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.
Απάντηση με παράθεση
