Tune it Βαλβίδες κεφαλής

Ήρθαν και οι διακοπές -για τους τυχερούς- και σας βρίσκω με το περιοδικό στο χέρι? Μπράβο αφοσίωση, έτσι σας θέλω! Λέω σήμερα να κολυμπήσουμε λίγο πιο βαθειά στις βαλβίδες (μοιάζει μήπως με …Μαλδίβες?) για να δούμε μερικά μυστικά, που δεν κυκλοφορούν και πολύ. Η κουβέντα για βαλβίδες είναι συνήθως συνέχεια της κουβέντας για καπάκια, αυλούς κλπ. Ας αρχίσουμε, λοιπόν, με ένα μύθο, που όλοι μας πιστέψαμε και μπορεί ακόμα να πιστεύουμε: Οι μεγάλες βαλβίδες ευνοούν στα high rpm και βλάπτουν στα χαμηλά. Κύριοι! Δεν είναι αλήθεια! Μία μεγάλη βαλβίδα μπορεί να κάνει άριστη δουλειά και ψηλά και χαμηλά! Όταν είναι κλειστή, ο κύλινδρος δεν την «βλέπει» καθόλου, οπότε δεν έχει και κάποιο συγκεκριμένο μέγεθος. Όταν αρχίσει να ανοίγει, πχ μισό χιλιοστό από την έδρα της, ο κύλινδρος την «βλέπει» σαν πολύ μικρή. Το πραγματικό της μέγεθος αρχίζει να γίνεται αντιληπτό μόλις ανοίξει περίπου στο 25% της διαμέτρου της. Είναι λογικό ή όχι να βάλουμε τη μεγαλύτερη βαλβίδα, που χωράει σε ένα θάλαμο και να ρυθμίσουμε τη μέγιστη ροή του εισερχόμενου μείγματος ελέγχοντας το βύθισμα? Αν κάνουμε κάτι τέτοιο, θα ταλαιπωρείται λιγότερο το μοχλικό σύστημα που κινεί τη βαλβίδα, τα ελατήρια κλπ. Στην πραγματικότητα οι κυρίαρχες διαστάσεις στην εισαγωγή και εξαγωγή, που ορίζουν -και περιορίζουν- ισχύ και ροπή σε συγκεκριμένες στροφές, είναι οι διατομές των αυλών και όχι το μέγεθος των βαλβίδων. Το πλεονέκτημα των μεγάλων βαλβίδων είναι ότι, καθώς ανοίγουν, προσδίδουν πολύ μεγαλύτερη δυνατότητα «αναπνοής» στον κύλινδρο απ’ ότι θα έδινε μια μικρότερη βαλβίδα. Όταν, βέβαια, λέμε μεγάλες βαλβίδες δεν εννοούμε στα όρια της σκίασης, έτσι? Να θυμίσω ότι «σκίαση» είναι ο περιορισμός της ροής, που γίνεται, όταν τα τοιχώματα του θαλάμου είναι πολύ κοντά στη βαλβίδα καθώς αυτή ανοίγει και δεν έχει πολύ ελεύθερο χώρο το μείγμα να περάσει. Μια μεγάλη, λοιπόν, βαλβίδα με μικρό σχετικά βύθισμα μπορεί να έχει τα ίδια χαρακτηριστικά ροής με μια μικρότερη βαλβίδα, που ανοίγει σε μεγαλύτερο βύθισμα, αλλά και με μεγαλύτερη επιτάχυνση. Σίγουρα, στη δεύτερη περίπτωση, ταλαιπωρείται περισσότερο ο μηχανισμός κίνησης της βαλβίδας -εκκεντροφόρος, ωστήρια, ελατήρια- και αυξάνονται οι φθορές αλλά και οι ανάγκες για συντήρηση. Πηγαίνοντας πάλι στη μεγάλη βαλβίδα, βρίσκουμε ότι μας επιτρέπει να «βγάλουμε» τη μεγαλύτερη ισχύ και στο μεγαλύτερο τόξο στροφών. Ίσως ο φίλος μου ο Γιώργος Σεβδαλής να έχει δει καλύτερη ροή παντού στο flowbench βάζοντας μεγαλύτερες βαλβίδες σε κάποιο καπάκι, αλλά να είδε στη συνέχεια και μείωση της ισχύος στις χαμηλές στροφές στο δυναμόμετρο. Αν και τα αποτελέσματα δεν μπορούν να αμφισβητηθούν, τα πράγματα είναι λίγο διαφορετικά. Στην πραγματικότητα, η ροή κατά το overlap (ταυτόχρονο άνοιγμα βαλβίδων εισαγωγής-εξαγωγής) έχει αλλάξει τελείως, ξεφεύγοντας πολύ από την αρχική συμπεριφορά του καπακιού. Πάντα, όταν αυξάνεται η ροή σε τέτοιες περιπτώσεις, πρέπει να αλλάζει και ο χρονισμός, το «άνοιξε/κλείσε» των βαλβίδων. Μόνο έτσι θα μπορούσαμε να κάνουνε σύγκριση πριν και μετά τις μεγάλες βαλβίδες. Κοντολογίς, πρέπει να στοχεύουμε στις βαλβίδες, που δίνουν τη μέγιστη ροή, τελεία και παύλα, όπως λένε. Αυτό που μένει να δούμε, είναι πως διαλέγουμε τα σχετικά μεγέθη εισαγωγής/εξαγωγής.  

