Tune it Part 32: Κινητήρες F1 vs Nascar

Ήρθε με τη σειρά του ο καλός καιρός και αναθαρρήσαμε κι εμείς που μπερδευόμαστε, άλλοι λίγο και άλλοι περισσότερο, με τα μοτέρ και το ατέλειωτο ψάξιμο για αυτό το… «κάτι παραπάνω» που ελπίζουμε να δούμε στο -σωστό- δυναμόμετρο. Τι σχέση έχει ο καιρός με την όρεξη, θα μου πείτε. Δεν ξέρω, αλλά πολλά projects αρχίζουν μόλις ανθίζει η φύση -όπα, να και ο… καλλιτέχνης! Οπότε αυτό το μήνα θα εμβαθύνουμε σε πρωτοκλασάτα αγωνιστικά μοτέρ για να φτιάξουμε και εμείς κάνα σοβαρό εργαλείο… Δεν χρειάζεται να είναι ίδια ούτε και στο περίπου, αλλά όλο και κάτι θα προσέξουμε που να σχετίζεται με το δικό μας... πυρηνοκίνητο χρέπι! Είπα, λοιπόν, στο part 32 να παρουσιάσω ένα συγκριτικό δυο εκπροσώπων της top αυτοκίνησης, αλλά από δυο τελείως διαφορετικές κατηγορίες, τις NASCAR Cup και F1, της περασμένης, μάλιστα, δεκαετίας -όχι τούρμπο και ιστορίες V6.

Ας μπούμε, λοιπόν, στις ιδιαιτερότητες με κάποια λεπτομέρεια για να αρχίσει ο... προβληματισμός και η καταγραφή των πιθανών χρήσιμων ιδεών που ενδέχεται να μας αφορούν. Προ δεκαετίας περίπου, τα μοτέρ και στις δυο κατηγορίες είχαν φτάσει στα όρια των στροφών τους, 10.000 στροφές για τα NASCAR και 20.000 για τη F1 -αν και με τους κανονισμούς τα όρια αυτά άλλαξαν στα επόμενα χρόνια, όμως δεν είναι κάτι που μας απασχολεί σήμερα. Πιο κάτω, θα δούμε καθαρά γιατί η διαφορά στροφών είναι τόσο μεγάλη.

Στρόφαρε καλό μου!

Το μοτέρ F1 της εποχής λοιπόν, ήταν V8 με περιεχόμενη γωνία 90^ο και συνολική χωρητικότητα 2.400cc. Ο στρόφαλος έπρεπε να είναι επίπεδος, οι κύλινδροι σε κέντρα 106,5mm και η διάμετρος 98mm, οι εκκεντροφόροι τέσσερις με ωστήρια, 4βάλβιδα καπάκια, ηλεκτρονική διαχείριση και ελάχιστο βάρος 95kg. Κάτι που δεν είναι ίσως πολύ γνωστό είναι πως η FIA απαιτούσε κάθε μοτέρ να έχει διάρκεια ζωής τουλάχιστονγια δυο κομπλέ αγώνες, μαζί με τα δοκιμαστικά, ένα σύνολο, δηλαδή, 1.350 περίπου χιλιομέτρων. Έτσι, λοιπόν, μπόρεσαν να βγάλουν περίπου 755 άλογα πάνω από τις 18.000rpm, με ροπή 290Nm στις 17.000rpm. Αυτά μεταφράζονται σε 315 ίππους/λίτρο και 15,17bar μέση ενεργό πίεση (BMEP).

