Tarinaa venttiilikoneistosta...
 

Miten venttiilijouset mitoitetaan? Entä mitkä venttiilikoneiston osat ovat massavoimien kannalta tärkeimmässä osassa?

Otetaanpa siis tarkastelun alle LS7 vakionokka ja jouset.


X-akselilla nokka-akselin asteet. Nostokäyrällä olevat pisteet edustavat cam analyzer/cam doctor -mittalaitteistolla mitattuja arvoja, joihin on sovitettu cubic spline, jotta saadaan jatkuva 2. derivaatta (=kiihtyvyys).

Ehjät viivat kuvaavat imu- ja pakoventtiilin nostoa nokalta mitattuna nokka-akselin kääntökulman funktiona. Katkoviivat vastaavasti kiihtyvyksiä.

Jousen perustehtävä on pitää seuraaja kiinni nokassa, työntötanko kiinni seuraajassa, keinuvipu kiinni työtötangossa ja venttiili kiinni keinuvivussa koko työsyklin ajan koko moottorin kierroslukualueella. Tavoitteena on siis mahdollisimman hyvin pakkotoimista venttiilikoneistoa "imitoiva" toiminta.

Intuitiivisesti useimmat saattaisivat odottaa, että venttiilijousta tarvitaan toden teolla vasta kun on ohitettu nokan maksiminosto ja venttiili alkaa sulkeutua. Yllä olevasta kuvasta nähdään, että venttiilijouset joutuvat töihin nokan profiilista riippuen jo n. 40 astetta (80 astetta kampiakselin asteina) ennen maksiminostoa.

Kun venttiilikoneiston massat redusoidaan nokka-akselin puolelle keinuvipua, näyttävät ne tältä:


Yllä olevassa venttiilijousen massasta on huomioitu 50%, mutta on olemassa myös toinen näkökulma, jossa massoista huomioidaan 1/3. Tätä perustellaan energian säilymisellä jousessa, alla 33% jousen massasta huomioituna.


Laittaisinko titaaniset retainerit? Yllä olevista taulukoista nähdään, että jos retainerin massa putoaa 5,5g (40% retainerin ja lukkopalojen yhteismassasta), on sillä massavoimiin keskimäärin 2,6% vaikutus. Tämän jorinan lopusta löytyy laskettuna, kuinka paljon retainerin vaihtamisella olisi vaikutusta rpm-alueeseen.

Entä käyttäisinkö 65g painavaa single beehive -jousta vai 105 g painavaa kaksoisjousta, jotka tuottavat oleellisesti saman jousivoiman? Jos jousen massasta huomioidaan 50%, vaikutus liikkuviin massoihin on 9,7% kevyemmän eduksi. Huomioitaessa 33% jousen massasta, on vaikutus 6,9%. Myös jouseen liittyvä laskentaesimerkki lopussa.

Vakiojousilla ja tehtaan kierrosluvunrajoittimella LS7:n jousi- ja massavoimat näyttäävät tältä (33% venttiilijousen massasta huomioitu). Voimareserviä jousessa on 23%. Jousen tuottama voima pyrkii vastustamaan venttiilin avautumista, ja siksi siis miinusmerkkistä.


Tässä vertailuksi pakoventtiilin (74g) voimatarkastelu, jousivoimareserviä 57% (33% jousen massasta huomioitu):


Kevyempi massakin toki merkitsee, mutta tärkeämpää on tässä tapauksessa pakonokan selvästi miedompi profiili.

Jatketaan painavammalla imuventtiilillä. Teoriassa jousivoima riittäisi imupuolella siis 7880 rpm asti:


Kierrosluvun kasvattaminen edelleen johtaisi siihen, että massavoimat ylittäisivät jousien tuottaman voiman ja venttiilin kellumista (lofting) alkaa esiintyä.

Käytännössä asia ei välttämättä ole näin yksioikoinen, sillä venttiilikoneiston osien ominaistaajuuksien herääminen voi aiheuttaa kontaktin katoamisen venttiilin ja nokan välillä jo huomattavasti aiemmin. Erityisesti jousen ominaistaajuus (taajuudet kaksois/kolmoisjousen yhteydessä) on tässä tärkeässä roolissa, mutta myös työntötangon jäykkyydellä on oleellinen rooli. Beehive jousi on kartiomaisen rakenteensa vuoksi varsin oiva, sillä sillä ei ole yhtä, selvää ominaistaajuutta kuten perinteisillä jousilla on.

