Εξατμισεις - Συστήματα εξαγωγής!!!

[Vasilis]

στα πλαίσια της πλήρης ενημέρωσης στα απαραίτητα ανταλλακτικά για την λειτουργία των 4τροχών φίλων μας..... επισυνάπτω τα κάτωθι απο το αρχείο που διατηρώ για την προσωπική μου ενημέρωση......
πολλοί θα τα θεωρησουν περιττά.... άλλοι θα τα βρουν αρκετά ενδιαφέροντα....ας υπάρχουν στην βιβλιοθήκη του φόρουμ μας.....


Το σύστημα εξαγωγής είναι ένα από τα καθοριστικότερα, για την απόδοσή του, περιφερειακά συστήματα του κινητήρα. Αυτό που απλοϊκά περιγράφουμε ως "εξάτμιση" είναι πολύ περισσότερα από ένα πακέτο από σωλήνες και καζανάκια. Αρχής γενομένης αυτόν τον μήνα, θα δούμε αναλυτικά τι είναι, τι κάνει και πώς πρέπει να σχεδιάζεται μια εξάτμιση για ένα τετράχρονο μοτέρ, ανάλογα με το τι ζητάμε από τον κινητήρα και από το αυτοκίνητό μας



Τι είναι και τι κάνει η εξάτμιση?
Κατά βάση, το σύστημα εξαγωγής απαρτίζεται από μεταλλικές κατασκευές, δηλαδή σωληνώσεις και λοιπά εξαρτήματα που θα δούμε στην πορεία, και κύριος σκοπός του είναι η διαχείριση των καυσαερίων του κινητήρα. Εισάγοντας τον όρο "διαχείριση καυσαερίων" βλέπουμε πως το σύστημα εξαγωγής έχει να επιτελέσει κάμποσες βασικές λειτουργίες. Αν τις πιάσουμε κατά σειρά εμφάνισης, στην ιστορική πορεία του αυτοκινήτου, τότε η εποπτική μας λίστα έχει ως εξής:
1. Να απομακρύνει τα καυσαέρια από το μηχανοστάσιο και από το όχημα
2. Να περιορίζει το θόρυβο εξαγωγής του κινητήρα
3. Να συνεισφέρει στη βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα, είτε από μόνο του, είτε ενσωματώνοντας διατάξεις, όπως λ.χ. ένα turbo
4. Να συμπληρώνει την αισθητική του αμαξώματος
5. Να φιλοξενεί τους αισθητήρες του συστήματος διαχείρισης κινητήρα που άπτονται των λειτουργιών προετοιμασίας καυσίμου μίγματος (δηλαδή τους αισθητήρες λάμδα και, ενίοτε, ένα ή περισσότερα πυρόμετρα)
6. Να ενσωματώνει τις διατάξεις καθαρισμού των καυσαερίων (καταλύτες, φίλτρα κατακράτησης σωματιδίων κ.λπ.)
7. Να φιλοξενεί βοηθητικά συστήματα, όπως βαλβίδες και κυκλώματα ανακύκλωσης καυσαερίων κ.λπ.

Γιατί χρειαζόμαστε εξάτμιση?
Αυτή είναι μια πολύ καλή ερώτηση. Ο πρώτος και βασικός λόγος είναι ότι, συνήθως, ο οδηγός ή οι επιβάτες του εκάστοτε μηχανοκίνητου βρίσκονται πολύ κοντά στον κινητήρα και, ως εκ τούτου, πρέπει με κάποιον τρόπο να αποτραπεί το ενδεχόμενο να εισπνεύσουν τα βλαβερά και επικίνδυνα καυσαέρια. Τα καυσαέρια ενός βενζινοκινητήρα, πριν περάσουν από το όποιο σύστημα καθαρισμού - εξευγενισμού τους (βλ. καταλυτικός μετατροπέας), περιέχουν δηλητηριώδες μονοξείδιο του άνθρακα (CO), καρκινογόνους άκαυτους υδρογονάνθρακες (HC), ασφυξιογόνο διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και διάφορες άλλες ενώσεις, σε μικρότερες συγκεντρώσεις, οι οποίες μόνο καλό δεν κάνουν στον άνθρωπο.
Το σύστημα εξάτμισης, λοιπόν, καταρχάς ενσωματώθηκε στα αυτοκίνητα για να προστατεύει τον οδηγό και τους επιβάτες, και σήμερα πλέον προστατεύει όλους μας από τα καυσαέρια των αυτοκινήτων, ενσωματώνοντας όλα όσα χρειάζονται για τον... εξαγνισμό των καυσαερίων και τη μετατροπή τους σε "αβλαβή" για τον άνθρωπο αέρια. Για την ακρίβεια, με τη χρήση καταλυτικών μετατροπέων τα καυσαέρια μπορεί μεν να μετατρέπονται σε άμεσα "αβλαβή" (δηλαδή όχι τοξικά στην εισπνοή), ωστόσο παραμένουν έμμεσα επιβλαβή, αφού όπως και να έχει το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι από τα μεγαλύτερα προβλήματα της σύγχρονης ανθρωπότητας.
Η άλλη όψη της ατομικής και δημόσιας υγείας έχει να κάνει φυσικά και με τον θόρυβο. Ακόμη και ο μικρότερος κινητήρας εσωτερικής καύσης, λ.χ. εκείνος ενός τηλεκατευθυνόμενου μοντέλου, είναι ικανός να τρυπήσει τύμπανα και να φρικάρει κόσμο σε ακτίνα οικοδομικού τετραγώνου, εάν δεν διαθέτει ένα αποτελεσματικό, από την πλευρά της κατασίγασης, σύστημα εξάτμισης. Υπό αυτό το πρίσμα, σκοπός της εξάτμισης είναι να "τιθασεύσει" την ηχητική ενέργεια των καυσαερίων, και να επαναφέρει τον θόρυβο του κινητήρα σε ένα, κατά βάση, ανεκτό επίπεδο. Το "ανεκτό", βεβαίως, είναι πολύ σχετικός προσδιορισμός, τον οποίο έχουν αναλάβει να στανταροποιήσουν οι διάφορες εν ισχύι σχετικές νομοθεσίες, όπως λ.χ. οι Κανονισμοί της Ευρωπαϊκής Ενωσης που διέπουν τα κριτήρια για τη χορήγηση Εγκρισης Τύπου των πάσης φύσης οχημάτων που φέρουν κινητήρα εσωτερικής καύσης.
Πέρα όμως από την υγεία μας, ατομική και δημόσια, το σύστημα εξάτμισης εξυπηρετεί πρωτίστως και τις ανάγκες του ίδιου του κινητήρα. Σε έναν τυπικό βενζινοκινητήρα, το 35-40% της ενέργειας που περιέχεται στο καύσιμο πάει "χαμένο" στην εξάτμιση, υπό μορφή θερμικής, κινητικής και ηχητικής ενέργειας. Το σύστημα εξάτμισης φροντίζει είτε να αξιοποιεί μέρος αυτής της ενέργειας προς όφελος της απόδοσης του κινητήρα, αυξάνοντας την ογκομετρική απόδοση μέσω της βελτίωσης του ποσοστού πλήρωσης των κυλίνδρων. Αυτό γίνεται είτε μέσω της σχεδίασης της ίδιας της εξάτμισης και δη του πρώτου τμήματός της, της γνωστής πολλαπλής εξαγωγής (βλ. χταπόδι), ώστε να εκμεταλλεύεται την κυματική φύση των καυσαερίων (το βασικότερο σχεδιαστικό χαρακτηριστικό μιας εξάτμισης, από πλευρά απόδοσης), είτε αξιοποιώντας τα καυσαέρια για την κίνηση ενός turbo, που όλοι μας πλέον ξέρουμε πολύ καλά τι κάνει...

Οι ανάγκες της ίδιας της εξάτμισης
Ξεκινώντας την περιπλάνησή μας στο σχεδιασμό μιας εξάτμισης, ας καταπιαστούμε με τις λειτουργικές συνθήκες και το περιβάλλον στο οποίο λειτουργεί αυτό το σύστημα. Πέρα από τις "δικές" μας ανάγκες, δηλαδή οδηγού, επιβατών και κινητήρα, πρέπει να εξετάσουμε τις ανάγκες της ίδιας της εξάτμισης, προκειμένου αφενός μεν να επιβιώσει, επιτελώντας αξιόπιστα και επί μακρόν το καθήκον της, και αφετέρου προκειμένου να αποδώσει σύμφωνα με τα όσα προβλέπει η σχεδίασή της.
Τα βασικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζει μια εξάτμιση, είναι δυο, και πάνω - κάτω προφανή: η θερμοκρασία και οι κραδασμοί αμφότερα δημιουργούν συνθήκες έντονης καταπόνησης, που αυξάνουν ιδιαίτερα τις σχεδιαστικές και κατασκευαστικές απαιτήσεις. Επιπλέον, η εξάτμιση απαιτεί χώρο προκειμένου να "στριμωχτούν" τα εξαρτήματά της (πολλαπλή εξαγωγής, καταλύτες, σιγαστήρες) και να υποστηριχθούν οι διάφορες σχεδιαστικές απαιτήσεις, τόσο σε μήκος (βλ. χταπόδι) όσο και σε όγκο (βλ. σιγαστήρες).

συνεχιζεται.....

[Vasilis]

