Από τον
Μπάμπη Μέντη
29/8/2022
Όποιον κι αν ρωτήσεις στις μέρες μας θα σου πει χωρίς δεύτερη σκέψη πως ο πιο αποδοτικός θάλαμος καύσης για έναν κινητήρα είναι εκείνος που έχει τέσσερις βαλβίδες αντί για δύο. Αρκεί μια γρήγορη ματιά στα τεχνικά χαρακτηριστικά των ισχυρότερων μοτοσυκλετών παραγωγής του κόσμου και θα διαπιστώσεις αμέσως πως όλοι οι τετράχρονοι κινητήρες υψηλής απόδοσης έχουν θαλάμους καύσης με τέσσερις βαλβίδες ανά κύλινδρο. Οι κινητήρες με δύο βαλβίδες ανά κύλινδρο χρησιμοποιούνται πλέον σε μοτοσυκλέτες χαμηλής απόδοσης, όμως ακόμα και σε αυτές τις κατηγορίες που οι επιδόσεις δεν είναι το ζητούμενο, τα τελευταία χρόνια οι κατασκευαστές αρχίζουν να χρησιμοποιούν την “τετράβαλβιδη τεχνολογία” λόγω των διαρκώς αυστηρότερων προδιαγραφών ρύπων, που απαιτούν άριστης ποιότητας καύση.
Μόνο που τα πράγματα δεν ήταν πάντα έτσι και για να φτάσουμε ως εδώ πέρασαν πολλά χρόνια αναζήτησης. Για την ακρίβεια, οι τετραβάλιδοι θάλαμοι καύσης στους κινητήρες μοτοσυκλετών, άργησαν ολόκληρες δεκαετίες μέχρι να καθιερωθούν.
Ως γνωστόν, ένας τετράχρονος κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι στην πραγματικότητα μια αντλία αέρα. Όσο περισσότερο αέρα μπορεί να ρουφήξει στη μονάδα του χρόνου και όσο περισσότερο αέρα μπορεί να βγάλει από την εξάτμισή του στη μονάδα του χρόνου, τόσο περισσότερη βενζίνη μπορεί να κάψει αποτελεσματικά. Η λέξη “αποτελεσματικά” είναι το ζητούμενο για έναν κινητήρα, διότι μεγάλη κατανάλωση καυσίμου μπορεί να έχει και ένας κινητήρας που δεν βγάζει πολλά άλογα. Από την άλλη μεριά όμως, η ενέργεια βρίσκεται στη βενζίνη, οπότε δεν μπορείς να βγάλεις μεγάλες ιπποδυνάμεις καίγοντας μόνο δύο σταγόνες βενζίνη και τεράστιες ποσότητες αέρα.
Οπότε η βασική αρχή είναι: Περισσότερα κυβικά = περισσότερος αέρας και περισσότερη βενζίνη, οπότε έχουμε και ισχυρότερο κινητήρα.
Αυτή είναι η κοινή βάση και γι΄αυτό οι κατηγορίες στους αγώνες μοτοσυκλέτας έχουν συνήθως όριο στα κυβικά.
Όμως το παιχνίδι της αναζήτησης μεγαλύτερης ιπποδύναμης χωρίς να αυξήσεις τα κυβικά, μπορεί να γίνει πολύ περίπλοκο και αυτή η περιπλοκότητα είναι η μαγεία του σχεδιασμού ενός υψηλής απόδοσης κινητήρα.
Για τις ανθρώπινες αισθήσεις ο αέρας είναι “άυλος” και ασυναίσθητα τον αντιμετωπίζουμε ως κάτι “ανύπαρκτο” στη διαδικασία της καύσης.
Όμως στην πραγματικότητα ο αέρας έχει μάζα, αναπτύσσει ταχύτητα και η καύση της βενζίνης είναι μια χημική διαδικασία που χρειάζεται χρόνο για να ολοκληρωθεί.
Οποιοδήποτε σώμα με μάζα αναπτύσσει ταχύτητα, αυτομάτως αποκτά ορμή και το ίδιο συμβαίνει με τον αέρα.