Spintron-testipenkissä voidaan mitata nopealla lasermittauslaitteistolla, kuinka tietyt venttiilikoneiston komponentit toimivat eri kierrosluvuilla. Mittauksessa mitataan venttiilin todellista asemaa verrattuna profiiliin sekä "jälkiponnahdusta" = bouncea venttiilin sulkeutumisen jälkeen. Comp Cams määrittelee bouncelle maksimiraja-arvoksi 0.020" ja Katech 0.015".

Havainnollistava kuva bouncesta:



Katech mittasi vakiolle LS7-venttiilikoneistolle seuraavat arvot:
Mittauksista nähdään, että venttiilin kontrolli ei välttämättä ole heikoimmilllaan maksimikierroksilla.

7500 rpm vastaavat voimakuvaajat (edelleen samalla 33% jousimassan huomioimisella):


Jousivoimareserviä 11%.

Vertailuksi 50% jousimassan huomioimisella:


Jousivoimareserviä 3%, joten näiden Katechin mittausten perusteella ei voida vielä sanoa onko "oikeammin" huomioida 33% vai 50% jousen massasta liikkuviin massoihin.

Vakioretainerin massa on 11g, mutta mikä hyöty on 5.5g painoisen titaaniretainerin käyttämisellä? Vastaus: 95 rpm (vrt. edellinen kuva)


Vakiojousen massa on 93g, mutta jospa vaihdamme tilalle identtisen jousen, joka painaa 65g (kuten PSI LS1511 painaisi, joskin kyseessä on vähän jäykempi jousi)? Tuloksena saadaan 250 rpm lisää kierroslukualuetta vakioon verrattuna samalla jousivoimareservillä.



Mikä sitten on riittävä määrä jousivoimareserviä? LS7 koneessa imupuoli on rajoittava, ja siihen GM on varannut voimareserviä 15% (50% jousen massasta huomioitu) tai 23% (33% jousen massasta huomioitu). Kuten aiemmin mainittiin, ei tämä ole ainoa kriteeri, vaan autovalmistajat ja kilpatiimit testaavat myös jousten dynaamista käyttäytymistä testipenkeissä.

Voimatarkastelun tekeminen edellyttää kuitenkin varsin paljon tietoja venttiilikoneistosta, mistä johtuen sitä ei juuri tavallisten virifirmojen toimesta tehdä. Tämä käy ilmi mm. siitä, että samoja (ja hyvin usein todella varman päälle mitoitettuja) jousia käytetään aika suurelle joukolle nokka-akseleita. Liian suuret jousivoimat aiheuttavat tarpeetonta rasitusta ja kulumista, mikä altistaa konerikoille ja lyhentää kansien rebuild -väliä.

Mielenkiintoista tarinaa. Beehiven muoto on varmaankin myös omiaan vähentämään efektiivistä massaa?
Retskuilla 100 rpm kuulostaa uskottavalta. Ja vaikkei lukuna ole iso, niin kuitenkin ihan mukava marginaalin kasvatus.

Toisaalta samalla syntyy muuttuva jousivakio, jossa pienemmällä halkaisijalla oleva yläosa on jäykempi, ja liikkuu noston alku/loppuvaiheessa lähes samalla nopeudella kuin jousilautanen. Massavoimien kannalta tilanne voi olla tuossa vaiheessa aika fifty-sixty. Tilanne voi olla vastaava koko noston ajan, ts. beehiven yläosasta on suuremmassa liikkeessä enemmän kierteitä (vaikkakin pienempihalkaisijaisia), jolloin massavoimissa ei synny juuri muuta eroa kuin jousien suorasta massaerosta johtuva.

Kiitos.

