Ναυτικοί κινητήρες: Τόνωση της ροπής του κινητήρα

Ναυτικοί κινητήρες και ο ρόλος που παίζουν οι πολλαπλές εισαγωγής µεταβλητής γεωµετρίας.

«Ιπποδύναµη µπορούµε να βγάλουµε αρκετή από έναν κινητήρα, αλλά η ροπή δύσκολα βελτιώνεται». Μία διαπίστωση που συχνά ακούν οι πρωτοετείς µηχανολόγοι φοιτητές από τους καθηγητές τους στα µαθήµατα των Μηχανών Εσωτερικής Καύσης.

Ένα επιπλέον πρόβληµα είναι, ότι µε την άνοδο της ιπποδύναµης η ροπή µειώνεται δραµατικά στις χαµηλές στροφές. Αυτό είναι και το κύριο πρόβληµα στους ναυτικούς κινητήρες. Πρέπει να ωθήσουν ένα ταχύπλοο µέσα από το νερό και να το πλανάρουν γρήγορα ανεξάρτητα από το φορτίο του. Ταυτόχρονα να έχουν επιταχύνσεις που δεν απαιτούν υποµονή Θιβετιανού µοναχού!

Οι σχεδιαστές κινητήρων, µετά από µακρόχρονες έρευνες, έχουν καταλήξει σε κάποιες λύσεις που βελτιώνουν την ροπή στους 4χρονους κινητήρες. Σημείωση: Στους ρυπογόνους 2χρονους η ροπή είναι πλούσια. Τέτοιες λύσεις είναι:
• η προσθήκη ηλεκτρονικά ελεγχόµενου ψεκασµού καυσίµου
• τα συστήµατα µεταβλητού χρονισµού βαλβίδων (VVT και VTEC)
• ο µεγάλος κυβισµός
• η µεγάλη διαδροµή εµβόλων
• η χρήση τούρµπο ή υπερσυµπιεστή (βλέπε Verado)
• η χρήση περισσότερων από δύο γραναζιών για την επίτευξη κατάλληλων σχέσεων µετάδοσης στο πόδι, και άλλες.

∆υστυχώς οι περισσότερες από τις παραπάνω λύσεις αυξάνουν δραµατικά το βάρος, τον όγκο και την πολυπλοκότητα του κινητήρα.

Άλλη τεχνική λύση που θα εξετάσουµε στο παρόν άρθρο, είναι η χρήση πολλαπλών εισαγωγής µεταβλητού µήκους. Συνδυάζει τόσο την καλή αναπνοή του κινητήρα ψηλά, όσο και την επαρκή ροπή χαµηλά. Όταν µιλάµε για «πολλαπλή εισαγωγής», αναφερόµαστε στο τµήµα εκείνο του κινητήρα που παρεµβάλλεται µεταξύ του φίλτρου αέρα και του µπλοκ. Αυτό εισάγει τον αέρα εντός του κινητήρα. Συνήθως µοιάζει µε «χταπόδι», λόγω του χαρακτηριστικού σχήµατος των σωλήνων που µεταφέρουν τον αέρα. Παλαιότερα ήταν συνήθως µεταλλικές. Σήµερα προτιµώνται αυτές από φαινολικά πλαστικά, καθώς είναι ελαφρύτερες και πιο λείες εσωτερικά.

Ας δούµε λοιπόν πως προκύπτει αυτός ο πολύτιµος για τον κινητήρα συνδυασµός; Πως προσφέρει στους κινητήρες τους οποίους έχει τοποθετηθεί;

Τα «µυστήρια του αέρα» και η αντήχηση
Στους ατµοσφαιρικούς κινητήρες (χωρίς τούρµπο ή κοµπρέσορα), όταν ένα έµβολο κατεβαίνει προς τα κάτω, δηµιουργεί µία αναρρόφηση. Ένα ρούφηγµα, δηλαδή, ακριβώς όπως µία σύρριγγα. Με αυτόν τον τρόπο εισάγεται ο αέρας στο θάλαµο καύσης του κινητήρα, καθώς ανοίγει η εκάστοτε βαλβίδα -ή βαλβίδες- εισαγωγής.

