeit möchten wir Nocken, die so geformt sind, dass:

  • Gerade als sich der Kolben im Einlasshub nach unten bewegt (genannt oberer Totpunkt oder OT) würde sich das Einlassventil öffnen. Das Einlassventil würde sich beim Schließen des Kolbens nach rechts schließen.
  • Das Auslassventil würde sich direkt öffnen, wenn der Kolben herausfällt (als unterer Totpunkt bezeichnet, oder BDC) am Ende des Verbrennungshubs und würde schließen, wenn der Kolben den Auspuffhub vollendet.

Dieses Setup würde für den Motor sehr gut funktionieren, solange er mit dieser sehr langsamen Geschwindigkeit läuft. Aber was passiert, wenn Sie die Drehzahl erhöhen? Lass es uns herausfinden.

Wenn Sie die Drehzahl erhöhen, funktioniert die Konfiguration mit 10 bis 20 U / min für die Nockenwelle nicht gut. Wenn der Motor mit 4.000 U / min läuft, öffnen und schließen die Ventile 2.000 Mal pro Minute oder 33 Mal pro Sekunde. Bei diesen Geschwindigkeiten bewegt sich der Kolben sehr schnell, so dass sich auch das in den Zylinder strömende Luft / Kraftstoff-Gemisch sehr schnell bewegt.

Wenn das Einlassventil öffnet und der Kolben seinen Einlasshub startet, beginnt das Luft / Kraftstoff-Gemisch im Einlasskanal in den Zylinder zu beschleunigen. Wenn der Kolben den Boden seines Ansaugtakts erreicht, bewegt sich die Luft / der Kraftstoff mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit. Wenn wir das Einlassventil zuschlagen würden, würde all diese Luft / Kraftstoff zum Stillstand kommen und nicht in den Zylinder gelangen. Wenn Sie das Einlassventil etwas länger offen lassen, drückt der Impuls der sich schnell bewegenden Luft / des Kraftstoffs weiterhin Luft / Kraftstoff in den Zylinder, wenn der Kolben seinen Kompressionshub startet. Je schneller der Motor läuft, desto schneller bewegt sich die Luft / der Kraftstoff und desto länger soll das Einlassventil geöffnet bleiben. Wir möchten auch, dass das Ventil bei höheren Drehzahlen weiter öffnet - dieser Parameter wird genannt Ventilhub, wird durch das Nockenprofil geregelt.

Die folgende Animation zeigt, wie a normale Kamera und ein Leistungskamera unterschiedliche Ventilsteuerung haben. Beachten Sie, dass sich die Zyklen Auslass (roter Kreis) und Einlass (blauer Kreis) auf der Leistungsnocke viel stärker überlappen. Aus diesem Grund neigen Autos mit dieser Art von Nocken dazu, im Leerlauf sehr grob zu fahren.

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Zwei verschiedene Nockenprofile: Klicken Sie auf die Schaltfläche unter der Wiedergabetaste, um zwischen den Nocken umzuschalten. Die Kreise zeigen, wie lange die Ventile geöffnet bleiben, blau für den Einlass, rot für den Auslass. Die Ventilüberlappung (wenn sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind) wird zu Beginn jeder Animation hervorgehoben.

Jede gegebene Nockenwelle ist nur bei einer Motordrehzahl perfekt. Bei jeder anderen Motordrehzahl wird der Motor nicht sein volles Potenzial entfalten. EIN feste Nockenwelle ist daher immer ein Kompromiss. Aus diesem Grund haben Autohersteller Schemata entwickelt, um das Nockenprofil zu ändern, wenn sich die Motordrehzahl ändert.

Es gibt verschiedene Anordnungen von Nockenwellen an Motoren. Wir werden über einige der häufigsten sprechen. Sie haben wahrscheinlich die Terminologie gehört:

  • Einzelne obenliegende Nocke (SOHC)
  • Doppelte obenliegende Nocke (DOHC)
  • Druckstange

Im nächsten Abschnitt werden wir uns jede dieser Konfigurationen ansehen.

Schäden durch einen Kolben, der gegen ein Ventil schlägt

Single Overhead Cam

Diese Anordnung bezeichnet einen Motor mit eine Kamera pro Kopf. Wenn es sich also um einen 4-Zylinder-Reihen- oder 6-Zylinder-Reihenmotor handelt, hat er einen Nocken. Wenn es sich um eine V-6 oder V-8 handelt, hat sie zwei Nocken (eine für jeden Kopf)..

Die Nocke betätigt Kipphebel, die auf die Ventile drücken und diese öffnen. Federn Bringen Sie die Ventile wieder in ihre geschlossene Position. Diese Federn müssen sehr stark sein, da bei hohen Motordrehzahlen die Ventile sehr schnell nach unten gedrückt werden und es die Federn sind, die die Ventile in Kontakt mit den Kipphebeln halten. Wenn die Federn nicht stark genug wären, könnten sich die Ventile von den Kipphebeln lösen und zurückschnappen. Dies ist eine unerwünschte Situation, die zu einem zusätzlichen Verschleiß der Nocken und Kipphebel führen würde.

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Eine einzelne obenliegende Kamera

Bei Motoren mit einfacher und doppelter obenliegender Nocke werden die Nocken von der Kurbelwelle entweder über einen Riemen oder eine Kette angetrieben, die als bezeichnet wird Zahnriemen oder Steuerkette. Diese Riemen und Ketten müssen in regelmäßigen Abständen ausgetauscht oder eingestellt werden. Wenn ein Zahnriemen reißt, dreht sich der Nocken nicht mehr und der Kolben könnte gegen die offenen Ventile schlagen.

