Νέα πατέντα Honda για VVT

Πιο σοφιστικέ σύστημα από το VTEC
Από τον

Λάζαρο Μαυράκη

10/1/2019

Ο μεταβλητός χρονισμός των βαλβίδων, είναι αναμφίβολα το trend της εποχής στην μοτοσυκλετιστική βιομηχανία και σε συνδυασμό με τις πιο αυστηρές προδιαγραφές των Euro5 που θα τεθούν σε εφαρμογή την επόμενη χρονιά, όλο και περισσότεροι κατασκευαστές στρέφονται προς αυτή την λύση. Η μέθοδος πάντως του μεταβλητού χρονισμού, δεν είναι κάτι καινούργιο στην τεχνολογία κινητήρων εσωτερικής καύσης, καθώς η φιλοσοφία της προσαρμογής του κύκλου των βαλβίδων σε συνάρτηση με τον ρυθμό περιστροφής του κινητήρα, είναι κάτι που έχει τις ρίζες του στην δεκαετία του 1920! Από τότε βέβαια χρειάστηκε να περάσουν σχεδόν 60 χρόνια για να αρχίσουν οι βιομηχανίες να επενδύουν πάνω στην συγκεκριμένη τεχνολογία, καθώς την δεκαετία του '80 άρχισε να μπαίνει σε εφαρμογή στα αυτοκίνητα. Για ιστορικούς λόγους να θυμίσουμε ότι το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων, ήταν το Alfa Romeo Spider του 1980.
Γιατί όμως είναι τόσο σημαντικός ο μεταβλητός χρονισμός των βαλβίδων και ιδιαίτερα στις μέρες μας που οι προδιαγραφές γίνονται όλο και πιο αυστηρές; Οι κινητήρες υψηλής απόδοσης –όπως για παράδειγμα αυτοί των superbikes- βασίζονται στην απόδοση της μέγιστης ισχύος μέσα σε συγκεκριμένα όρια. Χωρίς την βοήθεια ενός υπερσυμπιεστή (όπως συμβαίνει στο Η2 της Kawasaki), αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την αύξηση των στροφών. Εκεί πρέπει να αντιμετωπιστεί το θέμα του χρονισμού των βαλβίδων. Ένας κινητήρας που ανεβάζει πολλές στροφές χρειάζεται ένα μεγάλο overlap στις βαλβίδες (ο χρόνος δηλαδή που μένουν ανοιχτές ταυτόχρονα οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής στο τέλος της φάσης της εκτόνωσης). Αυτό βοηθά  στο να απομακρυνθούν τα καυσαέρια και ταυτόχρονα να γίνει η πλήρωση του θαλάμου με φρέσκο μείγμα. Το overlap λοιπόν αποδίδει εξαιρετικά στις υψηλές στροφές. Όταν όμως ο κινητήρας δουλεύει σε χαμηλές στροφές, αυτό το overlap μπορεί να επιτρέψει στο άκαυστο μείγμα να "δραπετεύσει" από τις βαλβίδες εξαγωγής πριν κλείσουν αυτές. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τις απώλειες στην απόδοση και τους αυξημένους ρύπους. Άρα είναι αναγκαίο ένα σύστημα που θα ρυθμίζει το overlap ανάλογα με το ρυθμό περιστροφής του κινητήρα.