Πρώτος εχθρός: η θερμοκρασία
Ξεκινώντας από τη θερμοκρασία, πρέπει να εξετάσουμε δυο παραμέτρους:
1. Τη μέγιστη θερμοκρασία που μπορεί να επιτύχει ένας κινητήρας, και όταν μιλάμε για υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες άμεσου ψεκασμού με προδιαγραφές ρύπων Euro 5 τότε μιλάμε για νούμερα που κατά συνθήκες φλερτάρουν ακόμα και με τους 1.000 οC.
2. Τις αλλεπάλληλες αυξομειώσεις θερμοκρασίας καυσαερίων: Ακόμη και το πιο απλό ατμοσφαιρικό μοτεράκι πόλης κάθεται στο φανάρι με "δροσερά" καυσαέρια της τάξης των 450 οC, φτάνει τους 550 οC συμπλεκτάροντας με πρώτη για να ξεκινήσει στο φανάρι, και μπορεί κάλλιστα να ξεπεράσει τους 750 οC μέχρι να κουμπώσει τρίτη, αν το φανάρι βρίσκεται σε καμία καλή ανηφόρα της Ανω Ηλιούπολης. Με το που θα σταματήσει στο επόμενο φανάρι, η θερμοκρασία θα ξαναπέσει στο 500άρικο σε λιγότερο από 30 δευτερόλεπτα! Είναι πολύ απλό: όσο πιο πολύ γκάζι πατάς, τόσο περισσότερη βενζίνη καις και, ως εκ τούτου, τόσο περισσότερη θερμότητα στέλνεις στην εξάτμιση. Ακόμα χειρότερο είναι το καψόνι της ψυχρής εκκίνησης. Με τις νέες προδιαγραφές εκπομπής καυσαερίων να απαιτούν από τον καταλύτη να βρίσκεται σε θερμοκρασία λειτουργίας (400 οC) σε λιγότερο από ένα λεπτό από την εκκίνηση του μοτέρ, τα συστήματα διαχείρισης χρησιμοποιούν πολύ επιθετικές στρατηγικές προκειμένου να "καψαλίσουν" την εξάτμιση. Καταλαβαίνεις, λοιπόν, το τεράστιο της θερμικής καταπόνησης, τόσο από πλευρά τιμής της θερμοκρασίας όσο και από πλευρά ρυθμού μεταβολής της. Ολες αυτές οι μεταβολές θερμοκρασίας προκαλούν σημαντικές διαστολές / συστολές στην εξάτμιση, και επιπλέον δυσχεραίνουν την αντοχή του μετάλλου, αφού ως γνωστόν, οι μηχανικές ιδιότητες οποιουδήποτε μετάλλου φθίνουν όσο αυξάνει η θερμοκρασία του.
Σαν να μην φτάνει αυτό, και κραδασμοί!
Ή, για την ακρίβεια, ταλαντώσεις! Μια εισαγωγή στις ταλαντώσεις του κινητήρα είχαμε κάνει στο προηγούμενο Know How, περί ζυγοστάθμισης κινητήρων. Πέρα λοιπόν από τις "αυτογενείς" ταλαντώσεις του κινητήρα, όπως λ.χ. αυτές που βλέπουμε με το μάτι όταν το μοτέρ δουλεύει στο ρελαντί ή αυτές που νιώθουμε στο αμάξωμα, ιδίως σε αυτοκίνητα με σχετικά σκληρές βάσεις κινητήρα, έχουμε και τις "εξωγενείς" ταλαντώσεις, αυτές που προκαλούνται από την κίνηση του αυτοκινήτου. Το μοτέρ λοιπόν κινείται πάνω στις ελαστικές του βάσεις εξαιτίας των ανωμαλιών του δρόμου, εξαιτίας της επιτάχυνσης/ επιβράδυνσης/ στροφής του αυτοκινήτου και φυσικά λόγω της σχέσης δράσης - αντίδρασης μεταξύ κινητηρίου συγκροτήματος και τροχών. Με άλλα λόγια, όταν πατάμε ή αφήνουμε γκάζι, οι ελαστικές βάσεις συγκρατούν τον κινητήρα, ώστε να περιστρέφονται οι ρόδες και όχι το μοτέρ μαζί με το σασμάν. Παρ' όλα αυτά, ο κινητήρας δεν είναι πακτωμένος στο αμάξωμα, και ως εκ τούτου η εξάτμιση, που είναι σταθερά συνδεδεμένη με τον κινητήρα, τον ακολουθεί σε αυτόν τον δύσκολο χορό. Ωστόσο, η εξάτμιση είναι "μπαλαντέρ" ανάμεσα σε δυο συστήματα: τον κινητήρα, που διαθέτει μια σχετική ελευθερία κίνησης, και το ακίνητο αμάξωμα, το οποίο τη φέρει και τη στηρίζει. Προκειμένου η εξάτμιση να μην κοπεί στα δυο, πρέπει να διαθέτει ελαστικά τμήματα και ελαστικές βάσεις.

Κι άλλες απαιτήσεις
Η εξάτμιση πρέπει να έχει αρχή και τέλος, προφανώς! Και δεν αναφερόμαστε μόνο στο σχήμα της, αλλά στη συμπεριφορά της ως αγωγού. Με άλλα λόγια, η εξάτμιση πρέπει να είναι στεγανή σε όλο της το μήκος και να μην έχει διαρροές στα σημεία που συνδέεται με τον κινητήρα ή που συνδέονται μεταξύ τους τα διάφορα εξαρτήματα. Αυτό δεν είναι και τόσο εύκολη υπόθεση, όσο αυτονόητο κι αν ακούγεται. Αρκεί να σκεφτείς τα όσα ήδη εξηγήσαμε για τις θερμοκρασίες λειτουργίας, την ανάγκη ελαστικότητας αλλά και το γεγονός ότι η θερμοκρασία της εξάτμισης μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από τον κινητήρα με κατεύθυνση προς την απόληξη. Προκειμένου να εξυπηρετηθεί ο συνδυασμός αναγκών ελαστικότητας - στεγανότητας, οι εξατμίσεις χρησιμοποιούν διάφορες διατάξεις, όπως πλεκτούς συνδέσμους από συρμάτινες ίνες, σπειροειδή τμήματα (τα γνωστά "σπιράλ"), κωνικούς ή δακτυλιοειδείς συνδέσμους ("ζουάν"), βιδωτούς συνδέσμους με φλάντζες, περαστά τμήματα όπου τα εξαρτήματα ολισθαίνουν το ένα μέσα στο άλλο και ούτω καθεξής.

Επιθετικό περιβάλλον, αλλά και περιεχόμενο
Τα καυσαέρια περιέχουν οξειδωτικές χημικές ενώσεις, ενώ και η λειτουργία του καταλύτη παράγει σεβαστές ποσότητες νερού. Oλα αυτά, σε συνδυασμό με τις υψηλές θερμοκρασίες, δημιουργούν ένα άκρως διαβρωτικό cocktail, που κατατρώει τα μέταλλα της εξάτμισης, ιδίως όταν αυτή δεν είναι κατασκευασμένη από ανοξείδωτα υλικά. Επιπλέον, η έκθεσή της στο δρόμο, και μάλιστα σε απόσταση αναπνοής από αυτόν, σημαίνει ότι πάνω της καταλήγουν πάσης φύσης νερά και λάσπες και οτιδήποτε αυτά περιέχουν, όπως λ.χ. αλάτι σε περιοχές με χιονοπτώσεις. Και ενώ όλα αυτά αρκούν από μόνα τους για να διαβρώσουν οποιοδήποτε απροστάτευτο μέταλλο (δηλαδή που δεν είναι είτε ανοξείδωτο είτε προστατευμένο με γαλβανισμό, βαφή κλπ.), η παρουσία υψηλών θερμοκρασιών συντελεί στη διάβρωση, λειτουργώντας ως καταλύτης για τις οξειδωτικές χημικές αντιδράσεις.

Βάλλεται από παντού!
Δεν είναι τυχαίο ότι ξεκινήσαμε έτσι αυτό το Know How για τις εξατμίσεις. Δεν έχει νόημα να εξετάσουμε σχεδιαστικές παραμέτρους μεγεθών (μήκη, διάμετροι, πάχη υλικών κ.λπ.) αν δεν ξέρουμε πρώτα απ' όλα πώς πρέπει να κατασκευαστεί μια εξάτμιση από πλευρά "φυσιολογίας". Κρατήστε τις έννοιες "ροή", "αντίθλιψη", "στάθμη θορύβου" για τον επόμενο μήνα, οπότε θα αρχίσουμε να μιλάμε για "σωλήνες" και "καζανάκια". Οσο για την κυματική θεωρία της εξάτμισης, αυτή θα είναι το αποκορύφωμα του Know How και γι' αυτό θα σας αφήσουμε λίγο χρόνο να φρεσκάρετε τη Φυσική και τα Μαθηματικά σας!

[Vasilis]

Διαχείριση θερμότητας
Το πρώτο πράγμα που πρέπει να κάνει καλά μια σύγχρονη εξάτμιση είναι να διαχειρίζεται τη θερμότητα των καυσαερίων. Οσο αυτονόητο ή απλό (sic!) κι αν ακούγεται το ζήτημα, στην πράξη η διαχείριση της θερμότητας μπορεί να γίνει μεγάλος πονοκέφαλος, ακόμη και για τους ίδιους τους κατασκευαστές! Παραδείγματα αυτοκινήτων όπως τα Honda S2000 και Mazda RX-8, των οποίων το κεντρικό τούνελ μετατρέπεται σε... πλάκα ψησίματος από τη θερμοκρασία του καταλύτη, απλά και μόνο υπογραμμίζουν το αληθές της προηγούμενης πρότασης.
Τα πάντα ξεκινάνε από την πολλαπλή εξαγωγής, το κοινώς λεγόμενο "χταπόδι", που είναι και ο πρώτος, κατά σειρά, παραλήπτης των καυσαερίων στο σύστημα εξάτμισης. Το χταπόδι έχει ν' αντιμετωπίσει σοβαρά χωροταξικά προβλήματα, αφού πρέπει να στριμωχτεί μέσα στο μηχανοστάσιο και επιπλέον πρέπει να διαθέτει συγκεκριμένα γεωμετρικά χαρακτηριστικά (διάμετρο και μήκος σωλήνων, σημεία συμβολής δυο ή και περισσότερων σωλήνων σε έναν, σημείο στήριξης turbo και πάει λέγοντας) προκειμένου να εξυπηρετήσει αποτελεσματικά τις ανάγκες του μοτέρ.
Το στρίμωγμα ενός αντικειμένου σε συγκεκριμένο χώρο μπορεί αφ' εαυτού να μη φαίνεται τρελό ζόρι, όταν όμως πρέπει να έχει συγκεκριμένες διαστάσεις και καμπυλότητες, τότε ο γρίφος αρχίζει να απευθύνεται σε γερούς λύτες! Κι έτσι ξεκινάμε με τον πρώτο, πολύ βασικό (όπως θα δούμε στην πορεία) συμβιβασμό της σχεδίασης μιας εξάτμισης: τη δρομολόγησή της! Η εξάτμιση δεν πρέπει να περνάει πολύ κοντά από επιφάνειες και εξαρτήματα που είναι ευαίσθητα στις υψηλές θερμοκρασίες. Σε ένα μηχανοστάσιο, τέτοια σημεία αποτελούν οτιδήποτε είναι κατασκευασμένο ή φέρει επένδυση από πλαστικά και ελαστικά υλικά: από τις καλωδιώσεις και τα κολάρα μέχρι τις βάσεις του κινητήρα και τις φούσκες των ημιαξονίων! Φυσικά, εννοείται ότι η εξάτμιση δεν πρέπει να περνάει πολύ κοντά και από την καρότσα, αφού η υπερθέρμανση του φέροντος οργανισμού του αυτοκινήτου μπορεί να σημαίνει από απλή καταστροφή της βαφής / αντιδιαβρωτικής προστασίας μέχρι σημαντικά προβλήματα θερμοκρασίας στην καμπίνα.