Καθώς ο αέρας κινείται ταχύτατα εντός των σωληνώσεων της πολλαπλής, οι επιστήµονες παρατηρούν δύο πράγµατα:
• την υλική µετακίνηση µορίων αέρα (µία «τζούρα» αέρα να ταξιδεύει εντός των σωλήνων)
• και ηχητικά κύµατα πίεσης να διατρέχουν τις σωληνώσεις

Η µεν πρώτη κυµαίνεται από 60 έως 100 µέτρα ανά δευτερόλεπτο. Τα δε κύµατα πίεσης διασχίζουν τις σωληνώσεις µε την ταχύτητα του ήχου. Ο εισαγόµενος µέσα στον κινητήρα αέρας, συνεχίζει να µπαίνει µε ορµή λόγω αδράνειας. Ακόµη και αν το έµβολο κινηθεί πρός τα επάνω.

Σε κάποια περιοχή στροφών, η συχνότητα ταλάντωσης των ηχητικών κυµάτων βοηθάει στο να γεµίσει πληρέστερα ο κάθε κύλινδρος µε αέρα. Αυτό συμβαίνει καθώς αυτά ανακλώνται πάνω-κάτω. Το φαινόμενο αυτό λέγεται «φαινόµενο αντήχησης» – “RAM effect”. Πράγµα επιθυµητό καθώς ο αέρας διαθέτει κατά 21% περίπου οξυγόνο. ‘Aρα πραγµατοποιείται καλύτερα η καύση του µίγµατος αέρα-βενζίνης και µεγαλώνει η ιπποδύναµη και η ροπή.

Ο «βαθµός πλήρωσης» ή «ογκοµετρική απόδοση», εκφράζει την αναπνοή του κινητήρα. Ειδικότερα το ποσοστό του πραγµατικά εισερχόµενου αέρα σε σχέση µε το θεωρητικό, το οποίο θα έµπαινε υπό ιδανικές συνθήκες. Οι τελευταίες (ιδανικές συνθήκες) είναι σχεδόν «άπιαστες». Όταν ο αέρας θερµαίνεται εντός του κινητήρα και διαστέλλεται, έχει απώλειες φορτίου, καθώς τρίβεται µε τις διάφορες επιφάνειες κτλ.

Ένας µέσος κινητήρας έχει βαθµό πλήρωσης γύρω στο 85%. Οι κινητήρες αγώνων µετά από πολύ κόπο ξεπερνούν το 100%. Η τεχνολογία των υπολογιστών, βοήθησε τους τεχνικούς να το αλλάξουν αυτό, προσοµοιώνοντας και µελετώντας αυτά τα φαινόµενα.

Εκµεταλλευόµενοι το φαινόµενο αντήχησης, µε τα παλµικά κύµατα να λειτουργούν σαν ελατήριο εντός µίας πολλαπλής, σπρώχνουν τον αέρα εισαγωγής. Το αποτέλεσµα είναι πολλαπλές εισαγωγής «χρονισµένες» µε υπολογισµένες, µη τυχαίες διαστάσεις. Έτσι που επιτηδευµένα ευνοούν τη ροπή στις χαµηλές και µεσαίες στροφές λόγω της δυσκολίας του πλαναρίσµατος. Ειδικά στους εξωλέµβιους.

Σήµερα όλες οι εταιρείες εξωλέµβιων διαθέτουν χρονισµένες πολλαπλές (στη Φωτ.1 µία πολλαπλή µε µακριούς αυλούς σε µία Mercury F150 EFI). Με στόχο να αυξηθεί ο βαθµός πλήρωσης σε µία συγκεκριµένη περιοχή στροφών.

Πολλαπλή εισαγωγής µεταβλητού µήκους (µεταβλητή γεωµετρία) και πολλαπλή µε φαινόµενο αντήχησης
Οι «πολλαπλές εισαγωγής µε µεταβλητή γεωµετρία» διαφέρουν από τις «πολλαπλές εισαγωγής µε φαινόµενο αντήχησης». Όταν το µήκος των αυλών είναι µεγάλο και µε µικρή διάµετρο, ευνοείται η ροπή στις χαµηλότερες και µεσαίες στροφές. Αυτό συμβαίνει γιατί ο αέρας διανύει µεγάλη διαδροµή µε υψηλή ταχύτητα και µικρότερη συχνότητα ταλάντωσης. Επιπλέον κινείται οµοιογενώς και αδιάλειπτα εντός των σωλήνων (φλέβα ροής). Δηλαδή ακριβώς όπως τρέχει το νερό από τη βρύση µας.

