Tune it Part 31: Κινητήρες V10 F1

Μπλοκ και εντόσθια

Η γωνία του V είναι 90⁰ αλλά μπορεί να κατέβει μέχρι και τις 75⁰ για να εξυπηρετηθούν αεροδυναμικές ανάγκες, μείωση, δηλαδή, εξωτερικών διαστάσεων (πλάτος) χωρίς απώλεια ισχύος -όσο μικραίνει η γωνία, «στενεύει» και το μοτέρ. Ο στρόφαλος είναι κομμένος από σφυρήλατο ατσάλινο κύλινδρο (billet) και η δυναμική ζυγοστάθμιση γίνεται με συντελεστή αρκετά πάνω από 50%, που είναι το στάνταρ νούμερο για μοτέρ δρόμου. Για να περιοριστούν οι διαστάσεις του, τοποθετούνται αντίβαρα από το λεγόμενο Mallory metal ή Densalloy, το οποίο ουσιαστικά είναι το μέταλλο Βολφράμιο και είναι 2,5 φορές βαρύτερο απ’ το ατσάλι -για σκεφθείτε το λίγο! Έτσι, μπορεί να κατασκευασθεί ο στρόφαλος με μικρότερα αντίβαρα, που σημαίνει αρκετά μικρή διάμετρος, κάτι που έχει ευεργετικό αποτέλεσμα γιατί μειώνει πολύ τη ροπή αδρανείας του. Τη δεκαετία 95-05 οι κινητήρες της F1 ήταν V10 με τον κυβισμό του κάθε κυλίνδρου να φτάνει τα 300cc, κάτι που διατηρήθηκε και αργότερα όταν τα μοτέρ έγιναν V8 που ήταν συνολικά 2.400cc. Οι βασικές διαστάσεις, διάμετρος x διαδρομή, είναι 96 x 41,4mm και έτσι ο λόγος διαμέτρου/διαδρομής βγαίνει 2,32 -υπερτετράγωνο του κερατά, δηλαδή! Οι μέγιστες στροφές είναι πολύ κοντά στις 19-20.000rpm, αλλά δεν θα πλησιάσουν περισσότερο στις 21.000, διότι εκεί περιμένει… ο μπαμπούλας. Και εξηγώ. Λόγω του μεγάλου, όπως είπαμε, συντελεστή ζυγοστάθμισης (>50%), παρουσιάζονται αρμονικές κραδασμών στις 8.000rpm και αρκετά περισσότερες στις 21.000rpm. Απλώς, λειτουργία με μεγάλο φορτίο εκεί θα είχε ως αποτέλεσμα να βαρέσει διάλυση το διαμάντι. Για τις 8.000, είναι πιο εύκολο να προγραμματίσουν το μοτέρ να μη δέχεται τέρμα γκάζι μέχρι να ανέβει το στροφόμετρο στις 9.000. Οι όλο και μεγαλύτερες στροφές επιλέχθηκαν γιατί παράγεται περισσότερη ισχύς αλλά ταυτόχρονα πρέπει να υπολογίσει κανείς και τις τριβές που υπάρχουν. Σε κινητήρα αυτοκινήτου, για παράδειγμα, η μέση απώλεια σε τριβές (friction mean effective pressure - fmep) στις 6.000rpm είναι περίπου 2bar και στην F1 είναι 4bar στις 18.000rpm! Γι’ αυτόν το λόγο δεν υπάρχει και ενδιαφέρον για παραπάνω στροφές, καθώς οι απώλειες μεγαλώνουν με ταχύτατο ρυθμό. Οπότε, βλέπουμε να μένει το «τσίρκο» κάτω από τις 20.000rpm για μερικά χρόνια, αν δεν υπάρξει κάτι επαναστατικό που θα αλλάξει τα πράγματα.

