Για να κερδίσουμε κάτι πρέπει να συμβιβαστούμε με αντίστοιχη "χασούρα" κάπου αλλού. Όμως ο άνθρωπος είναι άπληστο ον, και για άλλη μια φορά βρήκε τρόπους να κάνει τα αδύνατα δυνατά!

Το καλό το παλικάρι...

 

....ξέρει και άλλο μονοπάτι. Αυτή η πρωτότυπη αλήθεια ισχύει και στη δική μας περίπτωση, δηλαδή στη μελέτη των συστημάτων εισαγωγής.

Από τη στιγμή που ο αέρας μπαίνει στην εισαγωγή δεν παίρνει τυφλή "γραμμή" κατευθείαν προς τους κυλίνδρους, αλλά ακολουθεί κυματική συμπεριφορά. Η κίνηση του περιλαμβάνει διαδοχικές ανακλάσεις από και προς τις βαλβίδες εισαγωγής και εξαιτίας της παλινδρόμησης του εμβόλου ο αέρας εισάγεται κατά κύματα. Είπαμε με ποιον τρόπο -μέσω κατάλληλης γεωμετρίας της εισαγωγής και χρονισμού των εκκεντροφόρων- μπορούμε να συντονίσουμε την κίνηση αυτή ώστε να αυξήσουμε την ογκομετρική απόδοση των κυλίνδρων, σε σημείο μάλιστα που μας επιτρέπει να μιλάμε για "ατμοσφαιρική υπερτροφοδότηση"! Ο κάθε κύλινδρος δεν λειτουργεί ανεξάρτητα, αλλά σε ένα καλοσχεδιασμένο μοτέρ ο συντονισμός που αναφέραμε αποτελεί ένα δυναμικό σύνολο που διέπει όλους τους κυλίνδρους: ένας κύλινδρος μπορεί να "δουλεύει" για ένα διπλανό του, αφού το κύμα πίεσης που δημιουργεί ίσως καταλήξει τελικά στο εσωτερικά του γείτονα. Οι απώλειες οφείλονται σε ρευστομηχανικές τριβές του αέρα, και ο συντονισμός της εισαγωγής σε ορισμένες rpm απο­δίδεται στην κυματική συμπεριφορά του. Αξιοποιώντας όμως, κάποια διαφορετική έκφανση των φυσικών ή άλλων νόμων μπορούμε να κάνουμε "overlap" στα εμπόδια που εμφανίζονται και τελικό ο τελικός ισολογισμός να μας βγάλει κερδισμένους! Κάπως έτσι σκέφτηκαν όσοι ανά καιρούς ασχολήθηκαν με τη μελέτη και την εξέλιξη νέων τεχνολογιών στην εισαγωγή, είτε πρόκειται για μηχανικούς αγωνιστικών ομάδων που προ­σπαθούσαν να βγάλουν και τον παραμικρό "κρυμμένο" ίππο από το μοτέρ είτε για αυτοκινητοβιομηχανίες που απλά ήθελαν να προσφέρουν στον πελάτη ένα πιο φιλικό αυτοκίνητο με μικρότερη κατανάλωση.

 

Ram Air

Με τον όρο "ram air" χαρακτηρίζουμε γενικά τον αέρα που αναγκάζουμε να εισέλθει στην εισα­γωγή εξαιτίας της κίνησης του αυτοκινήτου. Η βασική ιδέα είναι να εκμεταλλευτούμε την πίεση του αέρα που "χτυπάει" σε ορισμένο μέρος του αυτοκινήτου και μέσω κατάλληλης διάταξης να αυ­ξήσουμε την πίεση που διατηρεί ο αέρας μέσα στο σύστημα εισαγωγής σε σχέση με εκείνη που έχει σε συνθήκες περιβάλλοντος, δηλαδή τη βαρομετρική πίεση του. θέλουμε λοιπόν να εκμεταλλευτούμε τη δυναμική πίεση του αέρα, δηλαδή την πίεση που οφείλεται στην ταχύτητα του και όχι στην στατική πίεση του, (δηλαδή την πίεση που θα είχε ακόμη και ακίνητος, π.χ. μέσα σε μια φιάλη.

Η δυναμική πίεση με δεδομένα τα χαρακτηριστικά του ατμοσφαιρικού αέρα (πυκνότητα, θερμοκρασία και πίεση) εξαρτάται από τη σχετική του ταχύτητα ως προς το σημείο αναφοράς, το οποίο στην περίπτωση pas είναι η τα­χύτητα του οχήματος: δυναμική Πίεση Ram Air (bar) = 0,000000469 χ Ταχύτητα3

Ένα σύστημα ram air χρειάζεται υψηλή ταχύτητα κίνησης για να αποδώσει. Όπως είδαμε στον τύπο, ο παράγοντας της ταχύτητας αυξάνεται εκθετικά: με απλά λόγια, αν διπλασιάσουμε την ταχύτητα κίνησης του αυτοκινήτου, η δυ­ναμική πίεση λόγω ram air θα τετραπλασιαστεί. Στα 50km/h σύμφωνα με τον τύπο έχουμε μονάχα 0,0012bar, αλ­λά στα 200km/h η τιμή ms πίεσης αυξάνεται 16 φορές φτάνοντας τα 0,02bar.