Αν στις υψηλότερες στροφές οι σωλήνες είναι µακριοί και µικρής διαµέτρου, ο κινητήρας «ασθµαίνει». Τα έµβολα ανεβοκατεβαίνουν γρήγορα, µε µεγάλες απαιτήσεις σε αέρα. Απαιτήσεις ώστε να καεί το αντίστοιχο καύσιµο και να δώσει ο κινητήρας τη µέγιστη ιπποδύναµή του. Αντιθέτως στις υψηλές στροφές οι κοντοί σωλήνες µε µεγάλη διάµετρο ευνοούν την ιπποδύναµη. Είναι προφανές ότι σε κοντούς σωλήνες µεγάλης διαµέτρου ο αέρας ρέει ελεύθερα και µε µεγάλες παροχές. Συνθήκη ικανή για να καλυφθεί η αναπνοή του κινητήρα στο φουλ γκάζι.

Οι τεχνικοί γρήγορα αναγνώρισαν την ανάγκη να συνδυαστούν οι δύο «κόσµοι». Δηλαδή και αρκετή ροπή χαµηλά και ιπποδύναµη ψηλά. Για να εκµεταλλευθούν το φαινόµενο αντήχησης, οι επιστήµονες είδαν µετά από εκτενείς µελέτες ότι αυτό επιτυγχάνεται καλύτερα στους κινητήρες τύπου “Boxer” (επίπεδοι) ή τύπου “V”.  Λόγω της φύσης των διαδοχικών αναπνοών τους µπορούν να εκµεταλλευθούν τα συνεπαγόµενα κύµατα πίεσης, επιταχύνοντας τα ρεύµατα του αέρα εισαγωγής που διατρέχουν την πολλαπλή εισαγωγής.

Ο µουσικός που χειρίζεται µία τροµπέτα, µεταβάλλει τον όγκο αντήχησης πατώντας τα πλήκτρα της, ενώ αυτός που παίζει τροµπόνι, µεταβάλλει το µήκος του σωλήνα µε το χέρι του διαφοροποιώντας τον ήχο. 

Πολλαπλή εισαγωγής µεταβλητού µήκους σε εξωλέµβιους κινητήρες
Όλες οι παραπάνω τεχνολογίες, αναπτύχθηκαν εδώ και αρκετά χρόνια στον τοµέα των αυτοκινητιστικών κινητήρων. Τρανά παραδείγµατα αυτά της Volvo (850 GT-VVIS – Σχ.1– µε βαλβίδα ελέγχου υποπίεσης), της Citroen (ZX 1800), της Porsche (Varioram – Carrera 964 και 963), της Audi στους V8 FSI, της Toyota, της Honda µε περιστροφική βαλβίδα (Σχ.2), της Yamaha στη µοτό ΥΖF-R1 µε αυλούς εισαγωγής µεταβλητού µήκους (Φωτ.2), και άλλων κατασκευαστών.

Όλες αυτές οι τεχνολογικές εφαρµογές δε θα άφηναν ανεπηρέαστους και τους εξωλέµβιους κινητήρες, οι οποίοι για να έχουν µία επαρκή ιπποδύναµη ανάλογη των κυβικών, στερούνται ροπής χαµηλά όπως αναφέραµε παραπάνω, κάτι που εντείνεται λόγω έλλειψης κιβωτίου ταχυτήτων πολλαπλών σχέσεων, όπως δηλαδή σε ένα αυτοκίνητο.

Για να αυξηθεί η ροπή λοιπόν στις χαµηλές στροφές και να επιτευχθεί το πολυπόθητο πλανάρισµα, ορισµένοι κατασκευαστές όπως η Honda και η Suzuki πρόσθεσαν στο οπλοστάσιό τους πολλαπλές µεταβλητής γεωµετρίας. Η αρχή έγινε µε την ναυαρχίδα της Honda ΒF225 πριν από µία δεκαετία περίπου (αρχική φωτό και Φωτ.3), και συνεχίστηκε έως σήµερα στην νεοεµφανισθείσα BF 250, καθώς και στις µικρότερες BF 135 & 150 ΗΡ.

