Πως δουλεύουν οι βαλβίδες σε έναν κινητήρα;

Αρχικά, θα πρέπει να ξεκαθαρίσουμε ότι σε κάθε θάλαμο καύσης υπάρχουν τουλάχιστον δύο βαλβίδες, μία εισαγωγής και μία εξαγωγής. Σήμερα, συνηθίζεται οι περισσότεροι κινητήρες αυτοκίνητων να έχουν δύο βαλβίδες εισαγωγής και δύο εξαγωγής σε κάθε θάλαμο καύσης. Ποιος είναι, όμως, ο ρόλος τους; Οι βαλβίδες εισαγωγής επιτρέπουν την είσοδο του καύσιμου μείγματος στον θάλαμο καύσης, ενώ, αντίθετα, οι βαλβίδες εξαγωγής επιτρέπουν την έξοδο των καυσαερίων από τον θάλαμο στην εξάτμιση.

Οι βαλβίδες εισαγωγής ανοίγουν στη φάση της εισαγωγής και κλείνουν με την έναρξη της συμπίεσης του μείγματος, ενώ οι βαλβίδες εξαγωγής ανοίγουν στη φάση της εξαγωγής για την απομάκρυνση των καυσαερίων. Πως προγραμματίζεται κάτι τέτοιο; Όλα ξεκινούν από τον στροφαλοφόρο άξονα, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με τους εκκεντροφόρους άξονες μέσω ενός ιμάντα ή μίας καδένας και τους περιστρέφει (δύο περιστροφές του στροφαλοφόρου ανά μία περιστροφή του εκκεντροφόρου άξονα). Έτσι, οι κινούμενοι πλέον εκκεντροφόροι επιτρέπουν το άνοιγμα και το κλείσιμο των βαλβίδων.

Η μεγαλύτερη διαφορά σχετικά με τη διάταξη των βαλβίδων στους κινητήρες εσωτερικής καύσης εξαρτάται από το πλήθος των εκκεντροφόρων. Η πρώτη αρχιτεκτονική ονομάζεται «SOHC» από τη φράση Single OverHead Cam και σε αυτή την περίπτωση έχουμε έναν επικεφαλής εκκεντροφόρο άξονα ο οποίος αναλαμβάνει το άνοιγμα-κλείσιμο τόσο των βαλβίδων εισαγωγής, όσο και αυτών της εξαγωγής. Η διάταξη, όμως, που θα συναντήσουμε στην πλειονότητα των σύγχρονων κινητήρων δεν είναι άλλη από την «DOHC», η οποία προέρχεται από τη φράση Double OverHead Cam και αποτελείται από δύο εκκεντροφόρους. Ο ένας αναλαμβάνει το άνοιγμα-κλείσιμο των βαλβίδων εισαγωγής και ο δεύτερος το άνοιγμα-κλείσιμο των βαλβίδων εξαγωγής.

Ασφαλώς ένας κινητήρας που διαθέτει δύο εκκεντροφόρους συνηθίζεται να έχει περισσότερες βαλβίδες ανά κύλινδρο με αποτέλεσμα να υπερτερεί λόγω της βελτιωμένης ροής που συμβάλλει στην αύξηση της ισχύος και τη μείωση της κατανάλωσης. Επίσης, η εφαρμογή τεχνολογιών μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων είναι πιο εύκολη σε έναν κινητήρα με αρχιτεκτονική τύπου «DOHC».

Όπως ήδη αναφέραμε, το «βύθισμα» των βαλβίδων γίνεται μέσω των εκκεντροφόρων και για την κίνηση αυτών απαιτείται ένας ιμάντας ή μία καδένα (αλυσίδα). Ξεκάθαρος νικητής ανάμεσα στις δύο εναλλακτικές επιλογές δεν υπάρχει, γι` αυτό άλλωστε σήμερα κατασκευάζονται κινητήρες που εξοπλίζονται είτε με ιμάντα, είτε με καδένα. Η επιλογή οδοντωτού ιμάντα εξασφαλίζει μία πιο «πολιτισμένη» και αθόρυβη λειτουργία του κινητήρα σε σχέση με την καδένα. Από την άλλη πλευρά, ο κάτοχος ενός αυτοκινήτου με ιμάντα χρονισμού θα πρέπει να φροντίζει για την αντικατάστασή του ανά διαστήματα που προτείνει ο κατασκευαστής (συνήθως 4-6 χρόνια), μιας και το πρόβλημα που θα προκαλέσει σε περίπτωση που καταστραφεί είναι τεράστιο. Από την άλλη πλευρά, η αντικατάσταση της καδένας δεν υφίσταται, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση του κόστους συντήρησης, ενώ αν χρήζει αλλαγής «προειδοποιεί» με αυξημένο θόρυβο λειτουργίας.

Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της κίνησης των βαλβίδων είναι το βύθισμα και η χρονική διάρκεια ανοίγματος τους. Με τον πρώτο όρο αναφερόμαστε στη διαδρομή των βαλβίδων μέσα στον θάλαμο καύσης, ενώ με τον δεύτερο στη χρονική διάρκεια που οι βαλβίδες παραμένουν ανοιχτές. Όπως είναι λογικό, όταν οι στροφές του κινητήρα αυξάνονται, μπορεί το βύθισμα να παραμένει σταθερό, αλλά η διάρκεια του ανοίγματος μειώνεται αισθητά με αποτέλεσμα η επαρκής πλήρωση-εκκένωση του θαλάμου καύσης να μην είναι εφικτή. Τη λύση σε αυτό το πρόβλημα έδωσαν τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων (VVT), ανοίγοντας πρόωρα τις βαλβίδες εισαγωγής και κλείνοντας με καθυστέρηση τις βαλβίδες εξαγωγής. Πως επιτυγχάνεται όμως κάτι τέτοιο;

Ο πιο συνηθισμένος τρόπος είναι η κατασκευή εκκεντροφόρου με ένα δεύτερο μεγαλύτερο έκκεντρο. Μετά από ένα όριο στροφών, η κίνηση της βαλβίδας γίνεται από το δεύτερο έκκεντρο, με αποτέλεσμα να αυξάνεται το βύθισμα και η διάρκεια κίνησης της βαλβίδας. Οι κατασκευαστές πειραματίζονται αρκετά με τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων, με αποτέλεσμα σήμερα να υπάρχουν πολλά και με διαφορετικό τρόπο λειτουργίας, όπως το σύστημα Valvelift της Audi, το Valvetronic της BMW και λοιπά. 

Εδώ και πολλά χρόνια, οι εταιρείες ερευνούν εναλλακτικούς τρόπους κίνησης των βαλβίδων εισαγωγής-εξαγωγής για την βελτίωση της αποδοτικότητας των κινητήρων εσωτερικής καύσης. Τρανό παράδειγμα είναι η τεχνολογία «MultiAir» της Fiat, η οποία ουσιαστικά καταργεί τον εκκεντροφόρο εισαγωγής και κινεί τις βαλβίδες εισαγωγής με ηλεκτροϋδραυλικό τρόπο. Κάτι τέτοιο επιτρέπει την αύξηση ισχύος και ροπής, αλλά και τη μείωση τριβών και βάρους.

Επίσης, δεν θα μπορούσαμε να μην αναφερθούμε στην τεχνολογία «FreeValve» της Koenigsegg, όπου οι πνευματικά ελεγχόμενες βαλβίδες εισαγωγής-εξαγωγής έχουν «στείλει» στον κάλαθο των αχρήστων τους εκκεντροφόρους. Κάτι τέτοιο, σύμφωνα με τους μηχανικούς της σουηδικής φίρμας, βελτιώνει την αποδοτικότητα των καυσίμων σε επίπεδο της τάξης του 20-30% και αποδεικνύει με τον καλύτερο τρόπο ότι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης είναι πολύ σκληροί για να πεθάνουν!

- Σε κάθε κινητήρα, οι οπές των βαλβίδων εισαγωγής είναι πάντα μεγαλύτερες από αυτές της εξαγωγής, προκειμένου να εισέρχεται όσο το δυνατόν περισσότερο μείγμα.

- Υπάρχουν κινητήρες με περισσότερες από τέσσερις βαλβίδες ανά θάλαμο καύσης. Τρανό παράδειγμα ο γνωστός 20βάλβιδος κινητήρας του VW Group που εξοπλίζεται με τρεις βαλβίδες εισαγωγής και δύο εξαγωγής!

- Με τον όρο έκκεντρα αναφερόμαστε σε λοβούς που βρίσκονται στον εκκεντροφόρο και μετατρέπουν την περιστροφική κίνηση του άξονα σε ευθύγραμμη  παλινδρομική κίνηση των βαλβίδων.

- Υπάρχει ένα χρονικό διάστημα όπου οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής είναι ταυτόχρονα ανοιχτές. Αυτή η περίοδος ονομάζεται «Overlap».