Κάποιοι κατασκευαστές προτιµούν τον ιµάντα χρονισµού και άλλοι την αλυσίδα. Δύο σχολές - η µία δίνει έµφαση στην ακρίβεια και η άλλη στην αντοχή. Ποια είναι η καλύτερη επιλογή;
Οι διαφορές µεταξύ ιµάντα και αλυσίδας είναι το υλικό κατασκευής και η θέση τοποθέτησης. Σήµερα, τα περισσότερα αυτοκίνητα διαθέτουν τετράχρονους κινητήρες, διότι η όλη διαδικασία περιλαµβάνει τέσσερις χρόνους: της εισαγωγής, της συµπίεσης, της εκτόνωσης – ισχύος και της εξαγωγής.
Σε όλο τον τετράχρονο κύκλο, ο εκκεντροφόρος περιστρέφεται µία φορά και ο στροφαλοφόρος δύο. Οι βαλβίδες ανοίγουν και κλείνουν σε κάθε δεύτερη στροφή του στροφαλοφόρου. Γι’ αυτό ο εκκεντροφόρος περιστρέφεται µε τις µισές στροφές από αυτές του στροφαλοφόρου. Στις 1.000 στροφές του κινητήρα, ο εκκεντροφόρος γυρίζει µε 500.
Με σχέση μετάδοσης δύο προς ένα, τα γρανάζια του εκκεντροφόρου είναι μεγάλα και του στροφαλοφόρου μικρά. Αυτό συγχρονίζει την κίνηση των εμβόλων και των βαλβίδων μέσα στους κυλίνδρους του κινητήρα. Οι βαλβίδες πρέπει να ανοίξουν την καθορισμένη στιγμή, σε συνδυασμό με τα έμβολα και εάν δεν συμβεί αυτό, ο κινητήρας δεν θα λειτουργήσει σωστά, αν όχι καθόλου. Η ακρίβεια στο άνοιγμα και το κλείσιμο των βαλβίδων είναι μεγάλη, της τάξης του ενός πέμπτου του δευτερολέπτου στο ρελαντί και των δύο εκατοστών του δευτερολέπτου στις 5.000 στροφές.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για τη µετάδοση της κίνησης από τον στροφαλοφόρο προς τον εκκεντροφόρο, όπως:
- µε γρανάζια χρονισµού
- µε αλυσίδα χρονισµού (καδένα)
- µε ιµάντα χρονισµού.
Στους σύγχρονους κινητήρες µε τον εκκεντροφόρο επί κεφαλής, συναντάµε τις δύο τελευταίες διατάξεις.
Η χρήση της αλυσίδας ξεκινά από τους πρώτους κινητήρες εσωτερικής καύσης και έχει ουσιαστικά αποδείξει τα πλεονεκτήματά της πάνω από έναν αιώνα. Η χρήση του ιμάντα είναι σχετικά νέα τεχνολογία.
Ο πρώτος που χρησιμοποίησε ιμάντα χρονισμού σε βενζινοκινητήρα ήταν ο Bill Devin, ο οποίος κατασκεύαζε σπορ αυτοκίνητα στην Αμερική και χρησιμοποιούσε για κινητήρα τον δικύλινδρο μπόξερ της Panhard τροποποιημένο ώστε να ταιριάξει κυλινδροκεφαλές από Norton Manx. Μάλιστα με αυτόν τον κινητήρα κέρδισε το Εθνικό Πρωτάθλημα Sports Car Club of America (SCCA) το 1956.
Το 1962, η GLAS παρουσίασε το S 1004 το οποίο ήταν το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με ιμάντα χρονισμού. Ακολούθησε η Fiat που χρησιμοποίησε ιμάντα στον κινητήρα του 124, με δύο εκκεντροφόρους επί κεφαλής και στα μέσα της δεκαετίας του 1960 η Pontiac ήταν η πρώτη αμερικάνικη εταιρεία που υιοθέτησε αυτήν τη μετάδοση.
Οι βαλβίδες πρέπει να ανοίξουν την κατάλληλη στιγµή, σε συνδυασµό µε τα έµβολα και, εάν δεν συµβεί αυτό, ο κινητήρας δεν θα λειτουργήσει σωστά, αν όχι καθόλου.
Ο ιµάντας
Η οδήγηση του εκκεντροφόρου με οδοντωτό ιμάντα χρονισμού χρησιμοποιείται από όλο και περισσότερους κατασκευαστές. Αν και πρόκειται για υλικό που δεν είναι τόσο ανθεκτικό όσο η αλυσίδα, εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα.
Το υλικό κατασκευής του ιμάντα χρονισμού είναι ελαστομερές, ενισχυμένο με χορδές υψηλής αντοχής σε τάσεις εφελκυσμού και ύφασμα. Το πρόβλημα είναι πως το υλικό αυτό δεν είναι συμβατό με λάδι ή ψυκτικό υγρό, γι’ αυτό και ο ιμάντας χρονισμού τοποθετείται εξωτερικά του κινητήρα.