Τα έμβολα είναι συνήθως κατασκευής Mahle Motorsport, φυσικά από σφυρήλατο κράμα αλουμινίου με κάποιο μικρό ποσοστό μαγνησίου και βηρυλλίου. Έχουν δυο ελατήρια πολύ μικρής ακτινικής τάσης, το επάνω, βέβαια, της συμπίεσης είναι ατσάλι με 1mm πάχος, και το κάτω είναι του λαδιού. Η «φούστα» έχει ύψος 34mm και ανάμεσα από τα δυο λούκια των ελατηρίων υπάρχει ένα τρίτο μικρό λούκι εκτόνωσης της πίεσης. Μεγάλη προσοχή και μελέτη χρειάστηκε για το τέλειο γυάλισμα των επιφανειών του ελατηρίου συμπίεσης, ώστε να μην κολλάει στο λούκι λόγω της ελάχιστης -σχεδόν μηδενικής- ανοχής που υπάρχει. Μάλιστα, κατασκευάσθηκε ειδική διάταξη γυαλίσματος σε ντουκόχαρτο #2500! Το έμβολο ζυγίζει 250gr και ο πίρος (με διάμετρο 21mm) συγκρατείται κλασικά με δυο ασφάλειες. Το δαχτυλίδι της μπιέλας είναι κράμα από Mπρούτζο και Bηρύλλιο. Η εσωτερική διαμόρφωση του εμβόλου είναι τέτοια ώστε να συγκρατεί και να κεντράρει σε συγκεκριμένο σημείο την μπιέλα από τιτάνιο που δεν πρέπει να έχει καθόλου επαφή με τον στρόφαλο –καθώς το τιτάνιο έχει πολύ κακές ιδιότητες τριβής και δεν ενδείκνυται για έστω και περιστασιακή ολίσθηση με σίδερο/ατσάλι. Όσο για τη λίπανση/ψύξη του εμβόλου, υπάρχουν από δυο μπεκ σε κάθε κύλινδρο που ψεκάζουν τα έμβολα. Το μήκος της μπιέλας είναι 113,5mm (όταν είναι ακίνητη…) οπότε ο λόγος μπιέλας/διαδρομής είναι 2,7. Το κέντρο της μπιέλας είναι τρυπημένο κατά μήκος και λιπαίνει τον πίρο στέλνοντας λάδι από το κομβίο.

Τα χιτώνια έχουν πάχος μόνο 3,5mm, περιέχουν βηρύλλιο και η εσωτερική επίστρωση είναι με Nicasil. Το πιο εξωφρενικό για μας όμως είναι το γεγονός ότι γυαλίζονται σαν καθρέφτης για μείωση της τριβής, κάτι που σε συνδυασμό με τα δύο ελατήρια ελάχιστης ακτινικής τάσης έχει ως αποτέλεσμα όταν τελειώσει ο αγώνας να μην έχει μείνει σχεδόν καθόλου λάδι στο μοτέρ!

Ο στρόφαλος παίρνει λάδι με πίεση από το εμπρός μέρος και από εκεί λιπαίνονται όλα τα κομβία, μπιέλες και μέταλλα. Δοκιμές έγιναν με κλασικά μέταλλα και ρουλεμάν, αλλά ενώ τα ρουλεμάν μείωναν πολύ τις τριβές μέχρι τις 8.000rpm, από εκεί και πάνω υπερτερούσαν τα κλασικά. Η κατασκευή των μετάλλων είναι μια ειδική διαδικασία όπου το υλικό κολλάει στο ατσάλινο υπόστρωμα με τη μέθοδο της εξάχνωσης. Τα γνωστά μας «τριμεταλλικά» ούτε κατά διάνοια δεν αντέχουν για τέτοιο μοτέρ. Γίνονται προσπάθειες και δοκιμές να καταργηθούν τα μέταλλα με τη μορφή που έχουν και να γίνεται η εξάχνωση του υλικού απευθείας στην μπιέλα και στα έδρανα του μπλοκ.

Ο λόγος συμπίεσης έχει παίξει αλλά όχι πολύ, γύρω από 14,3-15:1 και πάντα έψαχναν για το μεγαλύτερο δυνατό. Ο λόγος όμως, ερχόταν σ’ αυτά τα νούμερα στις 18.000rpm, όταν και η μπιέλα μάκραινε κατά 1mm από εφελκυσμό -κυρίως- αλλά και λόγω θερμοκρασίας! Για σας τους… «γλήγορους» επιστήμονες, μη χαίρεστε, αυτό δεν σημαίνει ότι στις 9.000rpm μακραίνει 0,5mm γιατί είναι λογαριθμική η σχέση και όχι ανάλογη. Βέβαια, εκτός απ’ την μπιέλα μακραίνουν και οι βαλβίδες κατά 0,4mm, οπότε η απόσταση βαλβίδα/έμβολο γίνεται 0,2mm και έμβολο/καπάκι… περίπου μηδέν! Σ’ αυτές τις συνθήκες, το αβάνς που παίζει είναι 40-42⁰ προ του ΑΝΣ.

