Motortuning másképpen, 3. rész - Rezgőkör

Cikksorozatunk előző részében áramlástanilag már vizsgáltuk az SV650-t. Most a szívó-, és kipufogócsőben lezajló rezgésekről lesz szó.





Mivel minden dugattyús motor szakaszos működésű, a négyütemű motorokba beáramló levegő, illetve kiáramló kipufogógáz sem folyamatosan áramlik be, avagy ki a motorból, akármennyire is így látszik. Ezt a szakaszos áramlási jelleget ki is lehet használni, mégpedig többlet teljesítmény elérésére. Ez azért lehetséges, mert a motor gázcsere vezetékeiben (szívócső, kipufogócső) elhelyezkedő gáznak van tömege, ha pedig mozog, mozgási energiája. A szívó-, és kipufogócsőben található gáz súlyként is felfogható. Ám, ha ugyanez a gáz a hengerben helyezkedik el, akkor rugalmas energiát képes tárolni és légrugóként viselkedik. Tehát a hengerrel összekapcsolt szívó- vagy kipufogócsőben elhelyezkedő gáztömeg mozgása modellezhető egy rugó és egy ráakasztott súly mozgásával.

 

 


Az előző részek:

1. Az alapok és a szelepemelés

2. Áramlási viszonyok


 

 

Ahhoz hogy egy erőforrás működésbe jöjjön először éghető benzin-levegő keveréknek kell a hengerében lennie. Tehát a négyütemű motorban lezajló gázcsere folyamat a szívóütemmel kezdődik. Felső holtpontból indulva a dugattyú egyre gyorsulva az alsó holtpont felé mozog, a löket fele előtt nem sokkal eléri legnagyobb sebességét, majd lassul és az alsó holtpontban egy pillanatra megáll. A motor működése során a szívó ütemhez szükséges nyomáscsökkenést a hengerben mozgó dugattyú hozza létre. Ebből az következik, hogy a legnagyobb mértékű nyomásesés a dugattyú legnagyobb sebességével esik egybe, így a legnagyobb beáramlási sebesség is ekkor tapasztalható. Mivel a dugattyú hol gyengébben, hol erősebben „húzza” a hengerbe a levegőt, ezért a „rángatás” miatt a szívócsőben található levegőoszlop lengésbe jön. Éppen úgy, mint egy rugóra akasztott súly. Így, annak ellenére, hogy a dugattyú mozgása az alsó holtpont környékén lelassul, sőt egy pillanatra meg is áll, a mozgásba lendített gáztömeg tehetetlensége révén tovább mozog a henger irányába.

 

 

A szívó és kipufogó rendszerben elhelyezkedő gáz mozgása modellezhető egy rugó és egy hozzáerősített tömeg mozgásával

 

 

Ilyenkor a csőben elhelyezkedő gáz mozgási energiája a hengerben található gáz összenyomására fordítódik. Ennek persze feltétele, hogy a szívószelep még nyitva legyen akkor is, amikor a dugattyú már a kompresszió ütem elején jár. Ha a dugattyú mozgása, a szelep zárása és a szívócsőben elhelyezkedő légoszlop mozgása összhangban van, akkor a henger a környezeti nyomásnál nagyobb nyomásra tölthető fel. Az SV650 konkrét példáján bemutatva, ha a motor a megfelelő fordulaton működik, akkor a 47 fokkal késleltetett szívószelep zárásnak is köszönhetően, a 645 cm3–nyi levegő tömeg helyett akár 700-720 cm3-nek megfelelő súlyú levegő is lehet a hengerekben a kompresszió ütem kezdetén. Rejtett finomságok azért itt is vannak. Lényeges, hogy zárt szívószelep esetén a szívócső hossza (helyesebben „rövidsége”) miatt egyszerre több ide-oda mozgó levegő szakasz található a szívócsőben. Ez azért fontos, mert a szívószelep a felső holtpontban már nyitva van.

 

A szívócső hossza mentén nagyobb nyomású és ritkább légrétegek váltogatják egymást. A szelep nyitásakor előnyös a nagy nyomás a szelep hátoldalán

 

 

Vagyis a kipufogó ütem végén nyílik ki, akkor, amikor a dugattyú a felső holtpont felé mozogva még javában szorítja kifelé a hengerből a kipufogó gázt! Az SV-n mindez 13 fokkal a felső holtpont előtt történik meg, a hengerben pedig magasabb a nyomás, mint a szívócsőben…látszólag! Ugyanis, ha a szívócső megfelelő hosszúságú, akkor a szelep nyitás idején pont a henger felé mozgó levegőtömeg helyezkedik el a szelep hátoldalán. Így a levegő annak ellenére beömlik a hengerbe, hogy a dugattyú onnan ki szeretné nyomni. Mivel több olyan levegő szakasz van a szívócsőben, amelyik a henger felé mozog, ezért több olyan fordulatszám tartomány van, ahol ez a hatás érvényesül. Sajnos ebből az is következik, hogy ha éppen a hengertől távolodó levegőszakasz található a szelep hátoldalán a szelepnyitáskor, akkor a hengerből kipufogógáz áramlik a szívócsőbe, rontva a teljesítményt. Ez a hol javuló, hol romló feltöltő hatás az oka annak, hogy a nyomaték és a teljesítmény görbe hullámos. SV-nk 265 mm-es szívócsővel rendelkezik és a megfelelő számításokat elvégezve elméletileg 8100, 6350, 5100, és 4100 fordulaton javítják, míg a közbenső fordulatokon rontják a hullámok a motor töltését. A gyakorlatban viszont ott van a kipufogórendszer a saját gázdinamikájával, amely ezeket az értékeket jelentősen befolyásolja, de erről később még lesz szó.