Τώρα θα έχετε σκεφτεί "...μα 0,02bar μόνο? Και μάλιστα στα 200km/h? Τι διαφορά να κάνουν?"... Κάνουν διαφο­ρά, επειδή η πραγματική αύξηση της πίεσης σε ένα σύστημα ram air είναι κατά πολύ μεγαλύτερη. Τα 0,02bar εί­ναι η δυναμική πίεση στο σημείο όπου η ροή του αέρα συναντά το αυτοκίνητο, π.χ. στη μετώπη και πριν μπει στην εισαγωγή. Ξέρουμε πως τα ram air συστήματα έχουν σχεδόν πάντα venturi, δηλαδή έναν αγωγό με διατομή που στενεύει κατά το μήκος του. Καθώς ο αέρας προχωρά στο venturi, η ταχύτητα του αυξάνεται ευθέως ανάλογα προς τη μείωση της διατομής του αγωγού (φαινόμενο Venturi), και ακολουθεί το παράδειγμα: όταν ο αέρας εισέλ­θει σε μια διατομή εμβαδού "χ" με + 0,02bar δυναμική πίεση, εάν ο σωλήνας εισαγωγής στο σημείο του φίλτρου έχει 4 φορές μικρότερο εμβαδόν τότε η δυναμική πίεση πλησιάζει, το καθόλου ευκαταφρόνητο πλέον, +0.l bar. Κρατάμε αυτό το 0.l bar και συνεχίζουμε για να δούμε τι σημαίνει ως προς την απόδοση της εισαγωγής. Με αυτό τo +0,lbar ρεφάρουμε τιε απώλειες ins εισαγωγής!

Είδαμε στο Pant II ότι αυτές οι απώλειες συνήθως κυμαίνονται συνολικά στο 0,05-0,2bar (δηλαδή οδηγούν σε ογκομετρική απόδοση 80-95% ανάλο­γα με τις rpm και to φορτίο), και οφείλονται είτε σε τριβές του αέρα στα τοι­χώματα και τα υπόλοιπα στοιχεία της πολλαπλής και των σωλήνων εισαγωγής είτε στην απώλεια πίεσης εξαιτίας της αδυναμίας ολικής στεγανοποίησης της εισαγωγής. Είναι πολύ εύκολο να έχουμε μια άριστη ροϊκά εισαγωγή αλλά να εμφανίζονται ροϊκές απώλειες (στροβιλισμοί κ.λ.π.) λόγω κακής συναρμογής μίας φλάντζας ή ενός συνδετικού κολάρου. Η υπερπίεση λόγω ram air συγκα­λύπτει ουσιαστικά τις απώλειες αυτές, βοηθώντας την εισαγωγή να διατηρή­σει πίεση πιο κοντά στο ατμοσφαιρικό απόλυτο l bar.

Ευκαιρίας δοθείσης, αξίζει να κάνουμε μια πάσα στο πεδίο των turbo μοτέρ. Συνεχίζοντας τον συλλογισμό μας θα καταλάβουμε γιατί στον υπολογισμό τηε παροχής ενός συμπιεστή συνυπολογίζουμε την ογκομετρική απόδοση: όταν ένα turbo καταφέρνει να διατηρεί 0,2bar booεt (δηλαδή απόλυτη l,2bar) στο plenum, ουσιαστικά παρέχει πάνω από 0,3bar αφού χωρίς αυτό λόγω απω­λειών θα βλέπαμε υποπίεση -0,1 με -0,2 μανομετρικά bar.

 

Πόσο κερδίζουμε?