Το περίεργο είναι ότι το καύσιμο δεν χρειάζεται να έχει πολλά «οκτάνια» διότι το ζητούμενο είναι η όσο το δυνατόν πιο γρήγορη καύση. Έτσι κι αλλιώς, στις 18.000rpm δεν προλαβαίνει να εκδηλωθεί αυτανάφλεξη! Θα μπορούσε κάλλιστα να δουλέψει κανονικά το μοτέρ με τη «δική μας» βενζίνη, απλά θα είχε χαμηλότερη ισχύ -ποιος θα το φανταζόταν! Οι θερμοκρασίες ψυκτικού/λαδιού παίζουν γύρω από τους 150 ⁰C. Ο λόγος μίγματος (afr) δεν αποκαλύπτεται γιατί θα υπήρχε έτσι η δυνατότητα να φθάσει κάποιος κοντά στον προσδιορισμό των πρόσθετων που περιέχουν τα καύσιμα/λάδια. Εφόσον το λάδι σχεδόν εξαφανίζεται κατά τη διάρκεια του αγώνα, η σύνθεσή του δεν αποβλέπει μόνο στη λίπανση αλλά και στην καύση, στην οποία και βεβαιότατα παίρνει μέρος! Οπότε, κατανοούμε γιατί δεν δηλώνουν το afr! Αν η βενζίνη είναι συγκεκριμένη και ίδια για όλους, τότε το λάδι έχει πολλά να πει! Ξέρουμε όμως ότι χρησιμοποιούνται κάποια χημικά, όπως Ξυλένιο και Τολουόλη, με σκοπό την επιτάχυνση της καύσης και ότι ο αισθητήρας λ στο τέρμα γκάζι παίζει στο 0,88-0,9V. Αφού το λ=1 είναι το στοιχειομετρικό, βλέπουμε ότι στο φουλ, το μίγμα είναι περίπου 10% πλουσιότερο κι ας μη γνωρίζουμε λεπτομέρειες για το καύσιμο/λάδι.

 

Εισαγωγή μεταβλητού μήκους

Οι εισαγωγές είναι κατασκευασμένες από carbon και το μήκος τους μεταβάλλεται από το ελάχιστο 167mm μέχρι τα 217mm -τι ωραίο να είχαμε κι εμείς ένα συνεχώς μεταβαλλόμενο σύστημα! Η διάμετρος στην είσοδο του χωνιού είναι 53,5mm. Ο αυλός -όπως και οι πεταλούδες- δεν είναι στρογγυλός αλλά οβάλ, πλησιάζοντας τη διατομή του καπακιού πριν από τις βαλβίδες, για τη βέλτιστη ροή. Τα χωνιά αλλάζουν πολλές φορές θέση κατά το ανέβασμα των στροφών, αποτέλεσμα των διεξοδικών μελετών που έγιναν παρατηρώντας τη δυναμική συμπεριφορά του εισερχόμενου αέρα αλλά και των παλμών που αυξομειώνονται σε ένταση αλλά και κατεύθυνση ανάλογα με τις στροφές και τη γωνία της πεταλούδας. Δυναμική των αερίων και ροή είναι δυο διαφορετικά πράγματα που παρουσιάζουν εντονότατα φαινόμενα όταν έχουμε να κάνουμε με ταχύτητες εισαγωγής που φθάνουν τα 200 μέτρα/δευτερόλεπτο! Κοντολογίς, βρέθηκε ότι όταν το εργαλείο επιταχύνει βγαίνοντας από μια στροφή, χρειάζονται μόλις 2-2,5” για να γυρίσει τέρμα το στροφόμετρο. Σ’ αυτόν το μικρό χρόνο, τα χωνιά πρέπει να αντιστρέψουν την κίνηση τους 8 φορές! Τέσσερις για να μακρύνουν και άλλες τόσες για να κοντύνουν. Γι’ αυτόν το λόγο την κίνηση έχει αναλάβει ένας ισχυρός ηλεκτροϋδραυλικός μηχανισμός με τον απαραίτητο πολύ γρήγορο χρόνο απόκρισης. Κατά τις δοκιμές, μπορείτε να δείτε ένα μικρό συννεφάκι πάνω από κάθε χωνί σε ορισμένες στροφές. Τώρα τι να σας πω, ότι ο… όγκος που καταλαμβάνει το συννεφάκι έχει μετρηθεί και συμπεριλαμβάνεται στους διαστασιακούς υπολογισμούς της εισαγωγής… Και όμως, έτσι είναι.

Στο θέμα του αέρα εισαγωγής, ένα μεγάλο πρόβλημα ήταν η ανομοιομορφία της πίεσης μεταξύ των κυλίνδρων, που έφθανε και το 10% στις μεγάλες ταχύτητες καθώς ο σχεδιασμός του airbox δημιουργούσε κάποια υπερπίεση. Αργότερα που απαγορεύθηκαν τα μεταβλητά χωνιά, οι μάγκες κατασκεύασαν το airbox κατά τρόπο ώστε τα τοιχώματά του να φουσκώνουν και να ξεφουσκώνουν ανάλογα με την πίεση που δημιουργεί στο εσωτερικό του η ταχύτητα που κινείται το εργαλείο.

