Tune it Part 29: Ford Fiesta RS WRC

Ελπίζω μέσα από αυτές τις αναλύσεις να ωθήσω τους αναγνώστες να εκτιμήσουν τους προβληματισμούς που αντιμετωπίζουν οι μηχανικοί/σχεδιαστές και τις λύσεις που πολλές φορές αναγκάζονται να δώσουν, όχι τόσο στα επί μέρους υποσυστήματα, αλλά για τη συνεργασία μεταξύ τους όταν συνδυάζονται στη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου μοτέρ.     

Για πολλές δεκαετίες, ο κόσμος του WRC έπαιζε με 2λιτρα μοτέρ που είχαν σαν βάση τα αντίστοιχα μοτέρ παραγωγής. Από το 2011 όμως η FIA καθιέρωσε τα 1600 κυβικά με άμεσο ψεκασμό, 2,5bar μέγιστη πίεση και 8.500rpm όριο στροφών. Το νέο μοτέρ της Ford προέρχεται από το νέο Fiesta. Έχει μπλοκ/καπάκι από αλουμίνιο (εντάξει ρε, μην τρελαίνεστε, ελαφρό κράμα) με ατσάλινα χιτώνια που έχουν υποστεί κατεργασία για επένδυση με μια μορφή Nicasil (Νικέλιο και καρβίδιο του πυριτίου). Οι βαλβίδες είναι 4 και η γωνία μεταξύ των εισαγωγής/εξαγωγής είναι 39⁰. Κινούνται από δύο εκκεντροφόρους που με τη σειρά τους παίρνουν κίνηση με καδένα από το εμπρός μέρος του στροφάλου. Τα καίρια κινούμενα μέρη είναι ειδικά, ξεχωριστά βέβαια, κομμάτια αλλά φυσικά δηλωμένα στην ομολογκασιόν. Η διάμετρος είναι 83mm και η διαδρομή 73,9mm για ένα συνολικό κυβισμό 1.598,5 κυβικών. Ο ψεκασμός της αμόλυβδης 100 οκτανίων είναι άμεσος και μπαίνει τέλος στις «περίεργες» βενζίνες των προηγουμένων ετών. Με τους νέους κανονισμούς δεν μειώθηκε μόνο ο κυβισμός από τα 2 λίτρα, αλλά μειώθηκε και η διάμετρος του περιοριστή εισαγωγής (restrictor) από 34mm σε 33mm μαζί με τη θέσπιση του ορίου 2,5bar υπερπίεσης, εκεί όπου πριν ήταν ελεύθερη. Πηγαίνοντας λίγο πίσω στο 2004, βρίσκουμε το 2λιτρο μοτέρ WRC της Ford M-Sport που με τα μαγικά της Cosworth έβγαζε 345PS με τη βοήθεια ψεκασμού νερού. Για τα επόμενα λίγα χρόνια μέχρι το 2010, η ισχύς παρέμεινε στα ίδια επίπεδα και παρά την κατάργηση του ψεκασμού νερού, με λίγο ακόμα ψάξιμο έβγαλε 348PS στις 6.500rpm. Με το 1600αρι, παρά τη χρήση άμεσου ψεκασμού, με τη μείωση της επιφάνειας του περιοριστή κατά 6% (από 34 σε 33mm) έπεσε και η ισχύς στα 325PS στις 6.250rpm. Ο περιοριστής αρχίζει να «κόβει» την παροχή αέρα στις 5.750rpm. Από τις 2.800rpm και μέχρι εκεί, η πίεση διατηρείται στα 2,5bar με τη βαλβίδα wastegate. Από τις 5.750rpm όμως ο περιοριστής κάνει τη ζημιά του, αλλά μέχρι τις 6.250rpm δεν υπάρχει πρόβλημα λόγω της αύξησης των στροφών. Από εκεί όμως και πέρα τα άλογα πέφτουν, παρέα με την πίεση που φτάνει το 1.5bar στο όριο των 8.500rpm. Στα προηγούμενα χρόνια, η πίεση μπορούσε να αυξηθεί στις χαμηλές στροφές για να εκμεταλλευθούν την επαρκή ροή του παλιού περιοριστή και την ελεύθερη πίεση. Έτσι, η M-Sport «έσπρωχνε» στο 2λιτρο WRC μέχρι και 4,3bar στις 2.800rpm, που έπεφτε στα 1,7bar στις 6.500rpm -λίγο καλύτερα από το 1.600αρι των 33 αντί 34mm. Έτσι, το παλιό καλό 2λιτρο είχε… γαϊδουρινή ροπή 69,3kgm στις 3.000rpm. Αντίθετα, με ταβάνι τα 2,5bar, το 1600αρι έπεσε κατά ~40% στη μέγιστη ροπή, ενώ η μέγιστη πίεση στον κύλινδρο έπεσε από 200-220bar στα 160-180bar. Ταυτόχρονα όμως, η ειδική ισχύς ανέβηκε από τους 175 στους 200 ίππους/λίτρο, πράγμα που μαρτυρά κάποια αύξηση πίεσης στην πολλαπλή εισαγωγής στις στροφές της μέγιστης ισχύος. Σημαντική ως εκ τούτου είναι και η αύξηση της μέσης πίεσης (bmep) στις ίδιες στροφές από 24bar στο 2λιτρο μοτέρ σε 29,3bar στο 1600. Βλέπουμε ότι το όριο στην πίεση ελάττωσε τη μέγιστη ισχύ, αλλά αύξησε την ειδική ισχύ.