 

Εδώ είναι το ζουμί…

Τώρα προσέξτε, γιατί μπαίνουμε σε θέματα, που δεν θα βρείτε πουθενά αλλού. Τέτοιες συζητήσεις, εξηγούν –εν μέρει- πως μπορούν να βγουν 150 ίπποι/λίτρο (!) από 2βάλβιδα μοτέρ και αντίστοιχα 200 ίπποι/λίτρο από 4βάλβιδα. Μιλάμε για …κουφά νούμερα, έτσι? Το σχετικό μέγεθος των βαλβίδων -αλλά πιο συγκεκριμένα η σχέση ροής εισαγωγής/εξαγωγής-  σχετίζεται άμεσα με το λόγο συμπίεσης. Πριν, δηλαδή, μιλήσουμε για μεγέθη βαλβίδων, πρέπει να εξερευνήσουμε λίγο το λόγο συμπίεσης. Η αύξησή του μπορεί να δώσει πολύ περισσότερα απ’ ότι πιστεύουν οι περισσότεροι …αυλικοί αλλά και οι επιστήμονες, που τους καθοδηγούν –άσε ρε Φονσέ, αφού δεν είσαι μέσα, τι φωνάζεις? Ας πούμε, για παράδειγμα, ότι τα 150 από τα περίπου 1330 ατμοσφαιρικά άλογα αγωνιστικού μοτέρ 8.2 λίτρων οφείλονται στον πολύ ψηλό λόγο συμπίεσης …16:1. Φυσικά, αυτό είναι εφικτό μόνο με τη βενζίνη των 110 οκτανίων στην προκειμένη περίπτωση. Μη νομίζετε, όμως, ότι οι καλές καθημερινές μας βενζίνες δεν παίζουν για κάτι καλύτερο! Αν πιστεύετε ότι πηγαίνοντας πάνω από 13:1 δεν κερδίζετε τίποτα, έχετε λάθος και το πιθανότερο είναι να μη ξέρετε πώς μπορείτε να εκμεταλλευθείτε το επιπλέον κέρδος. Αν πραγματικά ασχοληθείτε και κατανοήσετε την επίδραση του λόγου συμπίεσης στο καθημερινό ή αγωνιστικό σας εργαλείο, μπορεί και να κερδίσετε εύκολα από 10 και -σε μερικές περιπτώσεις- ακόμα και 20 ίππους/λίτρο! Νομίζω ότι μάλλον κέντρισα την προσοχή σας!