Heatshields
Η πρώτη γραμμή άμυνας απέναντι στη θερμότητα είναι η θερμομόνωση τόσο της ίδιας της εξάτμισης όσο και των ευαίσθητων εξαρτημάτων, καλύπτοντάς τα με μεταλλικές ή επιμεταλλωμένες θερμοασπίδες, που έχουν ως σκοπό την αντανάκλαση της θερμικής ακτινοβολίας και την παρεμπόδιση αγωγής της θερμότητας μέσω του περιβάλλοντος αέρα. Η μαζική παραγωγή ενός συστήματος εξάτμισης επιφέρει σημαντικούς συμβιβασμούς στην ποιότητα και αποτελεσματικότητα των θερμομονωτικών ασπίδων, που στην πλειονότητά τους κρίνονται απλώς και μόνο επαρκείς. Το να καλύψεις ένα ευαίσθητο εξάρτημα με φύλλα χρυσού, όπως λ.χ. έκανε ο Gordon Murray όταν σχεδίασε την περιβόητη McLaren F1, αποτελεί μια λειτουργικά άριστη λύση που ωστόσο θα μείνει στην ιστορία ως άλλη μια τεχνική Extravaganza της βρετανικής σχολής των Supercars. Τα πιο καθημερινά αυτοκίνητα θα πρέπει να βολευτούν με χαλύβδινες ή αλουμινένιες θερμοασπίδες, και να πουν κι "ευχαριστώ". Κι αν το πουν, αφού σε πολλές περιπτώσεις οι κατασκευαστές είτε έχουν γεμίσει τις τσέπες τους με καβούρια, είτε έχουν υπάρξει υπερβολικά αισιόδοξοι. Παραδείγματα όπως τα μοτέρ Twin Spark και V6 της Alfa Romeo ή τα TU του Group PSA, όπου τα χταπόδια περνάνε πολύ κοντά από τα φίλτρα λαδιού και σχεδόν ξυστά από τα κάρτερ, σε κάνουν πραγματικά ν' αναρωτιέσαι για ποιο λόγο οι κατασκευαστές έχουν επιλέξει να μετατρέψουν το λάδι του κινητήρα σε περιεχόμενο φριτέζας. Πολλά βελτιωμένα τέτοια μοτέρ αντιμετωπίζουν σοβαρότατα προβλήματα θερμοκρασίας λαδιού, τα οποία λύνονται αποτελεσματικά μόνο με καλή θερμομόνωση της εξάτμισης, σε πολλές περιπτώσεις ακόμη και με μετατόπιση του φίλτρου λαδιού. Αρα, από πλευρά λειτουργικότητας, το πρώτο πράγμα που πρέπει να κάνει κανείς είναι να εξασφαλίσει την κατά το δυνατό βέλτιστη θερμομόνωση των πρώτων (και θερμότερων) τμημάτων της εξάτμισης, ώστε η θερμότητα να μην προκαλεί προβλήματα σε άλλους τομείς. Πέρα από τον άμεσο αντίκτυπο της θερμοκρασίας στα επιμέρους εξαρτήματα του μηχανοστασίου, η καλή θερμομόνωση της εξάτμισης συνεισφέρει στο γενικότερο περιορισμό των θερμοκρασιών που επικρατούν κάτω από το καπό. Αυτό είναι βασική ανάγκη όταν αναζητά κανείς τη βέλτιστη απόδοση, αφού οι υψηλές θερμοκρασίες μηχανοστασίου επιβαρύνουν αφενός μεν το σύστημα ψύξης, αφετέρου το σύστημα εισαγωγής αέρα. Ιδίως τα τουρμπάτα μοτέρ, που κάνουν τόσο κόπο να κρυώσουν το συμπιεσμένο αέρα με intercooler, είναι κρίμα να τον ξαναζεσταίνουν μέχρι να φτάσει στην πεταλούδα επειδή οι σωληνώσεις του μηχανοστασίου έχουν μετατραπεί σε... afterheater!

Υπερθερμαίνοντας... την εξάτμιση!
Οπως κάθε νόμισμα με δυο όψεις, έτσι και η "υπερβολική" θερμομόνωση της εξάτμισης μπορεί να επιφέρει άλλου είδους παρενέργειες, με συνηθέστερη την πρόκληση ρωγμών στην πολλαπλή εισαγωγής. Οπως εξηγήσαμε τον προηγούμενο μήνα, η μηχανική αντοχή των μετάλλων φθίνει σε συνάρτηση με την άνοδο της θερμοκρασίας λειτουργίας. Η υπερβολική θερμομόνωση αυξάνει τη θερμική καταπόνηση των μετάλλων της εξάτμισης, με αποτέλεσμα την πρόωρη γήρανση και κόπωσή τους. Αυτός είναι και ο λόγος που κανένα εξάρτημα εξάτμισης δεν διατηρεί την εγγύησή του, εάν τυλιχθεί με θερμομονωτικά υλικά.

Μονώνοντας... inside out!
Η σύγχρονη τεχνολογία, ωστόσο, έχει λύσεις (έστω και ακριβές) ακόμη και γι' αυτές τις περιπτώσεις: αν θες να μονώσεις λ.χ. ένα χταπόδι, χωρίς ωστόσο να υπερθερμάνεις τις σωληνώσεις, μπορείς κάλλιστα να τις μονώσεις εκ των έσω, περιορίζοντας τη μεταφορά θερμότητας από τα καυσαέρια στα μέταλλα. Μιλάμε, φυσικά, για τις κεραμικές θερμομονωτικές επιστρώσεις, οι οποίες πλέον έχουν κάνει την εμφάνισή τους και στην Ελλάδα. Συνήθως τις συναντάμε ως εξωτερικές επιστρώσεις, αφού έτσι είναι ευκολότερη η εφαρμογή τους και χαμηλότερο το κόστος. Ωστόσο, ανάλογα με το σχήμα και ως επί το πλείστον το μήκος του σωλήνα (ή των σωλήνων, σε ένα χταπόδι) που πρέπει να επικαλυφθούν, υπάρχει η δυνατότητα επικάλυψης και στο εσωτερικό, ή ακόμη και... double face, για όσους θέλουν το απόλυτο αποτέλεσμα.
Στην πράξη, το αποτέλεσμα μιας κεραμικής επίστρωσης ποικίλλει ανάλογα με το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί για την επικάλυψη, το πάχος επικάλυψης και, φυσικά, τη μέγιστη τιμή της θερμοκρασίας καυσαερίων. Σε γενικές γραμμές, μια τυπική εξωτερική κεραμική επίστρωση εξάτμισης μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία του σωλήνα πάνω από 20%, με την τιμή αυτή να μπορεί να φτάσει ή και να ξεπεράσει το 30%. Πρόκειται για τεράστιο όφελος, ιδίως σε περιπτώσεις εξατμίσεων που το σχήμα τους ή οι χωροταξικοί περιορισμοί του μηχανοστασίου δεν επιτρέπουν την θερμομόνωση με συμβατικές ασπίδες.

Ελαστικότητα Vs δυσκαμψία
Αρκετά με τον καύσωνα, οπότε πάμε παρακάτω, στους... σεισμούς! Είπαμε ότι τόσο η εξάτμιση όσο και οι διατάξεις ανάρτησής της στο αμάξωμα πρέπει να διαθέτουν μια κάποια ελαστικότητα, προκειμένου να ακολουθούν τις κινήσεις του μοτέρ. Αρκεί όμως μόνο αυτό? Μήπως πρέπει κάποιος να ασχοληθεί με τις κινήσεις του μοτέρ καθαυτό, εν προκειμένω με τις βάσεις του κινητήρα? Δεδομένου του ότι τα πάντα έχουν και τα όριά τους, δεν υπάρχει τρόπος να κατασκευάσεις μια στεγανή εξάτμιση "τιραμόλα". Ως εκ τούτου, θα πρέπει να προσαρμόσεις και το υπόλοιπο σύστημα που συνεργάζεται με την εξάτμιση, ούτως ώστε να μη φέρεις κάποιο εξάρτημα σε δύσκολη θέση. Για παράδειγμα, δεν είναι λίγοι οι "καύτες" ιδιοκτήτες Seat Ibiza FR πρώτης γενιάς που αντιμετώπισαν πάσης φύσης προβλήματα με τις πολλαπλές εξαγωγής και τα downpipe του 1.8 20VT, από λασκαρισμένα παξιμάδια μέχρι κομμένα μπουζόνια και ραγισμένα μαντέμια, μόνο και μόνο εξαιτίας του συνδυασμού σκληρή οδήγηση - μαλακές βάσεις κινητήρα (με φυσικό επακόλουθο την υπέρμετρη μηχανική καταπόνηση της εξάτμισης και το ξέσπασμά της στα πιο θερμά, άρα και αδύναμα από ένα σημείο και μετά, σημεία του συστήματος). Αντίστοιχα προβλήματα, σε μακράν μεγαλύτερη έκταση και συχνότητα, έχουν αντιμετωπιστεί με σωληνωτές πολλαπλές εξαγωγής σε διάφορα αυτοκίνητα με "Softex" βάσεις κινητήρα. Ο κόσμος βιάζεται να κατηγορήσει το υλικό του σωλήνα, την ποιότητα της συγκόλλησης κ.ο.κ., ωστόσο πολλές φορές βλέπει το δέντρο χάνοντας το δάσος.

συνεχιζεται............

[Vasilis]

Γιατί χυτοσίδηρος?
Εδώ, για αρχή, κολλάει ένα trivia που αποτελεί πραγματικότητα και όχι ανέκδοτο: κάποια στιγμή συνάντησα ένα παλιό μηχανουργικό βιβλίο τεχνικής σχολής, αν δεν απατώμαι των εκδόσεων Ευγενιδείου Ιδρύματος. Το βιβλίο ήταν γραμμένο από Γερμανό συγγραφέα, την δε απόδοσή του στα ελληνικά είχε αναλάβει ένας μηχανολόγος που ακούει στο επίθετο Μαντέμης... Σύμφωνα με πληροφορίες μου, ο ίδιος έχει μεταφράσει και άλλα βιβλία του γερμανικού τεχνολογικού εκδοτικού οίκου Europa Lehrmittel για λογαριασμό του Ευγενιδείου Ιδρύματος, όπως λ.χ. βιβλία τεχνολογίας υλικών κ.λπ. Ονομα και μη χωριό!
Σοβαρευόμαστε, ωστόσο, και ερχόμαστε στον λόγο που ο χυτοσίδηρος (μαντέμι) είναι τόσο διαδεδομένος ως υλικό κατασκευής των θερμότερων τμημάτων της εξάτμισης. Ο χυτοσίδηρος έχει κάποια πολύτιμα, για τη συγκεκριμένη εφαρμογή, προτερήματα, με προεξάρχοντα το σχετικά χαμηλό συντελεστή γραμμικής διαστολής, σε σχέση με τους χάλυβες και το αλουμίνιο, τη μεγάλη θερμοχωρητικότητά του, τη σεβαστή μηχανική αντοχή, την ευκολία χύτευσης και το χαμηλό κόστος, αναλογικά με άλλα υλικά όπως λ.χ. ο ανοξείδωτος χάλυβας.

