Εκκεντροφόροι

Οι εκκεντροφόροι µετατρέπουν την περιστροφική κίνηση σε γραµµική, διασφαλίζοντας ότι η εισαγωγή καυσίµου και η αποβολή καυσαερίων πραγµατοποιούνται µε απόλυτη ακρίβεια στις κατάλληλες στιγµές.

Ο εκκεντροφόρος είναι ένας άξονας, ή πιο σωστά μία «άτρακτος», που φέρει διαμορφωμένες προεξοχές συγκεκριμένου σχήματος, γνωστές ως έκκεντρα. Κατασκευάζεται από χάλυβα ή από κράμα χυτοσιδήρου, το οποίο συχνά εμπλουτίζεται με νικέλιο, χρώμιο, μολυβδαίνιο, πυρίτιο και μαγκάνιο για αυξημένη αντοχή.

Ο αριθμός των εκκέντρων σε έναν εκκεντροφόρο είναι ίσος με τον αριθμό των βαλβίδων του κινητήρα. Για παράδειγμα, σε έναν τυπικό βενζινοκινητήρα τεσσάρων κυλίνδρων με δύο βαλβίδες ανά κύλινδρο, ο εκκεντροφόρος διαθέτει οκτώ έκκεντρα. Στους παλαιότερους κινητήρες, υπήρχε ένα επιπλέον έκκεντρο για την κίνηση της αντλίας βενζίνης και ένα γρανάζι που έδινε κίνηση στον διανομέα (ντιστριμπιτέρ).

Ο Χρονισμός του Κινητήρα

Ο χρονισμός του κινητήρα αφορά τον συντονισμό του ανοίγματος και κλεισίματος των βαλβίδων σε συνάρτηση με την κίνηση των εμβόλων. Αυτός ο «συγχρονισμός» είναι προσεκτικά υπολογισμένος ώστε να διασφαλίζεται η βέλτιστη απόδοση του κινητήρα.

Ο εξωτερικός χρονισμός, γνωστός και ως χρονισμός ανάφλεξης, ρυθμίζει την ακριβή στιγμή που τα μπουζί αναφλέγουν το μείγμα αέρα-καυσίμου μέσα στον θάλαμο καύσης. Εάν ο σπινθήρας εμφανιστεί πολύ νωρίς ή πολύ αργά, μπορεί να οδηγήσει σε αναποτελεσματική καύση, μειώνοντας την ισχύ του κινητήρα και την αποδοτικότητα καυσίμου.

Ο εσωτερικός χρονισμός, ή χρονισμός βαλβίδων, καθορίζει το άνοιγμα και το κλείσιμο των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής. Με τον σωστό εσωτερικό χρονισμό, οι βαλβίδες ανοίγουν και κλείνουν στις ιδανικές στιγμές, επιτρέποντας στον κινητήρα να «αναπνέει» σωστά και αποδοτικά.

Για να διευκολύνουν τους τεχνικούς στον χρονισµό του κινητήρα, οι κατασκευαστές τοποθετούν ειδικά σύµβολα και δείκτες.

Υπάρχουν διάφοροι όροι και συντομογραφίες που χρησιμοποιούνται στον χρονισμό του κινητήρα, κυρίως σε σχέση με τη θέση του εμβόλου. Οι βασικές συντομογραφίες περιλαμβάνουν:

• TC ή TDC – Top Center ή Top Dead Center (Άνω Νεκρό Σηµείο)
• BC ή BDC – Bottom Dead Center (Κάτω Νεκρό Σηµείο)
• BTC ή BTDC – Before Top Dead Center (πριν το Άνω Νεκρό Σηµείο)
• ATC ή ATDC – After Top Dead Center (µετά το Άνω Νεκρό Σηµείο)
• BBC ή BBDC – Before Bottom Dead Center (πριν το Κάτω Νεκρό Σηµείο)
• ABC ή ABDC – After Bottom Dead Center (µετά το Κάτω Νεκρό Σηµείο)
• IVO ή IO – Intake Valve Opens (Άνοιγµα βαλβίδας εισαγωγής)
• IVC ή IC – Intake Valve Close (Κλείσιµο βαλβίδας εισαγωγής)
• EVO – Exhaust Valve Opens (Άνοιγµα βαλβίδας εξαγωγής)
• EVC – Exhaust Valve Close (Κλείσιµο βαλβίδας εξαγωγής)

Έκκεντρα

Το έκκεντρο είναι ένας δακτύλιος με σχήμα που μοιάζει με αμύγδαλο και φέρει ένα εξόγκωμα το οποίο ονομάζεται λοβός, με ομαλή αρχή και τέλος. Στην καθαρεύουσα, αποκαλείται «κνώδαξ», και έτσι ο εκκεντροφόρος αναφέρεται ως άξονας ή άτρακτος των κνωδάκων. Η λειτουργία του εκκέντρου είναι να μετατρέπει την περιστροφική κίνηση του εκκεντροφόρου σε διακοπτόμενη ευθύγραμμη κίνηση.