 

Κεφαλές, βαλβίδες κ.λπ.

Οι αυλοί εισαγωγής σχεδιάστηκαν κατά τρόπο ώστε να φθάνει η ογκομετρική απόδοση το αστρονομικό 145% -την ώρα που ένα γήινο πολυβάλβιδο ατμοσφαιρικό εργαλείο παλεύει για 95%. Οι βαλβίδες είναι από Τιτάνιο και η μεταξύ τους γωνία είναι 12,5⁰. Καθώς ανοίγουν, οι κεφαλές τους απομακρύνονται από τα τοιχώματα του κυλίνδρου, μειώνοντας έτσι τη «σκίαση» -τη θυμάστε πριν από πολλά τεύχη? Κατασκευαστικά, το πίσω μέρος της βαλβίδας εισαγωγής έχει 12⁰ γωνία με το πρόσωπο, της εξαγωγής 45⁰ και φυσικά τα σχήματα αυτά είναι απόρροια άπειρων μετρήσεων σε flow bench αλλά και δυναμομετρήσεων για επαλήθευση. Η βαλβίδα εξαγωγής έχει κεραμική επίστρωση αλλά κάποια ψήγματα φεύγουν -ανώδυνα- προς το χταπόδι, καθότι η θερμοκρασία εξαγωγής φθάνει συχνά και τους 1.000⁰. Γι’ αυτόν το λόγο, στο εσωτερικό των αυλών εξαγωγής είναι τοποθετημένα ατσάλινα «χιτώνια» που όμως αφήνουν ένα κενό από το τοίχωμα του αυλού για να περιορίζεται η μετάδοση της θερμοκρασίας και να μην καταπονείται περισσότερο θερμοκρασιακά η κεφαλή. Διάμετρος βαλβίδων εισαγωγής 40,4mm και εξαγωγής 33mm. Αντίστοιχα, το πάχος των μίσχων είναι 5,5 και 6,5mm και το φινίρισμά τους είναι καθρέφτης (όπως τα χιτώνια) για να μην υπάρχει διαρροή στα τσιμουχάκια από το πνευματικό σύστημα επαναφοράς των βαλβίδων που βρίσκεται σε πίεση 10bar. Το σύστημα τροφοδοτείται από μπουκάλα με πίεση 200bar, που τοποθετείται στο μοτέρ, γεμίζει μια φορά πριν από τον αγώνα και βγάζει άνετα την απαιτούμενη διάρκεια. Τα ωστήρια έχουν διάμετρο 31mm και το βύθισμα βαλβίδων είναι ένα τερατώδες 15,5mm στην εισαγωγή και ένα εξίσου τερατώδες 14,1mm στην εξαγωγή. Η διάρκεια του εκκεντροφόρου είναι 310⁰ και κινεί τις βαλβίδες με «κοκκοράκια». Οι οδηγοί και οι έδρες περιέχουν κάποιο ποσοστό Βηρυλλίου αλλά οι κανονισμοί το απαγόρευσαν και εκεί, όπως και σε άλλα εξαρτήματα (βλ. δαγκάνες) για λόγους κόστους. Ο λόγος εισαγωγής/εξαγωγής για τις βαλβίδες είναι 1,2 και στη σχέση αυτή έφθασαν ύστερα από πολλές δοκιμές που πήγαν μέχρι το 1,7 για τα ατμοσφαιρικά και το 1:1 για τούρμπο, όπου έχουμε δει αρκετά πετυχημένα μοτέρ με μεγαλύτερες βαλβίδες εξαγωγής.

Ξαναλέω ότι ο σκοπός συνοπτικής παρουσίασης/περιγραφής μερικών σημαντικών δειγμάτων κινητήρων είναι ο προβληματισμός του αναγνώστη για το πώς συνεργάζονται μεταξύ τους τα διάφορα εξαρτήματα και η συλλογιστική της επιλογής τους από τους σχεδιαστές/μηχανικούς. Πιστεύω ότι βλέποντας διαφορετικές λύσεις, ανοίγουν και οι δικοί μας τεχνικοί ορίζοντες πλουτίζοντας τη «βάση δεδομένων» που έχει ο καθένας μας διαθέσιμη στο μυαλό του.

Άντε να φεύγει και ο χειμώνας σιγά-σιγά, μπας και καταφέρουμε να τελειώσουμε και κανένα μοτέρ να φάμε και τα σλικάκια…