Als u het artikel How Car Engines Work hebt gelezen, kent u de kleppen die het lucht/brandstofmengsel in de motor en de uitlaatgassen uit de motor laten komen. De nokkenas maakt gebruik van lobben (genaamd nokken ) die tegen de kleppen duwen om ze te openen terwijl de nokkenas draait; veren op de kleppen brengen ze terug naar hun gesloten positie. Dit is een cruciale taak en kan een grote impact hebben op de prestaties van een motor bij verschillende snelheden. Op de volgende pagina van dit artikel kun je de animatie zien die we hebben gemaakt om je echt het verschil te laten zien tussen een prestatienokkenas en een standaard nokkenas.
In dit artikel leert u hoe de nokkenas de motorprestaties beïnvloedt. We hebben een aantal geweldige animaties die je laten zien hoe verschillende motorlay-outs, zoals enkele bovenliggende camera (SOHC) en dubbele bovenliggende camera (DOHC), echt werken. En dan bespreken we enkele van de handige manieren waarop sommige auto's de nokkenas afstellen, zodat deze verschillende motortoerentallen efficiënter aankan.
Laten we beginnen met de basis.
De belangrijkste onderdelen van elke nokkenas zijn de lobben . Terwijl de nokkenas draait, openen en sluiten de lobben de inlaat- en uitlaatkleppen in de tijd met de beweging van de zuiger. Het blijkt dat er een directe relatie is tussen de vorm van de nokkenassen en de manier waarop de motor presteert in verschillende snelheidsbereiken.
Om te begrijpen waarom dit het geval is, stelt u zich voor dat we een motor extreem langzaam laten draaien - met slechts 10 of 20 omwentelingen per minuut (RPM) - zodat de zuiger een paar seconden nodig heeft om een cyclus te voltooien. Het zou onmogelijk zijn om een normale motor zo langzaam te laten draaien, maar laten we ons voorstellen dat we dat wel zouden kunnen. Bij deze lage snelheid willen we nokkenlobben die zo gevormd zijn dat:
Deze opstelling zou heel goed werken voor de motor zolang hij op deze zeer lage snelheid liep. Maar wat gebeurt er als u het toerental verhoogt? Laten we het uitzoeken.
Wanneer u het toerental verhoogt, werkt de 10 tot 20 tpm-configuratie voor de nokkenas niet goed. Als de motor met 4000 tpm draait, openen en sluiten de kleppen 2000 keer per minuut of 33 keer per seconde. Bij deze snelheden beweegt de zuiger erg snel, dus het lucht/brandstofmengsel dat in de cilinder stroomt, beweegt ook erg snel.
Wanneer de inlaatklep opent en de zuiger zijn inlaatslag begint, begint het lucht/brandstofmengsel in de inlaatgeleider te versnellen in de cilinder. Tegen de tijd dat de zuiger de bodem van zijn inlaatslag bereikt, beweegt de lucht/brandstof met een behoorlijk hoge snelheid. Als we de inlaatklep dicht zouden slaan, zou al die lucht/brandstof tot stilstand komen en niet in de cilinder komen. Door de inlaatklep iets langer open te laten, blijft het momentum van de snel bewegende lucht/brandstof lucht/brandstof in de cilinder duwen terwijl de zuiger aan zijn compressieslag begint. Dus hoe sneller de motor gaat, hoe sneller de lucht/brandstof beweegt en hoe langer we willen dat de inlaatklep open blijft. We willen ook dat de klep bij hogere snelheden verder opengaat -- deze parameter, genaamd kleplift , wordt bepaald door het noklobprofiel.
De onderstaande animatie laat zien hoe een gewone camera en een performance cam verschillende kleptiming hebben. Merk op dat de uitlaat (rode cirkel) en inlaat (blauwe cirkel) cycli elkaar veel meer overlappen op de performance cam. Hierdoor hebben auto's met dit type nokkenas de neiging om zeer ruw stationair te lopen.
Een bepaalde nokkenas is slechts bij één motortoerental perfect. Bij elk ander motortoerental zal de motor niet optimaal presteren. Een vaste nokkenas is daarom altijd een compromis. Dit is de reden waarom autofabrikanten schema's hebben ontwikkeld om het nokprofiel te variëren als het motortoerental verandert.
Er zijn verschillende opstellingen van nokkenassen op motoren. We zullen het hebben over enkele van de meest voorkomende. Je hebt waarschijnlijk de terminologie gehoord:
In het volgende gedeelte zullen we elk van deze configuraties bekijken.
Deze opstelling duidt een motor aan met één nok per kop . Dus als het een inline 4-cilinder of inline 6-cilindermotor is, heeft deze één nok; als het een V-6 of V-8 is, heeft het twee nokken (één voor elke kop).
De nok bedient tuimelaars die op de kleppen drukken en ze openen. Veren breng de kleppen terug naar hun gesloten positie. Deze veren moeten erg sterk zijn omdat bij hoge motortoerentallen de kleppen zeer snel naar beneden worden gedrukt, en het zijn de veren die de kleppen in contact houden met de tuimelaars. Als de veren niet sterk genoeg waren, zouden de kleppen van de tuimelaars kunnen loskomen en terugspringen. Dit is een ongewenste situatie die zou resulteren in extra slijtage van de nokken en tuimelaars.