Πόση ισχύ ή ...καρότσες σημαίνει αυτό το extra 0,1 bar? Για να βρούμε το τε­λικό όφελος ενός ram air πρέπει αναγκαστικά να βάλουμε και άλλους παράγοντες στο παιχνίδι -τη θερμοκρασία, την πυκνότητα και την παροχή. Η αύξηση της πίεσης από μόνη της μπορεί να μη σημαίνει και απολύτως τίποτα, όπως ακριβώς δηλαδή συμβαίνει και με τη μάταιη αύξηση της πίεσης ενός πολύ μικρού turbo από κάποιο σημείο και μετά, όπου το μοναδικό που δεν αυξάνεται είναι η ισχύς. Το μέγεθος που καθορίζει την απόδοση της εισαγωγής και επομένως την πλή­ρωση των κυλίνδρων, είναι η παροχή μάζας. Η παροχή μάζας είναι το γινόμενο της παροχής όγκου επί την πυκνότητα. Η πυκνότητα για δεδομένο όγκο plenum εξαρτάται άμεσα από την πίεση και τη θερμοκρασία του αέρα. Το Α και το Ω ενός σωστού ram air είναι πόσο μειώνει τη θερμοκρασία εισαγωγής σε σχέση με ένα συμβατικό εργοστασιακό φιλτροκούτι! Το φιλτροκούτι στα πε­ρισσότερα αυτοκίνητα ρουφάει αέρα με θερμοκρασία κοντά σε αυτή του μηχα­νοστασίου (50+ "0, ενώ ο αέρας μπροστά από τη μετώπη πιθανόν να μην ξεπερ­νά τους 25 βαθμούς Κελσίου. Τώρα φαίνεται πόσο σημαντική είναι η θέση της εισαγωγής του ram air! Η θέση αυτή πρέπει να υπηρετεί δυο παράγοντες, την πί­εση και τη θερμοκρασία. Στην πρώτη περίπτωση αναζητούμε την περιοχή μέγιστης πίεσης στο μπροστινό μέρος (π.χ. αν το engine bay του αυτοκινήτου είναι μπρο­στά). Το σημείο αυτό διαφέρει από αμάξωμα σε αμάξωμα και στα περισσότερα αυ­τοκίνητα δρόμου δεν βρίσκεται κοντά στο χείλος του προφυλακτήρα η στην άκρη του καπό αλλά πιο χαμηλά, π.χ. στη θέση των προβολέων ομίχλης! Οι μελέτες που κάνουν οι αγωνιστικές ομάδες σε μια αεροδυναμική σήραγγα δεν αφορούν μονά­χα στην αεροδυναμική του αυτοκινήτου ως προς τις δυνάμεις drag και downforce που επενεργούν πάνω του, αλλά και στα σημεία με τη μεγαλύτερη πίεση ώστε τε­λικά αυτά να τοποθετηθεί σε κάποιο από εκείνα το σύστημα ram air. Επομένως με μεγάλο άνοιγμα στο ιδανικό σημείο εξασφαλίζουμε χαμηλή θερμοκρασία και μεγά­λη παροχή όγκου. Η χαμηλή θερμοκρασία σε συνδυασμό με την αύξηση της πίεσης λόγω της σχεδίασης του ram air τώρα δίνει μεγαλύτερη πυκνότητα, οπότε τελι­κά κερδίζουμε αυξημένη παροχή μάζας! 0 συνδυασμός μεγαλύτερης πυκνότητας με τη μεγαλύτερη παροχή όγκου σε ένα ram air αγωνιστικών προδιαγραφών μπο­ρεί να αυξήσει την ισχύ του μοτέρ ακόμα και πάνω από 10%. Τελειώνουμε με το ram air θίγοντας και το εξής ζήτημα: μια τέτοια εισαγωγή δεν πρέπει να κρίνεται μονάχα από το απόλυτο κέρδος σε παροχή σε πίεση που προσφέρει όσον αφορά τις μέγιστες τιμές (δηλαδή σε συνθήκες τελείως ανοικτής πεταλούδας), αλλά επίσης και ως προς τη δυνατότητα αποδοτικής λειτουργίας της σε συνθήκες διαρκώς μεταβαλλόμενης πίεσης στην εισαγωγή. Ανοιγοκλείνοντας το γκάζι -π.χ. κατά τις αλλαγές σχέσεων- δημιουργούνται κινούμενες περιοχές χαμηλών και υψηλών πιέσεων κατά μήκος της εισαγωγής οι οποίες μπορούν να δημιουργήσουν "προ­βληματική" ροή. Μια σωστά μελετημένη εισαγωγή έχει τη δυνατότητα να εξομαλύ­νει αυτές τις μεταβολές και να αποδίδει σε συνθήκες κίνησης στο δρόμο καλύτε­ρα από μια άλλη εισαγωγή η οποία στο δυναμόμετρο και σε συνθήκες full throt­tle έδειξε μεγαλύτερη μέγιστη ισχύ!

Variable Intake

Με δεδομένα όλα τα στοιχεία κίνησης του αέρα είμαστε σε θέση να διαστασιολογίσουμε την εισαγωγή ώστε να αυξήσουμε αισθητά την ισχύ πετυχαίνοντας το φαινομενικά ακατόρθωτο με δεδομένες τις απώλειες, δη­λαδή τη δημιουργία πίεσης πάνω από την ατμοσφαιρική στον κύλινδρο δίχως σαλίγκαρο ή κομπρέσσορα. Με μια μικρή ...λεπτομέρεια όμως: ο συντονισμός μίας συγκεκριμένης εισαγωγής δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί ιδανικά σε όλο το φάσμα rpm, αλλά μονάχα σε ένα μέρος του. Τα αγωνιστικά αυτοκίνητα απλώς εφαρμόζουν to συντονισμό σε υψηλές rpm και η ιστορία τελειώνει εκεί, αφού δεν υπάρχει ανάγκη για ροπή χαμηλά οπό­τε μια εισαγωγή πολύπλοκη και βαριά μόνο κακό θα έκανε.

Όμως στα αυτοκίνητα δρόμου η κατάσταση αλλάζει τελείως. Για τα μοντέλα χωρίς σπορτίφ περγαμηνές χρεια­ζόμαστε οπωσδήποτε δύναμη χαμηλά και όσο τα δυνατόν λιγότερο "ξεφούσκωμα" ψηλά. Αλλά ακόμα και τα σπορ αυτοκίνητα δρόμου δεν μπορεί να δουλεύουν σαν αγωνιστικά: εδώ η έμφαση δίνεται ψηλά, όμως δεν νο­είται να σέρνεται το αυτοκίνητα χαμηλά. Στο δύσκολο αυτό πρόβλημα οι αυτακινητοβιομηχανίες βρήκαν τη λύ­ση "Πολλαπλή Εισαγωγής Μεταβλητής Γεωμετρίας", ελληνιστί ...Variable Intake Manifold. Με τον τρόπο αυτό κατάφεραν να ενσωματώσουν πολλές διαφορετικές εισαγωγές σε μια, επιτρέποντας στο μοτέρ να λειτουργεί συντονισμένα, δηλαδή αποδοτικά, σε πολύ μεγαλύτερο εύρος rpm. Η διάδοση τους ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του '90 και σήμερα έχουμε φτάσει στο σημείο σχεδόν όλα τα μεγάλα και ακριβά σύνολα (κυρίως τα μοτέρ σε διάταξη V) να διαθέτουν αντίστοιχο σύστημα.

