גל זיזים

גל זיזים (Camshaft) הוא רכיב מכני הנמצא במנועי בעירה פנימית בוכנאיים ותפקידו לתזמן את פתיחת שסתומי היניקה והפליטה של המנוע. גל הזיזים מורכב ממוט (גל) ועליו בליטות אקסצנטריות (כעין אליפסה), כך שבסיבוב הגל בליטות אלו עולות ויורדות וכך מתזמנות את פתיחת וסגירת השסתומים. ישנם גלי זיזים הלוחצים ישירות על השסתומים ובכך גורמים לפתיחתם, ויש גלי זיזים הלוחצים על השסתומים באמצעות מוטות דחיפים ונדנדים.
מנוע בעירה פנימית נפוץ הוא בעל ארבע פעימות: יניקה, דחיסה, עבודה, פליטה. תאורטית, בפעולת היניקה שסתום היניקה נפתח ושסתום הפליטה נסגר. בפעולת הדחיסה והעבודה שני השסתומים סגורים, ובפעולת הפליטה, שסתום הפליטה נפתח.

סוגי גלי זיזים

גלי הזיזים הנפוצים בעבר התבססו על מוטות דחיף (Pushrods). בתכנון זה גל הזיזים ממוקם בבלוק המנוע, נמוך מן הצילינדר והשסתומים ובאמצעות מערכת מוטות מתזמן את הפתיחה והסגירה של השסתומים הממוקמים בראש המנוע. חסרונה העיקרי שיטה זו הוא משקל המוטות המגביל את מהירות המנוע המקסימלית, כיוון שכל מסת המוטות נעה הלוך וחזור עם כל מחזור של סגירה ופתיחה. ניסיון להניע את מסת המוטות במהירות גבוהה עשוי להסתיים במצב של "ציפת שסתומים", שבו השסתומים מאחרים להיפתח או להיסגר בהתאם לצורך. מנועים מבוססי מוטות דחיף עדיין נמצאים בשימוש (בעיקר במנועים גדולי נפח של מכוניות אמריקניות ואופנועים), אך שיטה אחרת של גלי זיזים עיליים הממוקמים בראש המנוע הפכה לשיטה הנפוצה ביותר. מנועי גלי זיזים עיליים מתחלקים לשתי קבוצות: בעלי גל זיזים יחיד ובעלי גל זיזים כפול.
במנועי גל זיזים עילי יחיד (SOHC,‏ Single overhead cam, גלז"י) מוצב גל זיזים עליון אחד בראש המנוע. תכנון זה מאפשר לתזמן את תנועת השסתומים באמצעות מגע ישיר בין הזיז לשסתום. סיבוב גל הזיזים מתוזמן על ידי רצועה או שרשרת המחוברת לגל הארכובה. שיטה זו מתאימה למנועים בעלי שני שסתומים לצילינדר, ואף נעשה בה שימוש במנועי ארבעה שסתומים לצילינדר, אך מספר רב של שסתומים מקשה על יישום השיטה. הגדלת מספר שסתומי היניקה והפליטה לכל צילינדר נועדה כדי להשיג הספקים גבוהים יותר במהירות מנוע גבוהה יותר. כדי להתמודד עם ריבוי השסתומים תוכננו מנועים עם גל זיזים עילי כפול בראש המנוע (DOHC,‏ Double overhead cam, גלז"כ). בתכנון הנפוץ של גל זיזים כפול, גל זיזים אחד מתזמן את שסתומי הפליטה והשני את שסתומי היניקה.
השימוש ברצועת תזמון במנועי גלי זיזים עיליים מסבכת את אחזקת המנוע עקב בלאי מהיר יחסית וצורך במנגנוני מתיחה לרצועה. למוטות דחיף קיים בהקשר זה יתרון כיוון שניתן להניע אותם באמצעות גלגלי שיניים בלבד בגלל הקרבה היחסית לגל הארכובה. אמינותם של גלגלי שיניים גבוהה יותר מרצועות.
מנועים בתצורת V או בתצורת בוקסר ייחודיים בכך שהם בעלי שני ראשי מנוע. לכן מנוע V המתוכנן עם גל זיזים כפול לצילינדר ישתמש בארבעה גלי זיזים. בדומה, מנוע V עם גל זיזים עילי יחיד ישתמש בשני גלי זיזים. במקרה זה יש לשיטת מוטות דחיף יתרון כיוון שניתן למקם גל זיזים בבלוק המנוע ולתזמן באמצעותו שסתומים בשני ראשי המנוע. עם זאת, במנועי V של מספר דגמי אופנועי הרלי-דייווידסון נעשה שימוש במוטות דחיף המונעים באמצעות ארבעה גלי זיזים הממוקמים בבלוק המנוע, אחד לכל שסתום.

