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.......