Εξατμισεις - Συστήματα εξαγωγής!!!

[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