Arborele cu came joacă un rol esențial în funcționarea unui motor, controlând când și cât de mult se deschid supapele de admisie și de evacuare, cât de mult se deschid și pentru cât timp.
Arborii cu came de performanță au lobi mai mari care permit trecerea unei cantități mai mari de aer/combustibil în fiecare cilindru, permițând unui motor să genereze o putere maximă mai mare fără a compromite performanța la turații joase.
Ridicarea supapei de admisie
Ridicarea supapei de admisie este unul dintre punctele de control cheie de pe un arbore cu came care poate optimiza eficiența motorului. Pe măsură ce crește înălțimea supapei, crește și aria de acoperire a acesteia la fiecare ciclu, ceea ce duce la fluxuri mai mari de aer și combustibil la turații mai mari, crescând astfel eficiența volumetrică.
Un factor esențial al profilului supapei de admisie este momentul și durata evenimentelor de deschidere și închidere a lobului de admisie. Pentru o performanță optimă, acest eveniment trebuie să aibă loc chiar înainte de punctul mort inferior (BDC) și să se închidă din nou rapid pentru a produce o presiune maximă în cilindru. O durată mai lungă a părții de deschidere ar putea duce la pierderea de putere din cauza căldurii de frecare generate în timpul evenimentelor de deschidere/închidere a supapei de admisie; în timp ce o durată mai scurtă a părții de deschidere ar putea duce la o ardere slabă sau la o scădere excesivă a presiunii în cilindru care compromite puterea și eficiența motorului.
Proiectele de arbori cu came din ciclul Miller folosesc o înălțime maximă mai mare a supapei pentru a deplasa rapid încărcătura care intră, creând o combustie mai eficientă în buclă închisă cu presiune scăzută care reduce pierderile de pompare și pierderile de pompare. În plus, acest arbore cu came are nevoie de arcuri mai rigide pentru a preveni deschiderea prea timpurie a supapei și prelungirea excesivă a duratei de viață a dispozitivului de acționare.
Studiile efectuate pe un motor de autoturism neetanșeizat, care utilizează injecție de combustibil prin port cu combustibil stoichiometric, indică faptul că ciclurile Miller oferă economii semnificative de combustibil față de ciclurile Otto strangulate și demonstrează viabilitatea economică superioară a acestora, indiferent de efectele secvenței de sincronizare a supapelor asupra variației pierderilor de pompare și a eficienței.
La sarcină constantă, o ridicare mai mare a supapei de admisie a corespuns unui timp IVC mai scurt și a dus la o fază mai lungă de dezvoltare a flăcării și la o durată mai mare a combustiei, deoarece disiparea în interiorul cilindrului a accelerat viteza de ardere și a redus pierderile de căldură. Acest lucru a îmbunătățit eficiența utilizării combustibilului prin scăderea masei de combustibil necesare pentru producerea unei puteri și a unui cuplu identice; care, la rândul său, este direct proporțională cu proporția metrică de combustibil (FuelMEP).
S-au efectuat experimente pe șase combinații de sincronizare/înălțare IVC folosind un arbore cu came standard cu un punct de ridicare maximă de 270 de grade și un motor care funcționează în condiții stoichiometrice cu sincronizare IVC controlată în buclă închisă; toate momentele de deschidere și închidere a supapei de admisie, precum și momentele de deschidere/închidere a supapei de evacuare au rămas constante în timpul acestor teste.
Ridicarea supapei de evacuare
Ridicarea supapei (denumită și ridicarea brută) măsoară valoarea cu care un lob de came se ridică de la cercul său de bază și afectează fereastra de curgere creată atunci când este ridicată de pe scaunul său. Un număr mai mare de ridicare maximă permite ca mai mult aer/combustibil să intre și să iasă din cilindru în timpul ciclurilor de admisie și evacuare, dar o ridicare prea mare poate deveni o obstrucție – în special atunci când se folosesc arcuri mai rigide sau arbori cu came cu profiluri ascuțite care împiedică deschiderea/închiderea supapei înainte de a lovi pistonul la punctul mort superior (TDC).
Proiectarea arborelui cu came poate avea un efect extraordinar asupra eficienței motorului prin optimizarea sincronizării și a înălțimii supapelor. De exemplu, creșterea deschiderii timpurii a supapei de admisie (IVO) poate îmbunătăți eficiența motorului, deoarece aceasta se ridică de pe scaun mai devreme în timpul ciclului; creșterea suprapunerii mărește puterea și cuplul la anumite intervale de turații, în timp ce creșterea încărcăturii cilindrilor mărește puterea/cuplul la anumite intervale de turații; cu toate acestea, o supraestimare a IVO poate avea consecințe dăunătoare care amenință economia de combustibil, precum și fiabilitatea motorului.
Extinderea deschiderii supapei de evacuare (EVO) contribuie la îmbunătățirea performanțelor la turații mai ridicate prin crearea unui volum mai mare al cursei de admisie și a unei mai mari acoperiri a benzii de putere, datorită faptului că aceasta are loc mai aproape de TDC, unde presiunea disponibilă în cilindru este mai mare. O EVO prea mare poate reduce efectul său de curățare în timpul cursei de evacuare prin crearea unor condiții în care presiunea din cilindru scade sub presiunea atmosferică atunci când se produce suflarea, ceea ce duce la reversie și la diluarea încărcăturii cu gaz de evacuare.