Ο κόσμος του NASCAR από την άλλη πλευρά του Ατλαντικού, έχει πολύ περισσότερους περιορισμούς, ο βασικότερος των οποίων είναι ότι πρέπει το μαντεμένιο V8 μπλοκ να προέρχεται από κινητήρα παραγωγής με έναν εκκεντροφόρο στο κέντρο, επίπεδα ωστήρια διαμέτρου 22,2mm, 2βάλβιδα καπάκια, ένα τετραπλό καρμπιρατέρ και ανάφλεξη με ντιστριμπιτέρ. Η μέγιστη διάμετρος των κυλίνδρων είναι 106,3mm και ο κυβισμός 5.860cc. Βάρος κινητήρα: περίπου 260kg. Η διάρκεια ζωής του πρέπει εδώ να καλύπτει ολόκληρο αγώνα και δοκιμές, για ένα σύνολο περίπου 1.300 χιλιομέτρων, αφού ο κάθε αγώνας είναι 480-800 χιλιόμετρα. Με τα στοιχεία αυτά, έβγαζαν 820-830 άλογα στις 9.000rpm και ροπή 72Nm στις 7.500rpm. Κατά τη διάρκεια του αγώνα, οι στροφές ήταν πάντα μεταξύ 7.000-10.000rpm. Οι επιδόσεις αυτές μεταφράζονται σε νούμερα 140 ίππων/λίτρο και 15,12bar μέση πίεση. Συγκρίνοντας τα δυο μοτέρ σε στροφές μέγιστης ισχύος, η F1 έχει 14,6bar και το NASCAR 14bar. Για σκεφθείτε, όμως, την τεράστια διαφορά τεχνολογίας των δυο τύπων… πολυβάλβιδο το ένα με ηλεκτρονικό ψεκασμό vs 2βάλβιδο με ένα εκκεντροφόρο και καρμπιρατέρ… Βλέπουμε, όμως, ότι οι διαφορές στους σημαντικότατους αυτούς όρους αξιολόγησης της απόδοσης κινητήρων είναι ελάχιστες!

Για πάμε τώρα στο στροφάρισμα. Η μέση ταχύτητα εμβόλου της F1 στις στροφές μέγιστης ισχύος είναι 25,5m/sec, ενώ στο ταπεινό μαντέμι 24,8m/sec. Στα κόκκινα, όμως, η F1 έχει 26,5 και το μαντέμι φτάνει το πραγματικά εκπληκτικό όριο των 27,5m/sec!

Επειδή είναι πολλοί εκείνοι που υποβαθμίζουν τις «αμερικανιές» σε ό,τι αφορά την τεχνολογία κινητήρων, ας πάμε να συγκρίνουμε και τις κινήσεις των εμβόλων στα δύο μοτέρ. Το διάγραμμα που παρατίθεται είναι πολύ διαφωτιστικό διότι δείχνει ότι και τα δυο μοτέρ δουλεύουν στην κόψη του ξυραφιού, όπως λέμε. Οι καμπύλες που βλέπετε είναι η μέση ταχύτητα και η επιτάχυνση των δυο εμβόλων, στις 10.000rpm το ένα και 20.000rpm το άλλο. Ο κάθετος άξονας είναι σε “g” (μονάδα επιτάχυνσης) και ο οριζόντιος σε μοίρες στροφάλου. Υπάρχουν αρκετά σημεία άξια προσοχής. Το πρώτο είναι ότι αν και οι στροφές της F1 είναι διπλάσιες από του NASCAR Cup, η ταχύτητα εμβόλου στο μαντέμι είναι 5% μεγαλύτερη από τη F1. Επειδή η F1 έχει μεγαλύτερο λόγο μπιέλας/διαδρομής, η μέγιστη ταχύτητα εμβόλου παρατηρείται στις 79,5⁰ πριν και μετά το ΑΝΣ (κοντά στα μισά της διαδρομής), ενώ το μαντέμι την έχει στις 76,5⁰ πριν και μετά. Ο λόγος μπιέλας/διαδρομής επηρεάζει αρκετά το σχήμα της καμπύλης επιτάχυνσης κοντά στο ΚΝΣ. Η F1 καταγράφει μέγιστη επιβράδυνση στο ΚΝΣ, ενώ το μαντέμι έχει κάποια σταθερότητα για ±26⁰ από το ΚΝΣ. Αν υποθέσουμε ότι ο πίρος είναι στο κέντρο, η μέγιστη επιτάχυνση παρατηρείται στο ΑΝΣ με τον εφελκυσμό στο μέγιστο κατά το ταυτόχρονο άνοιγμα των βαλβίδων (overlap), καθότι δεν υπάρχει το «μαξιλάρι» της συμπίεσης σαν φρένο, όπου η συμπίεση/καύση αναπτύσσουν πιέσεις της τάξης των 85-90bar, συμπιέζοντας το δίδυμο εμβόλου/μπιέλας.