Αναλύοντας τις αρετές ενός παλιού φίλου
Ξεκινώντας από το χαμηλό συντελεστή διαστολής του χυτοσιδήρου, αυτός είναι απαραίτητος προκειμένου να εξασφαλίζεται καλή συνεργασία με την κυλινδροκεφαλή: οι αλουμινένιες κυλινδροκεφαλές ναι μεν διαστέλλονται σχεδόν δυο φορές περισσότερο από το μαντέμι, ωστόσο έχουν το πλεονέκτημα της ψύξης και έτσι οι μέγιστες θερμοκρασίες τους σπάνια υπερβαίνουν το 15% της μέγιστης θερμοκρασίας της πολλαπλής εξαγωγής. Αυτή η τεράστια θερμική ανισότητα προκαλεί εντονότατα προβλήματα στεγανοποίησης στη σύνδεση κυλινδροκεφαλής / πολλαπλής εξαγωγής, με συνηθέστερο σύμπτωμα την παραμόρφωση ("πετσικάρισμα") της επιφάνειας του χταποδιού που συνδέεται πάνω στην κυλινδροκεφαλή. Οσο αυξάνεται ο συντελεστής διαστολής του χταποδιού, τόσο αυξάνεται και το κόστος για την κατασκευή ενός χταποδιού που δεν θα παραμορφωθεί ή ραγίσει, λόγω της ανομοιομορφίας στη διαστολική συμπεριφορά μεταξύ αυτού και της κεφαλής. Αυτός είναι και ο λόγος που τα περισσότερα σωληνωτά χταπόδια είναι πολύ χοντρά στο σημείο που βιδώνουν πάνω στην κυλινδροκεφαλή και, επιπλέον, χρησιμοποιούν τεχνικές λύσεις όπως οβάλ ή σκισμένες τρύπες για τις βίδες ή τα μπουζόνια τους.
Εκτός αυτού, είπαμε ότι το χταπόδι πρέπει να στριμωχτεί μέσα σε ένα μηχανοστάσιο. Αυτό απαιτεί σε πολλές περιπτώσεις τη σχεδίαση με απότομες και αρκετά μικρής ακτίνας καμπύλες, που όχι μόνο διαμορφώνονται δύσκολα σε έναν απλό σωλήνα, αλλά πολλαπλασιάζουν και την πιθανότητα εκδήλωσης ρωγμών κατά τη χρήση, λόγω της μηχανικής καταπόνησης που έχει δεχθεί ο σωλήνας κατά την καμπύλωσή του. Η κατασκευή ενός χυτού εξαρτήματος είναι πολύ πιο εύκολη και οικονομική λύση, και σ' αυτήν την περίπτωση το μαντεμάκι είναι -δικαίως- ο επικρατέστερος υποψήφιος για τη δουλειά. Εκεί που υστερεί τα μάλα είναι στην αναλογία όγκου - βάρους, σε σχέση με ένα αντίστοιχο "bolt-on" σωληνωτό χταπόδι. Ενώ το σωληνωτό συνήθως χρησιμοποιεί σωλήνα με πάχος τοιχώματος 1,5-2,25mm, το μαντέμι στο ίδιο σημείο έχει σχεδόν διπλάσιο, αν όχι και υπερδιπλάσιο, ορισμένες φορές, πάχος.
Από την άλλη, το μαντέμι είναι λιγότερο ελαστικό από τον σωλήνα που είναι κατασκευασμένος από ανοξείδωτο ή ακόμη και από μαλακό χάλυβα. Αυτό μπορεί να είναι είτε πλεονέκτημα είτε μειονέκτημα, αναλόγως της εφαρμογής,
Η αυξημένη συνολική θερμοχωρητικότητα του μαντεμένιου εξαρτήματος, που οφείλεται ως επί το πλείστον στην αυξημένη μάζα του όπως είδαμε προηγουμένως, είναι πλεονέκτημα επειδή μετριάζει το ρυθμό μεταβολής θερμοκρασίας του χταποδιού (δηλαδή ζεσταίνεται και κρυώνει με πιο αργό ρυθμό), κι έτσι μειώνει το βαθμό θερμικής και μηχανικής καταπόνησης λόγω απότομων διαστολών - συστολών. Αυτό σημαίνει αξιοπιστία και μακροζωία για το εξάρτημα, και σε ρεαλιστικές συνθήκες, κανένα μαντεμένιο χταπόδι δεν έχει λόγο να ραγίσει όταν το μοτέρ κάθεται σε στιβαρές βάσεις και ο οδηγός δεν αντιμετωπίζει τα πεντάλ του αυτοκινήτου σαν διακόπτες ON-OFF. Αυτό, βέβαια, δεν ισχύει για όλα τα σωληνωτά χταπόδια...

Οι σύγχρονες ανάγκες εκτοπίζουν τις "παλιές, απλές

[manosm3]

Μπραβο Βασιλη για τις γνωσεις σου! Συνεχισε ετσι

[Vasilis]

Μπραβο Βασιλη για τις γνωσεις σου! Συνεχισε ετσι

σ ευχαριστω παρα πολυ για το μπραβο.....

εγω απλα συλλεκτης καλων πληροφοριων ειμαι που τις κρατω γιατι καποτε μπορει να μου χρειαστουν.....

αν τα μοιραζομαστε ομως...ολοι κατι θα αποκομισουμε παρα πανω....!!!

η πηγη των ανωτερω αναφερεται στο τελευταιο ποστ...!!!

[Vasilis]

Ροή: μια παρεξηγημένη έννοια
Οσον αφορά στην απόδοση ενός συστήματος εξάτμισης, όλος ο κόσμος τείνει να αναφέρεται στη "ροή" του συστήματος. Η ροή ναι μεν χαρακτηρίζει το "τελικό αποτέλεσμα", ωστόσο ο κινητήρας μας είναι κατά βάση αδιάφορος για τη "ροή" των καυσαερίων καθαυτό. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης, ως καθαρόαιμη αντλία που είναι αν τον... ψυχολογήσεις σε βάθος, ενδιαφέρεται για ένα και μόνο πράγμα: τη διαφορά πιέσεων μεταξύ εισόδου και εξόδου του, δηλαδή τη διαφορά πίεσης σε εισαγωγή και εξαγωγή.
Ο λόγος είναι πολύ απλός, και εδώ αξίζει να υπενθυμίσουμε πώς λειτουργεί ένας τετράχρονος βενζινοκινητήρας, για να δούμε πώς παίζει μπάλα το σύστημα εξάτμισης. Ολοι γνωρίζουμε το απλοποιημένο μοντέλο του τετράχρονου κινητήρα, με τους χρόνους απόλυτα διακριτούς μεταξύ τους, να οριοθετούνται από τη θέση του εμβόλου στο Ανω Νεκρό Σημείο. Το απλοποιημένο μοντέλο θεωρεί ότι στο τέλος του τέταρτου χρόνου/ αρχή πρώτου χρόνου, δηλαδή με το έμβολο στο ΑΝΣ, οι βαλβίδες εισαγωγής/ εξαγωγής είναι κλειστές. Αυτό το απλοποιημένο μοντέλο ουδέποτε έδωσε ταχύστροφους κινητήρες, διακρινόταν για την αποκαρδιωτικά χαμηλή ογκομετρική απόδοση των κινητήρων και γι' αυτό εγκαταλείφθηκε σχεδόν απ' την αρχή. Ηδη, από τα πρώτα χρόνια του εικοστού αιώνα, οι σχεδιαστές βενζινοκινητήρων κατάλαβαν πως όχι μόνο δεν είχαν την πολυτέλεια ν' αφήνουν το πιστόνι να χασομερά κατά την παλινδρόμησή του, περιμένοντας τις βαλβίδες ν' ανοιγοκλείσουν, αλλά συνειδητοποίησαν ότι μπορούσαν να εκμεταλλευθούν την κίνηση των καυσαερίων μέσα στην εξάτμιση προκειμένου να βοηθήσουν τον κινητήρα ν' "αναπνεύσει" καλύτερα -και ιδού πώς:
Οπως όλοι ξέρουμε, ο χρονισμός των βαλβίδων στους σύγχρονους κινητήρες διακρίνεται για το λεγόμενο "overlap", δηλαδή το φαινόμενο όπου, κατά την παραμονή του εμβόλου στο ΑΝΣ κατά την ολοκλήρωση του κύκλου λειτουργίας (δηλαδή τη μετάβαση από το τέλος του τέταρτου χρόνου στην αρχή του πρώτου) αμφότερες οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής είναι εν μέρει ανοιχτές. Επιτρέποντας κατ' αυτόν τον τρόπο την "επικοινωνία" του συστήματος εξαγωγής με το alter ego του, το σύστημα εισαγωγής, επιτυγχάνουμε συναλλαγή αερίων μέσα στοn θάλαμο καύσης πριν ακόμη το έμβολο αρχίσει να κατεβαίνει προς το ΚΝΣ. Με άλλα λόγια, κερδίζουμε χρόνο στο γέμισμα του κυλίνδρου με φρέσκο μείγμα (ή έστω, σκέτο αέρα στην περίπτωση των κινητήρων άμεσου ψεκασμού) και με ταυτόχρονη αποβολή των τελευταίων καυσαερίων του προηγούμενου κύκλου λειτουργίας.

Διαφορές πιέσεων: το παν
Ο λόγος που συμβαίνει αυτή η συναλλαγή αερίων είναι ένας και μοναδικός: η διαφορά πίεσης ανάμεσα σε εισαγωγή και εξαγωγή. Και ποιες είναι οι πιέσεις που επικρατούν? Προφανώς, κάθε ρευστό κινείται από την περιοχή υψηλής πίεσης στην περιοχή χαμηλής πίεσης, ως εκ τούτου για να γεμίσει ο θάλαμος καύσης με φρέσκο δροσερό αέρα και να εκτοπίσει τα καυσαέρια, θα πρέπει η πίεση στην εισαγωγή να είναι υψηλότερη απ' ό,τι στην εξάτμιση.
Αν πιάσουμε την πιο απλή περίπτωση, αυτή του ατμοσφαιρικού κινητήρα, τότε η παραπάνω δήλωση ακούγεται κάπως οξύμωρη, δεδομένου του ότι τόσο η εισαγωγή όσο και η εξάτμιση, στην άκρη τους, "βλέπουν" την ίδια ακριβώς πίεση: την ατμοσφαιρική! Η διαφορά πίεσης που μας ενδιαφέρει, ωστόσο, δεν έχει να κάνει με το τι συμβαίνει στην άκρη των αγωγών εισαγωγής και εξαγωγής που επικοινωνεί με το περιβάλλον, αλλά με το τι συμβαίνει στην άλλη άκρη, η οποία και καθορίζει το τι θα κάνει το μοτέρ μας. Αναφερόμαστε, φυσικά, στη μεριά των βαλβίδων.
Είναι πολύ ενδιαφέρον να δούμε το πώς γίνεται αυτό, χαϊδεύοντας ξόφαλτσα τα παλμικά και κυματικά φαινόμενα που επικρατούν στην εξάτμιση, και στα οποία θα αναφερθούμε ενδελεχώς αργότερα, που θα έχουμε γίνει αρκετά πιο hardcore.