Η βαλβίδα κινείται μόνο κατά τη διάρκεια ενός συγκεκριμένου τόξου περιστροφής του εκκεντροφόρου, ενώ παραμένει κλειστή στο υπόλοιπο διάστημα. Για να ανοίγει η βαλβίδα στις σωστές μοίρες του κύκλου λειτουργίας, τα έκκεντρα είναι τοποθετημένα σε συγκεκριμένες θέσεις πάνω στον εκκεντροφόρο. Το σχήμα του έκκεντρου επιτρέπει να διαρκεί το άνοιγμα και το κλείσιμο της βαλβίδας για όσο απαιτεί ο σχεδιαστής του κινητήρα. Τα έκκεντρα εξαγωγής είναι, κατά κανόνα, πλατύτερα από εκείνα της εισαγωγής, καθώς η βαλβίδα εξαγωγής πρέπει να παραμένει ανοιχτή για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.

Κάθε έκκεντρο περιλαμβάνει τα παρακάτω τμήματα:

1. Βασικός κύκλος (Base Circle): Το τµήµα του έκκεντρου χωρίς ανύψωση (µηδενική βύθιση).
2. Ράµπα (Ramp): Το τµήµα του λοβού από τον βασικό κύκλο έως το καθορισµένο σηµείο ανοίγµατος ή κλεισίµατος.
3. Γωνία βασικού κύκλου (Base Circle Radius): Το τµήµα του έκκεντρου µε µηδενική ανύψωση, όπου οι βαλβίδες παραµένουν κλειστές.
4. Πλευρά (Flank): Το τµήµα µεταξύ της ράµπας και του βασικού κύκλου.
5. Ακτίνα µύτης (Nose Radius): Η ακτίνα που εφάπτεται στην πλευρά του λοβού στο σηµείο µέγιστης ανύψωσης, που καθορίζει την άµεση ανύψωση της άκρης του έκκεντρου.

Το Προφίλ

Τα έκκεντρα με επίπεδο προφίλ ανοίγουν και κλείνουν τη βαλβίδα αργά, διατηρώντας τη βαλβίδα πλήρως ανοιχτή για μικρό χρονικό διάστημα. Αντίθετα, έκκεντρα με καμπύλο προφίλ ανοίγουν και κλείνουν τη βαλβίδα πιο γρήγορα και την κρατούν ανοιχτή για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Τα προφίλ των σύγχρονων εκκεντροφόρων έχουν σχεδιαστεί μέσω υπολογιστών για βελτιστοποίηση της απόδοσης του κινητήρα, της κατανάλωσης καυσίμου, της διάρκειας ζωής του συστήματος των βαλβίδων και του κόστους. Η ομαλότητα του προφίλ είναι κρίσιμη για την παράταση της ζωής των βαλβίδων και των σχετιζόμενων εξαρτημάτων.

1. Συμμετρικό έκκεντρο: Διαθέτει πανομοιότυπες ράμπες ανοίγματος και κλεισίματος, όπου κάθε μισό του εκκέντρου είναι κατοπτρικό του άλλου. Αυτός ο σχεδιασμός επιτρέπει στις βαλβίδες να ανοίγουν και να κλείνουν με τον ίδιο ρυθμό.
2. Ασύμμετρο έκκεντρο: Έχει διαφορετικές ράμπες για άνοιγμα και κλείσιμο. Συνήθως σχεδιάζεται με μια απότομη ράμπα για γρήγορο άνοιγμα της βαλβίδας και μια πιο ομαλή ράμπα για σταδιακό κλείσιμο.

Σε παλαιότερους κινητήρες, ο εκκεντροφόρος συνήθως είχε τα ίδια προφίλ για τα έκκεντρα εισαγωγής και εξαγωγής. Ωστόσο, στους νεότερους κινητήρες, ο εκκεντροφόρος φέρει διαφορετικά προφίλ στους λοβούς εισαγωγής και εξαγωγής για βελτιωμένη απόδοση και οικονομία καυσίμου.

