Οι παλιοί βρετανικοί κινητήρες ήταν σχεδιασμένοι να στάζουν λάδια! Πως έλυσαν το πρόβλημα οι Ιάπωνες

Ο σχεδιασμός που έκανε τη διαφορά
Μπάμπη Μέντη
Από τον

Μπάμπη Μέντη

19/7/2022

Όταν τα Ιαπωνικά εργοστάσια μπήκαν στο χώρο της βιομηχανίας μοτοσυκλετών και έκαναν μαζικά εξαγωγές στις χώρες της δύσης, οι πρώτες μοτοσυκλέτες που κατασκεύαζαν έμοιαζαν υπερβολικά ίδιες με τις δικύλινδρες εν σειρά μοτοσυκλέτες των βρετανών, δηλαδή τις Triumph, τις Norton και τις BSA. Η επιλογή των βρετανικών εν σειρά κινητήρων ως “πρότυπο” για τις δικές τους μοτοσυκλέτες δεν έγινε τυχαία από τους Ιάπωνες.

Ο δικύλινδρος εν σειρά είναι πολύ πιο απλός σχεδιαστικά από οποιασδήποτε άλλης αρχιτεκτονικής δικύλινδρο κινητήρα (π.χ. τους περίπλοκους ιταλικούς και γερμανικούς V2 και Boxer οι οποίοι απαιτούν διπλάσια εξαρτήματα) και αυτό παίζει τεράστιο ρόλο στο κατασκευαστικό κόστος και στην ταχύτητα των γραμμών παραγωγής. Οι Ιάπωνες ήθελαν να επιτύχουν όσο το δυνατόν χαμηλότερη τιμή (ανταγωνιστική) και να επεκταθούν όσο πιο γρήγορα γίνεται σε όλες τις αγορές του κόσμου.

Ο δικύλινδρος εν σειρά των βρετανών είχε όλα τα χαρακτηριστικά για να πετύχουν  το στόχο τους και ακριβώς για τους ίδιους λόγους είναι ο πιο δημοφιλής κινητήρας αυτή την εποχή στους μικρομεσαίους κυβισμούς και έχει κυριαρχήσει έναντι των V2 στα μοντέλα όπου η τιμή παίζει καθοριστικό ρόλο.

Αυτή η υπερβολική ομοιότητα στην εμφάνιση και στις προδιαγραφές των ιαπωνικών δικύλινδρων εν σειρά με τις βρετανικές μοτοσυκλέτες, έκανε πολλούς να λένε υποτιμητικά ότι οι Ιάπωνες απλώς φτιάχνουν “αντίγραφα” χρησιμοποιώντας τις κονσέρβες που άφησε ο στρατός της δύσης μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο.

Η αλήθεια όμως είναι κάπως διαφορετική, διότι οι Ιάπωνες γνώριζαν τις βασικές αδυναμίες των βρετανικών δικύλινδρων εν σειρά πριν ξεκινήσουν την κατασκευή μοτοσυκλετών για εξαγωγή σε όλο τον κόσμο.

Τα βρετανικά εργοστάσια μοτοσυκλετών χρησιμοποιούσαν στροφάλους με χρονισμό 360⁰, όπου τα δύο έμβολα παλινδρομούσαν μαζί δίπλα-δίπλα σαν μονοκύλινδρος. Η επιλογή αυτή έγινε λόγω της δυνατότητας που σου δίνει να χρησιμοποιείς ένα κοινό καρμπυρατέρ και για τους δύο κυλίνδρους, αλλά και τη δυνατότητα να χρησιμοποιείς το ίδιο σύστημα ανάφλεξης με εκείνο των μονοκύλινδρων. Σήμερα με τους ηλεκτρονικούς ψεκασμούς και τις ECU ακούγεται αστείο, όμως τότε ήταν πάρα πολύ σημαντικό διότι η τεχνολογία ήταν ακριβή και τα εργατικά χέρια φτηνά.

Από καθαρά κατασκευαστική άποψη, οι βρετανικοί δικύλινδροι εν σειρά ήταν οι πιο απλοί και οι πιο φτηνοί στην κατασκευή από κάθε άλλο δικύλινδρο εν σειρά έχουμε δει έως σήμερα στην παραγωγή.

Μάλιστα για να απλοποιήσουν ακόμα περισσότερο τη διαδικασία παραγωγής, τα κάρτερ στις βρετανικές δικύλινδρες εν σειρά ήταν κάθετα χωρισμένα, κάνοντας πολύ εύκολη και γρήγορη τη συναρμολόγησή τους.

