Zunächst ist es wahrscheinlich wichtig zu überprüfen, was Ventile tun und wie sie an einem Viertakt-Verbrennungsmotor arbeiten sollen.
Was Ventile tun?
Im Wesentlichen gibt es Einlass- und Auslassventile mit jeweils mindestens einem pro Kolben, aber F1-Fahrzeuge (und viele moderne Straßenfahrzeuge) verwenden jeweils zwei. In der folgenden Beschreibung wird "Ventil" Singular verwendet, es versteht sich jedoch, dass bei Mehrventilmotoren die Ventile synchron arbeiten - das heißt, unabhängig davon, ob der Motor ein oder zwei Einlassventile hat, befinden sie sich jeweils in derselben Position sofort in der Zeit.
Das Einlassventil lässt das Kraftstoff / Luft-Gemisch in den Zylinder, wenn sich der Kolben nach unten (vom Ventil weg) bewegt, und schließt dann, so dass das Gemisch durch den ansteigenden Kolben komprimiert werden kann. Es wird dann durch einen Funken gezündet und die resultierende Mini-Explosion drückt den Kolben wieder nach unten. Das ist der Krafthub. Schließlich kommt der Kolben wieder hoch, wenn sich das Auslassventil öffnet und das Abgas aus dem Zylinder gedrückt wird.
Wie sie arbeiten
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich sein sollte, müssen die Ventile genau mit dem Betrieb der Kolben synchronisiert sein, die sich auf und ab bewegen. Wenn sie nicht mehr synchron sind, hat der Motor weniger Leistung (wenn sie etwas vom Timing abweichen) oder läuft überhaupt nicht (wenn sie stark vom Timing abweichen) oder zerstört den Motor, indem die Kolben zusammenstoßen die Ventile, Biegen oder Brechen der Ventile (in einigen Ausführungen). Seit vielen Jahrzehnten und bis zur heutigen Zeit verwenden die meisten Motoren Nocken, um das Ventil nach unten zu drücken (es zu öffnen), und Federn, um das Ventil wieder zu schließen. Es ist kostengünstig, zuverlässig, effizient und ein bewährtes Design, aber es gibt Einschränkungen.
Lass uns Rennen fahren!
Wenn die Motordrehzahl steigt, müssen die Ventile schneller laufen. Ein F1-Auto kann gemäß den geltenden Vorschriften bis zu 15.000 U / min drehen. Die Autos der vergangenen Saisons drehten sich noch höher. Typische Straßenautos haben etwa die Hälfte der "roten Linie". ("Rote Linie" bezieht sich auf eine tatsächliche rote Linie am Drehzahlmesser, die anzeigen soll, "wenn Sie diesen Punkt überschreiten, ist ein schwerer Motorschaden wahrscheinlich!") Wenn ein Motor so schnell dreht, wird die Feder zu einem Problem. Erstens muss es sehr schnell handeln. Wir können das Ventil schneller schließen, indem wir eine steifere Feder verwenden. Dann müssen wir jedoch jedes Mal, wenn sich der Nocken dreht, mehr Energie aufwenden, um das Ventil zu schließen. Ferner wurde festgestellt, dass bei bestimmten Motordrehzahlen nahe der Resonanzfrequenz der Feder die Ventile nicht so schnell schließen, wie sie sollten, so dass einige Rennmotoren zwei oder drei konzentrische Federn mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen verwenden, um dies zu überwinden.