Το θέμα εδώ είναι πως η ροή του αέρα δεν είναι γραμμική, αλλά τα μόρια του αέρα θα πρέπει να προσαρμοστούν στην παλινδρομική κίνηση του εμβόλου. Κάθε φορά που κλείνει η βαλβίδα εισαγωγής, ο αέρας επιβραδύνει απότομα και λόγω της ορμής που έχουν τα μόριά του, συμπιέζεται πίσω από τη βαλβίδα εισαγωγής.
Όσο μεγαλύτερή είναι η ποσότητα του αέρα και όσο υψηλότερη είναι η ταχύτητα που κινείται μέσα στον αυλό εισαγωγής, τόσο πιο “ισχυρή” είναι η συμπίεση των μορίων του πίσω από την βαλβίδα.
Ο χρόνος που ο αέρας παραμένει "συμπιεσμένος" πίσω από τη βαλβίδα εισαγωγής είναι συγκεκριμένος (καθορίζεται από τους παράγοντες που θα αναπτύξουμε παρακάτω) και αν η βαλβίδα δεν ανοίξει τη σωστή στιγμή για να μπει συμπιεσμένος αέρας στον θάλαμο καύσης, τότε αρχίζει να αποσυμπιέζεται και χάνεις το πλεονέκτημα της υπερπλήρωσης.
Το μήκος και το σχήμα των αυλών εισαγωγής καθώς και ο χρονισμός του εκκεντροφόρου που καθορίζει την κίνηση της βαλβίδας είναι άκρως σημαντικά.
Η αμερικάνικη Chrysler ασχολήθηκε πολύ πιο σοβαρά απ’ όλους στα τέλη του ’50 και στις αρχές του ’60 με την κίνηση του αέρα μέσα στον αυλό εισαγωγής, προσπαθώντας να εκμεταλλευτεί με τον καλύτερο δυνατό τρόπο τον συγχρονισμό στις “μπουκιές” συμπιεσμένου αέρα που δημιουργούνται. Ήταν η πρώτη που σχεδίασε μεγάλου μήκους αυλούς εισαγωγής (σε κάποιους κινητήρες της έφταναν σε μήκος έως και το ένα μέτρο!) και στους πειραματισμούς εκείνων των μηχανικών της Chrysler οφείλουμε σήμερα την ύπαρξη των αυλών μεταβλητού μήκους που έχουν τα περισσότερα superbike μέσα στο φιλτροκούτι τους και όλα τα αυτοκίνητα με ατμοσφαιρικούς κινητήρες υψηλής απόδοσης.
Από τη στιγμή που έχουμε κατανοήσει πόσο σημαντικό είναι το σχήμα, η διατομή και το μήκος του αυλού εισαγωγής για την σωστή τροφοδοσία με μείγμα βενζίνης/αέρα ενός ατμοσφαιρικού κινητήρα, μπορούμε πλέον να κατανοήσουμε καλύτερα και τους λόγους που ο Taglioni ερωτεύτηκε το δεσμοδρομικό σύστημα κίνησης των βαλβίδων, αλλά και γιατί οι τετραβάλβιδοι θάλαμοι καύσης άργησαν σχεδόν 40 χρόνια να καθιερωθούν στους αγώνες μοτοσυκλέτας και έπρεπε να φτάσουμε στη δεκαετία του ’80 για να αποτελέσουν βασικό χαρακτηριστικό κάθε τετράχρονου κινητήρα παραγωγής υψηλής απόδοσης.
Όπως είναι εύκολα κατανοητό, οι διβάλβιδοι κινητήρες έχουν δύο ΜΕΓΑΛΕΣ (σε διάμετρο και βάρος) βαλβίδες σε κάθε κύλινδρο, ενώ οι τετραβάλβιδοι έχουν τέσσερεις ΜΙΚΡΕΣ βαλβίδες.
Πίσω τους αναγκαστικά βρίσκονται εντελώς διαφορετικού σχήματος και διατομής αυλοί εισαγωγής, που όπως είπαμε πιο πάνω επηρεάζουν την ποσότητα και την ταχύτητα ροής του μείγματος προς τον θάλαμο καύσης.
Οι τετραβάλβιδοι θάλαμοι καύσης και τα δεσμοδρομικά (DESMO) συστήματα κίνησης των βαλβίδων είχαν δοκιμαστεί στους αγώνες αυτοκινήτου ήδη από το 1910, ενώ η Mercedes-Benz είχε κατασκευάσει κινητήρα Desmo πριν από το 1900.