H Honda εφάρμοσε την δική της προσέγγιση στα αυτοκίνητά της το 1989, το γνωστό VTEC που είχε να κάνει τόσο με τον χρονισμό, όσο και με το βύθισμα των βαλβίδων. Αυτό βέβαια δεν είχε σχέση με το VTEC που χρησιμοποίησε στις μοτοσυκλέτες, το οποίο ενεργοποιούσε ή απενεργοποιούσε σε ένα συγκεκριμένο ρυθμό περιστροφής ένα ζεύγος βαλβίδων. Με άλλα λόγια, μετέτρεπε τον κάθε κύλινδρο από διβάλβιδο σε τετραβάλβιδο.
Πριν από λίγες μέρες όμως, στις 3 Ιανουαρίου, η Honda κατέθεσε μία πατέντα που δείχνει ένα διαφορετικό σύστημα VVT που μοιάζει περισσότερο με το ShiftCam της BMW. Για να το περιγράψουμε απλά, ο κάθε κύλινδρος διαθέτει τέσσερις βαλβίδες, στις οποίες αντιστοιχούν δύο λοβοί των εκκεντροφόρων για κάθε μία από αυτές. Τα πιο ήπια έκκεντρα κινούν τις βαλβίδες στις χαμηλές στροφές, ενώ τα πιο "άγρια" αναλαμβάνουν δράση στους υψηλότερους ρυθμούς περιστροφής. Σε αντίθεση με το σύστημα της BMW που ουσιαστικά μετακινεί μόνο τους εκκεντροφόρους εισαγωγής, το VVT της Honda δρα και στους δύο εκκεντροφόρους (εισαγωγής/εξαγωγής). Κάθε εκκεντροφόρος έχει δύο άξονες (έναν εσωτερικό κι έναν εξωτερικό) με τα έκκεντρα να βρίσκονται πάνω στον εξωτερικό ο οποίος ολισθαίνει πάνω στον εσωτερικό άξονα. Η βασική διαφορά του συστήματος της Honda σε σχέση με αυτό που χρησιμοποιεί η BMW στον κινητήρα του S1000RR, είναι ότι αυτή η αρχιτεκτονική στην Honda είναι εφαρμοσμένη σε κάθε εκκεντροφόρο για κάθε κύλινδρο ξεχωριστά, ενώ η BMW το χρησιμοποιεί αυτό ανά ζεύγος κυλίνδρων.

Με δεδομένο λοιπόν ότι για να γίνει η μετάβαση από τον πιο ήπιο χρονισμό στον πιο άγριο θα πρέπει να συμβεί όταν οι βαλβίδες είναι κλειστές (που σε έναν τετρακύλινδρο εν σειρά πάντα μία εισαγωγής ή μία εξαγωγής είναι ανοιχτή κάθε στιγμή) καταλαβαίνουμε ότι το σύστημα της Honda έχει μεγαλύτερο "χρονικό παράθυρο" κι ευελιξία στο να κάνει την μετάβαση. Άλλη μια διαφορά είναι ότι το σύστημα που ενεργοποιεί την "ολίσθηση" στους εκκεντροφόρους της Honda είναι μεν πιο σοφιστικέ και πιο πολύπλοκο από της BMW, έχοντας όμως το πλεονέκτημα να μην μεγαλώνει τον όγκο που χρειάζεται το σύστημα.

Η πατέντα, όπως φαίνεται και από τα σκίτσα, αφορά έναν τετρακύλινδρο κινητήρα, για τον οποίο προς το παρόν μπορούμε μόνο να υποθέσουμε (με μια σχετική ασφάλεια), ότι αφορά το επόμενο CBR1000RR Fireblade που ευελπιστούμε να δούμε το 2020

Πως η Ducati βελτίωσε τα ιαπωνικά πλαίσια

Κατανοώντας την ελεγχόμενη παραμόρφωση
Μπάμπη Μέντη
Από τον

Μπάμπη Μέντη

20/7/2022

Επί ολόκληρες δεκαετίες το ζητούμενο των ιαπωνικών εργοστασίων μοτοσυκλετών ήταν η ακαμψία του πλαισίου. Χρησιμοποιώντας αποκλειστικά κινητήρες με έναν, δύο, τρεις ή τέσσερεις κυλίνδρους εν σειρά, τα ιαπωνικά εργοστάσια σχεδίαζαν για τις μοτοσυκλέτες παραγωγής ατσάλινα περιμετρικά πλαίσια από σωλήνες στρογγυλής διατομής, όπου το κάτω τμήμα τους ήταν αφαιρούμενο για εύκολη και γρήγορη τοποθέτηση του κινητήρα στις γραμμές παραγωγής.

Σε αυτή την “αδύναμη” αρχιτεκτονική του πλαισίου προς όφελος της ταχύτερης και φτηνότερης παραγωγής, έρχεται να προστεθεί και η “χαλαρή” σύνδεση του κινητήρα με το πλαίσιο λόγω του σχεδιασμού των κάρτερ, τα οποία ήταν οριζόντια χωρισμένα (λεπτομέρειες θα βρεις ΕΔΩ) και οποιαδήποτε ισχυρή σύνδεσή τους με το πλαίσιο θα προκαλούσε την καταστροφική καταπόνησή τους και πιθανότατα την καταστροφή του κινητήρα. Επιπρόσθετα, οι ιαπωνικοί δικύλινδροι εν σειρά και τετρακύλινδροι εν σειρά, έπασχαν από κραδασμούς δεύτερης τάξης λόγω χρονισμού του στροφάλου τους, κάνοντας συχνή τη χρήση ελαστικών βάσεων σύνδεσης του κινητήρα με το πλαίσιο.