בעיות הנגרמות מתזמון לקוי

תזמון לקוי של גל הזיזים עלול להיגרם עקב כיוון לקוי שלו או משחיקת רצועת התזמון (רצועת הטיימינג). תזמון לקוי גורם לפגיעה ביעילות המנוע, מכיוון שהתערובת אינה נכנסת ויוצאת בזמן הרצוי. במקרים בהם נקרעת רצועת התזמון אף קיימת סכנה לשלמות חלקי המנוע. בעוד שסתומי היניקה והפליטה מפסיקים לנוע, בוכנות המנוע ממשיכות לנוע מכוח האינרציה ואז ייתכן שאחד השסתומים נשאר במצב פתוח, מתנגש בבוכנה וגורם לנזק בבוכנה ובשסתומים.

גלי זיזים ייעודיים ומשתנים

למעשה, שסתומי הפליטה והיניקה לא נפתחים בדיוק בתחילת הפעימה אלא קצת לפני כן וזאת בגלל שלוקח לתערובת זמן רב יותר להיכנס או לצאת – דבר זה בא לידי ביטוי במהירויות מנוע גבוהות. לתחומי מהירות שונים במנוע ניתן לתכנן גלי זיזים אופטימליים שונים.
למשל, בסל"ד גבוה, שסתום היניקה יישאר פתוח גם כשתתחיל פעולת הדחיסה, וזאת כדי לאפשר לתערובת להספיק להיכנס (פעולות המנוע מהירות מאוד, ואם השסתום ייפתח בתחילת הפעימה, התערובת לא תספיק להיכנס). כמו כן, הזיז ילחץ מעט יותר על השסתום וייווצר פתח רחב יותר. בנוסף יש זמן בו שני השסתומים פתוחים יחד – תערובת שרופה יוצאת החוצה ותערובת חדשה נכנסת.
ניתן להחליף למנוע גל זיזים המיועד לסל"ד נמוך, בגל זיזים המיועד לסל"ד גבוה. לגלי זיזים אלו יש מעלות פתיחה שונות של השסתומים (כלומר, השסתום נפתח בתזמון שונה, שכן הזווית של הזיז על הגל שונה). במנועים בהם מותקנים גלי זיזים ייעודיים, פעולת המנוע נפגמת בסל"ד נמוך. בגלל הקשר האסוציאטיבי בין מעלות (- הזווית בין הזיז לגל) לחום, נקראים גלי זיזים אלו בעגה, גלי זיזים חמים.
כדי להתגבר על בעיית תחום טווח הפעולה של המנוע (לכל גל זיזים תחום פעולה אופטימלי אחר), יש מכוניות המצוידות בגלי זיזים בעלי מספר פרופילים המשתלבים במהירויות שונות של המנוע. חברת הונדה הייתה הראשונה להציג מערכת כזו, תחת השם VTEC שמשמעו Variable valve Timing and lift Electronic Control. גרסה מתקדמת יותר של מערכת זו במנוע גל זיזים כפול אף משתקת בסל"ד נמוך שסתום יניקה אחד, כך שמנוע בעל 16 שסתומים לדוגמה, מתנהג כמנוע בעל 12 שסתומים. לחברת פרארי יש מנוע עם גל זיזים בעל שלושה זיזים לכל שסתום. במהירויות שונות גל הזיזים זז כך שכל פעם זיז אחר משולב, בהתאם למהירות המנוע.