Παρ’ όλα αυτά, οι τετραβάλβιδοι θάλαμοι καύσης είχαν σαφές πλεονέκτημα ισχύος μόνο σε όσους κινητήρες χρησιμοποιούσαν υπερσυμπιεστή, ενώ στις ατμοφαιρικές εκδόσεις των ίδιων κινητήρων δεν είχαν κανένα πλεονέκτημα ισχύος.
Από την άλλη μεριά, τα δεσμοδρομικά συστήματα κίνησης των βαλβίδων που χρησιμοποίησε η Peugeot, η Delage και η Mercedes στα αγωνιστικά αυτοκίνητα τους είχαν τεράστια επιτυχία και εξαιρετική αξιοπιστία στους μεγάλης διάρκειας αγώνες αυτοκινήτων των 1000 μιλίων ή των 24 ωρών της εποχής, όμως σε επίπεδο κινητήρων παραγωγής ήταν εξαιρετικά ακριβοί σε κατασκευή και απίστευτα απαιτητικοί σε συχνές ρυθμίσεις και συντήρηση (όπως δηλαδή είναι οι πνευματικές βαλβίδες στις μέρες μας).
Μέχρι τα μέσα του 1950, οι διβάλβιδοι θάλαμοι καύσης ήταν ο κανόνας στους αγωνιστικούς ατμοσφαιρικούς κινητήρες μοτοσυκλετών.
Το μοναδικό πρόβλημα που είχαν οι μηχανολόγοι της εποχής με τους διβαλβιδους κινητήρες δεν αφορούσε την απόδοσή τους, αλλά το βάρος των μεγάλων βαλβίδων.
Όσο πιο βαριά είναι η βαλβίδα, τόσο πιο σκληρό ελατήριο πρέπει να χρησιμοποιήσεις για να την κάνεις να ακολουθεί πιστά το “αμύγδαλο” του εκκεντροφόρου.
Τα σκληρά ελατήρια είναι πιο βαριά και καθώς είναι κινούμενα μέρη, αποκτούν ορμή ανάλογη του βάρους και της ταχύτητας κίνησής τους.
Από τη στιγμή που η κίνησή τους είναι παλινδρομική, τα ελατήρια των βαλβίδων εμφανίζουν αδράνεια στις αλλαγές κατεύθυνσης της πορείας τους.
Αυτή η αδράνεια του ελατηρίου είναι σοβαρότατο πρόβλημα όταν προσπαθείς να αυξήσεις την ιπποδύναμη ενός τετράχρονου ατμοσφαιρικού κινητήρα, διότι σε εμποδίζει να αυξήσεις το όριο στροφών του και βάζει όρια στο πόσο “άγριο” χρονισμό εκκεντροφόρου θα χρησιμοποιήσεις.
Η μία λύση είναι να βάλεις σε κάθε βαλβίδα δύο ή τρία μικρότερα/ελαφρύτερα ελατήρια αντί για ένα μεγάλο/σκληρό ώστε να μειώσεις την αδράνεια.
Η άλλη λύση είναι να κάνεις πιο προοδευτική τη ράμπα στο “αμύγδαλο” του εκκεντροφόρου από την μεριά που κλείνει η βαλβίδα, σχεδιάζοντας ένα ασύμμετρο “αμύγδαλο” όπου ανοίγει γρήγορα και απότομα την βαλβίδα, αλλά το κλείσιμό της να γίνεται πιο αργά και προοδευτικά, ώστε η αδράνεια του ελατηρίου και της βαλβίδας να είναι μικρότερη λόγω μειωμένης ταχύτητας αλλαγής πορείας, προλαβαίνοντας να ακολουθήσουν το προφίλ του εκκεντροφόρου χωρίς να χάνουν την επαφή μαζί του.
Μια τρίτη λύση που έφερε τα τελευταία χρόνια η BMW με την S1000RR από την εμπλοκή της στην Formula 1, είναι τα μικρά ενδιάμεσα κοκκοράκια μεταξύ εκκεντροφόρου και βαλβίδας, που επιτρέπει να έχεις μεγάλο βύθισμα και απότομη κίνηση της βαλβίδας χρησιμοποιώντας ομαλότερου προφίλ “αμύγδαλα” στους εκκεντροφόρους. Ενδιάμεσα κοκκοράκια έχουν πλέον η τελευταίες γενιές των Yamaha R1 και Kawasaki ZX-10RR.
