Tech Cyclopedia:Εκκεντροφόροι & Χρονισμός

sv2gww · 18-01-11, 20:45

ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Δεν θα μπω σε ιστορικές διαδρομές σχετικά με το εξάρτημα που λέγεται εκκεντροφόρος. Λίγο πολύ όλοι γνωρίζουν ότι ο εκκεντροφόρος υπάρχει από καταβολής γέννησης του 4χρονου κινητήρα εδώ κι έναν αιώνα από τον κύριο Otto.
Το τι κάνει είναι επίσης γνωστό. Πως όμως και γιατί είναι κάτι που γενικώς είναι άγνωστο στον απλό οδηγό και κάποιες φορές ακόμα και στους τεχνικούς που θέλουν να αποκαλούνται «μάστορες».

O ρολος του εκκεντροφορου

Για να μπορέσουμε να βάλουμε τα πράγματα σε μια λογική σειρά θα πρέπει να ξεκινήσουμε από μερικούς απλούς κανόνες. Έχουμε ένα βενζινοκίνητο μοτέρ με ατμοσφαιρική τροφοδότηση, ένα έμβολο, δύο εκκεντροφόρους επικεφαλής και δύο βαλβίδες στο σύνολό τους. Σαν να έχουμε μια παλιά τετράχρονη μοτοσικλέτα ενός κυλίνδρου. Δεν θα κάνω λόγο για καύσιμο diesel γιατί θέλω να αναφερθώ σε μείγμα κι όχι σε αέρα.
Ο εκκεντροφόρος υπάρχει για να παρέχει τη σωστή δόση καυσίμου ανά στροφή κινητήρα στον θάλαμο καύσης αλλά και για να απομακρύνει τα κατάλοιπα της καύσης. Η σωστή δοσολογία του μείγματος προς καύση εξαρτάται από την διάμετρο της βαλβίδας (σε mm), την βύθιση της βαλβίδας κατά την λειτουργία της (σε mm), την διάρκεια κατά την οποία θα μείνει αυτή ανοικτή (σε μοίρες ˚ θέσεως στροφαλοφόρου), την πίεση εισαγωγής -υπέρ ή υποπίεση- του μείγματος, την θερμοκρασία του και σαφώς την ταχύτητα περιστροφής του μοτέρ. Από τους παραπάνω παράγοντες οι τρεις πρώτοι είναι σταθεροί ενώ οι άλλοι μπορούν να μεταβληθούν ανά πάσα στιγμή και με οποιαδήποτε σειρά.

Εκκεντροφορος εν δρασει
Αν αφήσουμε τη βαλβίδα στη ησυχία της, εννοώντας το εμβαδόν της, τότε μας μένει ο εκκεντροφόρος. Ο άξονας αυτός που έχει τόσα «εξογκώματα-μύτες» όσες είναι και οι βαλβίδες που ανοιγοκλείνει, χαρακτηρίζεται από κάποια νούμερα που δηλώνουν το βύθισμα της βαλβίδας και την διάρκεια που αυτή θα μείνει ανοικτή (πατημένη) απ’ αυτόν. Η διάρκεια, όπως έγραψα παραπάνω, μετριέται σε μοίρες στον στρόφαλο και υπάρχουν δύο τιμές γι’ αυτή την παράμετρο: την μέτρηση κατά SAE όπου η βαλβίδα έχει αρχίσει να ανοίγει περισσότερο από 6 χιλιοστά της ίντσας μέχρι να ξανακάτσει στην έδρα της και την πραγματική διάρκεια ανοίγματος η οποία ορίζεται από την απομάκρυνσή της κατά 5 εκατοστά της ίντσας, το άνοιγμά της και το κλείσιμό της ΕΩΣ την απόσταση των 5 εκατοστών της ίντσας πριν να κλείσει τελείως.