Η μεγάλη διαφορά στη μέγιστη επιτάχυνση των εμβόλων οφείλεται φυσικά στις διπλάσιες στροφές της F1. Στα κόκκινα, η F1 έχει μέγιστη επιτάχυνση 10.622g, όταν το μαντέμι έχει 5.821g, ενώ οι ταχύτητες εμβόλων είναι συγκρίσιμες. Ναι, αλλά το σημαντικό στοιχείο εδώ είναι η δύναμη που ασκεί το έμβολο στην μπιέλα. Στη F1 με το έμβολο των 295 γραμμαρίων, η δύναμη που ασκείται στον πίρο είναι 10.622g x 295gr = 3.133kg, ενώ το παλινδρομικό σύνολο (έμβολο και ποσοστό μπιέλας) ασκεί μια τάση περίπου 4.036kg στο σώμα της μπιέλας, κάτι παραπάνω δηλαδή από 4 τόνους!

Συγκριτικά, στο μαντέμι το έμβολο και τα ελατήρια ζυγίζουν περίπου 500 γραμμάρια. Στις 10.000rpm η δύναμη που ασκείται στον πίρο είναι 5.821g x 0,5kg = 2.911kg, μόλις 7% λιγότερο από τη F1. Ομοίως, το παλινδρομικό σύνολο ασκεί μια τάση 3.725kg στο σώμα της μπιέλας, δηλαδή 8% λιγότερο από τη F1.

 

Σύγκριση μπιελών F1 vs NASCAR Cup

Για να έχει νόημα μια σύγκριση μπιελών των δυο υπερκινητήρων της σημερινής μελέτης μας, πρέπει να εξετάσουμε μοντέλα των δυο μπιελών. Σίγουρα οι πραγματικές αντίστοιχες μπιέλες έχουν άλλο σχήμα αλλά για το σκοπό μας αρκεί το απλοποιημένο/κλασικό που βλέπετε. Για το NASCAR, το μέταλλο είναι σαφώς από ειδικό κράμα σιδήρου (ατσάλι) με πολύ νικέλιο, κοβάλτιο και ελάχιστο άνθρακα. Το μήκος κέντρο/κέντρο είναι 157,5mm, ο πίρος 20mm και το κομβίο 47mm. Το ελάχιστο βάρος είναι 525 γραμμάρια. Στη F1 συνήθως είναι από τιτάνιο με κέντρα 102mm, 34mm κομβίο, πίρο 18mm και βάρος περίπου 285 γραμμάρια.

Εφόσον η αντοχή του τιτανίου δεν είναι αρκετά μεγάλη, το χρησιμοποιούμενο κράμα είναι τελείως ειδικό και αν σας ενδιαφέρει, έχει προσμίξεις με στοιχεία 6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr0.25Si –έτσι, για τους περίεργους. Εκτός, βέβαια, από το υλικό, έχουν γίνει πάμπολλες εξομοιώσεις με FEA σε υπολογιστή (μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων).

Αν και η ονομαστική τάση εφελκυσμού είναι γενικά μεγαλύτερη στη F1, η τάση που υπολογίζουμε για το σώμα της μπιέλας είναι μικρότερη από ό,τι στο NASCAR, λόγω της σημαντικά μεγαλύτερης διατομής (276mm²  vs 193mm² του NASCAR). Τα πρόγραμμα υπολογισμού μας έδωσε την εξής εικόνα για τις εφαρμοζόμενες τάσεις στις δυο μπιέλες, οι οποίες φαίνονται στις κλίμακες αριστερά.

 

Συμπεράσματα

Ας θυμηθούμε λίγο ότι η μέγιστη ισχύς που μπορεί να βγάλει ένα μοτέρ εξαρτάται από δυο παραμέτρους:

α) Πόσο βάρος αέρα καταναλώνει ανά δευτερόλεπτο και β) την ειδική κατανάλωση καυσίμου (BSFC) που έχει. Η ποσότητα του αέρα εξαρτάται και από το πόσο ψηλά μπορεί να στροφάρει, σε συνδυασμό βέβαια με την αποδοτικότητα (καλό σχεδιασμό) του συστήματος εισαγωγής, προφίλ εκκεντροφόρου, αριθμό/απόδοση βαλβίδων κ.λπ. Το BSFC περιέχει στοιχεία όπως η θερμιδική απόδοση του καυσίμου, ο λόγος αέρα/βενζίνης -το γνωστό afr- θερμική/μηχανική απόδοση, σχέδιο θαλάμου καύσης κ.λπ.

