Tune it Τεχνολογίες Βαλβίδων

Αρχίζουμε να μπαίνουμε σιγά-σιγά στο χειμώνα, αλλά τι να κάνουμε, χρειάζονται και οι εναλλαγές των εποχών. Να χαρούν και λίγο οι τουρμπάκηδες που το καλοκαίρι με τις ζέστες κάνουν τον …ψόφιο κοριό! Αφού τελειώσαμε με τα λάδια και τις διαρροές στο προηγούμενο τεύχος, είπα να το ρίξουμε λίγο στις βαλβίδες, όπου έχουμε μία δυναμική εξελίξεων σε ένα εξάρτημα, το οποίο πολλοί θα ήθελαν να εξαφανίσουν και προσπάθειες για την επίτευξη του στόχου αυτού ακόμα γίνονται. Για τους περισσότερους αναγνώστες, οι βαλβίδες είναι εξαρτήματα που μάλλον δεν έχουν αλλάξει σε τίποτα για πάρα πολλά χρόνια, ενώ η τεχνολογία προχωρεί και παρουσιάζει διαρκώς καινοτομίες στα περισσότερα εξαρτήματα του κινητήρα εσωτερικής καύσης. Δεν είναι καθόλου έτσι όμως τα πράγματα. Η τεχνολογία κατασκευής βαλβίδων είναι ένας πολύ δύσκολος τεχνικός συμβιβασμός μεταξύ της ελάχιστης δυνατής μάζας για τη μέγιστη δυνατή μηχανική αντοχή και την απαίτηση σφράγισης του θαλάμου καύσης ή τη μέγιστη ροή, όταν είναι κλειστή. Όλα αυτά βέβαια γίνονται σε περιβάλλον, που επικρατούν τεράστιες θερμοκρασίες, κοντά στους 800⁰ Κελσίου! Σήμερα θα ασχοληθούμε κυρίως με δύο θέματα που έγιναν αντικείμενο εντατικών μελετών τα τελευταία 2-3 χρόνια, την κατασκευαστική γεωμετρία και τις …κούφιες βαλβίδες! Σίγουρα αντιλαμβάνεστε ότι το σχήμα είναι το Α και Ω στη βελτίωση της ροής και την απόδοση της καύσης, γι’ αυτό και συνεχίζονται οι έρευνες για κάτι ακόμα καλύτερο, έστω και ελάχιστα, με αποτελέσματα που δοκιμάζονται πρώτα σε αγωνιστικά μοτέρ. Από την άλλη, οι κούφιες βαλβίδες μειώνουν τη μάζα και τη θερμοκρασία, γι’ αυτό και αργά, αλλά σταθερά εξαπλώνεται η χρήση τους.

Βασική γεωμετρία βαλβίδων

Σε πρώτη ματιά, η λειτουργία των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής μπορεί να φαίνεται σαν κάτι απλό. Ανοίγουν και κλείνουν σύμφωνα με το προφίλ του εκκεντροφόρου, μέχρι σήμερα τουλάχιστον, γιατί σε λίγα χρόνια δεν θα υπάρχουν εκκεντροφόροι. Προς το παρόν, όμως, πιο απλό δεν γίνεται:  Όταν η βαλβίδα είναι κλειστή, διακόπτει τη ροή προς και από το θάλαμο καύσης. Όταν είναι ανοιχτή, πρέπει να παρουσιάζει τη μικρότερη δυνατή αντίσταση στη ροή του μείγματος ή των καυσαερίων, πράγμα που έχει αποδειχθεί αρκετά δύσκολο. Το βασικό σχέδιο μίας βαλβίδας ξεκινάει από τη διάμετρό της, το στέλεχος και το μήκος της. Η διάμετρος είναι συνάρτηση των κυβικών και της διαμέτρου του κυλίνδρου, με στόχο να είναι όσο μεγαλύτερη γίνεται και ο λόγος είναι βέβαια η μεγαλύτερη ροή, αλλά και η μεγαλύτερη δυνατή επιφάνεια έδρασης, που βοηθάει στην ταχύτερη αποβολή της θερμοκρασίας.

