TUNE-IT: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8

Το σύστημα διανομής είναι ίσως ο πιο σημαντικός κρίκος της αλυσίδας που σχετίζεται στενά με την ογκομετρική απόδοση του μοτέρ. Δίκαια τότε, θεωρείται ότι είναι και το πιο δυσνόητο κεφάλαιο στην όλη λειτουργία του συστήματος εισαγωγής-καύσης-εξαγωγής. Θα προσπαθήσω να παρουσιάσω λοιπόν τα πράγματα σε μορφή που ελπίζω όλοι εύκολα να κατανοήσετε για ένα ευχάριστο διάβασμα.

Η απόδοση του μοτέρ –οποιουδήποτε μοτέρ, ασχέτως κυβισμού και τύπου- μπορεί να αυξηθεί μόνο με ένα τρόπο: αυξάνοντας την ποσότητα του εισαγόμενου καύσιμου μίγματος το οποίο, αφού το συμπιέσουμε, θα το «κάψουμε» σωστά για να αυξηθεί η δύναμη που σπρώχνει το έμβολο προς τα κάτω. Όσο πιο δυνατή είναι η εκτόνωση –το αποτέλεσμα μιας μορφής ελεγχόμενης έκρηξης- τόσο μεγαλύτερη είναι και η ενέργεια που μεταδίδεται στα κινούμενα μέρη του μοτέρ. Στην καλύτερη πλήρωση του κυλίνδρου συμβάλλουν τα φίλτρα ελευθέρας ροής, οι πολυπετάλουδες εισαγωγές, οι μεγαλύτερες βαλβίδες, οι διάφορες τεχνικές υπερσυμπίεσης κλπ. Όλα αυτά όμως, περιμένουν από τον εκκεντροφόρο να ανοίξει τις βαλβίδες εισαγωγής για όσο χρόνο χρειάζεται, ώστε να μπορέσει αυτό το νέο μίγμα να μπει στον κύλινδρο. Δύο είναι τα βασικά χαρακτηριστικά του εκκεντροφόρου που καθορίζουν πόσο μίγμα μπορεί να μπει: το βύθισμα (σε mm) και η διάρκεια (σε μοίρες) και αυτά είναι κυρίως που χρησιμοποιούμε για να ξεχωρίσουμε/ταυτοποιήσουμε τους εκκεντροφόρους.

Ωστήρια και κοκκοράκια

Δυστυχώς όμως, πολλές φορές οι κατασκευαστές aftermarket εκκεντροφόρων δεν δημοσιοποιούν τα ίδια στοιχεία και με τον ίδιο τρόπο μέτρησης, οπότε και η σύγκριση των διαφορών μεταξύ τους δεν είναι πάντοτε εύκολη υπόθεση. Ναι, είπαμε για βύθισμα και διάρκεια, αλλά αυτά είναι σαν να λέμε, πχ, ότι αυτό το μοτέρ είναι 4κύλινδρο και το άλλο 6κυλινδρο… Αρκεί αυτή η περιγραφή? Όχι βέβαια. Αν δε υπολογίσουμε και τα διάφορα μοχλικά συστήματα και διατάξεις κίνησης των βαλβίδων… χανόμαστε εύκολα στο πλήθος. Ας δούμε λοιπόν και το λειτουργικό μέρος του εκκέντρου –λέω του ενός, γιατί το ίδιο κάνουν και τα υπόλοιπα με χρονική διαφορά. Η περιστροφή του εκκέντρου μεταφέρεται και με κάποιο τρόπο μεταφράζεται σε κίνηση της αντίστοιχης βαλβίδας. Η μετάφραση αυτή, μπορεί να γίνεται απ’ ευθείας με ωστήριο ή παρεμβάλλοντας κάποιο κοκοράκι (ποιος διάολος το ονόμασε έτσι και κόλλησε στη γλώσσα μας?) το οποίο μπορεί να έχει πολλές διαφορετικές μορφές και μοχλικά συστήματα. Στο απλό απ’ ευθείας ωστήριο, ο,τι βύθισμα έχει το έκκεντρο, έχει και η βαλβίδα –όχι ακριβώς, αλλά πολύ κοντά. Στα κοκοράκια, ο λόγος βυθίσματος εκκέντρου/βαλβίδας μπορεί να είναι οποιοσδήποτε, από 1:1 ως 1,7:1 και βάλε.  Τα κοκοράκια χρησιμοποιήθηκαν σχεδόν καθολικά από τις αρχές ως τα μέσα του 20^ου αιώνα, οπότε άρχισε να αυξάνεται και η παρουσία των bucketfollowers ή bicchierini (Αγγλικά και Ιταλικά… έχουμε και κάποια μόρφωση, πώς να το κάνουμε?). Και οι δυο ξένες ονομασίες είναι πολύ αντιπροσωπευτικές για το συγκεκριμένο εξάρτημα και μάλιστα από την Ελληνοποίηση της Ιταλικής βγήκε το «δικό μας»… μπικιρίνι, το οποίο μπορεί να είναι μηχανικό (με εσωτερικό ή εξωτερικό ρυθμιστικό καπελότο, δηλαδή, για το διάκενο) ή υδραυλικό. Αυτός ο τρόπος κίνησης της βαλβίδας έχει και τις λιγότερες απαιτήσεις χώρου στην κεφαλή, γι’ αυτό και έχει χρησιμοποιηθεί κατά κόρον σε πολυβάλβιδα μοτέρ. Το πιο σημαντικό του όμως πλεονέκτημα δεν είναι το χωροταξικό, αλλά το μικρότερο βάρος και αδράνεια σε σύγκριση με τα υπόλοιπα συστήματα κίνησης, γι’ αυτό και είχε κατακτήσει σχεδόν αποκλειστικά τους αγωνιστικούς κινητήρες για πάρα πολλά χρόνια.