Modificarea profilului arborelui cu came prin modificarea formei lobilor sau a rampelor de came este o altă metodă eficientă de creștere a eficienței motorului. Lărgirea rampei lobului permite o ridicare mai mare fără a afecta problemele de joc; rampele mai abrupte deschid supapele mai repede, determinând o ridicare mai rapidă a lobului camei, ceea ce duce la o ridicare mai rapidă a vârfului supapei care, combinată cu reglajele de sincronizare IVO și EVO, crește eficiența termică prin faptul că permite intrarea și ieșirea mai frecventă a mai multor cantități de aer/combustibil din cilindri.
Durata supapei de evacuare
În timpul cursei de evacuare, pe măsură ce pistonul coboară în cilindru, comprimă un amestec aer/combustibil (cursa de compresie). În acel moment, o supapă de evacuare se deschide pentru a elibera toate aceste gaze comprimate prin țeava de evacuare la peste 1 700 ft/sec; în acel moment se creează o undă de presiune numită unde de rarefiere care se deplasează înapoi spre motor, creând o zonă de presiune în spatele fiecărei supape care este negativă în raport cu presiunea atmosferică; prezența acesteia poate fi controlată prin intermediul temporizării arborelui cu came.
Undele de presiune joacă un rol esențial în controlul momentului și modului în care o supapă de evacuare se deschide sau se închide; în mod similar, efectele lor influențează durata în care o supapă de admisie rămâne închisă înainte de a se deschide din nou. Sincronizarea și durata acestora joacă un rol esențial în succesul ciclului unui motor în 4 timpi.
Pasionații de performanță apelează frecvent la prelungirea lobilor arborelui cu came de evacuare pentru a obține banda de putere dorită. Acest lucru se realizează de obicei prin deplasarea înainte a liniei centrale, păstrând neschimbat unghiul de separație; creșterea timpului în care lobul este deschis va duce la o suprapunere mai mare a supapelor atunci când este combinată cu un eveniment IVO mai devreme.
Această perioadă de suprapunere permite ca graba gazelor de eșapament să ajute la atragerea amestecului aer proaspăt/combustibil în timpul cursei de admisie, crescând cuplul și puterea la turații mai mari.
Pe de altă parte, deschiderea prea devreme a unei supape de evacuare poate duce la pierderea de lucru din cauza acumulării excesului de presiune în partea superioară a pistonului care se opune rotației manivelei și scade puterea. În plus, închiderea prea devreme a supapei de evacuare duce la o captare care menține gazele de evacuare în interiorul cilindrului și scade eficiența volumetrică.
O sincronizare optimă a supapei de evacuare presupune deschiderea supapei la EVO cu puțin timp înainte ca presiunea atmosferică să fi scăzut sub cea atmosferică, dar nu atât de mult înainte încât undele de rarefiere pozitivă să nu fi trecut înapoi pe lângă ea. Pentru a obține această sincronizare optimă, modificați diametrul canalului de evacuare, profilul arborelui cu came, raportul de compresie sau diametrul țevii, după caz; testele anterioare au arătat cum modificarea diametrului țevii poate accelera semnificativ valurile de presiune care ajung la EVO.
Suprapunerea supapelor de admisie
Suprapunerea se referă la perioada în care atât supapele de admisie, cât și cele de evacuare sunt deschise în același timp, ceea ce asigură un efect de evacuare mai bun, ajutând la prevenirea detonării, la reducerea emisiilor, la creșterea presiunii în cilindri și la creșterea eficienței procesului de ardere. Suprapunerea poate fi obținută prin intermediul reglajelor de sincronizare a arborelui cu came care ajustează durata acestuia și setările de separare a lobilor.
Suprapunerea este esențială în performanța motorului; aceasta permite motoarelor să genereze mai multă putere la turații mai mari fără a compromite netezimea și eficiența la turații mici. Dar o suprapunere prea mare poate pune probleme, inclusiv reducerea vacuumului motorului care afectează răspunsul la accelerație, livrarea de putere, economia de combustibil și răspunsul la accelerație. În plus, suprapunerea excesivă poate duce la o ardere degradată care reduce semnificativ economia de combustibil.
La turații scăzute, o suprapunere prea mare va duce la un răspuns slab al accelerației, la o calitate slabă a ralantiului și la un nivel insuficient al vacuumului motorului, ceea ce va avea un impact negativ asupra capacității de deplasare în cazul în care este echipat cu frâne electrice.
Pentru a reduce impactul negativ al suprapunerii excesive, trebuie să se reducă distanța dintre lobii arborelui cu came, în timp ce durata trebuie să fie extinsă. Pentru a face acest lucru, poate fi de ajutor mutarea lobilor camei din pozițiile lor întârziate în cele avansate. După cum se arată în FIG. 3, camele sunt avansate inițial până la atingerea suprapunerii limitei superioare, moment în care continuă să avanseze până la poziția 501 înainte de a fi menținute pentru scurt timp și eliberate din nou periodic.
Deoarece creșterea duratei lobului camei crește, de asemenea, poziția punctului de ridicare maximă, deschiderea supapei de admisie va avea loc mai devreme și închiderea va avea loc mai târziu decât în cazul unui arbore cu came tradițional, oferind mai mult timp pentru aspirarea aerului și evacuarea gazelor de eșapament înainte de pornirea pistonului; în schimb, arborii cu came cu durată mai scurtă necesită ca supapa de admisie să se închidă mai repede după TDC, ceea ce reduce raportul de compresie și are un impact negativ asupra cuplului motorului la turații mai mari; prin urmare, este esențial ca arborii cu came de calitate să fie proiectați cu o combinație adecvată de durată și de separare a lobilor pentru a maximiza performanța atât la turații mici, cât și la turații mari.