 

Βασικές αρχές…

Η αύξηση του λόγου συμπίεσης αυξάνει την απόδοση σε όλη την κλίμακα των στροφών, αλλά και βελτιώνει την οικονομία καυσίμου. Αν ταυτόχρονα με την αύξηση του λόγου συμπίεσης τοποθετήσουμε και εκκεντροφόρο με περισσότερες μοίρες διάρκεια, το αποτέλεσμα θα είναι ανώτερο από ότι θα ήταν με την κάθε μια κίνηση ξεχωριστά. Με την αύξηση του λόγου συμπίεσης, αυξάνεται η μέγιστη πίεση της καύσης. Χονδρικά, η μέγιστη αυτή πίεση είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερη (εκφραζόμενη σε λίμπρες) από το λόγο συμπίεσης. Σε μοτέρ πχ με 10:1, η πίεση καύσης είναι 1000psi (69bar καθότι 1bar = 14.5psi). Δεν χρειάζεται και πολλή σκέψη για να αντιληφθούμε τα μεγέθη, που παίζουν, με την αύξηση του λόγου συμπίεσης. Μόνο στο 12:1 αν πάμε, η πίεση γίνεται 1200psi, περίπου 83bar! Αυτό, όμως, που δεν είναι τόσο γνωστό, είναι ότι η αύξηση του λόγου συμπίεσης συνεπάγεται και αύξηση της θερμικής απόδοσης του μοτέρ! Σημείωση: Θερμική απόδοση είναι το πόσο αποδοτικά μετατρέπει τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε μηχανική το μοτέρ. Αυτό μπορούμε να το καταλάβουμε πολύ εύκολα εξετάζοντας λίγο το διάγραμμα πιέσεων του μοτέρ. Αυτό είναι το περίπου ανάποδο από το λόγο συμπίεσης και δείχνει τι συμβαίνει στον κύλινδρο, καθώς το έμβολο κατεβαίνει ύστερα από την ώθηση, που παίρνει από την έναυση και καύση του μείγματος –δεν λέω έκρηξη, γιατί η καύση είναι κάτι ελεγχόμενο σε αντίθεση με την έκρηξη. Ας παρατηρήσουμε το σχήμα. Οι δύο καμπύλες αντιπροσωπεύουν την πτώση πίεσης στον κύλινδρο σε δύο περιπτώσεις, η μία με λόγο συμπίεσης 2:1 και η άλλη με λόγο 15:1. Ας υποθέσουμε προς στιγμή ότι και οι δυο κύλινδροι αρχίζουν την εκτόνωση με μία πίεση 1000psi από το ΑΝΣ. Καθώς κατεβαίνουν τα έμβολα, η πίεση στο εσωτερικό του κυλίνδρου για το καθένα είναι τελείως διαφορετική. Η πτώση πίεσης στην περίπτωση του 15:1 είναι ταχύτατη! Όταν δε το έμβολο φτάσει κοντά στο ΚΝΣ, ο 15:1 κύλινδρος έχει κάποια πίεση 25psi, ενώ ο 2:1 βρίσκεται στa 260psi! Από αυτά τα νούμερα, συμπεραίνουμε ότι μόλις ανοίξουν οι βαλβίδες εξαγωγής, ο 15:1 έχει να διώξει μόλις το 2.5% της αρχικής του πίεσης, ενώ ο 2:1 το 26%!! Ακριβώς αυτός είναι ο λόγος, που ο ψηλός λόγος συμπίεσης βγάζει περισσότερα άλογα και με λιγότερη κατανάλωση. Μένει τώρα όπως είπαμε, να καθορίσουμε τα σχετικά μεγέθη των βαλβίδων εισαγωγής/εξαγωγής στο διαθέσιμο χώρο του θαλάμου καύσης. Όπως είδαμε στο διάγραμμα πιέσεων, με τον ψηλό λόγο συμπίεσης αποδίδεται πολύ γρήγορα ένα μεγάλο μέρος της διαθέσιμης ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι ανοίγοντας νωρίς τη βαλβίδα εξαγωγής με την ψηλή συμπίεση δεν δημιουργεί απώλεια χρήσιμης πίεσης -αφού το μεγαλύτερο ποσοστό της έχει εξαντληθεί πλέον. Άρα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μικρότερη βαλβίδα εξαγωγής και να την κρατήσουμε ανοιχτή για λίγες ακόμα μοίρες, σαν αντιστάθμισμα της μικρότερης διαμέτρου. Μια μικρότερη δε βαλβίδα εξαγωγής αφήνει περισσότερο χώρο στο θάλαμο για μεγαλύτερη βαλβίδα εισαγωγής και καλύτερη επομένως «αναπνοή». Αυτή η κίνηση βελτιώνει την απόδοση στις ψηλές στροφές, χωρίς να τη βλάψει χαμηλά. Από δοκιμές, που έχουν γίνει στο θέμα και με λόγο συμπίεσης 8:1, μία καλή αναλογία σε διάμετρο βαλβίδων είναι 80% (η εξαγωγή δηλαδή είναι το 80% της εισαγωγής). Όταν ο λόγος συμπίεσης ανέβει στο 15 ή 16:1, η αναλογία κατεβαίνει στο 68%. Σε πιο …ανθρώπινους λόγους συμπίεσης 12:1, η αναλογία πάει στο 72-75%. Ελπίζω οι διάφοροι επιστήμονες να αφιερώσουν λίγο χρόνο από τη …σημαντική έρευνά τους και να διαβάσουν αυτές τις γραμμές. Η BMW, σε αρκετά μοντέλα της, χρησιμοποιεί βαλβίδες 46/38 και 47/38mm (εισαγωγή/εξαγωγή) αρκετά χρόνια τώρα -είπαμε η BMW, όχι ο …Μήτσος. Γιατί τότε, ρε μάγκες, εμένα με κράζετε, όταν βάζω ακριβώς τα ίδια μεγέθη σε Άλφα Ρομέο? Όχι τίποτε άλλο, αλλά θα έπρεπε οι βαλβίδες εξαγωγής να είναι ακόμα μικρότερες -άλλο αν έχουμε πρόβλημα με τις έδρες, γι’ αυτό δεν το ’χω κάνει ακόμα! Δεν λέω, «κράζεις-θαυμάζεις», αλλά σκέψου πριν κράξεις -μην τα ξορκίζουμε όλα σαν … «παπαριές».   

