Nokka-akseli

Nokka-akselin toiminta animaationa

VW:n RP-tyyppinen nelisylinterinen 1,8l 8-venttiilinen moottori nokka-akseli esillä

Mercedes-Benzin 8-sylinterinen työntötankomoottori

Nokka-akseli on nykyään useimmiten sylinterinkannessa sijaitseva nelitahtisen polttomoottorin osa, joka käyttää venttiilikoneistoa.

Nokka-akselin sijainti

Moottorit voidaan jakaa kahteen ryhmään nokka-akselin sijainnin perustella.

• nykyiset moottorit ovat yleensä OHC-moottoreita (engl. overhead camshaft, sylinterinkannen yläpuolinen nokka-akseli)
  • SOHC: yksi nokka-akseli (engl. single OHC)
  • DOHC: kaksi nokka-akselia (engl. double OHC)
• moottorit, joiden nokka-akseli sijaitsee sylinterilohkossa
  • ns. työntötankokoneet (OHV, engl. overhead valve), jotka ovat nykyään harvinaisia autoissa, mutta rakenne on nykyään yleinen esimerkiksi merimoottoreissa.
  • Sivuventtiilimoottorit kuuluvat tähän ryhmään.

Toiminta

Nokka-akselin käyttövoiman välittämiseksi on historian aikana ollut useita tapoja.

• Hammaspyörästö; käytetään nykyään isoissa moottoreissa; esimerkiksi Wärtsilä 46
• Ketju; aikaisemmin yleinen mutta monet autonvalmistajat luopuivat siitä sen meluisuuden tähden; kuitenkin yleistynyt jälleen 2000-luvulla hyvän toimintavarmuutensa ja huoltovapautensa ansiosta
• Jakohihna; yleistyi 1980-luvulla halvan hintansa ja hiljaisuutensa takia, mutta sen suosio on vähentynyt, sillä se on ketjuun verrattuna epäluotettavampi ja on vaihdettava säännöllisesti
• Kiertokanki; harvinainen ratkaisu, joka oli käytössä NSU:n valmistamissa moottoripyörissä ja vanhemmissa Prinz-henkilöautoissa
• Väliakseli; myös harvinaiseksi jäänyt ratkaisu, jota käytettiin Tatran henkilöautoissa, esimerkiksi mallissa T17.

Nokka-akselin ohjaamat imu- ja pakoventtiilit mahdollistavat sylinterin palotilan kaasunvaihdon eri tahtien aikana. Yleensä nokka-akselin nokka ohjaa venttiilin karaa venttiilinnostajan (aikaisemmin keinuvivun) avulla.

Nokka-akseli avaa kunkin venttiilin kerran kahden kampikierroksen aikana, joten nokka-akseli pyörii puolella nopeudella kampiakseliin nähden. Nokka-akseleita voi olla rivimoottorissa korkeintaan kaksi kappaletta, V-mallin koneissa neljä. Mikäli käytetään kahta nokka-akselia sylinteriryhmää kohti (DOHC), toinen huolehtii pako- ja toinen imuventtiileiden käytöstä. (imu- ja pakonokka-akseli)

Nokan geometria

Nokka-akselin nokan geometrialla (profiililla) voidaan vaikuttaa venttiilien avautumisnopeuteen ja aukioloaikaan. Parantuneen kaasunvaihdon ansiosta moottorin teho lisääntyy, mutta tehohuippu usein siirtyy korkeamman kierrosluvun alueelle ja alakierrosten vääntömomentti vähenee.

Sarjatuotantomoottoreissa käytetään mahdollisimman tasapainoista nokkaa. Moottoreiden virittäjät koneistavat nokka-akselia siten, että nokan profiilia jyrkentämällä lisätään venttiilin avautumis- ja myös sulkeutumisnopeutta. Viritysosana saatavilla olevissa nokka-akseleissa on usein myös lisätty nokan huipun pituutta ts. venttiilien aukioloaikoja. Noston korkeutta voidaan harvoin lisätä merkittävästi, eikä suuremmasta nostosta usein ole kovinkaan suurta hyötyä, mikäli ei tehdä muutoksia sylinterikannen kanavistoon tai venttiileihin. Kiristyneet päästönormit ja toisaalta moottoritekniikan kehitys ovat johtaneet järjestelmiin, joissa venttiilien ajoitusta kyetään säätämään portaattomasti ajotilanteen mukaan. Yksi tällainen on Toyotan kehittämä VVT-i.

Nokan nostavan syrjän profiilin jyrkkyydellä on käytännön rajansa, joka johtuu ennen kaikkea venttiilikoneiston massahitausvoimista. Joskus nokan nostava syrjä on hieman lievemmin jyrkkä, kuin sulkeva syrjä, jolloin puhutaan epäsymmetrisestä nokasta.

Viritysmoottoreissa nokka-akselin nokan vastinpinta saatetaan korvata hyvin laakeroidulla rullalla (ns. rullanokka), jolla lievennetään kasvavien kiihtyvyyksien ja massahitausvoimien seurauksena syntyviä liian suuria pintapaineita, jotka johtaisivat poikkeuksellisen ennenaikaiseen kulumiseen ja välittömiin vaurioihin.

Kilpamoottoreissa venttiilikoneiston massahitausvoimia voidaan vähentää esimerkiksi valmistamalla venttiili ja jousilautanen kevyemmästä metallista, kuten titaanista. Vahvemmilla venttiilinjousilla tai tuplajousilla voidaan lisätä venttiilin sulkeutumisnopeutta, mutta ne lisäävät venttiilin ja venttiilikoneiston mekaanista rasitusta.

Venttiilien limitys – overlapping

Koneistettua nokka-akselia käytettäessä on huomioitava ilmiö nimeltään overlapping, joka tarkoittaa imu- ja pakoventtiilin yhteistä aukioloaikaa.

Hyvin paljon viritetyissä koneissa overlap saattaa olla jopa kymmeniä asteita. Tällainen moottori toimii hyvin ainoastaan suurilla kierroksilla (yli 8000 kierrosta minuutissa). Tällöin myös tietyissä tilanteissa (esimerkiksi voimakas moottorijarrutus) menee huomattavasti palamatonta polttoainetta pakoputkistoon ja se näkyy voimakkaana liekkinä pakoputken päässä.

Katso myös

• Kierteinen nokka-akseli
• Sylinterinkansi