Το όριο των 8.500rpm δεν έχει και μεγάλη σημασία, διότι ο περιοριστής των 33mm δεν αφήνει περιθώρια για πολλά-πολλά. Το 1600αρι μοτέρ παίζει πολύ καλά από 5.750-7.250rpm ενώ το 2λιτρο έπαιζε 4.000-7.000rpm -όπως ήταν περίπου αναμενόμενο. Η τεράστια ροπή του 2λιτρου τον έκανε μάλλον εύκολοδήγητο, ενώ ο νέος 1600αρης, χωρίς μάλιστα τη βοήθεια του ημιαυτόματου σασμάν (νέοι κανονισμοί πάλι) δυσκόλεψε τη δουλειά των οδηγών.

Πρέπει να παρατηρήσουμε ότι ο 2λιτρος δούλευε με τεράστιες πιέσεις μόνο με 100αρα βενζίνη και –από το 2005- χωρίς το πλεονέκτημα του ψεκασμού νερού. Για να μη… σκορπίσει, το αβάνς ήταν 5⁰ ως τις 2.000rpm και ανέβαινε στις 30⁰ στις 7.500rpm. Σήμερα, με τον 1600αρη και τη μικρότερη πίεση, από τις 2.000 έως τις 7.500rpm το αβάνς παίζει από 15 έως 30⁰.   Ας κουφαθούμε λίγο τώρα, λέγοντας ότι ο λόγος συμπίεσης είναι…12.5:1 -και αυτό είναι και το μέγιστο όριο του κανονισμού. Ο παλιός 2λιτρος είχε κάποιο θέμα λόγω της μεγαλύτερης υπερπίεσης και πάθαινε και τις ζημιές του. Σήμερα όμως τα πράγματα στον τομέα αυτό είναι καλύτερα –θεωρώ αυτές ειδικά τις γραμμές πολύ σημαντικές και άξιες να προκαλέσουν γόνιμο προβληματισμό σε όσους χτίζουν μοτέρ τούρμπο!