Την ίδια εποχή, η Ducati και η Moto Guzzi μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τα στενά και ισχυρά κάρτερ των V2 κινητήρων τους ως ενεργό δομικό στοιχείο των πλαισίων τους, τα οποία μάλιστα ήταν κατασκευασμένα από χρωμιομολυβδενιούχο ατσάλι, το οποίο έχει εντελώς διαφορετικά χαρακτηριστικά από το κράμα μετάλλου που χρησιμοποιούσαν τα ιαπωνικά εργοστάσια. Μάλιστα οι Ιταλοί είχαν τεράστια πρακτική εμπειρία και εκατοντάδες εξειδικευμένους τεχνίτες που γνώριζαν κάθε μυστικό για την κατασκευή σωληνωτών πλαισίων από χρωμιομολιβδενιούχο ατσάλι, καθώς αυτή την τεχνική που ονόμαζαν Superleggera” (υπερελαφριά) χρησιμοποιούσαν για την κατασκευή πλαισίων αγωνιστικών αυτοκινήτων επί δεκαετίες. Ακόμα και οι τετρακύλινδρες εν σειρά μοτοσυκλέτες των Ιταλών (Gilera, MV Agusta, Benelli) είχαν πολύ πιο ισχυρά πλαίσια από τις ιαπωνικές μοτοσυκλέτες, διότι ο σχεδιασμός των πλαισίων τους ακολουθούσε κατά γράμμα τη σχεδίαση των αγωνιστικών μοτοσυκλετών τους, αδιαφορώντας για την εύκολη και γρήγορη τοποθέτηση του κινητήρα στις γραμμές παραγωγής και σπανίως είχαν αφαιρούμενα τμήματα. Επίσης οι Ιταλοί αδιαφορούσαν για κάποιες λεπτομέρειες στο σχεδιασμό των πλαισίων τους, όπως ας πούμε η απευθείας σύνδεση του πλαϊνού σταντ πάνω στα κάρτερ του κινητήρα, που είχε ως αποτέλεσμα το βάρος της μοτοσυκλέτας να “ανοίγει” τα ζεστά-μαλακά κάρτερ μετά από κάθε βόλτα και να προκαλεί διαρροές λαδιού…

Οι Ιταλοί σχεδίαζαν και κατασκεύαζαν πλαίσια έχοντας στο μυαλό τους μόνο την συμπεριφορά της μοτοσυκλέτα στη γρήγορη (αγωνιστική) οδήγηση, ενώ οι Ιάπωνες είχαν στο μυαλό τους τη διαδικασία παραγωγής και την πρακτικότητα.

 

Έως τα μέσα της δεκαετίας του ’70, τα ελαστικά των μοτοσυκλετών ήταν στενά και οι πίστες είχαν πολλές ευθείες και λίγες ανοιχτές στροφές. Η ανάγκη να πλαγιάζουν οι μοτοσυκλέτες ήταν μικρή, οπότε η μοναδική δουλειά που είχε να κάνει το πλαίσιο μιας μοτοσυκλέτας έως τότε ήταν η σταθερότητα στην ευθεία με υψηλές ταχύτητες.

Ένα απόλυτα άκαμπτο πλαίσιο και το χαμηλό κέντρο βάρους ήταν το μόνο που χρειαζόσουν, κάτι που βόλευε τα ιαπωνικά εργοστάσια με τους τεράστιους σε όγκο αερόψυκτους τετρακύλινδρους κινητήρες να είναι χαμηλά τοποθετημένοι, ενώ τα μακριά  μεταξόνια και οι μεγάλης διαμέτρου τροχοί βοηθούσαν τον τομέα της σταθερότητας.

Άλλωστε δεν είναι τυχαίο πως τη δεκαετία του ’70 έγιναν τόσο δημοφιλή τα “Monocoque” πλαίσια με την απόλυτη ακαμψία και τις μηδενικές ελαστικότητες.