Η εισερχόμενη μάζα αέρα εξαρτάται από: α) Πυκνότητα αέρα και β) την ογκομετρική απόδοση (VE). Με 100% VE, ο όγκος αέρα που μπαίνει στο μοτέρ είναι ανάλογος με: στροφές x κυβισμό / 2. Ας ονομάσουμε αυτό τον αέρα ως ΡΑΝ (potential air flow) και έχουμε:

 

PAN = (rpm / 1000) x (κυβικά ÷ 2)

Είναι ενδιαφέρον να εξετάσουμε τη σχέση μεταξύ της παραγόμενης ισχύος και ΡΑΝ. Ας ονομάσουμε ένα μέγεθος ως Συντελεστή Απόδοσης Κινητήρα (Engine Performance Coefficient - EPC) που σε συνεργασία με τα υπόλοιπα μεγέθη (BMEP, BSFC, MPS) βοηθά να συσχετίσουμε διαφορετικά μοτέρ. Ο συντελεστής EPCπεριλαμβάνει όλες τις σχεδιαστικές ιδιαιτερότητες.

 

EPC =Μέγιστη ισχύς / ΡΑΝ

Συνδυάζοντας και μεταθέτοντας τους όρους έχουμε:

 

EPC = (Μέγιστη ισχύς x 2.000) / (rpmx κυβικά σε ίντσες)

Στη μέγιστη ισχύ, η F1 έχει:

 

EPC = 755 x 2.000 / (19.250 x 146,46) = 0,536

Αντίστοιχα, το NASCARέχει:

 

EPC = 825 x 2.000 / (9.000 x 357,65) = 0,513

Για προσέξτε τώρα πόσο λίγο απέχουν τα χαρακτηριστικά νούμερα της απόδοσης των δυο μοτέρ! Το καημένο το μαντέμι βρίσκεται μόνο 4,3% πιο κάτω από την ανώτερη έκφραση της motorsport αυτοκίνησης! Αν δε ξαναθυμηθούμε τον ένα εκκεντροφόρο με τα θεόμακρα ωστήρια, τις δυο βαλβίδες και κυρίως το… καρμπιρατέρ, νομίζω ότι μάλλον πρέπει να αναθεωρήσετε ριζικά τη γνώμη σας για τις… αμερικανιές και κυρίως για τους… καουμπόηδες επιστήμονες που τα σχεδιάζουν!

Στον πίνακα που ακολουθεί, μπορείτε να δείτε μια αρκετά λεπτομερή σύγκριση του NASCAR και της F1 σε ό,τι αφορά τα σημαντικά μεγέθη των δυο μοτέρ, καθώς και τα υπολογισμένα μεγέθη για τις σημαντικές παραμέτρους που εξετάσαμε με κάποια λεπτομέρεια. Δεν ξέρω για σας, αλλά εγώ σίγουρα εντυπωσιάζομαι από το μαντέμι και σκέπτομαι τι θα έβγαζε σε πολυβάλβιδη μορφή και ηλεκτρονική διαχείριση… Έχουν, βέβαια, γίνει τέτοιες δοκιμές και πολλοί μαγκίτες κυκλοφορούν τέτοια εργαλεία. Τα αποτελέσματα ήταν τα αναμενόμενα, με πάνω από 1.000 άλογα -χωρίς νίτρα και σαλίγκαρους- και ροπή να οργώνει μπετόν! Δεν είναι δα και μαγικά, όλα είναι αποτέλεσμα μελέτης, υπολογισμών και δοκιμών, κάτι σαν εμάς, να πούμε, με τα… Playmobile μας! Άσε που όπως θα έχετε ακούσει πολλοί: thereisnosubstituteforcubicinches-εκεί που δεν ξέρουν τι είναι τα… τεκμήρια και οι φόροι πολυτελείας!