Όλα αυτά τα πλεονεκτήματα για τα βρετανικά εργοστάσια είχαν όμως και κάποια σοβαρά μειονεκτήματα για τους ιδιοκτήτες των βρετανικών μοτοσυκλετών.

Το πρώτο μειονέκτημα ήταν φυσικά οι κραδασμοί πρώτης τάξης λόγω της ταυτόχρονης κίνησης πάνω-κάτω των δύο εμβόλων μαζί. Πέρα από ενοχλητικοί στην οδήγηση, οι κραδασμοί πρώτης τάξης είναι “επώδυνοι” για τον ίδιο τον κινητήρα και βάζουν σε κίνδυνο την υγεία του στις υψηλές στροφές.

 

Το δεύτερο πρόβλημα ήταν οι τεράστιοι λεκέδες από λάδια που άφηναν σε όποιο σημείο τις παρκάριζες.

 

Το πρόβλημα αυτό δεν είχε καμία σχέση με την ποιότητα κατασκευής ή την ποιότητα υλικών των βρετανικών μοτοσυκλετών εκείνης της εποχής. Ίσα-ίσα που ήταν πολύ ανώτερη από των ιαπωνικών μοτοσυκλετών.

 

Το πρόβλημα ήταν ξεκάθαρα σχεδιαστικό, γι΄αυτό και παραμένει άλυτο μέχρι σήμερα και ακόμα και η πιο τέλεια ανακατασκευασμένη βρετανική μοτοσυκλέτα του ’60 και του ’70 θα αρχίσει να σουρώνει λάδια μετά από μερικά χιλιόμετρα χρήσης, όποιο σύγχρονο διαστημικό υλικό στεγανοποίησης κι αν χρησιμοποιήσεις.

 

Υπάρχουν δύο αιτίες που δημιουργούν το πρόβλημα. Την πρώτη μάλλον την έχετε ήδη βρει, αφού είναι αρκετά εύκολο να καταλάβεις πως τα κάθετα χωρισμένα τμήματα των κάρτερ μεταβάλουν διαρκώς τη δύναμη που τα κρατά ενωμένα λόγω της διαστολής και συστολής των μετάλλων όταν ο κινητήρας είναι ζεστός ή κρύος.

 

Τα πράγματα γίνονται ακόμα χειρότερα, λόγω της εσωτερικής πίεσης αέρα που δημιουργεί ο χρονισμός του στροφάλου των 360⁰, αφού τα δύο έμβολα συμπιέζουν τον αέρα μέσα στα κάρτερ όταν κατεβαίνουν ταυτόχρονα προς τα κάτω, πιέζοντας τα λάδια να βγουν έξω από τα κάρτερ.

 

Αυτή η εσωτερική πίεση αέρα μέσα στα κάρτερ που δημιουργούν τα έμβολα είναι που κάνουν τις παλιές βρετανικές δικύλινδρες εν σειρά να σουρώνουν ακόμα περισσότερο λάδια όταν ο κινητήρας αρχίζει να κρυώνει, τα μέταλλα συστέλλονται και τα λάδια βρίσκουν πιο εύκολο δρόμο διαφυγής.

Βέβαια και όταν ο κινητήρας είναι ζεστός και τα μέταλλα διαστέλλονται η κατάσταση δεν βελτιώνεται πολύ, αφού η λειτουργία του κινητήρα σε υψηλότερες στροφές αυξάνει ακόμα περισσότερο την εσωτερική πίεση.

 

Οι Ιάπωνες έλυσαν αυτά τα προβλήματα των βρετανικών δικύλινδρων εν σειρά χρησιμοποιώντας στους δικούς τους κινητήρες στρόφαλο 180⁰, όπου όταν το ένα έμβολο ανεβαίνει, το άλλο κατεβαίνει, εξισορροπώντας την πίεση του αέρα μέσα στα κάρτερ και εξουδετερώνοντας με επιτυχία τους κραδασμούς πρώτης τάξης.

 

Ταυτόχρονα, οι Ιάπωνες χώρισαν οριζόντια τα κάρτερ, οπότε το κάτω τμήμα τους αποτελεί λεκάνη και δεν υπάρχουν ενώσεις μεταλλικών επιφανειών που να επιτρέπουν διαρροές λαδιού.  