Τα προβλήματα για τους Ιάπωνες άρχισαν να εμφανίζονται όταν τα ελαστικά των μοτοσυκλετών έγιναν slick στους αγώνες ταχύτητας και ταυτόχρονα άρχισαν να γίνονται όλο και πιο φαρδιά στις μοτοσυκλέτες παραγωγής.

Το ανώτερο επίπεδο κρατήματος των ελαστικών επέτρεψε στις μοτοσυκλέτες να πλαγιάζουν περισσότερο και με μεγαλύτερες ταχύτητες και έβαλε μέσα στο παιχνίδι τη συμπεριφορά της μοτοσυκλέτας στις στροφές.

Τα Ιαπωνικά πλαίσια παραγωγής δεν μπορούσαν πλέον να ανταπεξέλθουν σωστά σε αυτές τις νέες απαιτήσεις. Ήταν η χρυσή εποχή για τις ευρωπαϊκές βιοτεχνίες κατασκευής πλαισίων, που έφτιαχναν ισχυρότερα πλαίσια από χρωμιομολυβδενιούχο ατσάλι, χωρίς τους περιορισμούς που είχαν οι Ιάπωνες από την διαδικασία μαζικής βιομηχανικής παραγωγής. Εταιρείες όπως η ιταλική BIMOTA και η βρετανική HARRIS έβγαλαν περιουσίες έως και το τέλος της δεκαετίας του ’80.

Η πρώτη ιαπωνική εταιρεία που προσπάθησε να σχεδιάσει ένα πλαίσιο παραγωγής για τις ανάγκες της νέας εποχής ήταν η Yamaha με το FZ 750, βάζοντας στο στόμα μας τις λέξεις Genesis και Deltabox. Η φιλοσοφία “Genesis” ήθελε το μπλοκ τον κυλίνδρων να γέρνει εμπρός στις 45⁰ μεταφέροντας το βάρος του κινητήρα κοντά και χαμηλά στον εμπρός τροχό για σταθερότητα στις υψηλές ταχύτητες, ενώ την ίδια στιγμή ο εμπρός τροχός έγινε μόλις 16” από 18-19” για μείωση του γυροσκοπικού φαινομένου, αλλά και για να κρατηθεί η γωνία κάστερ και το μεταξόνιο σε λογικά επίπεδα προς όφελος της ευελιξίας.

Η λέξη Deltabox περιέγραφε το τριγωνικό σχήμα του πλαισίου από σωλήνες τετραγωνικής διατομής και ήταν εμπνευσμένο από τα δίχρονα YZR 500 των GP.

Πρακτικά αυτή η αρχιτεκτονική είχε μεγαλύτερο όφελος στις ευθείες και ελάχιστο στις στροφές, διότι το πολύ χαμηλό κέντρο βάρους δεν βοηθά την ευελιξία και ο τροχός των 16” δεν έχει ομοιογενή συμπεριφορά. Έτσι η τελευταία εξέλιξη των πλαισίων Genesis χρησιμοποιούσε τροχούς 17”, ενώ το 1988 η Kawasaki με το ZXR 750 και το κάθετο μπλοκ κυλίνδρων του κινητήρα της, έγινε το πρότυπο των ιαπωνικών τετρακύλινδρων superbike έως την εμφάνιση της Yamaha R1 με το tri-axes κιβώτιο, που μίκρυνε ακόμα περισσότερο το μήκος του κινητήρα, επιτρέποντας τη χρήση μακρύτερου ψαλιδιού.

Όλα αυτά τα χρόνια που οι Ιάπωνες πειραματίζονταν με δεκάδες διαφορετικά είδη πλαισίων, προσπαθώντας να ακολουθήσουν την εξέλιξη των ελαστικών, οι Ιταλοί συνέχιζαν να κατασκευάζουν πλαίσια με τα ίδια υλικά και την ίδια αρχιτεκτονική που χρησιμοποιούσαν επί δεκαετίες…

