Udeřím na tohle. Motor (trochu konkrétnější pístový motor) není nic jiného než oslavované vzduchové čerpadlo, které k výrobě energie využívá tepelný cyklus. Jo? No a co?
Vzduchové čerpadlo (motor) vynakládá energii na pohyb molekul vzduchu a toto vzduchové čerpadlo využívá k výrobě energie princip komprese plynu. Proč tedy ventily? Bez prostředků pro otevírání a zavírání sacího otvoru (kde molekuly vzduchu vstupují do naší pumpy) by se molekuly pohybovaly tam a zpět v sacím potrubí, když se píst pohybuje nahoru a dolů. Proto náš sací ventil. A výfukový ventil je podobný - musíme izolovat výstupní otvor (výfukové potrubí), zatímco jsme zapojeni do naší funkce sání (stejně jako jindy).
Otevírání a zavírání obou těchto ventilů řídíme časovacím ovládacím zařízením zvaným „vačkový hřídel“. Toto zařízení, otáčející se na 50% otáček klikového hřídele, používá řadu tvarovaných eliptických laloků vytvořených podél délky vačkového hřídele, aby poskytlo dva prvky časování: 1) otevřít / zavřít a 2) prodleva (doba měřená v stupně otáčení klikového hřídele, že ventil nesedí na svém „sedle“). Ale co „vůle ventilů“?
Možná jsme se tady dostali trochu před sebe ... takže se musíme ptát, proč naše ventily nemohou být jednoduše připevněny k vačkovému hřídeli nějakým druhem tyče - stejně jako spojovací tyč spojuje píst s klikovým hřídelem. Odpověď: přebývat. Bez funkce časování, kterou nazýváme „prodleva“, by ventily neposkytovaly správné množství otevření (pokud chcete), aby náš válec účinně dýchal. Pomocí „prodlevy“ přidáváme možnost řídit „dobu trvání ventilu“, ale také vylučujeme možnost použití nějakého druhu spojovací tyče k pohybu ventilů. Dobře ... Tak co?
Schopnost našeho vzduchového čerpadla (motoru) pohybovat vzduchem závisí na několika proměnných, ale jedním z hlavních faktorů (ve vztahu k výkonu motoru) je účinnost dýchání zvaná „objemová účinnost“. Jako inženýři chceme identifikovat ideální dynamický rozsah točivého momentu, ve kterém by náš motor měl pracovat (obvykle určený aplikací, pro kterou je motor určen) a optimalizovat „objemovou účinnost“ našeho motoru kolem tohoto požadovaného rozsahu točivého momentu. To zahrnuje návrh provozních charakteristik ventilu a specifikaci velikosti ventilu. Zvýšení objemové účinnosti je obvykle velmi žádoucí, ale existují technická kompromisy a omezení. Například se zvyšujícími se otáčkami motoru se objemová účinnost stává výzvou a nakonec se zhoršuje. Stejné zvýšené otáčky motoru jsou ale hlavní proměnnou, kterou používáme k nalezení požadovaného rozsahu točivého momentu. Často vidíme, že maximální hodnoty točivého momentu motoru se vyskytují přibližně na 66% maximálních otáček motoru (červená čára). Můžeme také měřit výrazné zhoršení objemové účinnosti, jak zvyšujeme otáčky za a mimo vrchol krouticího momentu.
Měříme výkon našeho motoru z hlediska „koňské síly“, což je vlastně měření síly (točivého momentu) za jednotku času. Soustředěním na točivý moment jsme schopni z našeho motoru získat nejvyšší možnou mechanickou účinnost a nepřímo tepelnou účinnost. Tato síla (točivý moment) se v našem motoru hromadí, jak se otáčky zvyšují až k maximální hodnotě točivého momentu, po které se obvykle začíná zhoršovat, i když se otáčky stále zvyšují. Ale již jsme viděli, že stejné zvyšování otáček činí volumetrickou účinnost náročnější nebo ji nakonec snižuje (ve skutečnosti je rozpadající se volumetrická účinnost na prvním místě hlavní příčinou „točivého momentu“). Události otevření / zavření ventilu a prodleva ventilu (společně nazývané „časování ventilů“) se tak stávají ještě kritičtějšími a „vůle ventilů“ - označovaná také jako „bičování“ - je zásadní pro přenos tohoto velmi stručného „časování ventilů“ z vačkového hřídele lalok k dříku ventilu. Takže nyní chápeme, že „časování ventilů“ je rozhodující pro výrobu jmenovitého výkonu motoru, a také vidíme, že „vůle ventilů“ je kritickou součástí „časování ventilů“. Ale proč?
Pomocí naší úpravy „vůle ventilů“ kompenzujeme kombinované koeficienty tepelné roztažnosti (CTE) všech materiálů uvnitř našeho motoru. Tuto úpravu obvykle provádíme při pokojové teplotě, ale naše specifikace je založena na technickém výpočtu kombinovaných CTE při normální provozní teplotě motoru (HOT). Pokud se rozhodneme z naší doporučené údržby vyloučit požadavky na nastavení ventilu, můžeme často nahradit „hydraulické zvedáky“ ve ventilovém rozvodu, abychom zajistili stejnou kompenzaci CTE.
Vrátíme-li se k původní otázce, je „vůle ventilu“ zásadní pro přesný přenos časování vačkového hřídele na dřík ventilu. Jaký je účinek nastavení vůle ventilů?
Pokud při pokojové teplotě záměrně upravíme mezery na jejich nejmenší specifikovanou hodnotu a poté je všechny znovu upravíme na nejvyšší specifikovanou hodnotu, pokaždé uvidíme mírný posun výkonu. Motor bude stále fungovat, protože všechny vaše úpravy zůstaly uvnitř přípustných mezí rozsahu nastavení, ale první nastavení s nejmenší mezerou zlepší (velmi mírně) objemovou účinnost při vysokých otáčkách. Proč? Jak se otáčky zvyšují, zvyšuje se odpor vzduchu k pohybu do nebo z válce a síla potřebná k zrychlení stejné hmotnosti vzduchu se také exponenciálně zvyšuje, což ztěžuje zrychlení dostatečného množství molekul vzduchu za jednotku času. Menší mezera ve vůli ventilu znamená, že se ventil začne otevírat dříve (velmi mírně) a zůstane otevřený déle, což dává molekulám vzduchu více času na vstup nebo výstup z válce.
Druhé nastavení bude mít za následek mírně snížený vysoký výkon RPM, ale také mírné zvýšení výkonu nízkých otáček, protože se „efektivní komprese“ zlepší kvůli zkrácení doby trvání ventilu během normální doby objemové účinnosti. V další kapitole (LOL) můžeme probrat další zajímavé jevy ventilů motoru, jako je překrytí ventilů, plovák ventilů a chlazení ventilů.