Έκκεντρα

Ο σχεδιασμός ενός εκκέντρου απαιτεί, όπως φαντάζεσθε, ειδικές γνώσεις και σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις ειδικευμένα υπολογιστικά προγράμματα που δεν είναι ακριβώς και …ευρείας κυκλοφορίας. Τα πιο «απλά» προφίλ είναι αυτά που έχουν μπικιρίνια, γι’ αυτό έτυχε να ασχοληθώ και προσωπικά με το θέμα από τις αρχές του ’90, όταν σχεδίασα μερικά προφίλ για Alfa Romeo, συνεχίζοντας με VW F3 και αργότερα πάλι για τα V6 της Alfa, 12 και 24ν. Η σημερινή τεχνολογία διαθέτει τα απαραίτητα εργαλεία σ’ αυτούς που θέλουν να ασχοληθούν επαγγελματικά με τον έλεγχο, σχεδιασμό, κατασκευή και μέτρηση εκκέντρων. Στην Ελλάδα, δραστηριοποιείται με επιτυχία στον τομέα η εταιρία «Έκκεντρον» που ξεκίνησε ο, πολύ γνωστός στους παλιότερους αγωνιζόμενους και μηχανικούς, Χρήστος Βαλασόπουλος, ο γνωστός Μπούμπης.

