Jednou z nejnamáhavějších částí spalovacího motoru jsou ventily. Součástka celkem malá, nenápadná, ale extrémně důležitá. Pojďme se na ní podívat, popišme si ji, abychom mohli následně popisovat další děje ve válci.
Ventily spalovacích motorů
Články na téma jak co funguje:
Historie ventilu motoru
Abychom mohli účinně regulovat otevření a zavření spalovacího prostoru, můžeme využít buď pohyb pístu odkrýváním a zakrýváním kanálů, nebo využít jiné mechanické části, které tuto potřebnou funkcionalitu zajistí. Ventily jsou starší než spalovací motor, protože byly potřebné už v dobách parních strojů. Jejich vývoj však musel také nuceně proběhnout, protože teploty a tlaky ve spalovacích motorech jsou výrazně na jiné úrovni, než v parním stroji. Samozřejmě, že tu byly další modely otevírání a zavírání sacích a výfukových kanálů, ale okrajové záležitosti, jako šoupátkový rozvod. Ty my budeme používat jen jako pomůcku v určitých porovnáních.
Ventilový rozvod čtyřdobého motoru probíhá během dvou otáček motoru. Výměna náplně má tak k dispozici celé dva zdvihy. U dvoudobých motorů je to pouze jeden zdvih. Už jen z tohoto jednoduchého porovnání je tedy logicky jasné, kde jsou zásadní výhody čtyřdobých a dvoudobých motorů.
Problém ventilu motoru č.1
Zásadní problém ventilu je to, že na rozdíl od šoupátka, které se může pohybovat už před tím, než se otevře ventil (například rotační šoupě, které koná stálý rotační pohyb) ventil musí začínat a končit svůj pohyb s nulovou rychlostí, a navíc i s co nejmenším zrychlením, protože jinak by docházelo k silnému namáhání ventilů, dosedacích ploch, pružin a také například pružnému odskoku apod. To velmi omezuje ventily v jejich použití. Vždyť šoupě má i lepší průtokový součinitel, který charakterizuje, jak moc je v regulačním prvku průtočná kapalina omezována. Čím vyšší je průtokový součinitel, tím větší množství může protéct. Ventil má už ze své konstrukční podstaty tuto charakteristiku horší.
Tak proč se v tomto případě nepoužívají šoupátka místo ventilů? Protože mnohem lépe těsní. Například rotační šoupata musela být po celém svém obvodu utopena v olejové lázni. Ta se ředila benzínem, vypalovala se vysokými teplotami apod. Ventil takovou nectnost nemá. Těsní po celém svém obvodu prakticky dokonale.
Reakce na první problém
Aby ventily motoru mohly správně naplnit a vyprázdnit válec, musí se tedy otevírat dříve než v horní respektive dolní úvrati a stejně tak se musí zavírat až za nimi. (viz graf). Jak moc? To je těžké přesně říct. Na úhlu natočení kliky se to mění v docela velkém rozpětí.
Otázka je ale proč se to děje? Jde o to, že průtokový průřez (A) je zhruba úměrný výšce zdvihu (h). Pokud předpokládáme, že chceme mít co nejnižší zrychlení při zavírání a otevírání, pak zrychlení vyjádřené d2h/d2t je úměrné křivce zdvihu. To znamená, že v počátečních fázích příliš proud škrtíme, takže bychom při otevírání/uzavírání ventilů přesně v horní úvrati (HÚ) či dolní úvrati (DÚ) nedostatečně plnili či vyplachovali. A to je hlavní úkol ventilů. Když si vezmeme, že se překrývají časy otevření výfukového ventilu a zavření sacího ventilu, pak musíme nutně dojít k závěru, že nám musí nějaké palivo (vzduch) unikat do výfuku. Ano, je to tak. Ovšem i toto otevření je pro nás velmi důležité, protože kinetickou energií nasávaného vzduchu (směsi) vyplachujeme válec. V motorařině pak je jedním z největších úkolů ladění motorů využití dynamických vyšších harmonických vln kmitů v sacím potrubí pro zvýšení účinnosti vyplachování.
Úhel otevření výfukového (VO) ventilu vychází z požadavku dostatečného vyprázdnění válce volným výfukem (přetlakem plynů), avšak co nejdokonalejší expanze.
Ovládání ventilů motoru
Ventily jsou umístěné z drtivé většiny v hlavě válců a jsou ovládány pomocí rozvodového ústrojí, které obsahuje vačky na hřídeli. Hřídele jsou poháněné ozubenými koly, řetězem nebo řemenem od pohybu klikového hřídele. Tvar vaček je složitá křivka, daná rozvodovými daty, kinematickými a dynamickými poměry rozvodového mechanismu a potřebami výkonové charakteristiky. Vratný pohyb pak zajišťují pružiny (někdy desmodromický nucený rozvod). O nich jsme měli rozsáhlejší článek zde, takže se nebudeme tímto tématem zabývat.
Problém č.2 - práce ventilů motoru
Průtočná plocha je dána průměrem ventilového talíře a jeho zdvihem, který je asi čtvrtinou průměru. Proč to není víc? To proto, že škrcení se pak už přesouvá z mezery ventil-sedlo do kanálu a ať otevřeme ventil sebevíc, větší množství směsi nebo vzduchu do válce už prostě nedostaneme.
Kuželová sedla ventilů jsou buď součástí hlavy válců nebo jsou spíš vyrobena z pevnějších materiálů vlisovaných do hlavy, protože jde o jedny z nejvíc zatěžovaných částí motoru. Stejně jako samy ventily. Materiál těchto částí bývá ze speciálních žáruvzdorných slitin a často bývají potaženy dalšími speciálními vrstvami, které odolávají vysokým teplotám (Stelit, Nimonic apod.) nebo naopak na dříku zvyšují tvrdost a omezují opotřebení.
Právě s opotřebením býval druhý zásadní problém. Ventily jsou namáhány mechanicky i tepelně a často docházelo k jejich poškození. Někdy se například sedla nerovnoměrně vydřela a pak profukoval válec do potrubí. To se vyřešilo jednoduchým systémem pootáčení ventilu v sedle. To ovšem znamená, že ventily mohou být pouze kruhové. Ukázalo se, že instalace tvarovaných ventilů má menší přínosy, než vhodně tvarovaný sací kanál a kruhový ventil s pootáčením.
Mechanické namáhání ventilů vyššími harmonickými vlnami prudce snižuje meze únavy materiálu, takže i proto byly jako lepší systémy definovány rozvody typu OHC, které v rozvodném systému vyšší harmonické frekvence tolik nebudí, jako OHV.
Pokud se jedná o tepelné namáhání, to s tím úzce souvisí. Ventily se vlivem teploty roztahují. Je tedy nutné vhodně stanovit ventilovou vůli, které právě kvůli kmitům může být i nulová. Toho se dociluje hydraulicky ovládanými zdvihátky.
Zdroj info: Prof. Ing. Jan Macek, DrSc, Ing. Bohuslav Suk, CSc.: Spalovací motory, skripta ČVUT FSI, 2000 Marián Polóni, Peter Petrák, Tomáš Neuschl: Základy piestových spalovacích motorov.
Zdroj médií: David Richtr, Variabilní ventilové rozvody, Bakalářská práce.
Zdroj médií: David Richtr, Variabilní ventilové rozvody, Bakalářská práce.