Μοτέρ

Ο παλιός 2λιτρος WRC είχε μπλοκ/καπάκι αρχικά σχεδιασμένα από τη Mazda. Η Ford αργότερα εξέλιξε διάφορους κινητήρες 1.6/2.0 με τούρμπο και άμεσο ψεκασμό βασισμένους στον Duratec, γνωστούς όμως σαν EcoBoost. Αρχικά, υπήρχε η σκέψη να χρησιμοποιήσει η M-Sport εκείνον τον 1600αρη αλλά γρήγορα εγκατέλειψαν την ιδέα αυτή, στρεφόμενοι προς το Fiesta «ψυχή τε και σώματι» δηλαδή μοτέρ και καρότσα, με τις απαραίτητες βέβαια αλλαγές, σημαντικότερη από τις οποίες ήταν η ελευθερία σχεδίασης κυλινδροκεφαλής, λόγω του άμεσου ψεκασμού. Αν και ο νέος κανονισμός επέτρεπε επίσης την αλλαγή της απόστασης των κυλίνδρων, ο Duratec ήταν τόσο κοντά στην ιδανική τιμή που διατηρήθηκε ως είχε. Το αλουμινένιο μπλοκ φθάνει μέχρι τα καβαλέτα που και αυτά είναι από το ίδιο μέταλλο, με 2 βίδες έκαστο. Το μπλοκ, φεύγει από τη γραμμή παραγωγής του Duratec και πάει στην M-Sport για να μεταμορφωθεί σε WRC. Πρώτη δουλειά είναι να αφαιρεθούν όλα τα περιττά κομμάτια μέταλλο και να γυαλιστεί εκεί που πρέπει. Το μέταλλο που αφαιρείται από τους κυλίνδρους ανοίγει και χώρο για να μπουν τα υδροχιτώνια. Αυτή η κίνηση έχει το διπλό κέρδος της καλύτερης ψύξης και της επιλογής καλύτερου και ειδικά κατεργασμένου υλικού κυλίνδρων. Το καπάκι σφίγγει με 10 μπουζόνια και η φλάντζα είναι μεταλλική πολύφυλλη. Τα μπουζόνια πάνε λίγο βαθύτερα στο μπλοκ από τα νορμάλ για καλύτερη στερέωση. Το καπάκι είναι ιδιαίτερο όπως είπαμε και κατασκευάζεται από την Pipo Moteurs σύμφωνα με τις οδηγίες της Cosworth, τη δε μηχανουργική κατεργασία αναλαμβάνει η Ilmor Engineering –βαριά ονόματα όλα… Τα υπόλοιπα WRC χυτά (πολλαπλή εισαγωγής, κάρτερ και ενδιάμεση πλάκα) παράγονται κι’ αυτά στην Pipo Moteurs από αλουμίνιο, αφού ο κανονισμός απαγορεύει το μαγνήσιο.

Ο 2λιτρος WRC χρησιμοποιούσε αρχικά καπάκι από 1800αρη Duratec, και η M-Sport βάσισε τον 1600αρη ακριβώς εκεί, με τις ίδιες γωνίες βαλβίδων. Οι κυριότερες αλλαγές αφορούν την τοποθέτηση μπέκ απευθείας στο καπάκι (άμεσος ψεκασμός) αλλά και τον υδροθάλαμο του: με τους παλιούς κανονισμούς, το καπάκι έπρεπε να διατηρήσει τον στάνταρ υδροθάλαμο αλλά με το νέο σχέδιο οι μηχανικοί μπόρεσαν να βελτιώσουν τη διάταξη ψύξης εξυπηρετώντας και τις ανάγκες των μπεκ. Έτσι, το καπάκι συνεχίζει να είναι πολύ κοντά στο 1800αρι Duratec, αλλά με τις ιδιαιτερότητες που απαιτεί ένας κινητήρας WRC.                                                                   Τέλος, θεωρείστε τα παραπάνω σαν περίληψη, γιατί θα ασχοληθούμε εκτενέστερα με το μοτέρ σε επόμενη δόση.                           

 

Σχεδιασμένο για άμεσο ψεκασμό

Η δουλειά για το 1600αρι WRC άρχισε τον Φεβρουάριο του 2010, όταν οι μηχανικοί της M-Sport συναντήθηκαν με τους αντίστοιχους της Pipo Moteurs για να εξετάσουν σε λεπτομέρεια τον άμεσο ψεκασμό. Σε video-conference, συμμετείχαν και μηχανικοί από τη μητρική Ford (USA). Αυτές οι βίντεο-συσκέψεις έγιναν συχνότερες και η πληροφόρηση που πηγαινοερχόταν ήταν τεράστια. Το βασικό πρόβλημα, σε αγωνιστικό μοτέρ με άμεσο ψεκασμό, είναι ότι πρέπει η έκχυση να γίνει πολύ νωρίς αν θέλεις άλογα, οπότε καταλήγεις να ψεκάζεις πριν το ΑΝΣ. Ναι μεν η θερμοκρασία στον κύλινδρο είναι μεγάλη –που είναι καλό- αλλά το αποτέλεσμα είναι και αρκετό άκαυτο καύσιμο στην εξαγωγή και πολύς καπνός. Για την εταιρία, τα άλογα που μπορούσαν να βγουν ήταν καλά, αλλά ο καπνός όχι, καθότι θα έδινε κακή εικόνα στο αγοραστικό κοινό! Το μυστικό βρίσκεται στη γρήγορη ανάμιξη καυσίμου και εισερχόμενου αέρα, ψεκάζοντας το καύσιμο αφού έχουν κλείσει τελείως οι βαλβίδες εξαγωγής. Για τον ακριβή χρονισμό παιδεύτηκαν αρκετά οι μηχανικοί, αλλά στο τέλος το αποτέλεσμα τους δικαίωσε.

