A belső égésű motorok vezérműtengelye

A szívó- és kipufogószelepek mozgatását, illetve annak időzítését a múltban sokféleképpen oldották meg, melyekről korábban részletesen írtunk. A DOHC rendszerek elterjedésével azonban a piac jelentős részét megszerezte magának a dupla felső vezérműtengelyes kialakítás, noha ma már nem feltétlenül ez számít a legmodernebb megoldásnak.

Méretében jelentősen elmarad a forgattyústengelytől, jelentősége azonban sokkal kevésbé. Ebben a cikkben azt mutatjuk be, hogy hogyan mi a funkciója a vezérműtengelynek, és hogy milyen szempontok határozzák meg az alkatrész tervezését.

Kialakítások, követelmények

Ám legyen szó bármilyen vezérlési rendszerről a négyütemű belső égésű motorokban, a szelepeket mindenképp valamilyen vezérműtengely, illetve az azokon kialakított bütykök mozgatják.

Ezek teszik lehetővé a dugattyú helyzetéhez viszonyított pontos szelepműködtetést. A bütyökprofilokat három fő szempont határozza meg. Az első a szelep nyitási és zárási pontja, a második a kívánt szelepemelkedési magasság, végül pedig a szelepnyitáskor és záráskor fellépő gyorsulásértékek.

A szelepek nyitása és zárása nem az ütemek legelején és legvégén, hanem a holtpontok előtt, illetve után valósul meg. Ezért elsősorban gázdinamikai hatások a felelősek.

Adott vezérlési szögek esetén főként a legnagyobb szelepemelkedési magasságtól függ a bütyök alapkörsugarának és egyúttal a vezérműtengely átmérőjének a nagysága. Jelentősen függ a bütyök „hegyessége” attól, hogy mennyire agresszív szelepnyitási módszert kívánunk alkalmazni, azonban túl hegyes vagy túl lapos bütyökformát egy ponton túl már nem lehet működésre bírni. Himbás vagy emelőkaros rendszerek esetén lehetőség van módosító áttétel használatára, és így a bütyök emelési magassága akár kisebb is lehet, mint a szelepé.

A bütykök egyik legfontosabb feladata, hogy a működtető mechanizmus által – amíg a nyitási idő tart – megfelelő sebességgel nyissák és zárják a szelepeket. Hogy hogyan, arra a következő általános szempontok érvényesek:

• Szabaddá kell tenni a lehető legnagyobb átömlési keresztmetszeteket, hogy minél jobb legyen a henger töltése. Ezt úgy érhetjük el, hogy a szeleppel a lehető legnagyobb nyitási sebességet igyekszünk elérni, hogy a rendelkezésre álló idő alatt a szelep minél magasabbra emelkedjen.
• Fontos azonban megjegyezni, hogy a szelep nyitási és zárási sebességét korlátosan lehet csak növelni, nem lehet túl gyors. Ugyanis minél nagyobb gyorsulások lépnek fel, annál nagyobbak lesznek a tömegerők is, melyek a vezérlést végző alkatrészeket terhelik, ezért károsítják is azokat, és a vezérlőmechanizmus belengését is előidézhetik, ami természetesen kerülendő.
• Belátható tehát, hogy a két fenti szempont egymásnak teljesen ellentmond, így a kettő közötti megfelelő kompromisszumra kell törekedni, azaz olyan bütyökprofilt kell keresni, amely nagy átáramlási keresztmetszetet időben értelmezve, melynek használatával még elviselhetők a gyorsulásértékek.
• Mivel a szelepemelkedés ütemét a vezérmű bütyökprofilja és a vele kapcsolatban álló emelőkar, -himba, -talp együtt határozzák meg, a vizsgálatuk is csak úgy lehetséges, ha közösen vesszük őket figyelembe.
• Végül a bütyök kialakítása olyan kell legyen, hogy képes legyen biztosítani a szükséges szelephézagot is.