Λέγοντας "μεταβλητή γεωμετρία" αναφερόμαστε κυρίως σε 3 διαφορετικές εφαρμογές: στις πολλαπλές με με­ταβλητό μήκος αυλών εισαγωγής, στις διατάξεις συντονισμού μεταξύ των δυο plenum στα μοτέρ V, και στις διατάξεις δημιουργίας στροβιλισμού στην εισαγωγή.

 

Η πρώτη κατηγορία (Variable Length Intake Manifold) χρησιμοποιεί στην πλειονότητα των περιπτώσεων ένα λαβύρινθο από αυλούς διαφορετικού συνολικού μήκους, οι οποίοι ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται με

 

κατάλληλες βαλβίδες που κινούν ένα σύστημα από κλα­πέτα μέσα στην πολλαπλή εισαγωγής. Ανάλογα με την κα­τάσταση των βαλβίδων -δηλαδή αν οι διάφορες βαλβίδες του συστήματος είναι ανοικτές ή κλειστές- η αναρρόφη­ση του αέρα otis χαμηλές rpm γίνεται από tous μα­κριούς αυλούς, και στις υψηλές από τους κοντούς. Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει συστήματα με αγω­γούς που γεφυρώνουν τα plenum κάθε πλευράς του V. Οι αγωγοί έχουν βαλβίδες που ανοίγουν από κάποιες rpm και πάνω ώστε να επιτευχθεί συντονισμός των παλμών ει­σαγωγής των δυο plenum. Για αυτό το είδος συντονισμού κυρίαρχο ρόλο παίζει η σειρά ανάφλεξης των κυλίνδρων. Στην τρίτη κατηγορία συναντάμε διατάξεις που κατασκευά­στηκαν για να αντιμετωπίσουν τις διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις για χαμηλούς ρύπους κατά την εκκίνηση με κρύο μοτέρ. Πρόκειται για μικρά κλαπέτα τα οποία είτε χρησιμοποιούνται στο ρελαντί είτε σε πολύ μικρά φορ­τία, ώστε να δημιουργούν τυρβώδη ροή στον εισερχόμενο αέρα για να αναμιγνύεται καλύτερα με το καύ­σιμο. Τα συστήματα και των τριών κατηγοριών αναλύονται σε "δυο σταδίων", "τριών σταδίων" κ,ο.κ. Στην πρώτη περίπτωση το σύστημα διαθέτει 2 διαφορετικές θέσεις ("γεωμετρίες"), μια για ψηλά και μια για χαμηλά, ενώ στην τελευταία μπορεί να προσαρμοστεί ακριβώς στα εκάστοτε ιδανικά χαρακτη­ριστικά κάθε ρυθμού περιστροφής. Μερικά από τα πιο χαρακτηριστικά συστήματα και των 3 κατηγοριών είναι τα εξής:

•  Mazda S-DAIS (Sequential Dynamic Air Induction System): το σύστημα εισαγωγής του RX-8. Στην έκ­δοση των 192Ps είναι σχετικά απλό αλλά είναι εξαιρετικά πολύπλοκο στη δυνατή έκδοση των 231Ps, όπου κατά μήκος του εύρους rpm έχει συνολικά 5 διαφορετικές διατάξεις βαλβίδων του συστήματος! 0 κάθε ρότορας διαθέτει 3 αυλούς εισαγωγής και μόνο μετά τις 6.250rpm είναι όλοι ανοικτοί

• Subaru TGV (Tumble Generator Valves): το σύστημα των Impreza WRX αλλά όχι και των WRX STi. Μια "μισή πεταλούδα" που βρίσκεται λίγο πριν από το μπεκ στο βάθος κάθε αυλού εισαγωγής. Κατά τη λειτουργία στο ρελαντί φράζει το μεγαλύτερο μέρος της διατομής των αυλών και αφήνει μονάχα ένα μικρό πέρασμα πάνω από το μπεκ στον αέρα. Έτσι λόγω στροβιλισμού το μοτέρ λειτουργεί πιο ομαλά και με λιγότερους ρύπους στο ρελαντί

•  Porsche VarioRam: ξεκίνησε από την 964 και έπειτα εξελίχτηκε περισσότερο στις 993 και 996. Στην 993 συνδυάζει σύστημα μεταβλητού μήκους αυλών με σύστημα συντονισμού των δυο plenum του boxer. Έχει 3 στάδια: πριν τις 5.000rpm, μεταξύ 5.000-5.800rpm, και 5.800+rpm. Είναι αρκετά ογκώ­δες και γι' αυτό στα τελευταία μοντέλα της εταιρίας έχει διατηρηθεί μονάχα τα κομμάτι που περιλαμ­βάνει τους αυλούς συντονισμού