Να μπούμε τώρα και στην περιγραφή του εκκέντρου περιγράφοντας τα διάφορα μέρη της περιφέρειας του τα οποία, άσχετα με τον τρόπο/μηχανισμό κίνησης της βαλβίδας, κάνουν πάντα την ίδια δουλειά. Το μεγαλύτερο μέρος του εκκέντρου που βρίσκεται ακριβώς αντιδιαμετρικά από το πιο ψηλό σημείο του βυθίσματος, έχει σταθερή ακτίνα και ονομάζεται βασικός κύκλος. Σε μηχανικά συστήματα (με ρυθμιζόμενο δηλαδή διάκενο) μετράμε το διάκενο στη μέση περίπου του τόξου του βασικού κύκλου, το οποίο έχει πλάτος περίπου 180⁰. Κατά την περιστροφή του εκκέντρου, η βαλβίδα είναι κλειστή όσο βρίσκεται αντιμέτωπη με τον βασικό κύκλο, όπου και μετράμε το διάκενο λειτουργίας. Είναι απαραίτητο να υπάρχει κάποιο διάκενο στον μηχανισμό, για να εξυπηρετούνται αναγκαιότητες όπως η διαστολή των εξαρτημάτων από τη θερμοκρασία που αναπτύσσεται κατά τη λειτουργία τους. Ίσως να έχετε παρατηρήσει ότι οι περισσότερες βαλβίδες εξαγωγής έχουν μεγαλύτερο διάκενο από αυτές της εισαγωγής και αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στη μεγαλύτερη θερμοκρασία που αναπτύσσουν κατά τη λειτουργία τους. Ένας δεύτερος λόγος για τα μεγαλύτερα διάκενα εξαγωγής, είναι ότι πολλές φορές θέλουμε λιγότερη διάρκεια σε μοίρες (στην εξαγωγή) οπότε και προβαίνουμε στην κατάλληλη ρύθμιση. Δίπλα και σαν συνέχεια του βασικού κύκλου, βρίσκονται τα δυο τόξα της ράμπας. Ακριβώς μέσα στη ράμπα μηδενίζεται το διάκενο, έρχεται ουσιαστικά, αλλά προοδευτικά, σε επαφή το έκκεντρο με τη βαλβίδα, η οποία και αρχίζει να ανυψώνεται από την έδρα της. Αυτό που περιγράφω τώρα είναι η ράμπα ανόδου του εκκέντρου, σε αντιδιαστολή με την ράμπα καθόδου που βρίσκεται στην άλλη πλευρά του βασικού κύκλου και θα ακολουθήσει αργότερα με τη σειρά της. Ο σχεδιασμός της ράμπας είναι πολύ σημαντικός για τη μείωση θορύβου και φθοράς του εκκέντρου. Η μείωση όμως αυτών των δυο έρχεται σε αντίθεση με την ταυτόχρονη επιθυμία των σχεδιαστών για το ταχύτερο και πιο άμεσο δυνατόν άνοιγμα της βαλβίδας οπότε, το τελικό της σχέδιο είναι πάντοτε ένας συμβιβασμός μεταξύ των απαιτήσεων για μακροζωία και απόδοση. Στην περίπτωση όμως αγωνιστικών σχεδίων, προέχει πάντα το κριτήριο της απόδοσης με δεύτερο αυτό της μικρότερης δυνατής φθοράς, γι’ αυτό άλλωστε και οι περισσότεροι εκκεντροφόροι του είδους είναι θορυβώδεις. Η ράμπα καθόδου όμως και στους «μπαμπούλες» εκκεντροφόρους, είναι πιο ομαλή από αυτή της ανόδου διότι θέλουμε η βαλβίδα να κλείσει ομαλά για να μην υπάρξει πιθανή τάση αναπήδησης στην έδρα. Επόμενα τόξα στο έκκεντρο είναι οι πλευρές, που πάλι ξεχωρίζουμε σε ανόδου και καθόδου. Οι πλευρές παρεμβάλλονται ανάμεσα από τις ράμπες και την κορυφή του εκκέντρου. Είναι το τόξο που επιταχύνει τη βαλβίδα κατά την άνοδο της προς το μέγιστο βύθισμα (πλευρά ανόδου) και –αντίστοιχα- την επιβραδύνει προς τη ράμπα καθόδου (πλευρά καθόδου). Η πλευρά ελέγχει την επιτάχυνση της βαλβίδας, η οποία και δεν επιτρέπεται να υπερβεί συγκεκριμένες τιμές, ανάλογα με τον τύπο του μοχλικού συστήματος/μηχανισμού που χρησιμοποιείται. Πλησιάζοντας στο μέγιστο βύθισμα, η ράμπα πρέπει να επιβραδύνει πάλι τη βαλβίδα και τα λοιπά εμπλεκόμενα εξαρτήματα (καπελάκια, ελατήρια, ασφάλειες, μπικιρίνια) και να τα προετοιμάσει για την ήρεμη μετάβαση στην κορυφή του εκκέντρου, όπου η ταχύτητα μηδενίζεται για μικρό χρονικό διάστημα πριν αρχίσει πάλι η κάθοδος για την έδρα. Στην κορυφή που όπως είδαμε βρίσκεται ανάμεσα από τις δυο ράμπες τοποθετείται και το μέγιστο βύθισμα. Ακριβώς εδώ, μετράμε τη μέγιστη πίεση του ελατηρίου όπως και τη μέγιστη φόρτιση στο ωστήριο, μπικιρίνι ή κοκοράκι. Γι’ αυτό και τις περισσότερες φορές, όταν υπάρχει φθορά των εκκέντρων, παρατηρείται στο σημείο αυτό.