Τσαφ τσουφ... το τρένο περνά!
Η κίνηση των καυσαερίων μέσα σε μια εξάτμιση είναι ένα πολυσύνθετο ρευστομηχανικό πρόβλημα, αρκετά επίφοβο στην εκλαΐκευσή του. Θα πάρουμε όμως τα ρίσκα μας προκειμένου να καταλάβουμε καλύτερα τι παίζει μέσα στην εξάτμιση, παρομοιάζοντάς τη με ένα σιδηροδρομικό δίκτυο, στο οποίο κινούνται βαγόνια γεμάτα επιβάτες. Οι επιβάτες των βαγονιών είναι τα καυσαέρια, ενώ τα βαγόνια κινούνται χάρη στην ενέργεια -προφανώς, και θα εξηγήσουμε σε λίγο.
Αρχίζοντας από τα βασικά, κάθε βαγόνι ξεκινά από διαφορετική αφετηρία (βαλβίδα εξαγωγής) και αρχίζει να κατευθύνεται προς το τέρμα της γραμμής, που είναι η μπούκα της εξάτμισης. Στην πορεία θα συναντήσει διάφορες συμβολές γραμμών, (όπως λ.χ. η πολλαπλή εξαγωγής), όπου θα πρέπει να πάρει τη θέση του πίσω από τα προπορευόμενα βαγόνια και να αποτελέσουν όλα μαζί έναν συρμό.
Η πίεση των αερίων μέσα στο σύστημα εξάτμισης δεν είναι σταθερή και αυξομειώνεται συνέχεια, ανάλογα με τη θέση του εμβόλου μέσα στον κύλινδρο και ανάλογα με το τι συμβαίνει στην εκάστοτε θέση του. Η πίεση είναι η κατεξοχήν κινητήριος δύναμη του συρμού, αλλά όχι και η μόνη. Κάθε φορά που ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής, απελευθερώνεται η τεράστια πίεση που έστειλε το πιστόνι προς το ΚΝΣ, παρέχοντας κινητική ενέργεια στο στρόφαλο. Ωστόσο τα καυσαέρια έχουν ακόμη πολλή ενέργεια, μέρος της οποίας θα αναλώσουν για να κινηθούν μέσα στην εξάτμιση. Τα καυσαέρια, λοιπόν, βγαίνουν από τον κύλινδρο με πίεση και, όπως ξέρουμε, η ροή είναι συνάρτηση πίεσης και ταχύτητας. Οσο αυξάνει η πίεση αυξάνει και η ταχύτητα, και έτσι κάθε βαγόνι ξεκινά... τελικιασμένο από την αφετηρία του, συναντά τα προηγούμενα βαγόνια στη διαδρομή και μοιράζεται μαζί τους την κινητική του ενέργεια, βοηθώντας τα να προχωρήσουν προς το τέρμα της διαδρομής.
Το ενδιαφέρον κομμάτι αρχίζει εδώ: είπαμε ότι οι βαλβίδες εξαγωγής ανοίγουν και ένα νέο βαγόνι παίρνει το δρόμο του. Σύντομα, όμως, οι βαλβίδες εξαγωγής θα ξανακλείσουν και μέχρι να ανοίξουν οι βαλβίδες του επόμενου κατά σειρά ανάφλεξης κυλίνδρου, πίσω από το βαγόνι που μόλις έφυγε δεν θα υπάρχει... τίποτε (ή σχεδόν, εν πάση περιπτώσει). Τι υπάρχει στο "κενό"? Χαμηλή πίεση. Τι τη θέλουμε? Είναι must για να ρουφήξει τους τελευταίους επιβάτες έξω από τον κύλινδρο, στη φάση που το πιστόνι έχει φτάσει στο ΑΝΣ και δεν παρέχει πλέον, μηχανικά, κινητική ενέργεια στα καυσαέρια. Γι' αυτό οι βαλβίδες έχουν overlap, όπως είπαμε πιο πάνω.
Τι γίνεται όταν το βαγόνι "ρουφήξει" έξω τους τελευταίους επιβάτες? Μπαίνουν στο σταθμό (θάλαμο καύσης) οι επόμενοι, κι αυτό προτού ακόμη αρχίσει να κινείται το πιστόνι προς τα κάτω, κάνοντας χώρο για ακόμη περισσότερους! Ετσι έχουμε καλύτερη πλήρωση του θαλάμου καύσης με φρέσκο αέρα ή μίγμα αέρα/βενζίνης, και την "αβάντα" να παράξουμε περισσότερη δύναμη.
Ωστόσο, πέρα από τα βαγόνια που κινούνται μέσα στην εξάτμιση, και τα οποία ουσιαστικά είναι οι παλμοί καυσαερίων που παράγει ο κάθε κύλινδρος, ξέρουμε πολύ καλά ότι τα καυσαέρια είναι κάτι παραπάνω από αέρια: είναι και θερμότητα, αλλά και ήχος. Ο ήχος είναι ο δεύτερος λόγος κίνησης των καυσαερίων. Ο ήχος στην εξάτμιση πάει χέρι - χέρι με το ωστικό κύμα που προκαλεί η εκτόνωση των καυσαερίων, και κάθε φορά που ανοίγουν οι βαλβίδες εξαγωγής, το κύμα βιάζεται να βγει από τον κύλινδρο, να προσπεράσει το βαγόνι και να τρέξει προς την ατμόσφαιρα, στην άλλη άκρη της εξάτμισης. Το κύμα, ωστικό γαρ, δημιουργεί και αυτό με τη σειρά του περιοχές υψηλής πίεσης μπροστά του και χαμηλής πίσω του. Προσπερνώντας το νεότευκτο βαγόνι καυσαερίων που μόλις βγήκε από τον κύλινδρο, η υψηλή πίεση που δημιουργεί το μέτωπο του κύματος σπρώχνει τα προπορευόμενα βαγόνια, έτσι ώστε να μην "κλέψουν" πολλή από την κινητική ενέργεια του τελευταίου. Παράλληλα, προσπερνώντας κάθε βαγόνι, η χαμηλή πίεση που αφήνει πίσω του το κύμα δίνει μια τελευταία χείρα βοηθείας στο επόμενο που ακολουθεί, τραβώντας το προς την άκρη της εξάτμισης.
Το κύμα έχει και μια άλλη ιδιότητα: να αντανακλάται. Ετσι, όταν σκάσει στον "τοίχο" της ατμόσφαιρας, στην άκρη της εξάτμισης, θα κάνει αναστροφή και θα αρχίσει να ταξιδεύει προς τα πίσω, προς τις βαλβίδες. Τώρα, στο ταξίδι της επιστροφής, προσπαθεί να φρενάρει τα βαγόνια. Ευτυχώς, έχει δαπανήσει μεγάλο μέρος της ενέργειάς του στην πρώτη διαδρομή από τη βαλβίδα προς την ατμόσφαιρα, και έτσι δεν μπορεί να μας φρενάρει έντονα τα καυσαέρια και να ακυρώσει τη δράση του επόμενου κύματος. Ωστόσο, κουβαλάει ακόμη σημαντικό ποσό ενέργειας, το οποίο μπορούμε είτε να αξιοποιήσουμε, είτε να τ' αφήσουμε να μας δημιουργήσει προβλήματα. Κρατούμενο, κι αυτό, για περαιτέρω αναφορά.


συνεχιζεται.......

[Vasilis]

Δεν είναι σκέτος σωλήνας
Μέχρι τώρα, έχουμε αφήσει να εννοηθεί ότι το σύστημα εξάτμισης που εξετάζουμε είναι ένας σκέτος, ίσιος σωλήνας, χωρίς κανένα ουσιαστικό εμπόδιο στη ροή των καυσαερίων. Ξέρουμε, ωστόσο, ότι το πράγμα δεν είναι καθόλου έτσι: η εξάτμισή μας περιλαμβάνει πολυάριθμες καμπές και κάθε λογής εμπόδια, όπως καταλύτες και σιγαστήρες. Καθετί που προσπαθεί να μπει στο δρόμο των καυσαερίων και των κυμάτων, τους κλέβει ενέργεια: επιβραδύνει την κίνηση των καυσαερίων και εξασθενίζει το εύρος του εκάστοτε κύματος, μειώνοντας την αποτελεσματικότητά του. Οσο μειώνεται η ταχύτητα των καυσαερίων, τόσο μειώνεται η αποτελεσματική συναλλαγή αερίων στη φάση του "overlap", δηλαδή οι θάλαμοι καύσης δεν καθαρίζουν 100% από τα καυσαέρια και δεν παίρνουν τη maximum ποσότητα νέου μίγματος, που θα μας αποδώσει έργο στον επόμενο κύκλο λειτουργίας. Εδώ έγκειται το "πνίξιμο"...
Κάποια από τα εμπόδια που πρέπει να υπερκεράσουν τα καυσαέρια, καθιστούν "αναγκαίο κακό", και αναφερόμαστε στις καμπύλες που πρέπει να ακολουθήσει το σύστημα εξάτμισης για να χωρέσει στο αυτοκίνητο, και στους "καταλύτες", που χωρίς αυτούς υποτίθεται ότι θα καταστραφεί η ατμόσφαιρα του πλανήτη. Υποτίθεται, λέω, αλλά αυτή είναι μια εντελώς διαφορετική συζήτηση για την οποία θα χαρούν να με λιντσάρουν οι απανταχού άσχετοι μπουρδολόγοι - οικολόγοι... Τελοσπάντων, τα υπόλοιπα εμπόδια τα βάζουμε εμείς, θέλοντας και μη, προκειμένου να μπορούμε να βάζουμε μπροστά το μοτέρ μας χωρίς να κατεδαφίζουμε το γκαράζ από το θόρυβο. Αυτά τα εμπόδια είναι οι σιγαστήρες, δουλειά των οποίων είναι να μειώνουν το θόρυβο που συνοδεύει τα καυσαέρια. Για να κάνει καλά τη δουλειά του ένας σιγαστήρας, θα πρέπει να "κόβει" το θόρυβο χωρίς να εμποδίζει έντονα την κίνηση των καυσαερίων. Στην πράξη, το πόσο "τέλειος" είναι ένας σιγαστήρας εξαρτάται από το συμβιβασμό που θέλουμε να κάνουμε ανάμεσα σε αποτελεσματικότητα σίγασης και ελευθερία ροής. Θεωρητικά, αν είχαμε άπειρο χώρο να διαθέσουμε σε σιγαστήρες και δεν μας ένοιαζε ούτε ο όγκος αλλά ούτε και το βάρος της εξάτμισης, θα μπορούσαμε να κάνουμε το οποιοδήποτε σύστημα εξαγωγής εντελώς αθόρυβο, χωρίς να υποφέρουμε από "πνίξιμο" της ροής των καυσαερίων. Στην πράξη, το μοτέρ μας πρέπει να κινεί το αυτοκίνητό μας, άρα και την εξάτμιση, η οποία επιπλέον πρέπει να στριμωχτεί και κάπου, για να πηγαίνει παρέα με το αυτοκίνητο. Αυτόματα, οι διαστάσεις αποτελούν βασικό περιορισμό, και αναγκαστικά γέρνουν την πλάστιγγα του συμβιβασμού προς τη μεριά του "πνιξίματος". Για να πάψουν τα καυσαέρια να είναι θορυβώδη, θα πρέπει να τους αφαιρεθεί η ενέργεια. Για να γίνει αυτό, θα πρέπει κάποιος να τα "φρενάρει". Το "φρένο" είναι οι σιγαστήρες

Πώς δουλεύει το... καζανάκι
Οι βασικοί τύποι σιγαστήρων είναι δύο: οι αντανάκλασης - επιβράδυνσης, και οι απορρόφησης. Η πρώτη οικογένεια είναι η πιο διαδεδομένη γιατί έχει όλα τα καλά, όταν τη δεις με το μάτι του κατασκευαστή: μεγάλη αποτελεσματικότητα σε μικρό όγκο, χαμηλό κόστος, σταθερή απόδοση καθ' όλη τη διάρκεια ζωής της, ευκολία κατασκευής. Η δεύτερη οικογένεια είναι ακριβώς το αντίστροφο, αλλά έχει ένα μεγάλο πλεονέκτημα που μας κάνει όλους χαρούμενους: μας κοστίζει λιγότερο σε ταχύτητα καυσαερίων, άρα "πνίγει" λιγότερο το μοτέρ μας και απελευθερώνει άλογα.