Έτσι παρά το γεγονός πως η ποιότητα μετάλλων στις ιαπωνικές μοτοσυκλέτες της εποχής δεν ήταν καλύτερη των βρετανικών, εν τούτοις λόγω της διαφορετικής επιλογής χρονισμού του στροφάλου, οι Ιάπωνες κατάφεραν να λύσουν όλα τα προβλήματα που είχαν οι βρετανικές μοτοσυκλέτες επί δεκαετίες!

 

Καύσιμα: Τρελές ιπποδυνάμεις από μία σταγόνα

Ο ρόλος της χημείας των καυσίμων στους κινητήρες
Μπάμπη Μέντη
Από τον

Μπάμπη Μέντη

28/11/2022

Στους αγώνες Dragster στις ΗΠΑ στην κορυφαία κατηγορία συμμετέχουν αυτοκίνητα με διβάλβιδους V8 κινητήρες και ωστήρια για την κίνηση των βαλβίδων, όπου με τη βοήθεια ενός μηχανικού υπερσυμπιετή έχουν απόδοση που ξεπερνά τους 4.500 ίππους (όχι δεν κάναμε λάθος, βγάζουν πάνω από τέσσερεις ΧΙΛΙΑΔΕΣ ίππους και τα καλύτερα από αυτά έως και 10.000 ίππους!!!) και σε μόλις 400 μέτρα από στάση πιάνουν τελική ταχύτητα άνω των 539km/h. Την ίδια στιγμή, οι καλύτεροι μηχανολόγοι της Γερμανίας και ολόκληρης της Ευρώπης, μετά από μία δεκαετία έρευνας και εξέλιξης κατάφεραν με το ζόρι να βγάλουν 1.500 ίππους από τον W16 κινητήρα της Bugatti, χρησιμοποιώντας τέσσερα turbo και την τελευταία λέξη της τεχνολογίας για την διαχείριση της τροφοδοσίας. Παρά την συνδρομή και την βοήθεια της Airbus για την αεροδυναμική μελέτη των μεταβλητών αεροτομών της, η Bugatti μόλις που ξεπερνά τα 400km/h και μάλιστα χρειάζεται πάνω από τρία χιλιόμετρα ευθείας για να τα πλησιάσει.

Ποιο είναι το μυστικό που κατέχουν οι Αμερικάνοι “Αγελαδάριδες” και δεν γνωρίζουν οι καλύτεροι επιστήμονες της Ευρώπης; Η απάντηση είναι πολύ απλή!

Δεν υπάρχει απολύτως κανένα μηχανολογικό μυστικό μεταξύ των σχεδιαστών/κατασκευαστών κινητήρων για Dragster και των συναδέρφων τους που σχεδιάζουν και κατασκευάζουν hypercars ή superbike.

Όλη η διαφορά είναι στα καύσιμα που χρησιμοποιούν και αυτό έχει άμεση σχέση με τη σχεδίαση των κινητήρων.

Πως όμως τα καύσιμα επηρεάζουν τη σχεδίαση και την απόδοση ενός κινητήρα;

Αν κατανοήσουμε τί γίνεται μέσα στο θάλαμο καύσης τα πράγματα γίνονται πολύ εύκολα και απλά.

Μόλις το μπουζί δώσει σπινθήρα και το συμπιεσμένο μείγμα αέρα/καυσίμου “εκραγεί”, το έμβολο κατεβαίνει αργά στο πρώτο 1/3 της διαδρομής του, επιταχύνει απότομα στο υπόλοιπο 1/3 της διαδρομής του και επιβραδύνει απότομα στο τελευταίο 1/3 της διαδρομής του, πριν αρχίσει να ανεβαίνει πάλι προς τα πάνω για να διώξει τα καυσαέρια προς την εξάτμιση.

Αυτό σημαίνει πως ο όγκος του θαλάμου καύσης δεν μεγαλώνει αναλογικά στο χρόνο, αλλά είναι μικρός στην αρχή και μετά το πρώτο 1/3 της διαδρομής του εμβόλου ξαφνικά μεγαλώνει απότομα.

Αυτή η απότομη αύξηση του όγκου έχει αποτέλεσμα να πέσει απότομα η πίεση μέσα στο θάλαμο καύσης και τα αέρια χάνουν τη δύναμή τους να σπρώξουν προς τα κάτω το έμβολο με το ίδιο σθένος.

Σε έναν ατμοσφαιρικό κινητήρα παραγωγής που καίει κανονική βενζίνη, τα πάντα αρχίζουν και τελειώνουν στο πρώτο 1/3 της διαδρομής του εμβόλου. Όλη η υπόλοιπη κίνηση που κάνει το έμβολο είναι περισσότερο χάρη στην ορμή που έχει αποκτήσει ο στρόφαλος.