Pikemminkin

Jatketaan jenkkien suosimalla LS7-pakoventtiilifiksillä, ts.
- Rev SS valve 98 g
- BTR Platinum 0.660" double springs 93 g (oletus, esim. Comp 26925 94g)

Efektiivisen massan jakauma vakio:


vs. Rev + BTR:



Vakio LS7 pakoventtiili + OEM jousi, 50% jousen massasta huomioitu, voimareserviä 31%



Rev SS valve + BTR double spring, 50% jousen massasta huomioitu, voimareserviä 53%. Huom. todella reipas seat load, joka ei hyödytä mitään, ainoastaan lisää venttiilikoneiston rasituksia.


Tässä vaiheessa voisi siis luulla, että tuplajousi huomattavalla voimareservillä pitäisi venttiilikoneiston paremmin kontrollissa, mutta Pirellin sanoin: "Power is nothing without control".

Katechin mittaukset Spintronilla, jossa vakion pienempi jousireservi pitää paketin selvästi paremmin kontrollissa välillä 6800 - 7500 rpm:


Miksi näin? Kuten aiemmin mainittiin, komponenttien ominaistaajuuksien herääminen voi vaikuttaa merkittävästi kokonaisuuden toimivuuteen, voimareservi yksin ei ole tae siitä, että venttiilikoneisto pysyy hyvin kontrollissa.

Voiko seat loadin pudottaa minimiin, ts. niin että paine-ero venttiilin yli työkierron aikana ei avaa venttiiliä? Laskennallisesti LS7:ssa tuohon riittäisi painekuvaajien nojalla luokkaa 10 lb, mutta laitetaan 20 lb ja kasvatetaan jousivakiota niin että voiman pitäisi riittää.


Jousivakiota on yllä kasvatettu vakion n. 350 lb/in lukemasta 430 lb/in arvoon, eikä se vielä riitä. Sopivan seat loadin avulla saavutetaan siis kompromissi, jossa jousivoima riittää ennen ja jälkeen maksiminoston ilman että jousikerrointa tarvitsee kasvattaa kohtuuttomaksi. Suuri jousivakio tarkoittaa usein myös paksumpaa lankaa ja siten aiemmin vastaan tulevaa coil bindia.

Rajumpi nokka, rajummat jouset? Ei välttämättä.

Aloitetaan kuitenkin Comp Camsin Lobe Catalogista, josta voi saada käsityksen profiileista. Tässä 1.8-vipusuhteelle tarkoitettu LXL-profiili.


Kuvaan on merkitty kolme profiilia, joista lasketaan nostokäyrät ja vastaavat kiihtyvyyskuvaajat. Ideaalitilanteessa olisi käytettävissä myös 0.250" ja 0.300" nostojen asteet. Tässä malliksi keskimmäinen, joskin samassa kuvassa näkyy myös ko. nokan pakopuolen profiilin kuvaajat.


Nostokuvaajilla näkyvät pisteet löytyvät siis ylinnä olevasta Compin datasta. Kuvan oikealla puolella on lisäksi hyödynnetty kaksi lisäpistettä verrattuna vasempaan puoleen, jotta nähtäisiin mikä aiheuttaa pienemmän jousivoimareservin.

Sinänsä profiili oletetaan symmetriseksi, mitä se ei välttämättä ole, vaikka yllä muoto onkin erilainen lisäpisteistä johtuen. Jousivoimatarkastelun turvamarginaalin vuoksi tällä ei kuitenkaan ole oleellista merkitystä.

Stage2, jousivoimareserviä 36%:


Stage3, jousivoimareserviä 43%:



Stage4, jousivoimareserviä 42%:



Vertailuksi kaikki kolme voimakuvaajaa päällekkäin:


Selvyyden vuoksi kuvaan ei ole piirretty vastaavia jousivoimakuvaajia, mutta pidempi aukiolo aiheuttaa vastaavan muutoksen (leveämpi muoto) myös niihin.

Edit: Tässä myös jousivoimakuvaajat


Selitys yllä olevalle on suuri nosto suhteessa aukioloon (asteisiin), mikä johtaa suurempiin hidastuvuuksiin nokan kärjen läheisyydessä. Asteita lisättäessä hidastuvuudet laskevat (johonkin rajaan asti) ja selvitään samoilla tai jopa hieman kesymmillä jousilla.

Ainahan sitä voi räknätä ja ekseliä pyörittää, mutta "real world" on kyllä eri asia.