Η διάμετρος του στελέχους θέλουμε να είναι όσο μικρότερη γίνεται για μικρότερο βάρος και για να παρουσιάζει το ελάχιστο δυνατό εμπόδιο στη ροή. Μάλιστα, μερικοί κανονισμοί τελευταία αναφέρουν ελάχιστη διάμετρο στελέχους, για να προλάβουν πανάκριβες έρευνες στον τομέα που μόνο πλούσιες ομάδες μπορούν να χρηματοδοτήσουν. Για παράδειγμα, οι κανονισμοί F1 του 2017 υπαγορεύουν ελάχιστη διάμετρο στελέχους 4.95mm. Το τελευταίο από τα τρία μεγέθη, το μήκος της βαλβίδας, μπορεί να υπαγορεύεται εν μέρει και από τα ελατήρια των βαλβίδων αλλά και εδώ, το μικρότερο μήκος σημαίνει μικρότερο βάρος. Με τα τρία πιο πάνω μεγέθη να έχουν επιλεγεί, ο σχεδιαστής πρέπει να επικεντρωθεί στο λεπτομερές σχήμα της κεφαλής, που είναι και η πιο κρίσιμη επιλογή, το οποίο διαφέρει από μοτέρ σε μοτέρ. Βλέπετε, η παραμικρή αλλαγή στο σχήμα του θαλάμου, το μέγεθος ή τη γωνία εισόδου/εξόδου των αυλών έχει σαν αποτέλεσμα την αλλαγή του σχήματος της κεφαλής για τη βέλτιστη ροή. Οπότε βλέπουμε ότι παίρνοντας μεγάλες βαλβίδες από το μοτέρ Α για να τις βάλουμε, π.χ., στο μοτέρ Β είναι λάθος, διότι πετάμε απ’ το παράθυρο όλες τις μελέτες, που έκαναν κάποιοι επιστήμονες (χωρίς πλάγια γράμματα) για τη συγκεκριμένη εφαρμογή, για χάρη του …Ελληνάρα επιστήμονα, που βρήκε τον εύκολο τρόπο να βγάλει λίγα γαϊδούρια παραπάνω από το χρέπι του Γκολφίδη…

Παρατηρώντας, λοιπόν, το σχέδιο, προχωράμε από το στέλεχος προς τα κάτω και βλέπουμε ότι λεπταίνει στο τμήμα που βρίσκεται έξω από τον οδηγό για να καταλήξει σε προοδευτική αύξηση της διαμέτρου και με συγκεκριμένη ακτίνα. Τέλος, ενώνεται με το κωνικό τμήμα της κεφαλής για να καταλήξει τελικά στην έδρα, που συνήθως είναι 45 μοιρών, στα περισσότερα μοτέρ. Στην κεφαλή είναι και οι μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ των βαλβίδων ανάλογα, όπως είπαμε, με το θάλαμο, τους αυλούς κλπ. Φτάσαμε, λοιπόν, στην έδρα… Το πλάτος της πρέπει να είναι το μικρότερο δυνατό για τη μέγιστη ροή, αλλά αρκετό για να αντέχει την πίεση από το ελατήριο και την απαραίτητη επαφή για την αποβολή της θερμοκρασίας. Δύο αντίθετες απαιτήσεις δηλαδή! Γενικά, το σχήμα της κεφαλής δεν υπολογίζεται μαθηματικά, αλλά είναι αποτέλεσμα δοκιμών εξομοίωσης σε υπολογιστικά προγράμματα εξομοίωσης ροής και ύστερα πολλών δοκιμών σε δυναμόμετρο. Κατά τις δοκιμές σε ροόμετρο, δεν ψάχνουμε μόνο για τη μέγιστη ροή, αλλά και για τη μέγιστη ανάδευση μέσα στον κύλινδρο. Στο θέμα της μηχανικής αντοχής χρησιμοποιείται η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (FEA, Finite Element Analysis) και σε σχηματικές παραστάσεις μπορούμε να δούμε τη θερμική και μηχανική καταπόνηση των εξαρτημάτων. Με τις θερμοκρασίες να υπερβαίνουν τους 800⁰, είναι σημαντικότατη η σωστή επιλογή υλικών που αντέχουν σε παρατεταμένη χρήση σ’ αυτές τις συνθήκες. Για παράδειγμα, οι βαλβίδες εισαγωγής μπορεί να γίνουν από κράμα Τιτανίου Ti-6Al-4V, αλλά οι μηχανικές του ιδιότητες πέφτουν αρκετά σε θερμοκρασίες άνω των 600⁰.

Σχεδιασμός βαλβίδας εισαγωγής

Εφόσον το κεφάλι της βαλβίδας εμποδίζει -κατ’ ανάγκη- την ελεύθερη ροή, είναι φυσικό οι σχεδιαστές να αφιερώνουν χρόνο σε προσπάθειες να υπερβούν ή τουλάχιστον να μειώσουν αυτό το εμπόδιο. Η αποδοτική καύση εξαρτάται από τρεις κυρίως παράγοντες, το χρόνο, τη θερμοκρασία και την ανάδευση. Από αυτούς, η ανάδευση έχει αποδειχθεί ο πιο σημαντικός για τη βέλτιστη μετάδοση της καύσης σε όλον το θάλαμο. Με ταχύτητα εισερχόμενου μείγματος πάνω από 75 m/sec (μέτρα ανά δευτερόλεπτο) σε πολλά αγωνιστικά μοτέρ, όλες οι βαλβίδες είναι σε θέση να παράγουν κάποιο ποσοστό ανάδευσης. Ναι, αλλά… τι θέλουμε, οριζόντια ή κάθετη ανάδευση? Καλά, εδώ εμείς βουλιάζουμε και μόνο τα τζιμάνια οι επιστήμονες επιπλέουν και αντιλαμβάνονται… Η απάντηση βέβαια δεν είναι απλή και εξαρτάται από τον αριθμό των βαλβίδων και το τι ζητάμε, απόδοση ή οικονομία? Μέσα από τις άπειρες δοκιμές έχουν βρεθεί τρόποι που προωθούν το ένα ή το άλλο είδος ανάδευσης. Για να δούμε λοιπόν.