Μέγιστο βύθισμα και διάρκεια

Ας δούμε λίγο τα δυο σημαντικά αυτά στοιχεία με κάποια λεπτομέρεια. Όταν επιλέγουμε εκκεντροφόρο επιδόσεων, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τι διάμετρο έχουν οι βαλβίδες του μοτέρ μας. Κι’ αυτό, διότι η θεωρία λέει ότι η μέγιστη ροή επιτυγχάνεται όταν η βαλβίδα ανυψωθεί στο 30-35% της διαμέτρου της. Να λοιπόν και το πρώτο νούμερο για τον εκκεντροφόρο μας. Βέβαια, η θεωρία καλά τα λέει, αλλά στην πράξη πρέπει να γνωρίζουμε αν το βύθισμα που υπολογίσαμε χωράει στο μοτέρ μας, γιατί μπορεί να βρίσκει σε τοιχώματα, έμβολα, οδηγούς κλπ  –αυτό όμως το αφήνουμε για τώρα, καθότι η κουβέντα είναι ακόμα σε θεωρητικό/περιγραφικό επίπεδο.

Τις περισσότερες φορές, αντί να αγοράσουμε κάποιο καλύτερο εκκεντροφόρο, συμφέρει οικονομικά να μεταποιήσουμε τον εργοστασιακό. Για να βγει μέσα από αυτή τη διαδικασία το μεγαλύτερο βύθισμα, είναι τεχνικά αναγκαίο να μικρύνει ο βασικός κύκλος. Αυτό δεν δημιουργεί κανένα πρόβλημα αν μετά από την μηχανουργική κατεργασία (reprofiling) ακολουθήσει και ένα στάδιο επιφανειακής σκλήρυνσης (συνήθως εναζώτωσης) με τελευταία την επαναφορά του εκκεντροφόρου. Αυτά τα …ολίγα για το βύθισμα.

Πάμε τώρα στη διάρκεια. Εκφράζεται σε μοίρες στροφάλου (να μη ξεχνάμε βέβαια ότι ο εκκεντροφόρος γυρίζει με τις μισές στροφές του μοτέρ) και μπορούμε να γενικολογήσουμε λέγοντας ότι, όσο αυξάνονται οι μοίρες, μειώνεται η απόδοση στα χαμηλά και αυξάνεται ψηλά –και χονδρικά έτσι έχουν τα πράγματα. Το μπέρδεμα όμως αρχίζει όταν επιχειρήσουμε να συγκρίνουμε εκκεντροφόρους από διαφορετικούς κατασκευαστές… Δυστυχώς, δεν τους μετρούν όλοι με τον ίδιο τρόπο για να βγάλει κανείς εύκολα άκρη και πρέπει να προσέξουμε πολύ καλά τα στοιχεία που δίνουν. Δεν κοροϊδεύουν, απλά χρησιμοποιούν διαφορετικούς τρόπους μέτρησης. Άλλο οι Αμερικάνοι, άλλο οι Γερμανοί, Ιταλοί κλπ. Μέσα απ’ όλα αυτά, το απολύτως απαραίτητο που πρέπει να ξέρουμε είναι πόση διάρκεια και σε ποιο βύθισμα. Μόνο τότε θα μπορέσουμε να κάνουμε έγκυρη σύγκριση εκκεντροφόρων. Και πάλι όμως, έξω θα πέσουμε! Είναι αρκετά συνηθισμένο να υπάρχουν αρκετά προφίλ με ίδιο βύθισμα και διάρκεια και με τελείως διαφορετικές επιδόσεις! Στην πραγματικότητα, μόνο αν μετρηθεί το έκκεντρο μπορούμε να είμαστε σίγουροι για τα πλήρη στοιχεία και τις δυνατότητες του. Δυστυχώς όμως αυτό σπάνια είναι εφικτό και πολλοί ενδιαφερόμενοι –για να μην πω οι περισσότεροι- καταλήγουν με άλλο εκκεντροφόρο από κάποιον που θα εξυπηρετούσε καλύτερα τις απαιτήσεις τους.