Εύλογα θα ρωτήσει κάποιος «προς τι όλη αυτή η ιστορία με τις μοίρες και τις αποστάσεις».... Αυτά τα στοιχεία όμως κάνουν τη διαφορά !! Όταν η KENT Cams δίνει για έναν εκκεντροφόρο διάρκεια ανοίγματος 285˚ στην πράξη το ωφέλιμο πεδίο είναι ΜΟΛΗΣ 235˚!!! Αν λοιπόν θέλει κάποιος να υπολογίσει την γωνία επικάλυψης μεταξύ των δύο εκκεντροφόρων (εισαγωγής και εξαγωγής) τότε θα πρέπει να ξέρει απολύτως τις τιμές αυτές.
Και τι είναι η γωνία επικάλυψης? Ή όπως λέμε κι εμείς οι Έλληνες overlap??

Περι overlap , λογος...
Overlap είναι η γωνία θέσεως στροφαλοφόρου όπου οι δύο εκκεντροφόροι κρατούν ανοικτές τις βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής κατά την διάρκεια της εξαγωγής των καυσαερίων. Κι όμως... Όταν το πιστόνι έχει διώξει τα καυσαέρια κι αρχίζει να κινείται ξανά προς τα κάτω (ATDC = after top dead centre = μετά το Άνω Νεκρό Σημείο) και αρχίζει να ανοίγει η βαλβίδα εισαγωγής για τον επόμενο κύκλο έργου η βαλβίδα εξαγωγής μένει για ελάχιστες μοίρες μετέωρη, ανοικτή για τον εξής λόγο: το κύμα καυσαερίων που ταξιδεύει ταχύτατα προς τα έξω δημιουργεί από πίσω του ένα κενό, μια «στήλη» υποπίεσης, το οποίο το εκμεταλλευόμαστε ώστε να μπει όσο το δυνατόν περισσότερο και ταχύτατα φρέσκο μείγμα μέσα στον θάλαμο καύσης. Αν κλείναμε την βαλβίδα εξαγωγής ακόμα ΚΑΙ κατά το άνοιγμα της βαλβίδας εισαγωγής θα είχαμε γκρεμίσει κυριολεκτικά τον ...τάφο του Otto!

Θα σας φέρω ένα απλό παράδειγμα. Τρέχουμε να πιάσουμε κάποιον μέσα σε ένα κτήριο, το οποίο σε κάθε πόρτα έχει κι έναν πορτιέρη. Δεν πρέπει να πιάσουμε εμείς κανένα πόμολο, καμιά πόρτα... Τρέχουμε λοιπόν προς την ορθάνοικτη πόρτα για να διαβούμε την επόμενη που μόλις μας έχουν ανοίξει. Όλα καλά, τίποτα δεν ανακόπτει την ορμή μας. Λίγο παρακάτω όμως μας έχουν ανοίξει ξανά την πόρτα και ξαφνικά βλέπουμε μπροστά μας μια κλειστή πόρτα που ΘΑ ανοίξει. Όλη μας η φόρα, όλη η ορμή και ενέργεια σβήνουν με μιας εμπρός σε μια πόρτα που άνοιξε λίγα εκατοστά του δευτερολέπτου ΜΕΤΑ την «ώρα» της... Άντε τώρα να ξαναεπιταχύνεις!

Γιατί όλος αυτός ο τεράστιος πρόλογος?
Μα φυσικά για να σας βάλω μέσα στο μυαλό αυτών των ανθρώπων που συνέλαβαν, υλοποίησαν και εξέλιξαν τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού των εκκεντροφόρων!!
VANOS, Valvetronic, VVT, VTC κλπ κλπ κλπ έχουν σαν βάση μερικά απλά πράγματα τα οποία καθορίζουν αν ένα μοτέρ θα δουλέψει σωστά, θα είναι επιδόσεων ή οικονομικό, θα μπορεί ή όχι να έχει τούρμπο, θα μπορεί ή όχι να έχει ΚΑΙ σωστό ρελαντί άλλα και να ανεβάζει στροφές σαν ηλεκτρικό μοτέρ και μύρια άλλα.
Μεταξύ αυτών με τα παραπάνω που θα αναλύσω διεξοδικά ευθύς αμέσως θα μπορέσει να γίνει κατανοητό ένα άλλο μέρος της λειτουργίας των μοτέρ: αυτό της ανάφλεξης, των αισθητήρων εκκεντροφόρων και στροφαλοφόρου καθώς επίσης και της ανάγκης του τέλειου χρονισμού. Συνέχεια όλων αυτών είναι το αβάνς (ή προπορία) και το ρετάρντ (βραδυπορία) και τι είναι τέλος πάντων αυτά τα «πειράκια»!!