Bij motoren met enkele en dubbele bovenliggende nokkenas worden de nokken aangedreven door de krukas, via een riem of ketting die de distributieriem wordt genoemd. of distributieketting . Deze riemen en kettingen moeten regelmatig vervangen of afgesteld worden. Als een distributieriem breekt, stopt de nok met draaien en kan de zuiger de open kleppen raken.
Een motor met dubbele bovenliggende nokkenas heeft twee nokken per kop . Dus lijnmotoren hebben twee nokken en V-motoren hebben er vier. Gewoonlijk worden dubbele bovenliggende nokkenassen gebruikt op motoren met vier of meer kleppen per cilinder - een enkele nokkenas kan gewoon niet genoeg nokkenassen passen om al die kleppen te bedienen.
De belangrijkste reden om dubbele bovenliggende nokkenassen te gebruiken, is om meer in- en uitlaatkleppen toe te staan. Meer kleppen betekent dat in- en uitlaatgassen vrijer kunnen stromen omdat er meer openingen zijn waar ze doorheen kunnen stromen. Dit verhoogt het vermogen van de motor.
De laatste configuratie waar we in dit artikel op in zullen gaan, is de pushrod-engine.
Net als SOHC- en DOHC-motoren bevinden de kleppen in een stoterstangmotor zich in de kop, boven de cilinder. Het belangrijkste verschil is dat de nokkenas van een stoterstangmotor zich in het motorblok bevindt , in plaats van in het hoofd.
De nok bedient lange staven die door het blok omhoog gaan en in de kop om de rockers te bewegen. Deze lange stangen voegen massa toe aan het systeem, waardoor de belasting op de klepveren toeneemt. Dit kan de snelheid van stoterstangmotoren beperken; de bovenliggende nokkenas, die de stoterstang uit het systeem elimineert, is een van de motortechnologieën die hogere motortoerentallen mogelijk maakten.
De nokkenas in een stoterstangmotor wordt vaak aangedreven door tandwielen of een korte ketting. Tandwielaandrijvingen zijn over het algemeen minder vatbaar voor breuk dan riemaandrijvingen, die vaak worden aangetroffen in bovenliggende nokkenassen.
Een belangrijk aspect bij het ontwerpen van nokkenassystemen is het variëren van de timing van elke klep. We zullen in de volgende sectie kijken naar kleptiming.
Er zijn een aantal nieuwe manieren waarop autofabrikanten de kleptiming variëren. Eén systeem dat op sommige Honda-motoren wordt gebruikt, heet VTEC .
VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) is een elektronisch en mechanisch systeem in sommige Honda-motoren waarmee de motor meerdere nokkenassen kan hebben. VTEC-motoren hebben een extra inlaatnok met een eigen rocker , die deze camera volgt. Het profiel op deze nok houdt de inlaatklep langer open dan het andere nokprofiel. Bij lage motortoerentallen is deze rocker niet aangesloten op kleppen. Bij hoge motortoerentallen vergrendelt een zuiger de extra tuimelaar aan de twee tuimelaars die de twee inlaatkleppen aansturen.
Sommige auto's gebruiken een apparaat dat de kleptiming kan verbeteren . Hierdoor blijven de kleppen niet langer open; in plaats daarvan worden ze later geopend en later gesloten. Dit wordt gedaan door de nokkenas een paar graden naar voren te draaien. Als de inlaatkleppen normaal gesproken openen op 10 graden voor het bovenste dode punt (BDP) en sluiten op 190 graden na BDP, is de totale duur 200 graden. De openings- en sluitingstijden kunnen worden verschoven met behulp van een mechanisme dat de nok een beetje naar voren draait terwijl deze draait. Dus de klep kan openen bij 10 graden na BDP en sluiten bij 210 graden na BDP. De klep 20 graden later sluiten is goed, maar het zou beter zijn om de duur dat de inlaatklep open staat te kunnen verlengen.
Ferrari heeft een heel nette manier om dit te doen. De nokkenassen van sommige Ferrari-motoren zijn gesneden met een driedimensionaal profiel die varieert langs de lengte van de nokkwab. Aan het ene uiteinde van de nokkenlob bevindt zich het minst agressieve nokprofiel en aan het andere uiteinde is het het meest agressief. De vorm van de nok laat deze twee profielen soepel met elkaar versmelten. Een mechanisme kan de hele nokkenas zijdelings schuiven, zodat de klep verschillende delen van de nok aangrijpt. De as draait nog steeds net als een gewone nokkenas, maar door de nokkenas geleidelijk zijdelings te schuiven naarmate het motortoerental en de belasting toenemen, kan de kleptiming worden geoptimaliseerd.
Verschillende motorfabrikanten experimenteren met systemen die een oneindige variabiliteit in kleptiming mogelijk maken. Stel je bijvoorbeeld voor dat elke klep een solenoïde had die de klep kon openen en sluiten met behulp van computerbesturing in plaats van te vertrouwen op een nokkenas. Met dit type systeem krijgt u maximale motorprestaties bij elk toerental. Iets om naar uit te kijken in de toekomst...
Bekijk de onderstaande links voor meer informatie over nokkenassen, kleptiming en gerelateerde onderwerpen.
Oorspronkelijk gepubliceerd:13 december 2000