Frühling in Paris
Ein Ansatz, der ursprünglich von Renault erfolgreich angewendet wurde (ja, ich weiß, dass sie nicht in Paris ansässig sind, aber ich konnte nicht widerstehen, die Überschrift zu verwenden) und bald darauf von allen F1-Motorenherstellern, war ein pneumatisches Ventil. Im Wesentlichen ist es nur eine Membran, die mit einem Inertgas wie Stickstoff gefüllt ist, das wie eine Feder wirkt, aber schneller. Sie haben auch den Vorteil eines geringeren Gewichts, was für Renningenieure immer von Interesse ist. Denken Sie daran, dass pneumatische Ventile zwar bei niedrigeren Drehzahlen eingesetzt werden können, das Problem, das sie lösen sollen, jedoch bei so hohen Drehzahlen liegt, die weit über denen liegen, denen die Familienlimousine standhalten kann. Deshalb werden sie (noch) nicht auf der Straße eingesetzt Autos. Es gibt auch ein System namens " desmodromic ""Das verwendet im Wesentlichen zwei Nocken - einen zum Öffnen des Ventils und einen zum Schließen. Meines Wissens wurde es in der Formel 1 noch nie verwendet ( Verzeih mir Fangio, denn ich habe gesündigt! Der Mercedes-Benz W196 von 1954 war desmodrom Ventile.), und der Hauptnutzer ist Ducati in ihren Motorrädern. Das ist schon lang genug, deshalb werde ich das hier nicht beschreiben.
Können wir es noch besser machen?
Das von mir beschriebene Kamerasystem funktioniert gut, aber es ist ein Kompromiss. Der Zeitpunkt und die Dauer der Perioden, in denen jedes Ventil geöffnet ist, werden durch die Form der Nockenwellen und die Drehzahl des Motors festgelegt. An einem gewissen Punkt in dem Drehzahlbereich des Motors, insbesondere eine Nockenwelle liefert die optimale Dauer und den Zeitpunkt, sondern nur in diesem einem Punkt. Für jede andere Motordrehzahl wird es in Bezug auf Effizienz oder Leistung oder beides nicht optimal sein. Idealerweise möchten wir eine bessere Steuerung der Ventile, um ideale Einstellungen bei mehr als einem bestimmten Drehzahlwert zu gewährleisten.
Wie können wir die Ventilsteuerung verbessern?
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu beheben. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, zwei Nocken pro Ventil zu haben und einen Aktuator zu verwenden, der ändert, welcher das Ventil tatsächlich öffnet. Genau das leistet das VTEC-System von Honda . Wir können es noch besser machen, indem wir das Nocken-Timing kontinuierlich variieren, wie es Toyotas VVT-i, BMW VANOS und Porsche Variocam-Systeme tun. Sie alle haben die Möglichkeit, die Nockensteuerung geringfügig zu variieren, so dass der Motor mit Spitzenleistung in einem viel breiteren Bereich von Motordrehzahlen arbeitet.
Das ist gut, aber wir können uns vorstellen, noch weiter zu gehen. Noch besser wäre es, die Nocke vollständig zu entfernen und beispielsweise einen Magneten unter Computersteuerung zu verwenden. Natürlich müssten sowohl der Magnet als auch der Computer, der ihn steuert, das Timing, das derzeit von den Nocken mechanisch bereitgestellt wird, präzise duplizieren, aber es hat einen erheblichen potenziellen Vorteil sowohl bei der Gewichtsersparnis als auch bei der äußerst flexiblen Steuerung, die dynamische Anpassungen von Moment zu Moment ermöglicht der Ventilsteuerung. Es hat sich jedoch als sehr schwierig erwiesen, dies tatsächlich zuverlässig zu erreichen, so dass noch keine Serienmotoren hergestellt wurden, die diese Art von Technologie verwenden. Es wird gemunkelt, dass Koenigsegg nahe ist, aber nur wenige von uns werden sich eines davon leisten können.
Welches variable Ventilsystem wird in F1 verwendet?
Die Antwort mag Sie überraschen: keiner von ihnen . Wenn Sie die technischen Vorschriften für die Formel 1 2016 durchlesen (und wer nicht?!), Sehen Sie Folgendes:
5.9.2 Systeme mit variabler Ventilsteuerung und variablem Ventilhubprofil sind nicht zulässig.
Fahren Sie stolz!
Da haben Sie es also. Während F1-Motoren eine Menge cooler Technologie enthalten, einschließlich pneumatischer Ventilfedern, können Sie in Ihrem primergrauen Honda Prelude von 1999 mit dem fehlenden Kotflügel und der verbeulten Motorhaube selbstgefällig die Straße entlang fahren aktuelles F1-Auto hat - variable Ventilsteuerung.