Ακριβώς γι΄αυτό τον λόγο, στους ατμοσφαιρικούς κινητήρες είναι τόσο κρίσιμος ο σχεδιασμός ενός θαλάμου καύσης που θα εξασφαλίζει την ταχύτερη δυνατή ολοκλήρωση της καύσης του μείγματος.

Η βενζίνη είναι ένα καύσιμο που “καίγεται” πολύ γρήγορα και αν το συμπιέσεις ακόμα γρηγορότερα. Αν μάλιστα το συμπιέσεις υπερβολικά αυταναφλέγεται, κάτι που δεν θέλεις να συμβεί όσο το έμβολο ανεβαίνει προς τα πάνω.

Καθώς θέλουμε να εκμεταλλευτούμε στο μέγιστο το χρονικό διάστημα που το έμβολο εκτελεί το πρώτο 1/3 της διαδρομής του, η ECU του κινητήρα φροντίζει να μεταβάλει τη χρονική στιγμή που το μπουζί δίνει σπινθήρα και όσο αυξάνονται οι στροφές του κινητήρα, τόσο πιο νωρίς δίνει σπινθήρα το μπουζί, ακόμα και πριν το έμβολο φτάσει στο Άνω Νεκρό Σημείο.

Για να αποφευχθεί η καταστροφική πρόωρη αυτανάφλεξη της βενζίνης, υπάρχουν πρόσθετα που εξασφαλίζουν ένα σταθερό επίπεδο “οκτανίων” και επιτρέπουν στους σχεδιαστές κινητήρων να καθορίζουν τη σωστή συμπίεση στο θάλαμο καύσης και την σωστή στιγμή που θα δώσει σπινθήρα το μπουζί σε κάθε εύρος στροφών.

Όσο μεγαλύτερος ο αριθμός των οκτανίων της βενζίνης, τόσο μεγαλύτερη είναι η συμπίεση που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε.

Όσο μεγαλύτερη η συμπίεση, τόσο το καλύτερο για την απόδοση ενός κινητήρα, καθώς μας επιτρέπει να εκμεταλλευτούμε στο έπακρο τον χρόνο που έχουμε στη διάθεσή μας σε αυτό το πρώτο 1/3 της διαδρομής του εμβόλου.

Ο αριθμός των οκτανίων της κοινής βενζίνης καθορίζει τη μέγιστη συμπίεση και την ανάφλεξη που μπορούμε να έχουμε σε ένα κινητήρα, όμως την ίδια στιγμή απαιτεί και συγκεκριμένη συμπίεση από τον κινητήρα.

Ένας κινητήρας με χαμηλή συμπίεση που έχει σχεδιαστεί για να καίει απροβλημάτιστα βενζίνη με λίγα οκτάνια, όχι μόνο δεν πρόκειται να αυξήσει την απόδοσή του αν του βάλεις βενζίνη με πολλά οκτάνια, αλλά υπάρχει το ενδεχόμενο να χάσει σε απόδοση (ιδιαίτερα στις χαμηλές και μεσαίες στροφές όπου η προπορεία της ανάφλεξης δεν επαρκεί).

Στους σύγχρονους κινητήρες και ιδιαίτερα στους κινητήρες με υπερπλήρωση (δηλαδή με υπερσυμπιεστές μηχανικούς/Supercharger ή καυσαερίων/Turbo) υπάρχουν αισθητήρες μέσα στο θάλαμο καύσης που ανιχνεύουν τις πρόωρες αναφλέξεις της βενζίνης και η ECU μεταβάλει την χρονική στιγμή του σπινθήρα του μπουζί (και ταυτόχρονα ρίχνει την πίεση αν πρόκειται για κινητήρα με Supercharger η turbo). Με αυτόν τον τρόπο οι κατασκευαστές μπορούν πλέον να σχεδιάζουν κινητήρες οι οποίοι δεν καταστρέφονται και δουλεύουν μια χαρά αν τους βάλεις βενζίνη λίγων οκτανίων και αποδίδουν καλύτερα αν τους βάλεις βενζίνη πολλών οκτανίων.

Ακόμα όμως και αν εκτοξεύσεις τη συμπίεση στα ύψη μέσα στο θάλαμο καύσης και του βάλεις βενζίνη που δεν αυταναφλέγεται με τίποτα, παρά μόνο με τον σπινθήρα του μπουζί, πάλι το κέρδος αφορά κυρίως το πρώτο 1/3 της διαδρομής του εμβόλου, ακόμα κι αν μιλάμε για κινητήρες με υπερπλήρωση.