•  Mercedes Tumble-Flap + Variable Intake: π εισαγωγή του τελευταίου V6 3.5 272Ps της Mercedes-Benz που τοποθετείται σε πολλά μοντέλα της εταιρίας, μεταξύ τους και στην τελευταία SLK. Πρόκειται για πολλαπλή εισαγωγής από κράμα μαγνησίου, η οποία έχει σύστημα μεταβλητού μήκους αυλών δυο σταδίων και κλαπέτα που βελτιώνουν την ανάμιξη αέρα-καυσίμου σε συνθήκες χαμηλών φορτίων. Στα υψηλά φορτία τα ίίβρς είναι εντελώς ανοικτά, σαν να μην υπάρχουν

•  BMW DIVA: αυτό που διαφοροποιεί το σύστημα της BMW από τα υπόλοιπα είναι ότι διαθέτει άπειρες ενδιάμεσες θέ­σεις μήκους αυλών. Μέσω ενός βηματικού ηλεκτροκινητήρα και διάταξης ατέρμονα κοχλία, το μήκος της εισαγωγής με­ταβάλλεται συνεχώς ανάλογα με τις rpm λειτουργίας.

• Alfa Romeo Variable intake System: Είναι μια πολλαπλή εισαγωγής με μεταβλητό μήκος που διαχειρίζεται από την μονάδα ελέγχου του ψεκασμού, επιτρέπει την αύξηση της ογκομετρικής απόδοσης και κατά συνέπεια:

H πολλαπλή αποτελείται από:

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

H μονάδα ελέγχου του ψεκασμού κατευθύνει την βαλβίδα με τρεις διόδους (1) που φέρνει σε επικοινωνία τον συσσωρευτή του δοχείο κενού (2) με τον πνευματικό ενεργοποιητή (3) που, μέσω των μοχλών, επιτρέπει την κίνηση του οριζόντια περιστρεφόμενου αγωγού (4).

H περιστροφή του αγωγού επιτρέπει στους αγωγούς να συγκεντρώσουν τις διαμορφωσεις των κοντων αγωγων της ισχύος με στροφές μέχρι τις 2800 στροφές/λεπτό και πάνω από τις 5200 στροφές/λεπτό.

αγωγοί με μεγάλο μήκος με ροπή από 2800 εως 5200 στροφές/λεπτό.


Μυστήριο

Όλα τα ατμοσφαιρικό μοτέρ έχουν τον ίδιο "συμπιεστή": την ατμόσφαιρα ύψους σχεδόν 160km από πάνω τους. Όλα ζούνε στην ίδια ατμόσφαιρα, όποτε πώς δικαιολογεί­ται η τεράστια διαφορά μεταξύ τους πέρα από κυβικά και rpm; Υπάρχουν ατμοσφαι­ρικά μοτέρ 1.6 16ν που αποδίδουν 100-110 ίππους, και 1.6 16ν μονοπετάλουδα που βγάζουν τα διπλάσια άλογα (π.χ. S1600) χωρίς αυτό να δικαιολογείται από τις rpm τους, αφού αυτές σε καμία περίπτωση δεν είναι διπλάσιες (ισχύς = rpm χ ροπή αφού η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής είναι ανάλογη των rpm). Σωλήνες εισαγωγής, φίλτρα κ.λπ. έχουν τόσο τα οικογενειακά των ll0 Ps όσο και τα competition των 220 ίππων, όποτε πάνω κάτω έχουν τις ίδιες γραμμικές και εντοπισμένες απώλειες που περιγράψαμε λεπτομερώς προηγουμένως και που ανέρχονται κοντά στο 0,l bar για πλήρως ανοικτή πεταλούδα.

Η κατάσταση γίνεται ακόμα πιο εξωφρενική αν σκεφτούμε ότι τα οριακά βελτιωμένα ατμοσφαιρικά αποδίδουν περισσότερη ροπή απ' ότι είναι θερμοδυναμικώς δυνατόν για συγκεκριμένα cc, καύσιμο και 100% ογκομετρι­κή απόδοση, δηλαδή για απόλυτη πίεση l bar στους κυλίνδρους! Επομένως όχι μόνο φτάνουν το θεωρητικά ιδανικό -δηλαδή μηδενικές απώλειες εισαγωγής-, αλλά το ξεπερνούν κιόλας! Απώλειες θα υπάρχουν πάντοτε, οπότε τι συμβαίνει?

 

5 Forces

Υπάρχουν 5 τρόποι για να αυξήσεις την ογκομετρική απόδοση ενός κινη­τήρα, δηλαδή την ποσότητα του αέρα που μπορεί να χωρέσει στους δεδομένου όγκου κυλίνδρους του. 0 πρώτος είναι σπρώχνοντας αέρα με υπερσυμπιεστή που είτε παίρνει κίνηση από το στρόφαλο είτε από στρό­βιλο καυσαερίων. 0 δεύτερος είναι με χημική υπερτροφοδότηοη (αυτό που λένε στην TV ότι ανατινάζεται αλλά φυσικά δεν ανατινάζεται) όπου δεν πα­ρέχουμε extra αέρα αλλά extra οξυγόνο με έμμεσο τρόπο. 0 τρίτοε τρόπος είναι μέσω του valvetrain, συγκεκριμένα μέσω του χρονισμού των εκκεντροφόρων εισαγωγής και εξαγωγής.