sv2gww · 21-01-11, 01:14

Χωρίς λοιπόν να μπούμε σε «ψιλά γράμματα» σχετικά με γωνίες και αποστάσεις -παρά μόνο όπου δεν γίνεται κουραστικό και είναι αναγκαίο- θα πάμε στον χρονισμό των εκκεντροφόρων. Ο τετράχρονος κινητήρας λοιπόν, με τους δύο εκκεντροφόρους, πρέπει επιτέλους να πάρει εμπρός και να αποδώσει τα δέοντα. Έχουμε λοιπόν τον κύκλο της εισαγωγής - συμπίεσης - έκρηξης/καύσης- εκτόνωσης και πάλι απ’ την αρχή. Είδαμε περίπου πως ότι καθορίζει το «ύφος» του μοτέρ παίζεται στο τέλος της εκτόνωσης και στην αρχή της εισαγωγής.
Είναι γνωστό εδώ και πολλές δεκαετίες ανά τους κατασκευαστές & βελτιωτές ότι για να έχουμε έναν κινητήρα επιδόσεων πρέπει να έχουμε έναν ή πολλούς εκκεντροφόρους με μεγάλο overlap. Αν ο χρόνος ανοίγματος της βαλβίδας παραταθεί οριακά τότε θα αυξηθεί η υποπίεση εισόδου του καυσίμου, οπότε κι αυτό θα μπει με περισσότερη ορμή στον θάλαμο καύσης. Αυτό σημαίνει καλύτερη περιδίνηση και αυτή με τη σειρά της προσφέρει καλύτερη καύση. Αυτά προϋποθέτουν μια άρτια μελετημένη εξάτμιση από την αρχή έως το τέλος και επίσης μια καλοσχεδιασμένη πολλαπλή εισαγωγής. Και πολλά άλλα, αλλά ας μην ξεχνάμε ότι κάναμε λόγο για μοτέρ επιδόσεων. Για ένα μοτέρ αυτοκινήτου καθημερινής χρήσης που να ‘ναι και οικονομικό οι ρυθμίσεις αλλάζουν, όπως επίσης αλλάζει όλη η σχεδίαση του μοτέρ, γιατί στο φινάλε θα ήταν μάταιη η πολλαπλή εξαγωγής τύπου «χταποδιού» για τη διαδρομή σπίτι-δουλειά-σχολείο-super market-σπίτι… Τι γίνεται όμως όταν τα θέλουμε όλα? Μα… μας λένε πλεονέκτες! Επειδή όμως μας αρέσει το γεγονός ότι είμαστε πλεονέκτες οι σχεδιαστές εδώ και αρκετά χρόνια έχουν βαλθεί να βρουν τη χρυσή τομή μεταξύ αγωνιστικού και καθημερινού αυτοκινήτου με κατανάλωση καυσίμου ίδιας με ενός Honda XR 250 του ’92, με χώρους Jumbo 747 σε διαστάσεις ενός Smart και πολλών άλλων παράδοξων και οξύμωρων. Σε ότι έχει να κάνει με την κυλινδροκεφαλή υπήρξαν λύσεις ακόμα και στην πολλαπλή εισαγωγής η οποία ήταν μεταβλητού μήκους (Alfa Romeo V6, περί το ’85), ή ακόμα πιο πίσω με την Porsche να παρουσιάζει περί τα τέλη του ’50 το δεσμοδρομικό σύστημα βαλβίδων (κι όχι η DUCATI!!!) ή με εσωτερική πεταλούδα μέσα στην πολλαπλή εισαγωγής που ανοιγόκλεινε ανάλογα με τις στροφές του μοτέρ (BMW M5 E34 2nd Edition) αλλά όλα αυτά ήταν απλά τρικ. Τρικ μπροστά σ’ αυτά που ακολούθησαν. 1η η Honda με το σύστημα REV για την CBR 400F του ’83 για την αμερικάνικη αγορά παρουσίασε υδραυλικό σύστημα ελέγχου βαλβίδων εισαγωγής, προάγγελο των VTEC, VVTi, VCI, DCVP, DVVT κι ένα σωρό «τι». Αρκεί όμως η ιστορία και συγνώμη εάν δεν έχω αναφέρει σχεδόν τίποτα για ότι έχει γίνει μέχρι στιγμής, γιατί τίποτα δεν φύτρωσε από μόνο του.