Τα διαφράγματα της απώλειας
Το τυπικό "καζανάκι" που θα δούμε στα περισσότερα αυτοκίνητα παραγωγής, ιδίως στα τελικά τμήματα των εξατμίσεων, είναι ένα δοχείο γεμάτο τοιχώματα, συνήθως κάθετα προς τη ροή των καυσαερίων, που δημιουργούν ένα λαβύρινθο μέσα από τον οποίο θα πρέπει να ελιχθούν τα καυσαέρια προκειμένου να φτάσουν στην ατμόσφαιρα. Πάνω σ' αυτά τα λαμαρινένια τοιχώματα προσκρούουν τα καυσαέρια, με αποτέλεσμα να εκτρέπεται η ροή τους. Για να "στρίψουν" τα καυσαέρια απαιτείται ενέργεια: μέρος από την κινητική ενέργεια με την οποία ξεκίνησαν τα βαγόνια την πορεία τους. Παράλληλα, τα τοιχώματα παίζουν ping-pong με τα κύματα που τρέχουν προς την ατμόσφαιρα, ανακλώντας τα πίσω προς το μοτέρ. Αυτό ενισχύει το "φρενάρισμα" των βαγονιών, και επιπλέον, καθώς τα κύματα πηγαίνουν πίσω προς το μοτέρ, συγκρούονται με τα εξερχόμενα κύματα, επιβραδύνοντάς τα και αυτά. Σαν να μην φτάνουν όλα αυτά, ο σιγαστήρας λειτουργεί και σαν ψύκτρα για τα καυσαέρια, μεταδίδοντας τη θερμότητά τους προς το περιβάλλον. Καθώς τα καυσαέρια κρυώνουν, συστέλλονται και αυξάνει η πυκνότητά τους, με αποτέλεσμα να γίνονται πιο "δυσκίνητα" και να επιβραδύνεται η κίνησή τους -πολύ απλοϊκά, το ξέρω...

Απορρόφηση: η POWER εναλλακτική
Ο δεύτερος τρόπος να μετριάσεις το θόρυβο, και εδώ μιλάμε για μετρίαση και όχι για ουσιαστική κατασίγαση, είναι να μειώσεις το εύρος των κυμάτων των καυσαερίων, αφήνοντας ωστόσο στην ησυχία τους τα "βαγόνια" καθαυτό. Ετσι λειτουργούν οι σιγαστήρες απορρόφησης: αντί για διαφράγματα, περιλαμβάνουν έναν ολόισιο σωλήνα, συνήθως ίδιας διαμέτρου με της υπόλοιπης εξάτμισης. Ο σωλήνας αυτός, ωστόσο, είναι διάτρητος περιμετρικά και σχεδόν σ' όλο του το μήκος. Κάθε κύμα που μπαίνει στο σιγαστήρα "διαρρέει" από τις περιμετρικές τρύπες του σωλήνα και προσπαθεί να καταλάβει όλο το χώρο του υπόλοιπου σιγαστήρα. Στη συνέχεια αντανακλάται μέσα στο σιγαστήρα και προσπαθεί να ξαναμπεί στο διάτρητο σωλήνα, πράγμα πιο δύσκολο απ' ό,τι το να βγει αρχικά απ' αυτόν, και έτσι εξασθενεί περαιτέρω. Ο σιγαστήρας απορρόφησης δεν περιλαμβάνει κάποιο καθαρόαιμο μηχανικό εμπόδιο στη ροή των καυσαερίων, και έτσι δεν μειώνει κατά πολύ την ταχύτητά τους, σε σχέση με έναν διαφραγματικό σιγαστήρα. Αναπόφευκτα, οι τρύπες στον εσωτερικό σωλήνα σημαίνουν ότι μια, αναλογικά μικρή, ποσότητα καυσαερίων θα προσπαθήσει να ξεστρατήσει από το διάτρητο σωλήνα, να μπει στον κυρίως όγκο του σιγαστήρα και μετά να εκτοπιστεί από τα επόμενα καυσαέρια, αλλά αυτή η εγκάρσια κίνηση των καυσαερίων μέσα στο σιγαστήρα είναι πολύ λιγότερο επιβλαβής από την οποιαδήποτε ύπαρξη διαφράγματος.
Το μειονέκτημα, ωστόσο, είναι προφανές: ένας σιγαστήρας απορρόφησης ποτέ δεν θα καταφέρει να κοιμίσει μωρό στο πίσω κάθισμα... Ακόμη κι όταν είναι παραγεμισμένος με διάφορα ηχοαπορροφητικά υλικά, όπως υαλοβάμβακα, πετροβάμβακα, ατσαλόμαλλο, ή οτιδήποτε άλλο θα μπορούσε να δουλέψει σαν σφουγγάρι, χωρίς ωστόσο να καεί από τη θερμοκρασία των καυσαερίων. Το τελευταίο, η απώλεια ηχοαπορροφητικού υλικού με τη χρήση, είναι και ο λόγος που όλες σχεδόν οι ελεύθερες εξατμίσεις με σιγαστήρες απορρόφησης χάνουν την... ηχοαπορροφητικότητά τους μετά από κάποιο διάστημα χρήσης, και γι' αυτό αποφεύγονται από την αυτοκινητοβιομηχανία. Σε άλλες περιπτώσεις, όταν ο διάτρητος σωλήνας έχει πολύ ψιλές τρύπες, οι τρύπες βουλώνουν από κατάλοιπα καύσης, και η ηχοαπορρόφηση μειώνεται αντίστοιχα.

Το απόσταγμα: Backpressure
Η λέξη - καραμέλα που χρησιμοποιούν όλοι, όταν ανοίγει μια συζήτηση περί εξάτμισης. Η "αντίθλιψη", είναι η πίεση που αναπτύσσεται μέσα στο σύστημα εξάτμισης λόγω του "φρεναρίσματος" των καυσαερίων. Θεωρητικά, όσο αυξάνει το backpressure, τόσο μειώνεται η απόδοση του κινητήρα. Αλλοι λένε ότι το καλύτερο πράγμα που μπορείς να κάνεις με το backpressure είναι να το εξαλείψεις, κάποιοι άλλοι σκίζουν τα ρούχα τους ότι σε κάποιο βαθμό το backpressure χρειάζεται. Τι ισχύει, και τι όχι? Ετοιμαστείτε για μια πολύ αιρετική συζήτηση, σε λιγότερο από ένα μήνα!

[Vasilis]

Password: Backpressure
Η μεγάλη "καραμέλα" σε κάθε συζήτηση περί εξατμίσεων είναι το "backpressure", ελληνιστί "αντίθλιψη", ή, με άλλα λόγια, η αντίσταση που παρουσιάζει το σύστημα εξάτμισης στη ροή των καυσαερίων, αυξάνοντας την πίεσή τους στο εσωτερικό της. Οι απόψεις διίστανται γύρω από το αν, πώς και κατά πόσο το backpressure είναι καλό για την απόδοση του κινητήρα. Ας δούμε τι συμβαίνει, πού, πότε και γιατί..
...........καταπιαστήκαμε με μια συζήτηση... σιδηρόδρομο περί των πιέσεων στο σύστημα εξαγωγής, της συσχέτισης παλμών και κυμάτων και του πώς η εξάτμιση συνεισφέρει καθοριστικά στην πλήρωση των κυλίνδρων με φρέσκο μίγμα αέρα - βενζίνης στην αρχή κάθε κύκλου λειτουργίας. Oπως καθετί σε έναν κινητήρα, έτσι και η εξάτμιση πρέπει να ακροβατεί πάνω σε κάποιες πολύ συγκεκριμένες ισορροπίες, ιδίως όταν μιλάμε για μοτέρ δρόμου όπου το ζητούμενο είναι η ελαστικότητα του μοτέρ και, ιδανικά, η γραμμικότητα στην απόδοση της ισχύος. Το κλειδί στην υπόθεση είναι η προαναφερθείσα σάρωση των υπολειμμάτων καύσης από τον κύλινδρο στο τέλος του κύκλου λειτουργίας, προκειμένου αφενός μεν να χωρέσει στον κύλινδρο όσο γίνεται περισσότερη ποσότητα μείγματος, και αφετέρου, να υποβοηθηθεί αυτή η κίνηση του μίγματος προς τον κύλινδρο. Από κατασκευής, κάθε κινητήρας έχει σχεδιαστεί με μια συγκεκριμένη ισορροπία μεταξύ των συστημάτων εισαγωγής και εξαγωγής, αποτέλεσμα της οποίας είναι και η εργοστασιακή καμπύλη ισχύος. Δεδομένου ότι η γεωμετρία (διαμετρήματα και μήκη σωληνώσεων, σημεία και τρόπος συμβολής σωληνώσεων κ.λπ.) τόσο του συστήματος εισαγωγής όσο και του συστήματος εξαγωγής διαμορφώνουν την τελική μορφή της καμπύλης ροπής, με την καταλυτική συμβολή του προφίλ των εκκεντροφόρων, η οποιαδήποτε επέμβαση προς τη μια μόνο κατεύθυνση είναι πολύ εύκολο να δημιουργήσει ανεπιθύμητες παρενέργειες ή, έστω, να "παρεξηγηθεί" εκ του αποτελέσματος, αν την εξετάσουμε μεμονωμένα, αποκόπτοντάς την από το όλο σύστημα αναπνοής του κινητήρα (εισαγωγή - εκκεντροφόροι - εξάτμιση). Πριν μπλέξουμε με τις πολλαπλές εισαγωγής και εξαγωγής καθαυτό, ας δούμε μερικά χαρακτηριστικά παραδείγματα "παρεξηγήσεων"...