Και απ’ ότι κατάλαβε πρώτη η Honda αντιμετωπίζοντας τις Ducati 851/888 και 916 στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα Superbike, οι “νεροσωλήνες” των Ιταλών ήταν πολύ ανώτεροι από τα εντυπωσιακής εμφάνισης ογκώδη αλουμινένια πλαίσια των εργοστασιακών RC 30 και RC 45. Με τα slick ελαστικά να έχουν πλέον εντυπωσιακού επιπέδου κράτημα και τις μοτοσυκλέτες να πλαγιάζουν συνεχώς πάνω από τις 55⁰ στις στροφές, οι αναβάτες των Honda έβλεπαν μπροστά τους τις Ducati να “κυματίζουν” οριακά πλαγιασμένες μέσα στη στροφή, ακολουθώντας τις ανωμαλίες της ασφάλτου και να ανοίγουν πολύ νωρίτερα το γκάζι στις εξόδους. Την ίδια στιγμή τα εντελώς άκαμπτα αλουμινένια “δοκάρια” των ιαπωνικών μοτοσυκλετών χοροπηδούσαν πάνω από τις ανωμαλίες της ασφάλτου, καταπονώντας υπερβολικά τα ελαστικά τους, κάνοντας εύκολο το σπινάρισμα στο άνοιγμα του γκαζιού και την ίδια στιγμή οι αναβάτες είχαν ελάχιστη αίσθηση για το επίπεδο πρόσφυσή τους.

Ο λόγος που τα πλαίσια των Ducati κατάφερναν να είναι άκαμπτα όταν η μοτοσυκλέτα ήταν όρθια στην ευθεία και να αποκτούν χαρακτηριστικά ανάρτησης όταν η μοτοσυκλέτα πλάγιαζε υπερβολικά, έχει να κάνει κυρίως με την μακροχρόνια τεχνογνωσία των Ιταλών “Μαστόρων” στην κατασκευής πλαισίων από “νεροσωλήνες” χρωμομολυβδένιου.

Το συγκεκριμένο κράμα έχει συγκεκριμένες ιδιότητες “ελαστικότητας” και αν ξέρεις σε ποιο μήκος να κόψεις τον κάθε σωλήνα και πώς να τους ενώσεις μεταξύ τους, τότε μπορείς να επιτύχεις με πολύ μεγάλη ακρίβεια τη συμπεριφορά του στις δυνάμεις που ασκούνται πάνω του από διαφορετικές κατευθύνσεις.

Άλλωστε δεν είναι καθόλου τυχαίο πως όλα τα εργοστάσια κατασκευής πλαισίων για αγωνιστικά go-kart είναι ιταλικά και φυσικά φτιάχνονται από “νεροσωλήνες” ίδιους με των ιταλικών μοτοσυκλετών, διότι τα go-kart δεν έχουν αναρτήσεις και το πλαίσιό τους είναι εκείνο που έχει το ρόλο ανάρτησης.

Επίσης αν ξέρεις πόσο μήκος, πόσο πάχος, πόση διάμετρο και σε πιο σημείο να κολλήσεις τους “νεροσωλήνες” μπορείς να έχεις σε κάθε πίστα ένα ειδικά σχεδιασμένο πλαίσιο ή με μερικές αλλαγές στους σωλήνες τοπικά να επιτύχεις την ακαμψία ή την ελαστικότητα που θέλεις, στο σημείο που θέλεις!

Κι αυτό ακριβώς έκανε τότε η Ducati στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα WSBK, όπου είχε πάντα μαζί της σε κάθε αγώνα έναν “μαστρο-συγκολλητή” για να προσαρμόζει τα πλαίσια στις ανάγκες της συγκεκριμένης πίστας.

Προφανώς η Honda δεν μπορούσε να έχει χυτήριο και πρέσες για να φτιάχνει επί τόπου διαφορετικά αλουμινένια πλαίσια…

Το αποτέλεσμα αυτής της εμπειρίας της Honda από τους αγώνες του WSBK τη δεκαετία του ‘90, ήταν η παρουσίαση του CBR 600 F4, της πρώτης Ιαπωνικής μοτοσυκλέτας με αλουμινένιο πλαίσιο το οποίο είχε “ελεγχόμενες ελαστικότητες” και ταυτόχρονα χρησιμοποιούσε τον κινητήρα ως ενεργό τμήμα του πλαισίου (Pivotless).

Σήμερα, την ίδια ακριβώς φιλοσοφία ακολουθεί η Ducati στα MotoGP σχεδιάζοντας καλάμια πιρουνιού, ψαλίδια και monocoque πλαίσια από carbon - ένα υλικό υψηλής τεχνολογίας, το οποίο σου επιτρέπει να επιτύχεις συγκεκριμένα χαρακτηριστικά ελαστικότητας σε συγκεκριμένα σημεία του… αν φυσικά ξέρεις πώς να το κάνεις!