Η ιδέα είναι απλή: εκμεταλλευόμαστε την αδράνεια του αέρα προς όφελος μας. Πρώτα ανοίγουμε τις βαλβίδες εισαγωγής πριν το ΑΝΣ, και δεύ­τερον τις κλείνουμε μετά το ΚΝΣ. Στην πρώτη περίπτωση επειδή η ατμο­σφαιρική πίεση είναι μεγαλύτερη από αυτή που επικρατεί μέσα στο κύλιν­δρο, ο αέρας εισέρχεται και επιπλέον βοηθά στην απόπλυση από τα καυ­σαέρια αφού την ίδια ώρα είναι ανοικτή και η βαλβίδα εξαγωγής (δηλαδή οι βαλβίδες κάνουν overlap). Στην δεύτερη περίπτωση η ορμή που έχει αποκτήσει ο εισερχόμενος αέρας κατά την κάθοδο του εμβόλου τον κάνει να εξακολουθεί να εισέρχεται στον κύλινδρο ακόμη και αν το έμβολο αρχίζει να ανεβαίνει ξανά. Έτσι στριμώχνουμε περισσότερο μίγμα στον κύλινδρο απ' όσο θα χωρούσε "κανονικά".

Πριν περιγράψαμε τον τέταρτο τρόπο βελτίωσης του ογκομετρικού βαθμού, δηλαδή τη βελτίωση μέσω του περιορισμού των απωλειών της εισαγωγής πριν και μετά την κυλινδροκεφαλή.

Ερχόμαστε λοιπόν στην πέμπτη μέθοδο, τη λιγότερο "γνωστή" από τις πέ­ντε, που ακριβώς γι' αυτό το λόγο τη χαρακτηρίσαμε ως "μυστική υπετροφοδότηση". Η μέθοδος συσχετίζεται άμεσα με τον τρίτο τρόπο (εκκεντροφόρους), ωστόσο στην ουσία της ξεφεύγει εντελώς από κινούμενα μηχα­νικό μέρη και έχει να κάνει με τις ιδιότητες του αέρα. Quizzzzz: Τι κοινό έχουν το σύστημα εισαγωγής και η θάλασσα? Και τα δυο έχουν...

 

 

 

...Κύματα!

Τα κύματα χωρίζονται σε ηλεκτρομαγνητικά και μηχανικά. Τα ηλεκτρο­μαγνητικά είναι αυτά που φτάνουν στην τηλεόραση, το ραδιόφωνο και τα μάτια σας. Τα μηχανικά είναι αυτά που λαμβάνουν τ' αυτιά σας, αλλά και αυτά που ακούτε να σκάνε στην ακρογιαλιά την ώρα που λέτε στην αγα­πημένη σας ότι θα την αγαπάτε μια ζωή (ψεύτες!).

Τα μηχανικά κύματα δημιουργούνται από την κίνηση των μορίων των ρευ­στών. Όταν κινηθεί ένα μόριο, "σκουντάει" το διπλανό του το οποίο "σκου­ντάει" το επόμενο κ.ο.κ. Μετά την κρούση κάθε μόριο επιστρέφει στην αρ­χική θέση του, ταλαντώνεται, και αυτό που τελικά συμβαίνει δεν είναι η μετακίνηση των μορίων (ύλης) σε άλλη θέση αλλά η μεταφορά δύναμης και ενέργειας κατά τη φορά διάδοσης του κύματος. Όταν τα μόρια ταλα­ντώνονται κάθετα προς τη φορά διάδοσης και όχι κατά μήκος της, ονομά­ζονται εγκάρσια. Τέτοια είναι κατά βάση αυτά που είπαμε ότι ακούγατε στην ακρογιαλιά με την λεγόμενη: αν πετάξεις ένα φελλό στη θάλασσα, θα ανεβοκατεβαίνει καθώς τα κύματα περνούν από κάτω του δίχως να "προ­χωρά" αισθητά.

Επίσης υπάρχουν τα διαμήκη κύματα, δηλαδή αυτά που τα μόρια τους κινούνται παράλληλα προς τη διεύθυνση διάδοσης. Κατά την κίνηση αυτή

δηλαδή όσο η βαλβίδα εισαγωγής είναι ανοικτή. Έτσι ο κύλινδρος γεμίζει με παραπάνω φρέσκο αέρα, ενώ τα καυσαέρια διώχνονται ευκολότερα και αποτελεσματικότερα. 0 τελικός ισολογισμός αντανακλά πλήρως την επίδραση των κυμάτων αέρα στην εισαγω­γή, και σε extreme καλομελετημένες περιπτώσει η πίεση του αέρα μπορεί στιγμιαία να ξεπεράσει το 0,5 bar υπερπίεσης ή l,5 bar απόλυτης! Όσο εξωφρε­νικό κι αν ακούγεται, μιλάμε ξεκάθαρα για ατμοσφαι­ρικό light τούρμπισμα!

 

Σε ποιες rpm?

Η ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων, δηλαδή του ήχου, δεν εξαρτάται από τον ρυθμό περιστροφής του κινητήρα. Επομένως, με σταθερή ταχύτητα κυμάτων και για μεταβλητή ταχύτητα ανοίγματος και κλεισίματος της 1 βαλβίδας εισαγωγής ο σωστός συγχρονισμός δεν μπορεί να συμβεί παρά μονάχα σε ένα συγκεκριμένο εύρος στροφών. To "light τούρμπισμα" που είπαμε προηγουμένως δεν αφορά στη λειτουργία του μοτέρ σε όλες τις rpm.