Σημαντικά στοιχεία

Μέχρι τώρα η ενασχόληση μας ήταν με την περιγραφή ενός εκκέντρου. Ας επεκταθούμε λίγο και στα υπόλοιπα στοιχεία, αφού όλα μαζί συγκροτούν τον εκκεντροφόρο. Το ταυτόχρονο άνοιγμα των βαλβίδων (overlap) προκύπτει από τη μελέτη της λειτουργίας των εκκέντρων εισαγωγής και εξαγωγής στον ίδιο κύλινδρο. Ο λόγος που ανοίγει η εισαγωγή πριν κλείσει η εξαγωγή και κατά το τέλος της φάσης που διαφεύγουν τα καυσαέρια στο χταπόδι, είναι για να «τραβήξουν» στο θάλαμο το φρέσκο μίγμα, το οποίο εισερχόμενο στον κύλινδρο βοηθά να σπρώξει έξω και τα τελευταία κατάλοιπα της καύσης.                  

Θα ήθελα τώρα να προχωρήσουμε στα διάφορα σημεία λειτουργίας των βαλβίδων. Προσπαθώντας να ξεκινήσουμε με την πιο απλή περιγραφή, θα λέγαμε ότι στον τετράχρονο κινητήρα κάθε μια από τις φάσεις διαρκεί θεωρητικά όσο μισή στροφή του στροφάλου, δηλαδή 180⁰. Έτσι, αν υποθέσουμε ότι ανοίγουμε τη βαλβίδα εισαγωγής στο ΑΝΣ (άνω νεκρό σημείο) και την κλείνουμε στο ΚΝΣ (κάτω νεκρό σημείο) η θεωρητική διάρκεια της εισαγωγής μας είναι 180⁰, αλλά στην πραγματικότητα, η διάρκεια είναι γύρω στις μισές από αυτές. Ο λόγος είναι ότι η βαλβίδα δεν ανοίγει με τη μία σε χρόνο μηδέν από τελείως κλειστή σε τέρμα ανοιχτή, αλλά ανυψώνεται σταδιακά και σταδιακά επίσης κλείνει. Αν σχεδιάσουμε την κίνηση της βαλβίδας σε συνάρτηση με το χρόνο, θα βγει το διάγραμμα που βλέπετε. Για να δείτε τώρα την πραγματική διάρκεια της εισαγωγής, μετρήστε αν θέλετε τα τετραγωνάκια στο σχήμα που είναι κάτω από την καμπύλη του ανοίγματος της βαλβίδας και αυτά που είναι από πάνω. Τα εντός καμπύλης είναι περίπου 38 και τα εκτός 34. Άρα, η εισαγωγή που διαρκεί «στα χαρτιά» 180⁰ επαληθεύει αυτό που μόλις είπαμε και σαν αποτέλεσμα είναι γύρω στις μισές μοίρες. Εκτός όμως από την κίνηση της βαλβίδας, έχουμε και την αδράνεια του αέρα ο οποίος πρέπει να εισαχθεί στον κύλινδρο ξεπερνώντας εμπόδια όπως το φίλτρο, η πεταλούδα και οι διάφορες καμπές της πολλαπλής εισαγωγής. Όλες αυτές οι αντιστάσεις στην ελεύθερη ροή του αέρα συνωμοτούν για να μειώσουν την πραγματική διάρκεια της φάσης εισαγωγής στις περίπου 50⁰ από τις σχεδόν 90⁰ που μόλις πριν χονδρικά «υπολογίσαμε». Απ’ όλα αυτά, βλέπουμε καθαρά ότι δεν επαρκεί η θεωρητική μας διάρκεια και πρέπει να την αυξήσουμε, αρχίζοντας το άνοιγμα της βαλβίδας πριν το ΑΝΣ και παρατείνοντας το κλείσιμο μετά το ΚΝΣ. 

Την ίδια κουβέντα μπορούμε να κάνουμε αντίστοιχα και με την βαλβίδα εξαγωγής, η οποία όμως ανοίγει όταν υπάρχει σημαντική πίεση μέσα στον θάλαμο καύσης –πίεση όμως που πέφτει πολύ γρήγορα- και πρέπει να την εκμεταλλευτούμε προς όφελος μας, αλλιώς θα χρειαστεί να σπαταλήσουμε έργο για να βγάλουμε έξω τελείως τα καυσαέρια.