 

Λόγος συμπίεσης…  Τι κερδίζουμε?

Υπάρχει θεωρητικός τύπος, που προσδιορίζει τη θερμική αποδοτικότητα του μοτέρ σε συνάρτηση με το λόγο συμπίεσης. Για να μη μπερδεύεστε με κομπιουτεράκια στην παραλία, μπορείτε να δείτε τα νούμερα στον πίνακα. Πολύ εύκολη η χρήση του, μας λέει τι κέρδος έχουμε πηγαίνοντας από ένα χαμηλότερο λόγο συμπίεσης σε έναν ψηλότερο. Βρείτε τον αρχικό σας λόγο κάτω στην οριζόντια γραμμή. Βρείτε το μελλοντικό σας λόγο αριστερά στην κάθετη γραμμή και το κέρδος βρίσκεται στο κουτάκι, που συναντώνται τα δύο νούμερα. Για παράδειγμα, αν το εργαλείο από τη μαμά του έχει 10:1 και θέλετε να πάτε στο 13:1, το θεωρητικό κέρδος σε απόδοση είναι 6.6%. Ναι αλλά, κάθε φορά που μιλάμε για θεωρητικό κέρδος, ξέρουμε ότι δεν θα το πιάσουμε ολόκληρο και η πράξη αυτό δείχνει πάντα. Ένα κλασσικό λίγο γαργαλημένο 2λιτρο μοτέρ με λόγο συμπίεσης 9:1, έχει περίπου 17,6kgm ροπή. Ανεβάζοντας το λόγο συμπίεσης στο 12:1 θα έπρεπε να πάει στα περίπου 19,0 κατ’ ελάχιστο. Για να δούμε, όμως, και τι επίδραση έχει ο εκκεντροφόρος σ’ αυτήν την ιστορία. Στις χαμηλές στροφές, ο στατικός/θεωρητικός λόγος συμπίεσης δεν ισχύει, διότι η βαλβίδα εισαγωγής σαφώς και κλείνει μετά το ΚΝΣ. Έτσι, δεν μπορούμε ποτέ να υπολογίζουμε με βάση τον κανονικό όγκο του κυλίνδρου, ο οποίος πλέον καταντά θεωρητικό μέγεθος -θα τρελαθούμε, μάστορα! Η πραγματικότητα, μας ωθεί στον υπολογισμό με βάση το δυναμικό λόγο συμπίεσης (ή απλά δυναμική συμπίεση).