Το σύστηµα της Honda είναι κατασκευή της ιαπωνικής Mikuni, η οποία παράγει καρµπυρατέρ, αντλίες βενζίνης και άλλα εξαρτήµατα για κινητήρες. Οι τεχνικοί της Honda, αντί να χρησιµοποιήσουν απλά µία χρονισµένη πολλαπλή µε µακριούς σωλήνες για να βελτιώσουν τη ροπή χαµηλά, τοποθέτησαν στην κορωνίδα της γκάµας τους ένα θάλαµο αντήχησης µε διπλές πεταλούδες αέρα (Σχ.3), ώστε να µεταβάλλεται ο όγκος και η ταχύτητα του αέρα εισαγωγής.

Στις χαµηλές στροφές οι πεταλούδες είναι κλειστές (Σχ.4), διαχωρίζοντας το θάλαµο αντήχησης σε δύο ξεχωριστούς θαλάµους.

Με αυτόν τον τρόπο υποβοηθείται το φαινόµενο αντήχησης, για να αυξηθεί η πλήρωση των κυλίνδρων µε µίγµα καυσίµου-αέρα και να βελτιωθεί η διαθέσιµη ροπή χαµηλά και στις µεσαίες στροφές. Επειδή στις υψηλότερες στροφές το φαινόµενο αντήχησης µπορεί να µειώσει τη ροπή, η σχετική πεταλούδα ανοίγει ελεγχόµενα από τον εγκέφαλο και σχηµατίζεται ένας µονός θάλαµος αέρα, περιορίζοντας την αντήχηση και το στροβιλισµό εντός της πολλαπλής. Το αποτέλεσµα είναι ότι µε τις κοντές διαδροµές που διανύει ο αέρας αυξάνεται ο εισερχόµενος στους κυλίνδρους όγκος,  βελτιώνοντας τη ροπή και την ιπποδύναµη στις µέσες και υψηλές στροφές.

Μία αντίστοιχη λύση εφαρµόζεται και στα µεγάλα µοντέλα DF V6 της Suzuki. Το σύστηµα καλείται από τους τεχνικούς της Suzuki «πολυβάθµια πολλαπλή εισαγωγής», και ουσιαστικά φέρει σωλήνες µε κοντή και µακριά διαδροµή οι οποίοι ελέγχονται από µία σειρά πεταλούδων (6 στο σύνολο µε µία ανά κύλινδρο-Σχ.5 και Σχ.6). Στις χαµηλές στροφές του κινητήρα οι πεταλούδες είναι κλειστές  και ο αέρας εισάγεται από σωλήνες µακριάς διαδροµής, ευνοώντας την καύση στους κυλίνδρους και τη ροπή χαµηλά, ενώ στις υψηλότερες στροφές ανοίγουν οι πεταλούδες και ο αέρας ακολουθεί κοντή διαδροµή, ευνοώντας την άµεση εισαγωγή του αέρα για την επίτευξη καλύτερης αναπνοής στις υψηλές στροφές, και κατά συνέπεια και την παραγωγή µεγαλύτερης ιπποδύναµης από το να µην υπήρχε το σύστηµα. Στο Σχ.6 φαίνεται καθαρά στην κίτρινη περιοχή του διαγράµµατος µία εµφανής αύξηση της ροπής στις χαµηλές και µέσες στροφές.  