Από το Backpressure στο Pressure
... μιλήσαμε για το backpressure, επιχειρώντας να αναιρέσουμε κάποιες λαϊκές δοξασίες και να δώσουμε μια άλλη διάσταση στο πώς η πίεση των καυσαερίων μέσα στην εξάτμιση μπορεί να επηρεάσει την απόδοση του κινητήρα. Αυτόν τον μήνα θα ξαναμιλήσουμε για πιέσεις. Αν έχετε ξεχάσει τα όσα αναφέραμε στο Part II, έχετε το POWER 128 πρόχειρο και πάμε να ξαναδούμε τι γίνεται με τα καυσαέρια, όταν ξεμπουκάρουν από τις βαλβίδες εξαγωγής

Κυματική ενέργεια
Οπως έχουμε πει, τα καυσαέρια σφύζουν από ενέργεια, ενέργεια που υπακούει στα κυματικά φαινόμενα. Κάθε φορά που ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής, δημιουργείται ένα κύμα πίεσης, που ξεκινάει από τη βαλβίδα και τον αυλό και ταξιδεύει μέχρι την μπούκα της εξάτμισης. Το άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής λοιπόν, διοχετεύει στο σύστημα εξαγωγής την κινητική και ηχητική ενέργεια των καυσαερίων. Η κινητική ενέργεια, που προέρχεται από την εκτόνωση της πίεσης στον θάλαμο καύσης και από την ώθηση του εμβόλου καθώς κινείται προς το Ανω Νεκρό Σημείο, είναι που κάνει τα καυσαέρια να ταξιδεύουν τόσο πρόθυμα και γρήγορα προς το περιβάλλον. Επανερχόμενοι στο παράδειγμα με τα βαγονάκια (Power 128), κάθε φορά που ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής δημιουργείται κι ένας παλμός καυσαερίων, ένα βαγόνι, που ταξιδεύει με ταχύτητες ακόμη και πάνω από 100m/sec στην περιοχή του αυλού εξαγωγής. Είναι ένα βαγόνι που συμπεριφέρεται σαν κύμα, που σημαίνει πως όταν φτάσει στο τέλος της διαδρομής του (απόληξη εξάτμισης), θα κάνει... γκελ και θα αρχίσει να γυρνάει από εκεί που ήρθε, δηλαδή με κατεύθυνση προς τη βαλβίδα εξαγωγής. Αυτό το βαγόνι, λοιπόν, εφεξής θα το ονομάζουμε κύμα πίεσης.
Ωστόσο το άνοιγμα της βαλβίδας δεν εκλύει μόνο κινητική ενέργεια, αλλά και ηχητική. Ο ηχητικός παλμός είναι αυτός που όχι μόνο σπάει τα @@ των γειτόνων και γεμίζει τις τσέπες των εξατμισάδων, αλλά και προσπερνάει τη ροή των ίδιων των καυσαερίων: μέσα στο υπέρθερμο περιβάλλον της εξάτμισης, το ηχητικό κύμα των καυσαερίων ταξιδεύει πάνω - κάτω στις σωληνώσεις με ταχύτητα από επτά έως δέκα φορές μεγαλύτερη απ' ό,τι το κύμα πίεσης. Πώς αλληλεπιδρούν δυο κύματα που κινούνται και αντανακλώνται μέσα στο ίδιο σύστημα, με διαφορετικές ταχύτητες? Πολύ έντονα!
Ας δούμε πώς συμπεριφέρεται το κύμα πίεσης
Στο Σχήμα 1, βλέπουμε την αναπαράσταση ενός κυλίνδρου συνδεδεμένου με το απλούστερο δυνατό σύστημα εξάτμισης, έναν σκέτο και απόλυτα ελεύθερο σωλήνα. Δεν είναι τυχαίο το ότι δεν έχουμε βάλει ακόμη καταλύτες, θαλάμους διαστολής, σιγαστήρες και λοιπά: όλα αυτά περιπλέκουν κατά πολύ την κατάσταση και θα τα αφήσουμε για πολύ αργότερα. Ας επικεντρωθούμε, λοιπόν, στον σωλήνα:
Στο πάνω μέρος του σχήματος, βλέπουμε το στιγμιότυπο που η βαλβίδα εξαγωγής έχει μόλις ανοίξει, στο τελείωμα του τρίτου χρόνου, και με το έμβολο να κατευθύνεται ακόμη προς το Κάτω Νεκρό Σημείο (για να μην ξεχνιόμαστε, θεωρούμε πάντα δεδομένο κάποιο overlap των βαλβίδων). Στην περιοχή της βαλβίδας λοιπόν έχουμε μια υψηλή συγκέντρωση πίεσης και επομένως δυναμικής ενέργειας ή ενέργειας πίεσης (Pressure Energy). Στην άλλη άκρη της εξάτμισης, δεξιά στο διάγραμμα εκεί που τελειώνει ο σωλήνας, τα καυσαέρια έχουν χαμηλή πίεση και υψηλή ταχύτητα - κινητική ενέργεια (Kinetic Energy), καθώς έχουν πάρει τον δρόμο τους για το περιβάλλον. Με το άνοιγμα της βαλβίδας να εισάγει στο σύστημα εξαγωγής ένα νέο κύμα πίεσης, ο παλμός των καυσαερίων θα αρχίσει να ταξιδεύει προς τα δεξιά, σπρώχνοντας προς το περιβάλλον τα καυσαέρια που βρίσκει μπροστά του. Με τον παλμό υψηλής πίεσης να ταξιδεύει προς τα δεξιά, τι μένει πίσω του? Φυσικά, μια περιοχή χαμηλής πίεσης, που εκτείνεται μέχρι τη βαλβίδα. Εάν το μήκος του σωλήνα είναι τέτοιο, ώστε ο παλμός να ταξιδεύει ακόμη προς τα δεξιά μέχρι το πιστόνι να φτάσει στο Ανω Νεκρό Σημείο, το αποτέλεσμα θα είναι η "σάρωση" (scavenging) των καυσαερίων που παραμένουν μέσα στον θάλαμο καύσης. Η χαμηλή πίεση στον σωλήνα εξαγωγής θα μεταφερθεί, μέσω της βαλβίδας, μέσα στον ίδιο τον θάλαμο καύσης, "ρουφώντας" τα καυσαέρια (και, ιδανικά, βοηθώντας στο γέμισμα με φρέσκο μίγμα από τον αυλό εισαγωγής, αφού στο Ανω Νεκρό Σημείο του τέταρτου χρόνου έχουμε ήδη ανοίξει και τη βαλβίδα εισαγωγής).

Το παράδειγμα του ελατηρίου
Για να καταλάβουμε ακόμη καλύτερα πώς λειτουργεί το παραπάνω σύστημα, ας πάρουμε ένα ελικοειδές ελατήριο και ας το κρεμάσουμε με δυο νήματα από τις δυο άκρες του. Αυτό το ελατήριο θα συμπεριφερθεί ακριβώς όπως τα καυσαέρια μέσα στον σωλήνα της εξάτμισης, που όντας αέρια έχουν κι αυτά όλες τις ιδιότητες ενός ελαστικού μέσου. Πάμε λοιπόν στο σχήμα 2:
Στο επάνω μέρος του σχήματος, έχουμε το ελατήριο σε κατάσταση ηρεμίας. Εάν χτυπήσουμε απότομα το ελατήριο στην αριστερή του άκρη, όπως στην αναπαράσταση Α, θα δούμε ότι οι αριστερές του σπείρες θα συμπιεστούν, λόγω της εισροής κινητικής ενέργειας στο κατά τα άλλα ήρεμο ελατήριο. Αυτό που θα ακολουθήσει είναι η "μετακίνηση" των συμπιεσμένων σπειρών προς τα δεξιά, πράγμα που απεικονίζεται στην αναπαράσταση Β. Μετά τη διέγερση του ελατηρίου, οι σπείρες απέκτησαν κινητική ενέργεια που ταξιδεύει προς τα δεξιά. Οι σπείρες, λοιπόν, σπρώχνουν η μια την άλλη, και το πύκνωμα ταξιδεύει προς τη δεξιά άκρη του ελατηρίου. Αυτό που συμβαίνει είναι ότι οι σπείρες προσπαθούν να εξισορροπήσουν τις πιέσεις εκατέρωθεν του πυκνώματος. Καθώς ο παλμός ταξιδεύει, οι σπείρες που είναι "μπροστά" του (προς τα δεξιά), "μαζεύουν" για να απορροφήσουν την ενέργεια, και οι "πίσω" του "ανοίγουν", για να κρατήσουν κόντρα στην κίνηση του παλμού. Να μην ξεχνάμε πως όλα τα ελαστικά μέσα αποζητούν πάντα την επαναφορά τους σε κατάσταση ηρεμίας, ως εκ τούτου ναι μεν παραλαμβάνουν την όποια εξωτερικά προερχόμενη ενέργεια, αλλά προσπαθούν πάντα είτε να την απαλλαχθούν, μεταδίδοντάς τη σε κάποιο άλλο σώμα, είτε να την εξουδετερώσουν, με τις τριβές στο εσωτερικό τους.
Oταν το πύκνωμα φτάσει στην άλλη άκρη του ελατηρίου και φύγει από την τελευταία σπείρα, το ελατήριο αρχίζει να επανέρχεται σε κατάσταση ηρεμίας. Για την ακρίβεια, μην έχοντας πού να διοχετεύσει όλη αυτήν την ενέργεια, θα έχουμε πάλι την ίδια μετάδοση του παλμού από τα δεξιά προς τα αριστερά. Σε λίγο θα δούμε πώς θα αποφύγουμε να επηρεαστούμε από την επιστροφή του κύματος. Προς το παρόν, ας δούμε τι γίνεται όταν το πύκνωμα φτάσει στο δεξιότερο άκρο του ελατηρίου: εκεί θα έχει συγκεντρωθεί όλη η πίεση που του ασκήσαμε και όλες οι σπείρες που εκτείνονται αριστερότερά του θα έχουν αραιώσει. Σύμφωνα με την αναλογία πάνω στην οποία μεταφερθήκαμε από τα καυσαέρια στα ελατήρια, η πίεση "πίσω" από τον παλμό (πύκνωμα σπειρών) θα είναι χαμηλότερη, κι αυτή η χαμηλή πίεση θα φτάνει μέχρι και το αριστερό άκρο του ελατηρίου, δηλαδή τη θεωρητική θέση της βαλβίδας μας.
Στενεύοντας τα όρια του συστήματος, ας κάνουμε κάτι άλλο, ερχόμενοι στην αναπαράσταση C: Το διάστημα X-Y στα αριστερά του ελατηρίου είναι η πίεση που επικρατεί στοn θάλαμο καύσης πριν από το άνοιγμα της βαλβίδας, και το διάστημα Y-Z είναι πίεση μέσα στον αυλό εξαγωγής και τον σωλήνα της εξάτμισης. Στην περιοχή Χ-Υ οι σπείρες είναι συμπιεσμένες, αναπαριστώντας τη συγκέντρωση πίεσης. Αυτές οι συμπιεσμένες σπείρες είναι το κύμα πίεσης που θα απελευθερωθεί όταν ανοίξει η βαλβίδα, για να ταξιδέψει προς το περιβάλλον.
Είναι προφανές πως, όσο περισσότερο συμπιέσουμε τις σπείρες και όσο πιο απότομα τις απελευθερώσουμε, τόσο πιο βίαια θα μεταδοθεί το κύμα πίεσης στο ελατήριο.

[Vasilis]

Και... τσουπ! Να τος κι ο εκκεντροφόρος!
Οι πιο εξοικειωμένοι με το πώς δουλεύει ένα τετράχρονο μοτέρ πήραν ήδη χαμπάρι τι σήμαινε η τελευταία πρόταση που εξηγούσε το τμήμα C του σχήματος 2: όσο πιο νωρίς ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής, τόσο περισσότερη ενέργεια απελευθερώνει από τον θάλαμο καύσης προς το σύστημα εξαγωγής, κάνοντας το "βαγόνι" των καυσαερίων να κινηθεί γρηγορότερα προς την άκρη της εξάτμισης! Κρατήστε το αυτό, είναι από τις βασικές εξηγήσεις του πώς τα χαρακτηριστικά του εκκεντροφόρου ταυτίζονται με τα μήκη των σωλήνων ενός χταποδιού και τα λοιπά...