Κεφαλή ZX-10RR 2021 με ενδυάμεσα κοκκοράκια
Η αδράνεια των ελατηρίων και των βαλβίδων στις υψηλές στροφές έχει ΤΕΡΑΣΤΙΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ στη μέγιστη απόδοση ενός τετράχρονου κινητήρα.
Η βαλβίδα ΠΡΕΠΕΙ να επιστρέφει στην έδρα της και να σφραγίζει τον θάλαμο καύσης στο σωστό χρόνο. Αν δεν επιστρέψει στη θέση της στο σωστό χρόνο και αν δεν πατήσει σωστά στην έδρα της, τότε έχουμε απώλεια συμπίεσης και η πτώση της ιπποδύναμης είναι δραματική!
Το φαινόμενο του “Valve Floating” δηλαδή όταν η βαλβίδα χοροπηδά πάνω στην έδρα της, λόγω της αδυναμίας του ελατηρίου να ακολουθείσει πιστά το προφίλ του εκκεντροφόρου, είναι ο χειρότερος εχθρός για κάθε κινητήρα υψηλής απόδοσης.
Με δεδομένη τη μεταλλουργία της εποχής του 1960, ο Soihiro Honda έδωσε όλο το βάρος στους τετραβάλβιδους θαλάμους καύσης στις μοτοσυκλέτες των Grand Prix, καθώς οι μικρότερες/ελαφρύτερες βαλβίδες και ελατήρια σε σχέση με τους διβάλβιδους, μείωναν στο ελάχιστο τις αρνητικές επιπτώσεις της αδράνειας και του επέτρεπαν να σχεδιάσει αξιόπιστους κινητήρες που ανέβαζαν περισσότερες στροφές χωρίς απότομη πτώση της απόδοσής τους.
Αυτό στην θεωρία, διότι στην πράξη οι πρώτοι τετραβάλβιδοι της Honda δεν είχαν στους αγώνες τη δύναμη και την αξιοπιστία των διβάλβιδων αντιπάλων του και η Honda συμμετείχε σε αρκετούς αγώνες έχοντας μία τετραβάλβιδη και μία διβάλιβιση μοτοσυκλέτα ταυτόχρονα. Η αιτία είχε να κάνει με τον προβληματικό σχεδιασμό της συνολικής τροφοδοσίας του θαλάμου καύσης και η κακή ποιότητα καύσης προκαλούσε υπερθερμάνσεις στα έμβολα ρίχνοντας την απόδοση ή καταστρέφοντάς τα. Όταν μετά από δύο χρόνια βρήκε τον τρόπο να διαχειρίζεται σωστά την κίνηση του αέρα στους αυλούς εισαγωγής και τους στροβιλισμούς μέσα στο θάλαμο καύσης, οι τετραβάλβιδοι κινητήρες της Honda κυριάρχησαν στα Grand Prix και το ίδιο έκανε η MV Agusta αργότερα με τους δικούς της τετραβάλιδους αγωνιστικούς κινητήρες.
Περίπου την ίδια εποχή στην άλλη άκρη της γης από την Ιαπωνία και συγκεκριμένα στην Bologna της Ιταλίας, o κύριος Taglioni σκέφτηκε πως δεν χρειάζεται να ανακαλύψουμε τον τροχό από την αρχή, προσπαθώντας να κάνουμε έναν τετραβάλβιδο θάλαμο καύσης να δουλέψει σωστά. Μπορούμε απλώς να λύσουμε τα προβλήματα της αδράνειας του συστήματος κίνησης των βαλβίδων στους διβάλβιδους θαλάμους καύσης.
Αφού λοιπόν το ελατήριο και η αδράνειά του είναι εκείνο που μας εμποδίζει να αυξήσουμε το όριο στροφών σε έναν διβάλβιδο κινητήρα με μεγάλες βαλβίδες και πολύ “άγριου” χρονισμού εκκεντροφόρους, τότε ας απαλλαγούμε εντελώς από την παρουσία του!