Ο άμεσος ψεκασμός μπορεί να μη βρέχει τα τοιχώματα της πολλαπλής εισαγωγής, αλλά με τις ποσότητες καυσίμου που παίζει ένα WRC υπάρχει φόβος να μείνει υγρό καύσιμο στον θάλαμο, το έμβολο και τον κύλινδρο. Ειδικά στον κύλινδρο, αν παραταθεί κάτι τέτοιο, η φθορά θα επιταχυνθεί καθώς απομακρύνεται το λάδι και τα ελατήρια ξύνουν το χιτώνιο. Κάποια μικρή φθορά αναγκάστηκαν να τη δεχτούν, αλλά όχι σε σημείο που να τους προβληματίσει σοβαρά. Βέβαια, για να φτάσουν στο σημείο να δώσουν το “ok” για το σύστημα και τον χρονισμό του, έγιναν άπειρες δοκιμές με CFD (computational fluid dynamics), «Προγράμματα Ανάλυσης Δυναμικής Ρευστών» είναι μια αδόκιμη ελληνική μετάφραση.

Ο κλασσικός 4βαλβιδος θάλαμος που σχεδίασε η Cosworth τη δεκαετία του ’60 υπάρχει και εδώ, με όλα τα χαρακτηριστικά της ανάδευσης που τον συνοδεύουν και η μεγαλύτερη δυνατή ανάδευση –οριζόντια και κατακόρυφη- είναι το ζητούμενο. Μεγάλο ρόλο παίζουν φυσικά η ακριβής θέση και προσανατολισμός του μπεκ, όπως και το σχέδιο του εμβόλου. Το μπουζί διατηρήθηκε στη θέση που είχε στον Duratec και το μπεκ τοποθετήθηκε λίγο χαμηλότερα από τις βαλβίδες εισαγωγής. Η επιφάνεια συμπίεσης του εμβόλου σχεδιάστηκε με γνώμονα τον άμεσο ψεκασμό και παρά τον αρκετά ψηλό λόγο συμπίεσης (12.5:1) είναι ελαφρώς κοίλη –αντί επίπεδη ή ακόμα «πομπέ». Οι αυλοί εισαγωγής, ελέω άμεσου ψεκασμού, είναι σαφώς διαφορετικοί από τον Duratec καθώς δημιουργούν αρκετά μεγαλύτερη ανάδευση του εισερχόμενου αέρα και θεωρούνται τόσο σημαντικό κομμάτι του σχεδιασμού ώστε η Ford ζήτησε από τη FIA να μη δημοσιευθούν οι σχετικές φωτογραφίες στην ομολογκασιόν! Στο τελικό τους σχέδιο έφτασαν οι μηχανικοί ύστερα από πλέον των 30 διαφορετικών δοκιμών σε flow bench και δυναμόμετρο! Συνδυάστε αυτές τις δοκιμές με άλλες 6 δοκιμές για διαφορετικές θέσεις των μπέκ… Εντάξει, όχι να μας το δείξουν και σε φωτογραφία με διαστάσεις, τους καταλαβαίνουμε τους ανθρώπους! Ο υδροθάλαμος της κεφαλής σχεδιάστηκε με γνώμονα τη σωστή ψύξη των μπεκ και ήταν σχετικά εύκολο εγχείρημα. Όσο για τα μπεκ, ένα αρχικό πρόβλημα καθαρότητας καυσίμου που οφειλόταν στην μεγάλη πίεση των 160 bar, ξεπεράστηκε γρήγορα με πρόσθετο φίλτρο πριν από την αντλία ψηλής πίεσης. Στον έμμεσο ψεκασμό, με τη χαμηλή πίεση καυσίμου (5-8bar), οποιαδήποτε μικρή ακαθαρσία θα πιανόταν στο φιλτράκι των μπεκ και θα μπορούσε να αφαιρεθεί κατά το service στην Auto-Reparatur του… Φονσού, αλλά στα 160bar περνάει …σφαίρα από το φίλτρο και δημιουργεί πρόβλημα, καθώς τα μπεκ αυτού του τύπου είναι πολύ ευαίσθητα σε τέτοια θέματα.