Ei välttämättä. Ainakaan totaalisen eri asia.

Otetaanpa siis vaikkapa tällainen nokka, jonka arvot (käyrällä näkyvät mustat pisteet) on poimittu Compin lobe catalogista, ts. vain kuusi nosto/aste-paria joista nostokuvaaja lasketaan sekä oletetaan nokka symmetriseksi parempien tietojen puuttuessa jolloin saadaan tällainen arvaus nosto- ja kiihtyvyyskuvaajista:


Edit: Nopeus- ja kiihtyvyyskuvaajat:


Käytetään sama keppi laadukkaassa mittapenkissä ja laitetaan käyrät päällekkäin:


Datapisteiden vähyydestä johtuen alku- ja loppurampit eivät ihan täsmää, muu osuus kylläkin.

Mit vit?? Kiihtyvyyskäyrähän ei osu reaalimaailman kanssa yksiin, ja se on se tärkein tieto.

No, eipä hätää. Mittalaitteiden todellisen tarkkuuden (resoluutio, toistettavuus ja lineaarisuus) raja tulee aina jossain vastaan, ja vaikka nosto on tässäkin tapauksessa saatu 1/1000 millimetrin resoluutiolla käyttäen hyvälaatuista japanilaista mittakelloa digitaalisella liitynnällä varustettuna, 2. derivaatan eli kiihtyvyyden laskeminen on sille kova haaste.

Heitetään siis kehiin pientä symmetristä keskiarvoistusta (vaaleansininen käyrä) ja saadaan:


No, eihän nuo positiivisen kiihtyvyyden kohdat ole sittenkään päällekkäin!

So not, sanoisi Nykänen, niillä kun ei ole mitään väliä jousia valittaessa. Toki ne kertovat omaa kieltään kuinka koville esim. työntötangot ja muut komponentit jousia lukuunottamatta joutuvat ja se siis tulee huomioida niiden valinnassa (mm. tönärin paksuus/seinämänvahvuus).

Mutku, mutku...

Siispä raskaamman sarjan "suodatusta" kehiin, ts. otetaan ramppien alusta ja lopusta tiheämmin näytepisteitä (mitatusta nostokäyrästä) sekä 0.05" välein koko muun nokan alueelta, yhteensä 24 kpl ja heitetään nälkäisen kuutiosplinijoukon hampaisiin sekä lasketaan edelleen kiihtyvyyskuvaaja (punainen katkoviiva):


Toinen punainen katkoviiva, joka kuvaa estimoitua nostokäyrää, käy mitatun nostokäyrän kanssa aika lailla yksiin, eikä juuri näy mitatun nostokäyrän alta.

Mutta eihän kiihtyvyyttä estimoiva punainen katkoviiva ("HD" suodatus mitatusta datasta) ole vieläkään päällekkäin vihreän (Compin datasta estimoidun) käyrän kanssa.

Eipä olekaan. Oleellista onkin se, että estimointilaskennan (alimmassa kuvassa vihreä viiva) perusteella valitut jouset ovat hieman reilummalla marginaalilla riittävät kuin mitä todellisuudessa tarvitaan, sillä jousivoimareservin "heikoin piste" on tuossa ~ +/- 40 asteen kohdalla olevien "kulmien" kohdalla.

Kiihtyvyysvoimien lisäksi venttiilin kohdistuu muitakin avaavia voimia:
- imutahdin aikana staattinen paine-ero palotilan ja imukanavan välillä
- imukanavassa virtaavan ilman nopeudesta ja tiheydestä johtuva dynaaminen paine
- hydraulisen seuraajan sisäisen tallan (plunger) jousen aiheuttama voima

Näistä voi summautua ns. worst case tilanteessa luokkaa 40 lb NA-koneessa (ahdetussa vielä enemmän), joka venttiilijousen tulee siis myös kyetä voittamaan samalla alueella kuin kiihtyvyysvoimatkin ovat suurimmillaan. Kun tämä huomioidaan OEM LS7 -venttiilikoneiston laskelmissa ja verrataan niitä Katechin tekemiin Spintron-testeihin, kallistuu vaaka vahvasti siihen suuntaan että jousien massasta tulisi huomioida 1/3 eikä 1/2.