Das Bild oben zeigt, was passieren kann, wenn ein Kolben auf ein offenes Ventil trifft.

Double Overhead Cam

Ein doppelter obenliegender Nockenmotor hat zwei Nocken pro Kopf. Inline-Motoren haben also zwei Nocken und V-Motoren vier. Normalerweise werden bei Motoren mit vier oder mehr Ventilen pro Zylinder doppelte obenliegende Nocken verwendet - eine einzelne Nockenwelle kann einfach nicht genug Nocken einbauen, um alle diese Ventile zu betätigen.

Der Hauptgrund für die Verwendung von doppelten obenliegenden Nocken besteht darin, mehr Einlass- und Auslassventile zuzulassen. Mehr Ventile bedeuten, dass Einlass- und Abgase freier fließen können, da mehr Öffnungen für sie vorhanden sind. Dies erhöht die Leistung des Motors.

Die endgültige Konfiguration, auf die wir in diesem Artikel eingehen werden, ist die Schubstangenmaschine.

Ein Schubstangenmotor

Schubstangenmotoren

Wie bei SOHC- und DOHC-Motoren befinden sich die Ventile eines Schubstangenmotors im Kopf über dem Zylinder. Der Hauptunterschied ist der Die Nockenwelle eines Schubstangenmotors befindet sich im Motorblock, eher als im Kopf.

Die Nocke betätigt lange Stangen, die durch den Block in den Kopf gehen, um die Wippen zu bewegen. Diese langen Stangen fügen dem System Masse hinzu, was die Belastung der Ventilfedern erhöht. Dies kann die Drehzahl von Schubstangenmotoren begrenzen. Die obenliegende Nockenwelle, die die Schubstange aus dem System entfernt, ist eine der Motortechnologien, die höhere Motordrehzahlen ermöglichten.

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Ein Schubstangenmotor

Die Nockenwelle eines Schubstangenmotors wird häufig von Zahnrädern oder einer kurzen Kette angetrieben. Zahnradantriebe sind im Allgemeinen weniger bruchanfällig als Riemenantriebe, die häufig in obenliegenden Nockenmotoren zu finden sind.

Eine große Sache bei der Konstruktion von Nockenwellensystemen ist die Variation des Timings jedes Ventils. Wir werden uns im nächsten Abschnitt mit der Ventilsteuerung befassen.

Das variable Nockensystem einiger Ferraris

-Es gibt einige neue Möglichkeiten, wie Autohersteller die Ventilsteuerung variieren können. Ein System, das bei einigen Honda-Motoren verwendet wird, heißt VTEC.

VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) ist ein elektronisches und mechanisches System in einigen Honda-Motoren, das es dem Motor ermöglicht, mehrere Nockenwellen zu haben. VTEC-Motoren haben eine zusätzliche Einlassnocke mit eigener Wippe, was dieser Kamera folgt. Das Profil dieses Nockens hält das Einlassventil länger offen als das andere Nockenprofil. Bei niedrigen Motordrehzahlen ist diese Wippe nicht an Ventile angeschlossen. Bei hohen Motordrehzahlen verriegelt ein Kolben die zusätzliche Wippe mit den beiden Wippen, die die beiden Einlassventile steuern.

Einige Autos verwenden ein Gerät, das kann Stellen Sie die Ventilsteuerung vor. Dies hält die Ventile nicht länger offen; Stattdessen werden sie später geöffnet und später geschlossen. Dies erfolgt durch Drehen der Nockenwelle um einige Grad nach vorne. Wenn die Einlassventile normalerweise bei 10 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) öffnen und bei 190 Grad nach dem oberen Totpunkt schließen, beträgt die Gesamtdauer 200 Grad. Die Öffnungs- und Schließzeiten können mithilfe eines Mechanismus verschoben werden, der den Nocken beim Drehen ein wenig nach vorne dreht. Das Ventil kann also bei 10 Grad nach dem oberen Totpunkt öffnen und bei 210 Grad nach dem oberen Totpunkt schließen. Das Schließen des Ventils 20 Grad später ist gut, aber es wäre besser, die Dauer des Öffnens des Einlassventils verlängern zu können.

Ferrari hat eine wirklich nette Art, dies zu tun. Die Nockenwellen einiger Ferrari-Motoren sind mit a geschnitten dreidimensionales Profil das variiert entlang der Länge der Nocken. An einem Ende der Nockenkeule befindet sich das am wenigsten aggressive Nockenprofil und am anderen Ende das aggressivste. Die Form der Nocke verschmilzt diese beiden Profile reibungslos miteinander. Ein Mechanismus kann die gesamte Nockenwelle seitlich schieben, so dass das Ventil in verschiedene Teile des Nockens eingreift. Die Welle dreht sich immer noch wie eine normale Nockenwelle - aber durch allmähliches seitliches Gleiten der Nockenwelle mit zunehmender Motordrehzahl und Last kann die Ventilsteuerung optimiert werden.

Mehrere Motorenhersteller experimentieren mit Systemen, die eine unendliche Variabilität der Ventilsteuerung ermöglichen. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass an jedem Ventil ein Magnet angebracht ist, der das Ventil mithilfe der Computersteuerung öffnen und schließen kann, anstatt sich auf eine Nockenwelle zu verlassen. Mit diesem Systemtyp erhalten Sie bei jeder Drehzahl die maximale Motorleistung. Freuen Sie sich auf die Zukunft…

Weitere Informationen zu Nockenwellen, Ventilsteuerung und verwandten Themen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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