Η ουσία είναι πως όλα αυτά τα συστήματα που αλλάζουν την διάρκεια και την γωνία του ανοίγματος και κλεισίματος των βαλβίδων υπάρχουν για να δώσουν άλλον χαρακτήρα στο ίδιο το μοτέρ αναλόγως των περιστάσεων. Από το ρελαντί έως λίγο πιο κάτω από τις μέσες στροφές ομαλή και οικονομική λειτουργία κι γραμμικά προς τα πάνω ένα κύμα ισχύος να βγαίνει από εκεί που δεν το περιμένει κανείς. Πως συμβαίνει όμως αυτό? Εφ’ όσον το έχουν βρει άλλοι, είναι πλέον απλό εμπρός στα μάτια μας. Υδραυλικά κυκλώματα, ηλεκτρονικά ελεγχόμενα, μεσολαβούν μεταξύ του εκκεντροφόρου και του γραναζιού κίνησής του ή ακόμα και δευτερεύοντες εκκεντροφόροι ηλεκτρομηχανικά οδηγούμενοι

(Valvetronic) αλλάζουν τα στοιχεία που προαναφέραμε. Έτσι λοιπόν στις χαμηλές στροφές όπου θέλουμε ροπή σχεδόν από τη μίζα το overlap των εκκεντροφόρων είναι μεταξύ 35 ̊ και 45 ̊ και βαθμιαία ανεβαίνει έως και τις 60 ̊. Τα μικρά ανοίγματα βοηθούν στη ροπή και την οικονομία του καυσίμου ενώ τα μεγάλα ανοίγματα αποδίδουν το μέγιστο της ιπποδύναμης με ταχύτατο ανέβασμα των στροφών αλλά, με πραγματική σπατάλη του καυσίμου.

Το τελευταίο συμβαίνει γιατί δεν έχουμε μονοκύλινδρα μοτέρ. Όταν υπάρχει πολλαπλή εξαγωγής με ενιαίους αυλούς τότε μέρος των καυσαερίων μπορούν να περάσουν μέσα από άλλες βαλβίδες εξαγωγής που είναι ακόμα ανοικτές. Κι αυτός είναι ο λόγος που οι εξατμίσεις τα τελευταία δέκα-δώδεκα χρόνια -τουλάχιστον στην BMW- δεν είναι μονοκόμματες από μαντέμι αλλά μοιάζουν όλο και περισσότερο σ’ αυτές των μοτοσικλετών. Ακόμα περισσότερη είναι η διαφοροποίηση στους κινητήρες υψηλών επιδόσεων Μ ή turbo. Κι αν ακόμα δεν υπάρχει το παραπάνω φαινόμενο ένα μέρος του νεοεισερχόμενου μείγματος φεύγει μαζί με τα καυσαέρια.

Όποιος θέλει να δει από περιέργεια τι πάει να πει εξάτμιση ας μπει στο http://www.webericsson.jp Είναι Ιαπωνικό σάιτ αλλά οι εικόνες μιλάνε από μόνες τους… Αυτού του είδους τα κατασκευάσματα μπορούν να κάνουν ακόμα και τον πιο τεμπέλικο ίππο του μοτέρ να ξυπνήσει!