Ανασύροντας την ιδέα της δεσμοδρομικής κίνησης των βαλβίδων, ο Taglioni ανέπτυξε ένα σύστημα με δύο κοκκοράκια (βασισμένο σε εκείνο της Mercedes-Benz που σάρωνε τις νίκες με τα Silver Arrow) όπου το ένα πίεζε την βαλβίδα προς τα κάτω και το άλλο την έσπρωχνε προς τα πάνω, ακολουθώντας με απόλυτη ακρίβεια το προφίλ του εκκεντροφόρου. Αυτό σημαίνει πως οι κινητήρες Desmo έχουν θεωρητικά μηδενική αδράνεια στην κίνηση των βαλβίδων και όταν η βαλβίδα επιστρέφει στην έδρα της δεν χοροπηδάει πάνω της, οπότε δεν υπάρχει καμία απώλεια συμπίεσης στις υψηλές στροφές.
Τα μοντέλα με κινητήρες Desmo της Ducati είχαν πολύ πιο “άγριους” εκκεντροφόρους σε σχέση με τα μοντέλα που δεν είχαν Desmo και χάρη στο απόλυτο σφράγισμα του θαλάμου καύσης έως τον κόφτη, είχαν πολύ παραπάνω δύναμη στις υψηλές στροφές.
Σε συνδυασμό με τον μεγάλο όγκο αέρα στον μεγάλης διατομής αυλό εισαγωγής της διβάλβιδης κεφαλής, οι κινητήρες Desmo της Ducati με τους πολύ “άγριους” εκκεντροφόρους είχαν (και εξακολουθούν να έχουν) εξαιρετική πλήρωση μείγματος προς τον θάλαμο καύσης και άριστη ποιότητα καύσης σε όλο το φάσμα των στροφών.
Αυτό ισχύει τόσο για τους διβάλβιδους Desmo κινητήρες του Taglioni, όσο και για τους τετραβάλβιδους Desmo κινητήρες του Bordi, όπως φυσικά και για τους πολυκύλινδρους Desmo κινητήρες των MotoGP του Sairu.
Για τον περισσότερο κόσμο τα δεσμοδρομικά συστήματα κίνησης των βαλβίδων ανακαλύφθηκαν για να μην “καρφώνουν” βαλβίδες οι κινητήρες στις πολύ υψηλές στροφές και ως ένα βαθμό αυτό είχε μια λογική έως τη δεκαετία του 1960 λόγω της μεταλλουργίας της εποχής. Σήμερα όμως μόνο από κατασκευαστικό σφάλμα ή κακή χρήση/ρύθμιση μπορεί να “καρφώσει” βαλβίδα ένας κινητήρας με συμβατικά ελατήρια επαναφοράς.
Το ερώτημα φυσικά είναι γιατί οι άλλοι κατασκευαστές δεν μπήκαν στον κόπο να ασχοληθούν με τα δεσμοδρομικά συστήματα κίνησης των βαλβίδων και “παιδεύονται” τόσα χρόνια με τα ελατήρια επαναφοράς.
Η απάντηση είναι απλή: Κόστος κατασκευής, δυσκολίες συντήρησης για οχήματα καθημερινής χρήσης (συχνότητα ρυθμίσεων, κόστος αναλώσιμων, ακριβή εργατοώρα εξειδικευμένων μηχανικών). Η ίδια η Ducati εξήγησε με τον καλύτερο τρόπο τους λόγους που δεν έβαλε Desmo στον V4 της Multistrada και όλοι τους έχουν να κάνουν με… τα λεφτά!
Μην ξεχνάμε πως Desmo είχαν μόνο μερικά special μοντέλα της Ducati. Το Desmo έγινε σήμα κατατεθέν της Ducati στα τέλη της δεκαετίας του ’80 επειδή κατασκεύαζε μόνο τον κινητήρα του Pantah για όλα τα μοντέλα της.
Στις μέρες μας, η πλειοψηφία των κατασκευαστών χρησιμοποιεί πνευματικές βαλβίδες για τους κινητήρες της F1 και των MotoGP, καθώς ο αέρας έχει απείρως μικρότερο βάρος και αδράνεια από οποιοδήποτε ελατήριο επαναφοράς. Για τους κινητήρες παραγωγής, η “συμβατική” λύση των ελατηρίων επαναφοράς επαρκεί και με το παραπάνω.