Σε ποιες rpm αφορά? Σε εκείνες τις οποίες διάλεξε να συντονίσει ο κατασκευαστής ή ο επιστήμονας βελτιωτής το μοτέρ. Στα μοτέρ που προορίζονται κυρίως για αυτοκίνητα που πηγαινοφέρνουν τα παιδιά από το σχολεία, το εργοστάσιο συντονίζει την εισαγωγή eras χαμηλές προς μεσαίες rpm ώστε να είναι φιλικό και γραμμικό σχεδόν σε όλο το φάσμα. Αυτός είναι ένας από τους λόγους που τα "απλά" μοτέρ κάνουν το peak της ροπής στις μεσαίε.

Σε ένα βαρβάτο μοτέρ με άγριους προσανατολισμούς δεν μας ενδιαφέρει η ροπή χαμηλά, έτσι είναι συντο­νισμένο για peak ροπής σε υψηλότερες rpm. Αλλά ροπή σε υψηλές rpm σημαίνει αυτόματα και πολλά Ps, επομένως έτσι βγαίνουν τα 100+ Ps/ It!

 

Είπαμε ότι  σχεδιάζουμε την εισαγωγή ανάλογα με τις rpm που θέλουμε να τη συντονίσουμε ως προς τα κύματα του αέρα και να αυξήσουμε την απόδοση του μοτέρ. Επομένως τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της εισαγωγής σε συνδυασμό με τις rpm και την ταχύτητα του πιστονιού, συσχετίζονται άμεσα ως προς το σημείο συντονισμού. Λέγοντας γεωμετρικά χαρακτηριστικά ms εισαγωγής αναφερόμαστε πρωταρχικά σε δυο μεγέθη: το μήκος και τη διάμετρο των αυλών. 0 σχολαστικός αναγνώστης θα παρατήρησε ότι μέχρι τώρα στο συλλογισμό δεν συνυπολογίστηκε ο "πορτιέρης" της υπόθεσης, δηλαδή η βαλβίδα εισαγωγής.

Πράγματι, για να συντονίσουμε το μοτέρ πρέπει οπωσδήποτε να ξέρουμε πότε είναι ανοικτή η βαλβίδα εισαγωγής διαφορετικά κάνουμε μια τρύπα στο νερό σε περίπτωση που δεν μπορεί να περάσει ο αέρας προς τον κύλινδρο! Σίγουρα λοιπόν στους υπολογισμούς πρέπει να μπει και ο εκκεντροφόρος εισαγωγής.

 

Πρακτικά, αλά αυτά υπολογίζονται με  τις εξής απλές σχέσεις:

 

L = {(ECD x 0,25 x Vs x 2) / (rpm x RV)} x 83,3 - 0,5 x Da

Όπου

L = ιδανικό μήκος αυλών εισαγωγής σε mm

ECD = ενεργός διάρκεια εκκεντροφόρου εισαγωγής sε μοίρες. Ισούται με

ECD = 720 - (διάρκεια ανοίγματος εκκεντροφόρου εισαγωγής - 30). Το 720 υπάρχει επειδή για κάθε δυο περιστροφές του στροφάλου έχουμε μια περιστροφή του εκκεντροφόρου, και το 30 επειδή στους περισσότερους εκκεντροφόρους οι πρώτες 30 μοίρες προσφέρουν πολύ μικρό άνοιγμα της βαλβίδας

Vs = ταχύτητα του ήχου, περίπου 390m/sec για τη θερμοκρασία εισαγωγής

rpm = επιθυμητές rpm συντονισμού της εισαγωγής

RV = δείκτης ανάκλασης των κυμάτων στην εισαγωγή. Το πρω­τεύον κύμα έχει RV=1. Για να κρατήσουμε το L σε λογικό επίπε­δο και να μην έχουμε πρόβλημα χωροταξίας, μπορούμε αντί για to πρωτεύον κύμα να εκμεταλλευτούμε το δευτερεύον κύμα (πρωτεύον συν μια επιπλέον ανάκλαση "κύλινδρος – plenum -κύλινδρος") θέτοντας στον τύπο RV=2. Ομοίως με RV=3)

Da = διάμετρος αυλών εισαγωγής σε mm

 

Dp = 0,9 x Dv

Όπου

Dp  =  διάμετρος αυλού εισαγωγής

Dv = διάμετρος βαλβίδας εισαγωγής, το 0,9 μπαίνει για να εξο­μοιώσει την παροχή όγκου στον αυλό και στη βαλβίδα. Στην πε­ριοχή της βαλβίδας έχουμε μεγαλύτερες απώλειες στη ροή, οπό­τε η διατομή της πρέπει να είναι λίγο μεγαλύτερη από του υπό­λοιπου αυλού.

 

rpm = VGm x Κ x Αν / Vc

Όπου

rpm = rpm μέγιστης ισχύος κατά προσέγγιση

VGm = μέση ταχύτητα εισερχομένου αέρα σε m/sec, κυμαίνεται από 60m/sec περίπου σε ήπια μοτέρ και φτάνει τα 85m/sec για μοτέρ με αγωνιστικές προδιαγραφές

Κ = σταθερά, 30 για 2V κεφαλές, 27,5 για 4ν κεφαλές

Αν = Εμβαδόν βαλβίδας ή βαλβίδων εισαγωγής, σε mm?

