Διάμετρος x διαδρομή: Ποια είναι η καλύτερη αναλογία; (+video)

186

Ο σχεδιασμός ενός κινητήρα κάθε άλλο παρά απλή υπόθεση είναι. Ειδικά όταν πρόκειται για αυτοκίνητα παραγωγής, στα οποία το μοτέρ πρέπει να συνδυάζει πλειάδα χαρακτηριστικών: ισχύς, ωφέλιμο φάσμα, χαμηλές εκπομπές ρύπων και κατανάλωση, αξιοπιστία, ομαλότητα. Σε ένα αγωνιστικό, για παράδειγμα, μοναδικό ζητούμενο είναι πρωτίστως η δύναμη και η αξιοπιστία. Παλιότερα, δε, όταν τα μπάτζετ των ομάδων ήταν «στο Θεό» (είτε μιλάμε για WRC, είτε για Formula 1, που είναι οι κορυφαίες μορφές τετράτροχου motorsport), πολλοί κινητήρες ήταν μιας χρήσης.

Μια από τις σημαντικότερες παραμέτρους και θεμέλιος λίθος της δομής ενός κινητήρα, είναι ο καθορισμός της αναλογίας διαμέτρου x διαδρομής των εμβόλων. Μια αναλογία, που συναρτήσει του αριθμού κυλίνδρων, μας δίνει τη χωρητικότητα. Και πολλά περισσότερα, όπως εξηγεί ο «γκουρού» του Engineering Explained, Jason Fenske.

Δείτε ακόμα: Ποιες κακές συνήθειες φθείρουν τα turbo;

Καταρχάς, βάσει τεχνοτροπίας, ο συσχετισμός διαμέτρου-διαδρομής χωρίζεται σε 3 κατηγορίες: υπερτετράγωνη, τετράγωνη και υποτετράγωνη. Στην πρώτη περίπτωση, η διάμετρος είναι μεγαλύτερη της διαδρομής. Στη δεύτερη ταυτόσημες, ενώ στην τρίτη η διαδρομή παίρνει τα ηνία. Ο Fenske, μέσω μιας σειράς μαθηματικών που ζαλίζουν, παραθέτει τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα καθεμιάς, όμως εμείς θα ακολουθήσουμε την απλούστερη οδό της επεξήγησης.

Παίρνοντας ως κοινό παρανομαστή μια χωρητικότητα κυλίνδρου της τάξης του μισού λίτρου (άρα συνολικά μια συνηθισμένη 2λιτρη τετρακύλινδρη ή 1.5λτ. τρικύλινδρη διάταξη), οι 3 φιλοσοφίες οδηγούν σε εντελώς διαφορετικά αποτελέσματα. Όπως είναι φυσικό, η υπερτετράγωνη αναλογία ευνοεί το στροφάρισμα, καθώς το πιστόνι εκτελεί πολύ μικρή παλινδρομική κίνηση, οπότε μπορεί στον ίδιο χρόνο να την επαναλάβει περισσότερες φορές. Στο ακραίο παράδειγμα του Fenske, το όριο φτάνει τις 16.000 σ.α.λ. Στην τετράγωνη μειώνεται σχεδόν στο μισό (8.700 σ.α.λ.), ενώ στην εξίσου ακραία υποτετράγωνη πέφτει κάτω από τις 5.000 σ.α.λ. (4.700 σ.α.λ.).

Βάσει του τύπου Ισχύς = Ροπή x σ.α.λ./5252 και για το ίδιο ποσό ροπής, όσο ψηλότερα στροφάρει ένα μοτέρ, τόσο πιο δυνατό είναι. Στην προκειμένη, το υπερτετράγωνο είναι επιπέδου F1, το τετράγωνο παραγωγής επιδόσεων και το υποτετράγωνο μας παραπέμπει σε παλαιότερους αμερικανικούς V8. Ανάλογα, ωστόσο, είναι και τα χαρακτηριστικά απόδοσης.

Διαβάστε επίσης: Πως «μπουκώνει» γρήγορα ένας ντίζελ κινητήρας;

Όπως βλέπουμε στο τρίτο πινακάκι, για μια σχέση συμπίεσης 11:1 στο υπερτετράγωνο σύνολο το μέτωπο της φλόγας κατά την ανάφλεξη, καλείται να καλύψει 231 τετρ. εκατοστά. Στο τετράγωνο πέφτουμε στα 139 τετρ. εκατ., ενώ το υποτετράγωνο παίρνει τη ρεβάνς (και το αβάνς) με μόλις 95 τετρ. εκατ. Τι μας λένε αυτοί οι αριθμοί; Πως συνδυάζοντας μεγαλύτερη διαδρομή και μικρή διάμετρο, το καύσιμο μείγμα διαχέεται στον θάλαμο ταχύτερα και ομαλότερα, στέλνοντας το πιστόνι προς το κάτω νεκρό σημείο με λιγότερη δαπάνη έργου. Άρα χαμηλότερη κατανάλωση και εκπομπές ρύπων.

Το γιατί συμβαίνει αυτό, εξηγείται με μια μικρή διαφοροποίηση. Κρατώντας σταθερή τη διάμετρο στα 86 χλστ. και αλλάζοντας την διαδρομή -και συνεπακόλουθα, τη χωρητικότητα-, μια έρευνα έδειξε πως η αναλογία 86 x 98 εξοικονομεί 2-3 μοίρες στην γωνία του στροφάλου κατά τον κύκλο της καύσης, ενώ η 86 x 115 3-5 μοίρες, οδηγώντας σε μείωση της κατανάλωσης συγκριτικά με την 86 x 86, κατά 3,5%. Βέβαια, στην πολύ υποτετράγωνη διάταξη και για δεδομένες σ.α.λ., η καύση του μείγματος διαρκεί περισσότερο, οπότε η κατανάλωση αυξάνεται. Οπότε μια υποτετράγωνη επιλογή, όπου η διαδρομή είναι περίπου 10 χλστ. μεγαλύτερη από την διάμετρο, θεωρητικά είναι το ιδεατό.

Δείτε ακόμα: Τι συμβαίνει όταν πατάμε το γκάζι με σβηστό κινητήρα;

Αυτό συμβαίνει για 2 λόγους. Η μικρότερη διάμετρος του κυλίνδρου, επιτρέπει την πλήρωση του θαλάμου ταχύτερα. Η μεγαλύτερη διαδρομή, οδηγεί σε υψηλότερη ταχύτητα του πιστονιού, καθώς το «μπαμ» της ανάφλεξης το στέλνει προς τα κάτω γρηγορότερα και επιτρέπει την ομαλότερη καύση στο σύνολο του κυλίνδρου. Αυτός είναι και ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά, που καθιστούν τους σημερινούς υπερτροφοδοτούμενους V6 των 1.6 λτ. περίπου 8-9 φορές πιο θερμοδυναμικά αποτελεσματικούς, σε σχέση με τους ένδοξους και πολύστροφους 3.0 V10 του παρελθόντος (μιλάμε καθαρά για τα θερμικά μοτέρ).

Φυσικά κάθε κινητήρας, αναλόγως αυτοκινήτου και εφαρμογής, καλείται να εκπληρώσει διαφορετικά καθήκοντα. Καταλαβαίνετε, λοιπόν, πως φιξ αναλογία καλύτερης διαμέτρου x διαδρομής είναι πρακτικά αδύνατο να υπάρξει.