χταποδια...lessons (Μέρος Α)

[Panos 316T]

Επειδή έτυχε να αλλάξω πολλαπλή εξαγωγής έκανα μια έρευνα περί αυτής.
Σας παραθέτω διάφορες πληροφορίες όπως επίσης και μαθηματικούς τύπους που βρήκα από τον κ. Γούγλη.

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.H 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.

Γιατί χυτοσίδηρος?
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.
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(αυτό που έβαλα εγώ ,χειροποίητο είναι 3,5mm), 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...