Έτσι οι ίδιοι οι κινητήρες των 4500+ ίππων που χρησιμοποιούν στους αγώνες Dragster, βγάζουν μόλις 1000-1500 με κοινή βενζίνη κι αυτό μόνο αν ρυθμίσεις κατάλληλα την ανάφλεξή τους. Αν κρατήσεις την “αγωνιστική” ρύθμιση της ανάφλεξη και τους βάλεις κοινή βενζίνη, όχι μόνο θα βγάλουν με το ζόρι 1500 ίππους αντί για 4500, αλλά το πιθανότερο είναι να διαλυθούν!

Πώς όμως κερδίζουν πάνω από 3000 ίππους χρησιμοποιώντας ειδικά καύσιμα, που είναι τόσο τοξικά ώστε οι οδηγοί να φοράνε ειδικά αεροστεγή κράνη με φίλτρα καθαρισμού του αέρα;

Πολύ απλά, τα καύσιμα αυτά έχουν την ιδιότητα να αυξάνουν τον όγκο των καυσαερίων που παράγουν μετά την ανάφλεξη του μείγματος από το μπουζί για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε σχέση με την βενζίνη.

Έτσι όταν το έμβολο ξεπεράσει το πρώτο 1/3 της διαδρομής του και ο θάλαμος καύσης αρχίζει να μεγαλώνει απότομα λόγω της αντίστοιχα απότομης επιτάχυνσής του προς τα κάτω, τα καυσαέρια αυτών των ειδικών καυσίμων συνεχίζουν να διογκώνονται, σπρώχνοντας με δύναμη το έμβολο και μάλιστα με την μπιέλα να είναι στην ιδανική γωνία σε σχέση με τον στρόφαλο.

Έτσι ενώ σε έναν κινητήρα βενζίνης το έμβολο (μέσω της μπιέλας) περιστρέφει με δύναμη τον στρόφαλο από τις 0⁰ έως και τις 30⁰ και μετά αρχίζει να “ξεφουσκώνει” έντονα, στους κινητήρες των dragsterμε τα “τοξικά” και “βραδύκαυστα” καύσιμα συνεχίζουν να “φουσκώνουν” ακόμα και όταν ο στρόφαλος ξεπεράσει τις 100⁰, οπότε και παράγουν τριπλάσιο έργο.

Μάλιστα είναι τόσο μεγάλη η διάρκεια της ολοκλήρωσης της διόγκωσης των καυσαερίων, που το βασικό πρόβλημα των σχεδιαστών κινητήρων Dragster στις κατηγορίες που επιτρέπονται τέτοιου είδους καύσιμα είναι να την περιορίσουν στο σημείο που το έμβολο αρχίζει να “φρενάρει” απότομα πλησιάζοντας το Κάτω Νεκρό Σημείο.

Άλλωστε δεν είναι καθόλου τυχαίο που στους κινητήρες Dragster οι συχνότερες ζημιές είναι στην περιοχή των στροφάλων, ενώ στους κινητήρες βενζίνης είναι στα έμβολα και τις μπιέλες. Δεν μιλάμε για ζημίες που οφείλονται σε κακή λίπανση, όπως κουζινέτα στροφάλου κ.τ.λ. Μιλάμε για κομμένους στροφάλους και λιωμένα έμβολα.

Κι αυτό συμβαίνει διότι στους κινητήρες βενζίνης οι σχεδιαστές αναζητούν τα όρια της μέγιστης απόδοσης στην αρχική διαδρομή του εμβόλου, ενώ στους κινητήρες με τα “αγωνιστικά” καύσιμα αναζητούν τα όρια στη μέγιστη απόδοση προς το τέλος της διαδρομής του εμβόλου.

Έτσι στους Dragster κινητήρες με πάνω από 2000-2500 ίππους συνηθίζουν να χρησιμοποιούν μπιέλες αλουμινίου που απορροφούν τις δυνάμεις και δεν είναι τόσο σκληρές όπως οι ατσάλινες ή οι τιτανίου. Καλύτερα να πετάς τις μπιέλες μετά από κάθε αγώνα, παρά τον στρόφαλο και ολόκληρο το μπλοκ…

Με βάση όλα τα παραπάνω, θα έχει πολύ μεγάλο ενδιαφέρον να δούμε με ποιον τρόπο τα συνθετικά καύσιμα στα MotoGP θα επηρεάζουν τον σχεδιασμό των κινητήρων και φυσικά την απόδοσή τους.