Ο ιµάντας εµφανίζει κάποια πλεονεκτήµατα απέναντι στην αλυσίδα:
- Λιγότερες εσωτερικές απώλειες, της τάξης των 4,5 ίππων για έναν µέσο κινητήρα
- Λιγότεροι κραδασµοί και θόρυβος
- Επιµήκυνση που δεν ξεπερνά το 0,1% σε όλη τη διάρκεια της ωφέλιµης λειτουργίας του
- Καταλαµβάνει λιγότερο χώρο και είναι πιο ελαφρύς
- Κοστίζει φθηνότερα και
- Περιορίζει την πολυπλοκότητα στη σχεδίαση του κινητήρα.
Στα πρώτα χρόνια, κατά τις δεκαετίες του ’60 και του ’70, οι ιμάντες χρονισμού κατασκευάζονταν από καουτσούκ χλωροπρενίου ή στυρενίου – βουταδιενίου και έπρεπε να αντικατασταθούν κάθε 60.000 χλμ. ή 3 χρόνια, ό,τι ερχόταν πρώτο.
Αργότερα, τα διαστήματα αλλαγής τους αυξήθηκαν στα 90.000 – 100.000 χλμ., όταν το ελαστομερές έγινε ελαστικό νιτριλικού βουταδιενίου (NBR ή HNBR) και στα 150.000 χλμ. ή δέκα χρόνια, ό,τι ερχόταν πρώτο, όταν το ελαστομερές έγινε HT (High Temperature Neoprene).
Παράλληλα, μαζί με τον ιμάντα, οι κατασκευαστές συνιστούν την αντικατάσταση του/των τεντωτήρα/ων, της αντλίας νερού (αν παίρνει κίνηση από τον ιμάντα) και των ελεύθερων τροχαλιών, γεγονός που αυξάνει το κόστος συντήρησης.
Τα πλεονεκτήµατα του ιµάντα αφορούν τη λειτουργία του, την κατασκευή και το κόστος του.
Η αλυσίδα
Η αλυσίδα χρονισμού λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο που λειτουργεί ο ιμάντας. Η διαφορά μεταξύ των δύο είναι το υλικό και η θέση τοποθέτησης. Σε αντίθεση με τον ιμάντα, η αλυσίδα είναι κατασκευασμένη από μέταλλο και τοποθετείται στο εσωτερικό του κορμού του κινητήρα, ώστε να λιπαίνεται.
Η επιλογή του κατάλληλου λαδιού είναι σηµαντική για τη διάρκεια ζωής µίας αλυσίδας.
Η φθορά της πολλαπλασιάζεται εάν δεν χρησιμοποιείται λάδι με το ιξώδες, αλλά και τις υπόλοιπες προδιαγραφές, που προβλέπει ο κατασκευαστής. Επίσης, εάν η πίεση του λαδιού δεν είναι η σωστή, τότε η αλυσίδα και ο τεντωτήρας θα αστοχήσουν.
Οι αλυσίδες χρονισμού έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής σε σχέση με τον ιμάντα, είναι ανθεκτικές, αλλά η συντήρησή τους σχετίζεται στενά με την πίεση του λαδιού του κινητήρα. Η μείωση αυτής της πίεσης μπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα.
Έτσι, η αλυσίδα χρονισμού έχει το πλεονέκτημα της αντοχής, καθώς η διάρκεια ζωής της είναι όση και η διάρκεια ζωής του κινητήρα του αυτοκινήτου.
Δυστυχώς, αυτό δεν είναι ολόκληρη η αλήθεια. Αρκετά σύγχρονα αυτοκίνητα θα χρειαστούν αντικατάσταση της αλυσίδας, πριν φτάσουν καν τα 100.000 χλμ. και εδώ το κόστος αντικατάστασης είναι σημαντικά ακριβότερο, από αυτό του ιμάντα.
Εάν ο ιμάντας χρονισμού αντιμετωπίζει κάποιο πρόβλημα, δεν υπάρχουν σαφείς προειδοποιητικές ενδείξεις για το πότε πρέπει να αντικατασταθεί. Συνήθως, χωρίς προειδοποίηση κόβεται ή χάνει μερικά δόντια και ο κινητήρας παύει να είναι χρονισμένος. Γι’ αυτό είναι ζωτικής σημασίας η αντικατάστασή του, στα διαστήματα που ορίζει ο κατασκευαστής.
Από την άλλη, μία αλυσίδα, εάν αντιμετωπίσει κάποια προβλήματα, θα αρχίσει να προκαλεί σημαντικό θόρυβο, ενημερώνοντας τον οδηγό πως χρειάζεται αντικατάσταση.
Η αλυσίδα χρονισµού έχει το πλεονέκτηµα της αντοχής.