 

Megfelelően megválasztott kipufogócső hosszakkal a szívórendszer kevésbé hatékony működése ellensúlyozható

 

 

 

Másik lényeges dolog, hogy a szívórendszerben sehol ne alakuljon ki magasabb sebesség, mint a hangsebesség (345 m/s) 60-70%-a, mert ekkor az áramlás jellege megváltozik, és a szívórendszer hatékonysága jelentősen romlik. Mivel a szívórendszerben minden légmozgást a dugattyú indít el, ezért a dugattyú legnagyobb sebességéből meghatározható az a fordulatszám, amelynél a szelepek még éppen megfelelnek az említett feltételnek. Esetünkben a 31 mm-es szívószelep 48%-os átbocsátási képesség „birtokosa”, teljes szívórendszerrel (légszűrő, stb.) felszerelve. Ezt sorozatunk előző részében bemutatott áramlási jellemzők alapján határoztuk meg és így a geometriai 1464 mm2 helyett csak 713 mm2 áll ténylegesen a levegő áram rendelkezésére. Ebből kiszámítható, hogy az SV szívószelepe 7500-8000 f/p-nél, míg a fojtószelep 6000-7000 f/p-nél lép át a kevésbé megfelelő áramlási zónába. Mint látható hatékonyabb légszűrő házzal, nagyobb szívószelepekkel és nagyobb fojtószeleppel lehetne javítani a motor „szellőzésén”.

 

Egy reflexiós hangtompító vázlata. A kollektor cső hatását a kamrák és csövek kombinációja nagyrészt megszünteti

 

 

 

A kipufogó rendszer hasonlóan működik, annyi eltéréssel, hogy a kipufogócsőben forró szén-dioxid található, a szívócsőben lévő hűvös levegő helyett. Így a kipufogó rendszerben a hangsebesség kb. 1,6-szor nagyobb, mint a szívó rendszerben, ami a rendszer átmérőjét és hosszát is befolyásolja. Fontos, hogy a leömlő cső áramlási felülete 1,2-1,4-szer legyen nagyobb a kipufogó csatorna legszűkebb keresztmetszeténél. SV-nk a maga 35,6 mm-es kipufogócső belső átmérőjével 1,3-es értéket produkál, ami tökéletesen megfelel az „előírásnak”. Ám a cső rögzítésének kiképzése már nem ennyire szerencsés: a hegesztési varrat belóg a csőbe és kb. 2 mm-t lop el az átmérőből. Ráadásul épp azon a helyen, ahol a kipufogó gáz a leggyorsabban halad, így jelentős örvénylést kelt, amely tovább szűkíti az áramlási keresztmetszetet. Ezt a részletet átdolgozva biztosan javítható a teljesítmény. A gyűjtőcső, vagy más néven kollektor cső átmérője is hagy kívánnivalót. Ideális esetben a kollektor áramlási keresztmetszetének 6-szor nagyobbnak kellene lennie a leömlő cső keresztmetszetnél, viszont az SV-n ez az érték csak 3,05. Sajnos ez nem teszi lehetővé a kipufogóban mozgó nyomáshullámok maradéktalan kihasználását.

 

 

 

Vezérlési idők 1 mm szelepnyitásnál:

Szívószelep:

240 fok

nyit: 13 fokkal FHP* előtt

zár: 47 fokkal AHP* után

Kipufogó szelep:

220 fok

nyit: 30 fokkal AHP előtt

zár: 10 fokkal FHP után

*FHP - felső holtpont; AFP - alsó holtpont

 

Hiszen, ha megfelelő mértékű csőtágulaton halad keresztül a hengerből távozó gáz, maga mögött, vagyis a hengerben, alacsonyabb nyomást hoz létre. Célszerű ezt a jelenséget úgy időzíteni, hogy a szelep összenyitáskor legyen a nyomáscsökkenés a legjelentősebb. A csőhosszakat úgy érdemes megválasztani, hogy azon a fordulaton javuljon a henger öblítése, ahol a szívórendszerben ide-oda mozgó légoszlop éppen rontja a töltési fokot. A számításhoz figyelembe kell venni a kipufogó rendszerben érvényes átlagos hangsebességet, amely kb. 560 m/s. Az első hengerhez tartozó leömlő hossza a szeleptől mérve 800 mm, míg a hátsóé 840 mm. Ezen adatok felhasználásával elvégezve a szükséges számításokat az első henger 7300 f/p-nél, míg a hátsó 6900 f/p-nél javítja a motor teljesítményét. Ez teljesen megfelel az imént említett célnak, hiszen a szívórendszer éppen 7200 f/p környezetében rontja a hengerek töltését, amelyet a kipufogó rendszer nagyszerűen ellensúlyoz. Egyenlőtlen gyújtásköze miatt V2 motoron a kollektor hossza nem bír akkora jelentőséggel, mint egy sor 4-es gépnél. Így sosem alakulhat ki olyan állapot a gyűjtőcsőben, hogy az egyik henger kipufogó üteméből származó hullám minden esetben segítse a soron következő henger kipufogását. Ezt a hatást a gyári hangtompítóban elhelyezkedő kamrák egyébként saját rezgéseikkel helyettesítik, illetve megszüntetik. Ezen a részen inkább a hangtompító ellenállásának csökkentése hozhat eredményt.