Σύστηµα Siemens VDO
Μία νεώτερη ανακάλυψη της Siemens VDO η οποία καλείται «πλήρωση µέσω ηλεκτρικών παλµών», αναπτύχθηκε τα τελευταία χρόνια απο τους τεχνικούς της κραταιάς εταιρείας. Πριν από κάθε κύλινδρο τοποθετείται µία ηλεκτρονικά ενεργοποιούµενη βαλβίδα (Σχ.7). Καθώς το έµβολο του εκάστοτε κυλίνδρου κατεβαίνει προς τα κάτω στη φάση της εισαγωγής, η ηλεκτροβαλβίδα είναι κλειστή καθώς σφραγίζει την εισαγωγή αέρα αυξάνοντας την υποπίεση. Πριν το έµβολο αναστρέψει την κίνησή του για να ξεκινήσει τη φάση συµπίεσης, η ηλεκτροβαλβίδα ανοίγει και η διαφορά πίεσης ωθεί µε ορµή τον αέρα εισαγωγής προς τον κύλινδρο µε την ταχύτητα του ήχου.

Η ταχύτατη εισαγωγή του αέρα ανακλάται στην κορώνα του κάθε εµβόλου, αναπτύσσοντας ένα αρνητικό επιστρεφόµενο κύµα πίεσης στο άνω τµήµα του κυλίνδρου. Η ηλεκτροβαλβίδα ξανασφραγίζει πριν το κύµα υψηλής πίεσης δραπετεύσει προς τα πίσω, αυξάνοντας έτσι τον όγκο του αέρα εισαγωγής στον κύλινδρο. Καθώς ο εγκέφαλος  ανοιγοκλείνει αστραπιαία την ηλεκτροβαλβίδα (σε χιλιοστά του δευτερολέπτου), αυτή η αυξηµένη πλήρωση αέρα γίνεται µέσα σε ένα από τους τέσσερις χρόνους του 4χρονου κινητήρα, αυξάνοντας την ροπή έως και 30% στις χαµηλές στροφές, σε σχέση µε την απουσία του συστήµατος.

Η αυξηµένη πλήρωση συντελεί στην καλύτερη καύση, στην αποµάκρυνση παραµένοντων ποσοτήτων καυσαερίων, στη µείωση θερµοκρασίας στους θάλαµους καύσης και την τάση του κινητήρα να παρουσιάσει κτύπους («πειράκια»). Το σύστηµα αυτό είναι ότι καλύτερο έχει να επιδείξει σήµερα η τεχνολογία των πολλαπλών εισαγωγής µεταβλητής γεωµετρίας.  

Συµπερασµατικά
Όλοι οι κατασκευαστές χρησιµοποιούν σήµερα προσεκτικά υπολογισµένες πολλαπλές εισαγωγής µε µακριούς σωλήνες, για να ευνοήσουν τη ροπή στις χαµηλές στροφές. Αυτό βέβαια έχει ένα τίµηµα για την αναπνοή του κινητήρα στις υψηλές στροφές, καθώς η πολλαπλή έχει σχεδιασθεί για ένα συγκεκριµένο εύρος στροφών. Αυτός είναι και ένας λόγος που οι ιπποδυνάµεις στους εξωλέµβιους ανάγονται σε χαµηλό σχετικά επίπεδο (γύρω στους 60-65 ίππους ανά λίτρο κυβισµού), για να υπάρχει πλουσιότερη ροπή χαµηλά. 

Οι πολλαπλές µεταβλητής γεωµετρίας και ιδιαιτέρως αυτές που εκµεταλλεύονται και το φαινόµενο της αντήχησης, συνδυάζουν και τους δύο κόσµους, δηλαδή ροπή χαµηλά και ιπποδύναµη ψηλά, µέσω πολλαπλών διαδροµών του αέρα εισαγωγής. Το αποτέλεσµα αυτό αποτελεί πόνηµα υψηλής τεχνολογίας, εκατοντάδων ερευνών και µελέτης των σχεδιαστών µηχανικών εντός των εργοστασίων. Τα παρατηρούµενα φαινόµενα ανάγονται στην επιστήµη της Μηχανικής Ρευστών, η οποία πραγµατεύεται τη ροή αερίων και υγρών εντός αγωγών.

Όπως βλέπουµε λοιπόν, τα συστήµατα αυτά δεν είναι τυχαία σχεδιασµένα, αλλά προσφέρουν µία γενναία αύξηση της ροπής, για αυτό και κοσµούν επάξια κάποια µεγάλα µοντέλα διαφόρων κατασκευαστών και πιθανά στο µέλλον να τα δούµε και σε µικρότερες ιπποδυνάµεις.