Bütyökprofilok

Rengeteg különböző profilváltozatot alkalmaznak a gyakorlatban, van azonban három alaptípus, melyekből a legtöbb ma is használt verzió származtatható: a tangenciális, a domború oldalú körív- és a homorú oldalú vezérlőbütyök-profil.

A tangenciális bütyköt nagyobb vezérlési szögek esetén, például turbófeltöltéses dízelmotornál alkalmazzák. A bütyökcsúcs korívét az alapkörrel egyenes oldal köti össze, ezért csak görgős emelővel együtt működtethető, ( sima talppal elméletben végtelen nagy gyorsulások lépnének fel), leszámítva a körív alakú érintkezőfelületű lengőkart, mellyel szintén alkalmazható. Amikor nagy vezérlési szögeket, azaz nagy szelepösszenyitást, egyúttal nagy átöblítést szeretnénk elérni (például versenymotorok esetén), ennek egyik változatát, a meredek szögű tangenciális bütyköt előszeretettel építik be.

A harmonikus bütyökprofil, azaz a domború oldalú körívprofil nevéből adódóan körívekből áll. Az első elnevezés abból származik, hogy sík emelőtalp alkalmazásával a foronomiai görbék egyenletei harmonikus (azaz szinusz-, koszinusz-) görbékből állnak. Rendkívül széles körben elterjedt dizájn. Későbbi változatai esetén a bütyökoldal egy adott sugár helyett több különböző rádiuszú, egyúttal közös érintőjű körívekből áll.

A homorú oldalú vezérlőbütyök kifejezetten lassú fordulatszámú, nagy vezérlési szögű, nagy vezérlési kereszmetszetet igénylő körülmények között alkalmazandó, bár az idő előre haladtával szinte teljesen eltűnt a motortechnikából. Kizárólag görgős emelővel működtethető.

Különleges bütyökprofilok

A korábban bemutatott általános bütyökprofilok bár sok tekintetben megfelelőnek tűnnek rengeteg alkalmazási terület számára, nem mentesek a hiányosságoktól. Például közös hátrányuk, hogy a nyitás pillanatában a gyorsulás t=0 idő alatt éri el a maximális gyorsulási értéket. Ugyanez történik az inflexiós pont helyén is, ahol szintén végtelen rövid idő alatt vált előjelet a gyorsulás.

A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a szelep nyitásánál egy ún. nyitólökés lép fel, mely az egymással érintkező vezérműrendszereket dinamikus értelemben igénybe veszi. Amikor a szelep zár, a szelep ütésszerűen ér le a szelepülésre, ez pedig szintén jelentős terhelést ró mindkét alkatrészre. Hasonló volumenű problémát jelent a gyorsulás előjelváltásánál fellépő hirtelen erőhatás-változás, csak itt a terhelést a szeleprugó veszi fel.

Ma már kivétel nélkül olyan ún. lökésmentes bütyköket használnak, melyekkel a fent felsorolt dinamikai hatások drasztikusan csökkenthetők. Ezek gyorsulásgörbéje folyamatos, semmilyen szakadás nincs bennük.

A két filozófia már a tervezési szakaszban elválik egymástól. Az utóbbinál bár komplexebb a gyorsulás számítása, itt elsősorban a gyorsulás jellege határozza meg a profilt, nem pedig fordítva. A jelentős különbség az, hogy ezeknél a bütyköknél mindig alkalmaznak egy előnyitási szakaszt, elkerülve a nagy nyitólökést. Mivel így nagyon nehézkessé válik a szelepnyitási szög meghatározása, számos gyártó a szelepemelkedéshez rendeli a nyitási, illetve zárási értékeket.

Fontos adalék, hogy már évtizedek óta nagy gyakorisággal alkalmaznak aszimmetrikus profilokat, mellyel elérhető, hogy a szelep lassabban üljön vissza, így kevésbé lesz hajlamos a kiverődésre.