Χρονισμός

Το ζητούμενο λοιπόν είναι να αυξήσουμε την διάρκεια των φάσεων εισαγωγής και εξαγωγής… Κατά πόσο πρέπει να τις αυξήσουμε, είναι το …προπατορικό ερώτημα για τους κατασκευαστές, οι οποίοι καλούνται σε κάθε νέο μοντέλο να παντρέψουν τις επιδόσεις με την οικονομία, την πολιτισμένη λειτουργία, αλλά και τους χαμηλούς ή μηδενικούς σε κάποιες περιοχές του πλανήτη ρύπους.

Ας πάμε λοιπόν να δούμε τι επίδραση έχει η αλλαγή του χρονισμού στις διάφορες φάσεις λειτουργίας των βαλβίδων, αρχίζοντας από την εξαγωγή.

Άνοιγμα εξαγωγής: Όσο νωρίτερα από το ΚΝΣ ανοίξουμε τη βαλβίδα εξαγωγής, βοηθάμε το μοτέρ στις ψηλές στροφές. Η πίεση από την καύση στον κύλινδρο (φάση εκτόνωσης) έχει σπρώξει το έμβολο προς τα κάτω και τα αέρια έχουν χάσει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας τους, 80-90⁰ πριν από το ΚΝΣ. Έτσι, αν ανοίξουμε τότε την εξαγωγή, η μικρή υπολειπόμενη πίεση θα χρησιμοποιηθεί για να διώξει έξω τα καυσαέρια προς όφελος της ταχύτερης εκκένωσης του κυλίνδρου. Αντίθετα τώρα, η καθυστέρηση του ανοίγματος της εξαγωγής, δίνει μια ελαφρά βελτίωση στις χαμηλές στροφές δίνοντας περισσότερο χρόνο στην εκτόνωση για πληρέστερη καύση, πράγμα το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα λιγότερες εκπομπές ρύπων σε CO και ΝΟ.

Κλείσιμο εξαγωγής: Η καθυστέρηση να κλείσει η βαλβίδα εξαγωγής βλάπτει τη λειτουργία στις χαμηλές στροφές. Το νέο μίγμα που μόλις έχει μπει στον κύλινδρο, μπορεί εύκολα να συνεχίσει την κίνηση του και βρίσκοντας την εξαγωγή ανοιχτή να βγει στο χταπόδι. Αυτό το, μεγάλο σε διάρκεια, ταυτόχρονο άνοιγμα των βαλβίδων εισαγωγής/εξαγωγής (overlap) είναι και ο λόγος που τα αγωνιστικά μοτέρ έχουν μεγάλο λόγο συμπίεσης, αλλά και συνήθως πολύ αβάνς (προπορεία στην ανάφλεξη) στις χαμηλές στροφές. Πάραυτα, η λειτουργία στο ρελαντί μπορεί να είναι και ομαλή, δεδομένης της χαμηλής πίεσης στον κύλινδρο σε συνδυασμό με το πολύ αβάνς. Όσο ανεβαίνουν τώρα οι στροφές, το αργοπορημένο κλείσιμο της εξαγωγής βοηθάει την πληρέστερη εκκένωση του κυλίνδρου από τα καυσαέρια, δημιουργώντας έτσι τις προϋποθέσεις για την είσοδο φρέσκου μίγματος στο θάλαμο. Αν μαζί με το αργοπορημένο κλείσιμο της εξαγωγής ανοίξουμε πολύ νωρίς τη βαλβίδα εισαγωγής (μεγάλο δηλαδή overlap) έχουμε μείωση της απόδοσης στις χαμηλές/μεσαίες στροφές και αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου μαζί με αύξηση των ρύπων. Αντίθετα τώρα, αν κλείσουμε νωρίς την εξαγωγή, έχουμε καλύτερη λειτουργία και ελαστικότητα χαμηλά, κάτι που αν συνδυαστεί με αργότερο κλείσιμο της εισαγωγής, μπορεί να δώσει κάποια αύξηση ισχύος και ψηλά. Αρκετά όμως για σήμερα, την εισαγωγή θα την πιάσουμε στο επόμενο  …με τις ζέστες!