Γωνία Διαχωρισμού Εκκέντρων

Η γωνία διαχωρισμού εκκέντρων (LSA) είναι η γωνία μεταξύ των αξόνων συμμετρίας των εκκέντρων εισαγωγής και εξαγωγής και μετριέται σε μοίρες του εκκεντροφόρου. Αυτή η γωνία υποδεικνύει το μέγεθος της περιστροφής που χρειάζεται για να περάσει από τον άξονα του κέντρου της εισαγωγής στον άξονα του κέντρου της εξαγωγής. Με την αύξηση αυτής της γωνίας, αυξάνεται και η απόσταση μεταξύ των γραμμών των κέντρων των εκκέντρων.

Η γωνία διαχωρισμού εκκέντρων συχνά θεωρείται ένδειξη της επικάλυψης των βαλβίδων, δηλαδή του χρόνου που και οι δύο βαλβίδες παραμένουν ανοιχτές στον ίδιο κύλινδρο.
Η επικάλυψη βοηθά στη σάρωση των καυσαερίων από τον κύλινδρο, αξιοποιώντας την αδράνεια των αερίων.

Για παράδειγμα, μία γωνία διαχωρισμού 112 μοιρών σημαίνει ότι τα σημεία μέγιστης βύθισης των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής απέχουν 112 μοίρες. Εάν η γωνία διαχωρισμού ήταν 0 μοίρες, οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής θα άνοιγαν και θα έκλειναν ταυτόχρονα. Συνήθεις τιμές κυμαίνονται από 104 έως 115 μοίρες.

Χαρακτηριστικά Γωνιών Διαχωρισμού:

• Μικρή Γωνία (104 μοίρες)

1. Περιορισμένη περιοχή υψηλής ροπής
2. Υψηλή μέγιστη ροπή
3. Αυξημένη πίεση κυλίνδρου
4. Χαμηλότερο κενό στο ρελαντί
5. Τραχύ ρελαντί
6. Μεγάλη επικάλυψη βαλβίδων

• Μεγάλη Γωνία (115 μοίρες)

1. Μεγαλύτερη περιοχή υψηλής ροπής
2. Χαμηλότερη μέγιστη ροπή
3. Μειωμένη πίεση κυλίνδρου
4. Αυξημένο κενό στο ρελαντί
5. Ομαλό ρελαντί
6. Μικρή επικάλυψη βαλβίδων

Διάρκεια

Η διάρκεια αναφέρεται στο συνολικό χρόνο, σε μοίρες περιστροφής του έκκεντρου, που απαιτείται για να κινηθεί το ωστήριο από ένα καθορισμένο σημείο βύθισης στην πλευρά του ανοίγματος, μέχρι το αντίστοιχο σημείο βύθισης στην πλευρά του κλεισίματος. Αν δεν καθοριστεί το σημείο βύθισης, η έννοια της διάρκειας δεν μπορεί να προσδιοριστεί ακριβώς. Δυστυχώς, συχνά παραλείπεται αυτός ο προσδιορισμός, ενώ υπάρχουν διαφορετικά πρότυπα για το σημείο ανύψωσης, ανάλογα με τον κατασκευαστή. Ενδεικτικά, το σημείο αυτό προσδιορίζεται ως εξής:

1. 0,05’ από τις εταιρείες του Aftermarket
2. 0,004’ από τις διαφημιστικές εταιρείες
3. 0,006’ από την SAE

Η συνηθέστερη τιμή που χρησιμοποιείται είναι αυτή των 0,05’ από τις εταιρείες του Aftermarket. Για παράδειγμα, αν ο εκκεντροφόρος έχει διάρκεια 236 μοίρες στις 0,05’, αυτό σημαίνει ότι χρειάζεται 236 μοίρες περιστροφής του εκκεντροφόρου ώστε το έκκεντρο να κινήσει το κοκοράκι από το σημείο βύθισης 0,05’ έως το πλήρες άνοιγμα της βαλβίδας και να επιστρέψει στο ίδιο σημείο βύθισης. Ας υποθέσουμε πως υπάρχουν δύο εκκεντροφόροι με παρόμοια διάρκεια στις 0,05’, αλλά διαφορετική διαφημιζόμενη διάρκεια· αυτό υποδηλώνει ότι η ράμπα του ενός εκκεντροφόρου είναι πιο απότομη ή γρήγορη από του άλλου.

Η ανύψωση είναι επίσης ένα βασικό χαρακτηριστικό των εκκέντρων. (Σημείωση: Ο αγγλικός όρος «Lift» αποδίδεται από κάποιους ως «ανύψωση» και από άλλους ως «βύθιση»). Στους παλαιότερους κινητήρες, η βαλβίδα ανυψωνόταν, ενώ στους κινητήρες με βαλβίδες επί κεφαλής, η βαλβίδα βυθίζεται στον θάλαμο καύσης. Στο συγκεκριμένο κείμενο, χρησιμοποιείται ο όρος «ανύψωση» για να περιγράψει αυτή την κίνηση.