Κοµµένος ιµάντας
Ο όρος «interference engine» χρησιμοποιείται για τετράχρονο κινητήρα εσωτερικής καύσης, στον οποίο μία ή περισσότερες βαλβίδες στην πλήρως ανοιχτή θέση φτάνουν σε θέση που μπορεί να κινείται το έμβολο. Αντίθετα, σε έναν κινητήρα «non-interference», το έμβολο δεν φτάνει σε περιοχή στην οποία μπορεί να βρίσκονται οι βαλβίδες.
Οι interference κινητήρες, χάρη στη χρονισμένη κίνηση του εμβόλου σε σχέση με τις βαλβίδες, αποτρέπουν τη «σύγκρουση» των δύο, καθώς οι βαλβίδες είναι κλειστές, όταν το έμβολο βρίσκεται κοντά στο άνω νεκρό κέντρο. Οι περισσότεροι σύγχρονοι κινητήρες ανήκουν σε αυτή την κατηγορία. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι ότι επιτρέπουν στους σχεδιαστές κινητήρων να μεγιστοποιήσουν τη σχέση συμπίεσης του κινητήρα, ενώ το κύριο μειονέκτημά τους είναι πως «βρίσκουν» οι βαλβίδες στο έμβολο, εάν η κίνηση εμβόλου και βαλβίδων δεν είναι σωστά χρονισμένη.
Η πιθανότητα να κοπεί ένας ιµάντας είναι πολύ µεγαλύτερη από το να κοπεί µία αλυσίδα, είτε επειδή πρόκειται για ελαττωµατικό προϊόν, είτε επειδή δεν αντικαταστάθηκε στο προβλεπόµενο διάστηµα.
Εάν ο ιμάντας κοπεί κατά την εκκίνηση, όταν γυρνά η μίζα, το έμβολο πιθανότατα θα λυγίσει τις βαλβίδες. Εάν ο ιμάντας κοπεί με τον κινητήρα να περιστρέφεται σε πολλές στροφές, κάποια βαλβίδα μπορεί να σπάσει και να πέσει στον κύλινδρο. Σε αυτή την περίπτωση, το σπασμένο κομμάτι μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ζημιά μέσα στον κύλινδρο.
Εάν λοιπόν υπάρξει κομμένος ιμάντας, ελέγχουμε για λυγισμένες βαλβίδες, μετρώντας το διάκενο των βαλβίδων, ή κάνοντας έναν έλεγχο διαρροής (leakage test) κάθε κυλίνδρου.
Ωστόσο, εάν κοπεί η αλυσίδα, συνήθως δημιουργείται μεγάλη ζημιά στον κορμό του κινητήρα.
Υπέρ και κατά
Κάθε ένα σύστημα έχει τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Η παραγωγή οικονομικών αυτοκινήτων απαιτούσε την ανάπτυξη του ιμάντα χρονισμού, η οποία είναι φθηνότερη και πιο «ήσυχη» λύση από την αλυσίδα χρονισμού.
Σήμερα οι ιμάντες χρονισμού υπόκεινται σε καταπονήσεις και συνθήκες λειτουργίας, που αυτό φαινόταν αδύνατο, μόλις πριν από λίγα χρόνια:
- Υψηλής πίεσης συστήματα έγχυσης, με πίεση να υπερβαίνει τα 2000 bar, σε ορισμένες εφαρμογές common-rail.
- Αρχιτεκτονικές με πολυβάλβιδους θαλάμους καύσης και διπλούς εκκεντροφόρους, με συνέπεια υψηλότερες τάσεις εφελκυσμού.
- Κινητήρες υψηλής απόδοσης με θερμοκρασίες λειτουργίας, ακόμη και άνω των 120°C.
- Συστήματα μεταβλητού χρονισμού, όπου η αλυσίδα λειτουργεί καλύτερα.
Από την άλλη, η επιμήκυνση των αλυσίδων δημιουργεί προβλήματα χρονισμού, που σε παλαιότερα μοντέλα δεν απασχολούσαν. Ωστόσο, σήμερα προκαλούν καταγραφή του κωδικού βλάβης για κακό χρονισμό του κινητήρα.
Η απόφαση για τον ιµάντα χρονισµού ή την αλυσίδα εξαρτάται πρωτίστως από το µοντέλο του αυτοκινήτου και τον κυβισµό.
Η απάντηση φαίνεται να είναι ο συνδυασμός των δύο: ο ιμάντας που λειτουργεί μέσα σε λάδι. Με υψηλή αντοχή και διαστήματα αντικατάστασης μεγαλύτερα και από αυτά της αλυσίδας (αντικατάσταση κάθε 240.000 χλμ.), οι ιμάντες ΒΙΟ – Belt in Oil, άρχισαν να τοποθετούνται από το 2007 στον κινητήρα Lynx της Ford και καθιερώθηκαν από το 2011, με τον κινητήρα Ecoboost. Θα πρέπει να περιμένουμε όμως λίγο, για να δούμε την αντοχή τους.
Ο ιµάντας που λειτουργεί µέσα σε λάδι φαίνεται πως συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα των δύο συστηµάτων χρονισµού.
ΤΟΥ ΝΙΚΟΥ ΒΑΣΙΛΑΚΗ