Πότε τα κύματα πρέπει να... "φάνε πόρτα"!
Η αδράνεια της στήλης των καυσαερίων είναι ο παίκτης - κλειδί στην υπόθεση. Κάθε φορά που ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής, η στήλη των καυσαερίων αποκτά ταχύτητα, καθώς η πίεση του κυλίνδρου εκτονώνεται και η δυναμική ενέργεια των καυσαερίων μετατρέπεται σε κινητική. Το κύμα των καυσαερίων ταξιδεύει προς τα δεξιά και αυτό μας βολεύει, γιατί αν όλα πάνε καλά, θα μας βοηθήσει να αδειάσουμε τον κύλινδρο όταν το πιστόνι βρεθεί στο ΑΝΣ. Πότε θα πάνε όλα καλά? Τα κύμα καυσαερίων είναι συνταξιδιώτης με το κύμα ήχου, που έχει ακόμη και δεκαπλάσια ταχύτητα από το κύμα καυσαερίων. Αυτό σημαίνει ότι όσο το πιστόνι ανεβαίνει προς το ΑΝΣ, το κύμα του ήχου θα χτυπήσει κάμποσες φορές την πόρτα του θαλάμου καύσης, για να την ξανακάνει προς τα δεξιά και να κυνηγήσει το κύμα των καυσαερίων. Οσο τα δυο κύματα κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση (και εμείς θέλουμε να κινούνται μαζί προς τα δεξιά, όσο είναι ανοιχτή η βαλβίδα εξαγωγής), η ενέργεια του ενός "συνεργάζεται" με την ενέργεια του άλλου, και έτσι η πίεση πίσω από τα δυο κύματα (δηλαδή προς τα αριστερά), μειώνεται κι άλλο, καθώς τα δυο κύματα σπρώχνουν από κοινού τα καυσαέρια προς την δεξιά μεριά. Οταν όμως ταξιδεύουν προς αντίθετες κατευθύνσεις, τότε το μεν κύμα πίεσης σπρώχνει τα καυσαέρια προς τα δεξιά, το δε κύμα ήχου τα σπρώχνει προς τα αριστερά. Οταν ο ήχος προσπεράσει τον κυρίως παλμό καυσαερίων, κινούμενος προς τη βαλβίδα, αρχίζει να κάνει διπλή ζημιά: αφενός αυξάνει την πίεση μπροστά από τη βαλβίδα, αναιρώντας το ευεργέτημα της χαμηλής πίεσης που είχε δημιουργήσει ο κυρίως παλμός καυσαερίων όσο απομακρυνόταν από τη βαλβίδα. Αφετέρου, αν προλάβει ο ηχητικός παλμός να πετύχει τη βαλβίδα ανοιχτή, θα καταφέρει να σπρώξει πίσω στο θάλαμο καύσης κάμποσα καυσαέρια. Αυτό κι αν είναι πρόβλημα, αφού καταλήγουμε όχι μόνο να μην αδειάζουμε τελείως τον κύλινδρο από τα καυσαέρια αλλά να αυξάνουμε και την ποσότητά τους, εμποδίζοντας αντίστοιχα και την είσοδο φρέσκου καυσίμου μίγματος.
Η μια πτυχή της λύσης έχει να κάνει με την αδράνεια των καυσαερίων. Οσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητά τους προς τα δεξιά, τόσο περισσότερο αντιστέκονται στο ηχητικό κύμα που επιστρέφει προς τη βαλβίδα και θέλει να τα παρασύρει προς τα αριστερά. Εδώ κολλάει και το backpressure που εξετάσαμε τον προηγούμενο μήνα: όσο περισσότερο είναι το backpressure, τόσο μειώνει την ταχύτητα και την αδράνεια των καυσαερίων, οπότε τόσο πιο επιρρεπές καθιστά το σύστημά μας στην αναστροφή ροής λόγω μη ιδανικών κυματικών συνθηκών στο σύστημα εξάτμισης. Η άλλη πτυχή της λύσης, ωστόσο, έχει να κάνει με το ίδιο το μήκος του σωλήνα: εάν είναι αρκετά μακρύς, τότε η βαλβίδα εξαγωγής θα έχει προλάβει να κλείσει πριν το κύμα ήχου επιστρέψει σ' αυτήν για τελευταία φορά. Και εδώ είναι που θα αρχίσουμε να μιλάμε για τις πολλαπλές εξαγωγής, και τον συντονισμό.

Λίγα λόγια για τον συντονισμό
Από τα παραπάνω, αρχίζουμε να καταλαβαίνουμε σιγά σιγά τι είναι ο περίφημος συντονισμός της εξάτμισης. Ενα σύστημα εξάτμισης θεωρείται ευνοϊκά συντονισμένο όταν, σε συγκεκριμένες rpm, επιτυγχάνει την πληρέστερη δυνατή απομάκρυνση καυσαερίων από το θάλαμο καύσης. Η παράμετρος "rpm" είναι βασική, γιατί από αυτήν εξαρτάται η "φόρα" που θα πάρει το καυσαέριο καθώς βγαίνει από τη βαλβίδα, και η ταχύτητα που θα διατηρήσει καθώς ταξιδεύει προς την άκρη της εξάτμισης. Αντίστοιχα, οι rpm επηρεάζουν το πόσο γρήγορα θα κλείσει η βαλβίδα, και το αν το επιστρεφόμενο κύμα ήχου θα την προλάβει ανοιχτή ή κλειστή.

Δεν είναι τα πάντα μονοκύλινδρα
Ακριβώς για αυτό, εδώ και πολλές δεκαετίες οι σχεδιαστές κινητήρων συνειδητοποίησαν πως τα καυσαέρια ενός κυλίνδρου μπορούν κάλλιστα να χρησιμοποιηθούν προς όφελος κάποιου άλλου, και συγκεκριμένα του επόμενου κατά σειρά ανάφλεξης. Από τη στιγμή, μάλιστα, που ελάχιστα πολυκύλινδρα μοτέρ για χρήση αυτοκινήτου έχουν εντελώς ανεξάρτητους σωλήνες εξαγωγής για κάθε κύλινδρο, και μιλάμε πάντα για "φυσιολογικά" αυτοκίνητα και όχι για Hot Rods ή Dragsters, η διερεύνηση του πώς θα καταφέρουμε να παίξουμε με τους παλμούς προς όφελος της καλύτερης δυνατής πλήρωσης είναι μονόδρομος. Εξάλλου, δεν είναι τυχαίο ότι ακόμη και οι κινητήρες F1 χρησιμοποιούν εδώ και δεκαετίας "χταπόδια" και όχι μεμονωμένους σωλήνες για κάθε κύλινδρο. Αρα, με σωστή μελέτη, σίγουρα μπορεί κανείς να βγει κερδισμένος.

Τι είναι ένα "χταπόδι"?
Η πολλαπλή εξαγωγής είναι ένα συνονθύλευμα σωλήνων που ξεκινάνε από κάθε κύλινδρο (πρωτεύοντες σωλήνες) και καταλήγουν σε μια ή περισσότερες ενώσεις (συλλέκτες), όπου τα καυσαέρια του κάθε σωλήνα συναντιούνται μεταξύ τους και μετά συνεχίζουν τη διαδρομή τους σε έναν ή περισσότερους δευτερεύοντες σωλήνες.
Τα χαρακτηριστικά μεγέθη ενός χταποδιού είναι τα διαμετρήματα και μήκη των πρωτευόντων και δευτερευόντων σωλήνων, καθώς και η διάταξη συμβολής των σωλήνων στον ή στους συλλέκτες. Τα διαμετρήματα έχουν να κάνουν κυρίως με τον όγκο καυσαερίων που καλείται να διαχειριστεί το χταπόδι. Η διάμετρος των πρωτευόντων σωλήνων πρέπει να επιτρέπει τη ροή των καυσαερίων του κάθε κυλίνδρου χωρίς να παρουσιάζει ιδιαίτερη αντίσταση, και η διάμετρος των δευτερευόντων πρέπει να πληροί τις ίδιες συνθήκες για τον όγκο των καυσαερίων που αντιστοιχεί στον αριθμό κυλίνδρων που "πέφτουν" στον ίδιο συλλέκτη.

Πώς ο συλλέκτης "μοιράζει" τις πιέσεις
Ο συλλέκτης είναι το σημείο επικοινωνίας των ανεξάρτητων πρωτευόντων σωλήνων, και η διάταξη που επιτρέπει την παλμική αλληλεπίδραση των κυλίνδρων μεταξύ τους. Ο παλμός καυσαερίων που κατεβαίνει από τον πρωτεύοντα σωλήνα πέφτει μέσα στον συλλέκτη και μετά καλείται να συνεχίσει την πορεία του προς τον δευτερεύοντα. Καθώς ταξιδεύει στον δευτερεύοντα, η χαμηλή πίεση που ακολουθεί το κύμα πίεσης του παλμού εξαπλώνεται και μέσα στον συλλέκτη, και από εκεί στους υπόλοιπους σωλήνες που επικοινωνούν με αυτόν.

Συντονίζοντας το χταπόδι
Ο συντονισμός του χταποδιού είναι πιο περίπλοκος από αυτόν ενός απλού σωλήνα για κάθε κύλινδρο, γιατί πρέπει να ικανοποιηθούν οι εξής συνθήκες:
1. Τα μήκη των πρωτευόντων σωλήνων πρέπει να εξασφαλίσουν πως, όταν μπει ένας παλμός καυσαερίων μέσα στον συλλέκτη και μεταφέρει πίεση στους υπόλοιπους κυλίνδρους, η απόσταση βαλβίδας εξαγωγής - συλλέκτη θα είναι τέτοια ώστε η πίεση να μην προλάβει να πετύχει κάποια βαλβίδα ανοιχτή.
2. Μόλις ο παλμός καυσαερίων του ενός κυλίνδρου φύγει από τον πρωτεύοντα σωλήνα, θέλουμε η χαμηλή πίεση που τον ακολουθεί να συνεχίσει να παρασύρει καυσαέρια όχι μόνο από τον κύλινδρο που μόλις ξεφύσηξε, αλλά και από τους σωλήνες των κυλίνδρων που περιμένουν με τη σειρά τους να ανοίξουν τις βαλβίδες εξαγωγής.
3. Επειδή τα δυο παραπάνω είναι ασυμβίβαστα από μόνα τους, η επιλογή των κυλίνδρων που θα επικοινωνούν με τον εκάστοτε συλλέκτη πρέπει να είναι τέτοια, ώστε στη φάση που αναπόφευκτα θα έχουμε κάποιον παλμό πίεσης να ταξιδεύει προς κάποια βαλβίδα, η βαλβίδα αυτή θα είναι ερμητικά κλειστή.

Το πράγμα περιπλέκεται
Γιατί πλέον θα αρχίσουμε να μιλάμε για διατάξεις και "πλέξιμο" χταποδιών, υπολογισμούς μηκών και τόσα άλλα ενδιαφέροντα. Επειδή όμως χρειάζεστε καθαρό μυαλό και, προπάντων, να έχετε κατανοήσει πολύ καλά τα όσα έχουμε ήδη πει, σας αφήνω να φτιάξετε τον επόμενο Frappe και να το ρίξετε στην επανάληψη.







Πηγή:PowerMagazine