Θέση εκκεντροφόρου άξονα και διάταξη βαλβίδων

Η τοποθέτηση του εκκεντροφόρου άξονα σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης καθορίζεται κυρίως από τη διάταξη των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής.

Διάταξη βαλβίδων πλευρικές: Σε αυτήν την περίπτωση, ο εκκεντροφόρος άξονας τοποθετείται σε πλάγια θέση σε σχέση με τον στροφαλοφόρο άξονα. Η κίνηση μεταφέρεται στις βαλβίδες μέσω ωστήριων ράβδων.

Διάταξη βαλβίδων επί κεφαλής

• SOHC (Single Overhead Cam): Εδώ, ο εκκεντροφόρος άξονας είναι τοποθετημένος απευθείας στην κυλινδροκεφαλή και ελέγχει τόσο τις βαλβίδες εισαγωγής όσο και εξαγωγής.
• DOHC (Double Overhead Cam): Σε αυτήν τη διάταξη, υπάρχουν δύο εκκεντροφόροι άξονες στην κυλινδροκεφαλή, με τον καθένα να ελέγχει ξεχωριστά τις βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής.

Πλευρικός με ωστήριες ράβδους: Πρόκειται για μία ενδιάμεση λύση, όπου ο εκκεντροφόρος άξονας είναι τοποθετημένος πλάγια αλλά με συντομότερες ωστήριες ράβδους, βελτιώνοντας την απόδοση σε σχέση με τις παραδοσιακές διατάξεις πλευρικών βαλβίδων.

Μηχανισμός κίνησης

Σε έναν τετράχρονο βενζινοκινητήρα, ο κύκλος λειτουργίας περιλαμβάνει δύο περιστροφές του στροφαλοφόρου άξονα, οπότε η αναλογία των γραναζιών μεταξύ του στροφαλοφόρου και του εκκεντροφόρου πρέπει να είναι 2:1. Η κίνηση του εκκεντροφόρου μπορεί να μεταδοθεί με τους εξής τρόπους:

1. Γρανάζια χρονισμού: Ο εκκεντροφόρος λαμβάνει κίνηση απευθείας από τον στροφαλοφόρο μέσω γραναζιών, μία μέθοδος που απαντάται συχνότερα σε παλαιότερους κινητήρες (π.χ., κινητήρες με επί κεφαλής βαλβίδες ή κινητήρες τύπου V). Ο θόρυβος από τα γρανάζια μειώνεται με τη χρήση γραναζιών με πλάγια δόντια.
2. Αλυσίδα χρονισμού (καδένα): Σε αυτή τη διάταξη, ο εκκεντροφόρος οδηγείται από μία αλυσίδα που υποστηρίζεται από διάφορα βοηθητικά εξαρτήματα. Οι αλυσίδες αυτές είναι είτε μονές είτε πολλαπλές και τεντώνονται με τη βοήθεια υδραυλικού τεντωτήρα που ελέγχεται από την πίεση του λαδιού. Η αλυσίδα, επιπλέον, οδηγείται σε γλύστρες για τη μείωση της ταλάντωσης και του θορύβου. Η αλυσίδα και ο τεντωτήρας υπόκεινται σε ελάχιστη φθορά, οπότε η συντήρηση δεν είναι συχνά απαραίτητη, αλλά σε περίπτωση υπερβολικής φθοράς η αλυσίδα αντικαθίσταται, ενώ ο τεντωτήρας αλλάζει ολόκληρος.
3. Ιμάντας χρονισμού: Η χρήση του ιμάντα χρονισμού προσφέρει αθόρυβη λειτουργία και είναι ιδανική για κινητήρες υψηλών στροφών λόγω του μικρού βάρους του. Ο ιμάντας, συνήθως κατασκευασμένος από πολυμερές ενισχυμένο με ίνες γυαλιού, δεν αντέχει σε επαφή με λάδι ή ψυκτικό υγρό. Γι’ αυτό, κατά την εργασία στον κινητήρα, πρέπει να αποφεύγεται η επαφή του ιμάντα με αυτά τα υγρά. Ο ιμάντας πρέπει να αντικαθίσταται στα προβλεπόμενα διαστήματα συντήρησης, και η τάση του ρυθμίζεται μέσω τεντωτήρα. Αν εντοπιστούν ρωγμές ή φθορές στον ιμάντα, επιβάλλεται η άμεση αντικατάστασή του, ακόμα κι αν δεν έχει φτάσει το προγραμματισμένο διάστημα αλλαγής.