 

Δυναμικός λόγος συμπίεσης…     

Στις χαμηλές στροφές, το εισερχόμενο στον κύλινδρο μείγμα δεν έχει σχεδόν καθόλου αδράνεια και η ποσότητά του εξαρτάται αποκλειστικά από την αναρρόφηση του κατερχόμενου εμβόλου. Όταν όμως το έμβολο περάσει το ΚΝΣ και αρχίσει να ανεβαίνει, η βαλβίδα εισαγωγής είναι ακόμα ανοιχτή… Φυσικό επακόλουθο να βγει έξω μέρος του εισερχόμενου μείγματος -αναστροφή μείγματος. Η ογκομετρική απόδοση, λοιπόν, στο σημείο αυτό είναι αρκετά κάτω από το 100% (100% έχουμε, όταν το εισερχόμενο μείγμα έχει ίσο όγκο με τον κύλινδρο). Δηλαδή, ένας κύλινδρος 500cc με λόγο συμπίεσης 10:1 μπορεί στις χαμηλές στροφές να βάλει μόνο 420cc μείγματος. Ο λόγος δυναμικής συμπίεσης τότε γίνεται 8.5:1 από το θεωρητικό 10:1. Όσο πιο μπαμπούλας γίνεται ο εκκεντροφόρος,  τόσο μεγαλώνει και η διαφορά μεταξύ του στατικού και δυναμικού λόγου συμπίεσης. Ας δούμε, για παράδειγμα, τρείς περιπτώσεις με διαφορετικούς εκκεντροφόρους στο ίδιο μοτέρ, που φαίνεται στο σχέδιο. Αν ο στατικός λόγος συμπίεσης είναι 12:1, με 300⁰ εκκεντροφόρο ο δυναμικός λόγος  συμπίεσης πέφτει γύρω στα 8:1, με 275⁰ γίνεται περίπου 10.4:1 και με 250⁰ λίγο πάνω από 11:1. Τώρα πια ο 300αρης εκκεντροφόρος μας δεν δείχνει και πολύ μάγκας, έτσι δεν είναι? Σε πρακτική εφαρμογή, υπάρχει ένας άγραφος κανόνας, που μπορούμε να ακολουθούμε για να διαπιστώσουμε τα παραπάνω. Αν, μετρώντας τη συμπίεση με τον κλασσικό τρόπο (γυρίζοντας μίζα με ζεστό μοτέρ) δείτε πάνω από 215-220psi, το μοτέρ είναι πολύ καλό. Αν δείτε ~225-240psi, είναι …μπόμπα και άντε για καμιά βουτιά, τέλος η μελέτη για σήμερα! Α… και τα νούμερα αυτά με σωστό πιεσόμετρο, έτσι? Βέβαια, με τέτοια νούμερα συμπίεσης, καλά θα κάνετε να ψαχτείτε πάρα πολύ με το χάρτη του αβάνς, αλλιώς βλέπω να τραγουδάτε «Πυροτεχνήματα» με την Παπαρίζου…