Vc = όγκος κυλίνδρου σε cc

 

Vp= Vn x (Dn / Dp)2

Όπου

Vp = ταχύτητα αέρα στον αυλό εισαγωγής

Vn = ταχύτητα εμβόλου

Dn = διάμετρος εμβόλου

Dp = διάμετρος αυλού εισαγωγής

 

Παρατηρώντας τις συσχετίσεις μεταξύ των διαφόρων μεγεθών, δηλαδή ποια ποσά είναι ανάλογα μεταξύ τους και ποια αντιστρόφως ανάλογα, φαίνεται εύκολα πως τεκμηριώνονται απόλυτα όσα πολλές φορές έως τώρα έχετε ακούσει από εμπειρική και μόνο σκοπιά περί εισαγωγής!

As ξεκινήσουμε από την πρώτη σχέση. Βλέπουμε πως το μήκος των αυλών εξαρτάται καταρχάς από τα χαρακτηριστικά του εκκεντροφό­ρου. Όσο αυξάνεται η διάρκεια του μειώνεται το ECD, και επομένως το μήκος των αυλών. Άγριος εκκεντροφόρος γουστάρει κοντούς αυλούς λοιπόν, και προχωράμε.

Οι rpm στις οποίες θέλουμε να συντονίσουμε την εισαγωγή βρίσκονται στον παρονομαστή του κλάσματος, οπότε αν θέλουμε συντονισμό ψηλό στο φάσμα των rpm χρησιμοποιούμε κοντούς αυλούς, στοιχείο που επίσης το γνωρίζουμε εμπειρικά. To L αναφέρεται στο συνολικό μήκος των αυλών, δηλαδή από τη βαλβίδα εισαγωγής μέχρι την έξοδο στο plenum. Έτσι με δεδομέ­νο το μήκος των αυλών στο τμήμα τους μέσα στην κεφαλή, "παίζουμε" με το μήκος των αυλών της πολλαπλής. Η δεύτερη σχέση δίνει μια προσεγγιστική εκτίμηση της διαμέτρου των αυλών εισαγωγής. Η βαλβίδα εισαγωγής είναι ένα σημαντικό εμπόδιο στη ροή του εισερχομένου αέρα. Με δεδομένο ότι στο σημείο εκείνο δεν θέλουμε να αλλάξει η ταχύτητα και επομένως η παροχή του εισερχομένου αέρα, π κεφαλή έχει μεγαλύτερη διάμετρο απ' ότι στον υπόλοιπο ελεύθερο αυλό. Συνήθως ο αυλός έχει σχεδόν 20% μικρότερο εμβαδόν διατομής από τη βαλβίδα, επομένως με εφαρμογή του τύπου του εμβαδού κύκλου βρίσκουμε ότι αντίστοιχα η διάμετρος του αυλού προκύπτει 10% μικρότερη. 0 τρίτος τύπος βοηθά να κάνουμε μια πρώτη εκτίμηση για την περιοχή rpm στην οποία θα έχουμε peak στην καμπύλη ισχύος. Όσο αυξάνεται το εμβαδόν της βαλβίδας εισαγωγής, επομένως και ολό­κληρου του αυλού εισαγωγής, περιμένουμε τη μέγιστη ισχύ σε ψηλότερες rpm. Η μέση ταχύτητα εισερχόμενου αέρα από την βαλβίδα εισαγωγής (VGm) εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του εκκεντρο­φόρου εισαγωγής. Όσο πιο άγριος είναι ο εκκεντροφόρος τόσο αυξάνεται το VGm, και επομένως και οι rpm μέγιστης ισχύος. Πράγματι, γενικά όλοι ξέρουμε ότι οι άγριοι εκκεντροφόροι δουλεύουν πολύ ψηλά. Τελειώνοντας με την σχέση 3, βλέπουμε στον παρονομαστή τον όγκο του κυλίνδρου. Όσο αυτός μεγαλώνει τόσο χαμηλότερα εμφανίζεται η μέγιστη ισχύς και το στροφάρισμα ψηλά περιορίζεται -λο­γικό αν σκεφτούμε την αντίστοιχη αδράνεια λόγω μαζών. Μην ξεχνάτε πως τα μοτέρ των θερμικών τηλεκατευθυνόμενων μοντέλων που έχουν πιστόνι μεγέθους και μάζας δακτυλήθρας γυρνάνε στις 30.000rpm για πλάκα! 0 τέταρτος τύπος τέλος δείχνει αμέσως ότι η ταχύτητα του εισερχόμενου αέρα στους αυλούς είναι πάντοτε μεγαλύτερη από του εμβόλου. Πόσο μεγαλύτερη? Όσο και το τετράγωνο του λόγου της διαμέτρου του πιστονιού προς τη διάμετρο του αυλού. Προσεγγίζ°ντα5 διαφορετικά τον τύπο, βλέπουμε πως μεγάλη διάμετρος αυλών σημαίνει μικρή ταχύτητα αέρα μέσα σε αυτούς, συνεπώς όπως εξηγήσαμε στο Part II ευνοεί το στροφάρισμα ψηλά αλλά χειροτερεύει την κατάσταση στις χαμηλές rpm.

 

Επιμελήθηκε από τον Themis_D_Alfa147

Πηγή…POWER TECHNIQUES