Σε κινητήρες υψηλής συμπίεσης, αν σπάσει ο ιμάντας ή η αλυσίδα, ή αν πηδήσει ένα δόντι, υπάρχει κίνδυνος επαφής μεταξύ εμβόλου και βαλβίδων, προκαλώντας σοβαρή ζημιά στον κινητήρα.

Κουζινέτα Εκκεντροφόρου

Ο εκκεντροφόρος εδράζεται σε κουζινέτα (δακτυλίδια), τα οποία τοποθετούνται σε ειδικές φωλιές στον κινητήρα. Για να διευκολύνεται η αποσυναρμολόγηση και η επανατοποθέτηση του εκκεντροφόρου, κάθε κουζινέτο έχει διαφορετική διάμετρο. Το κουζινέτο με τη μεγαλύτερη διάμετρο τοποθετείται στον καθρέπτη, δηλαδή στο άκρο που βρίσκεται προς το μέρος του γραναζιού χρονισμού, ενώ τα υπόλοιπα κουζινέτα έχουν σταδιακά μικρότερη διάμετρο καθώς απομακρύνονται από τον καθρέπτη. Με αυτόν τον τρόπο, κατά την τοποθέτηση, το κομβίο του εκκεντροφόρου περνά εύκολα από τα κουζινέτα με μεγαλύτερη διάμετρο.

Τα κουζινέτα του εκκεντροφόρου είναι κατασκευασµένα από χαλύβδινα δακτυλίδια µε αντιτριβική επικάλυψη. Η ανοχή ανάµεσα στο κουζινέτο και το κοµβίο καθορίζεται από τον κατασκευαστή του κινητήρα και κυµαίνεται συνήθως από 0,001 έως 0,004 ίντσες. Όταν η ανοχή υπερβεί το κανονικό όριο, µπορεί να προκληθεί απώλεια πίεσης στο κύκλωµα λίπανσης και θόρυβος κατά τη λειτουργία του κινητήρα, ιδιαίτερα στο εµπρόσθιο κουζινέτο που υπόκειται στη µεγαλύτερη καταπόνηση.

Επιθεώρηση Εκκεντροφόρου

Κατά τη συντήρηση ή επισκευή ενός κινητήρα, είναι απαραίτητος ο επιμελής έλεγχος του εκκεντροφόρου, ο οποίος πραγματοποιείται όταν είναι αποσυναρμολογημένος.

• Οπτικός Έλεγχος: Ελέγχεται για τυχόν ρωγμές, διαβρώσεις ή άλλες ορατές φθορές.
• Έλεγχος Κυλινδρικότητας: Με μικρόμετρο, μετράμε την κυλινδρικότητα των κομβίων, με την επιτρεπόμενη φθορά να μην υπερβαίνει τις προδιαγραφές του κατασκευαστή (π.χ. 0,002 ίντσες). Σε αυξημένη φθορά, είτε γίνεται επισκευή (ρεκτιφιέ) είτε αντικατάσταση του εκκεντροφόρου.
• Έλεγχος κύρτωσης: Ο εκκεντροφόρος τοποθετείται πάνω σε δύο βάσεις V και μετριέται με μετρητικό ρολόι. Η διαφορά μέγιστης-ελάχιστης ένδειξης δια δύο, δίνει την τιμή της κάμψης. Αν είναι μικρή, μπορεί να επανέλθει με τη χρήση πρέσας.
• Έλεγχος Αξονικής Ανοχής (Τζόγος): Η αξονική ανοχή, που τυπικά κυμαίνεται μεταξύ 0,002 και 0,006 ίντσες, μετριέται τοποθετώντας ένα μετρητικό ρολόι στον κορμό του κινητήρα. Με τη χρήση λεβιέ, σπρώχνουμε τον εκκεντροφόρο μπρος-πίσω, και σημειώνουμε τη διαφορά στην ένδειξη.
• Έλεγχος Πλευρικής Ανοχής Γραναζιού: Για την πλευρική ανοχή της οδόντωσης του γραναζιού, τοποθετείται το μετρητικό ρολόι στο πλευρό ενός δοντιού του γραναζιού. Σπρώχνοντας το γρανάζι μέσα/έξω, σημειώνουμε τη διαφορά της ένδειξης, η οποία δεν πρέπει να υπερβαίνει τις προδιαγραφές του κατασκευαστή.

ΝΙΚΟΣ ΒΑΣΙΛΑΚΗΣ