Κώνος με γωνία στην έδρα

Θα περίμενε κανείς η μετάβαση από τον κώνο στην έδρα να είναι ομαλή, αυτό τουλάχιστον φαίνεται λογικό εκ πρώτης όψεως… ΔΕΝ είναι όμως έτσι. Δημιουργώντας ένα χείλος μεταξύ κώνου και έδρας, βρέθηκε ότι …αυξάνεται η ροή, κάτι που είναι τελείως αδύνατο να φανταστεί κανείς βλέποντάς το! Μάλιστα και πιο συγκεκριμένα, το χειλάκι αυτό πρέπει να είναι αρκετά απότομο για τα καλύτερα αποτελέσματα, αλλά στα αυτοκίνητα παραγωγής δεν το κάνουν οι κατασκευαστές, απλά γιατί πολύ γρήγορα θα γέμιζε με «καρβουνίλα» από την εισαγωγή. Έτσι, περιορίζεται σε ύψος.

Πολλαπλά αυλάκια

Αφού το πιο πάνω «χειλάκι» έχει καλό αποτέλεσμα στη ροή, σκέφτηκε ο σχεδιαστής… «γιατί να μη κάνω πολλαπλά αυλάκια» μήπως και φτιάξει κι’ άλλο η ροή? Έτσι, λοιπόν, αυξάνεται η «τυρβώδης ροή» πάνω από τον κώνο, γεγονός που έχει και άλλα πλεονεκτήματα. Τα αυλάκια αυξάνουν το εμβαδόν της επιφάνειας του κώνου και βρέθηκε ότι αυτό βοηθάει στην αποβολή της θερμοκρασίας από τη βαλβίδα στο εισερχόμενο μείγμα. Πέρα απ’ αυτό, τα σταγονίδια του καυσίμου που πέφτουν στη βαλβίδα διαλύονται σε μικρότερα ή εξατμίζονται βοηθώντας στη βελτίωση της καύσης.

Βαλβίδες …με τη βούλα!

Άλλος τρόπος βελτίωσης της ροής, βρέθηκε ότι είναι οι πάμπολλες βούλες στον κώνο, όπως είναι οι μπάλες του γκολφ. Δημιουργείται έτσι μία επιφανειακή στοιβάδα με τυρβώδη ροή πάνω από τον κώνο, το οποίο, όπως έχει αποδειχθεί, δεν αποχωρίζει τη ροή από τη βαλβίδα. Το «κόλπο» έχει δοκιμαστεί και στην πράξη, αφού αυτές οι βαλβίδες έχουν βρει το δρόμο τους σε κάποιες ομάδες NASCAR! Μάλιστα, στις βαλβίδες εισαγωγής βάζουν μόνο δύο σειρές βούλες και περισσότερες στις βαλβίδες εξαγωγής. Και επειδή αυτές οι ομάδες δεν τρώνε παραμύθια, μέτρησαν τα κέρδη και βρήκαν περίπου 3% περισσότερα άλογα ….δεν τα λες και λίγα περίπου 20 άλογα και άλλα 2-3% περισσότερη ογκομετρική απόδοση!

Σπειροειδές γυάλισμα

Πολλοί κατασκευαστές βαλβίδων, εδώ και αρκετά χρόνια, κάνουν ένα ειδικό φινίρισμα στον κώνο, διαδικασία που παλαιότερα γινόταν χειρωνακτικά. Τελευταία, το ίδιο φινίρισμα γίνεται αυτόματα για λόγους κόστους φυσικά. Η σπειροειδής επιφάνεια με τη «σατινέ» εμφάνιση, έχει αποδειχθεί ότι βοηθάει λίγο στη δημιουργία ανάδευσης του εισερχόμενου μείγματος, αν και πρόκειται για πολύ μικρά κέρδη.

Λεπτό στέλεχος

Ελαττώνοντας τη διάμετρο του στελέχους από την άκρη του οδηγού ως την αρχή του κώνου, έχουμε μετρήσιμα αποτελέσματα στην αύξηση της ροής, καθώς αυξάνεται η ενεργός διατομή του αυλού εισαγωγής. Μεγαλύτερη ενεργός διατομή σημαίνει, με άλλα λόγια, μικρότερη αντίσταση στη ροή εισαγωγής ή εξαγωγής αντίστοιχα. Συνδυάζοντας δε το λεπτότερο στέλεχος με σπειροειδές γυάλισμα του κώνου, δίνει άμεσα αποτελέσματα στο ροόμετρο. Το κόβουμε εδώ αυτό το μήνα, για να συνεχίσουμε στο επόμενο, καθαρά χειμωνιάτικο τεύχος, με τις …κούφιες βαλβίδες και πάει λέγοντας! Μέχρι τότε …γαντάκια, μπουφανάκια, τζάκια και παϊδάκια…. Άντε και κάνα κράσο με τους συγκρατούμενους…