Πολλαπλη εξαγωγη ή κοινως χταποδι..

Αλλο ενα Θεμα που θελω να σας παρουσιασω το οποιο χρειαζεται να μπει σε Τεχνικη Ενοτητα που δυστυχως ακομα δεν εχει δημιουργηθει σε αυτο το forum..
Δεν πειραζει ομως..Ας ξεκινησουμε :

Τι είναι ένα "χταπόδι"?
Η πολλαπλή εξαγωγής είναι ένα συνονθύλευμα σωλήνων που ξεκινάνε από κάθε κύλινδρο (πρωτεύοντες σωλήνες) και καταλήγουν σε μια ή περισσότερες ενώσεις (συλλέκτες), όπου τα καυσαέρια του κάθε σωλήνα συναντιούνται μεταξύ τους και μετά συνεχίζουν τη διαδρομή τους σε έναν ή περισσότερους δευτερεύοντες σωλήνες.
Τα χαρακτηριστικά μεγέθη ενός χταποδιού είναι τα διαμετρήματα και μήκη των πρωτευόντων και δευτερευόντων σωλήνων, καθώς και η διάταξη συμβολής των σωλήνων στον ή στους συλλέκτες. Τα διαμετρήματα έχουν να κάνουν κυρίως με τον όγκο καυσαερίων που καλείται να διαχειριστεί το χταπόδι. Η διάμετρος των πρωτευόντων σωλήνων πρέπει να επιτρέπει τη ροή των καυσαερίων του κάθε κυλίνδρου χωρίς να παρουσιάζει ιδιαίτερη αντίσταση, και η διάμετρος των δευτερευόντων πρέπει να πληροί τις ίδιες συνθήκες για τον όγκο των καυσαερίων που αντιστοιχεί στον αριθμό κυλίνδρων που "πέφτουν" στον ίδιο συλλέκτη.

Πώς ο συλλέκτης "μοιράζει" τις πιέσεις
Ο συλλέκτης είναι το σημείο επικοινωνίας των ανεξάρτητων πρωτευόντων σωλήνων, και η διάταξη που επιτρέπει την παλμική αλληλεπίδραση των κυλίνδρων μεταξύ τους. Ο παλμός καυσαερίων που κατεβαίνει από τον πρωτεύοντα σωλήνα πέφτει μέσα στον συλλέκτη και μετά καλείται να συνεχίσει την πορεία του προς τον δευτερεύοντα. Καθώς ταξιδεύει στον δευτερεύοντα, η χαμηλή πίεση που ακολουθεί το κύμα πίεσης του παλμού εξαπλώνεται και μέσα στον συλλέκτη, και από εκεί στους υπόλοιπους σωλήνες που επικοινωνούν με αυτόν.

Συντονίζοντας το χταπόδι
Ο συντονισμός του χταποδιού είναι πιο περίπλοκος από αυτόν ενός απλού σωλήνα για κάθε κύλινδρο, γιατί πρέπει να ικανοποιηθούν οι εξής συνθήκες:
1. Τα μήκη των πρωτευόντων σωλήνων πρέπει να εξασφαλίσουν πως, όταν μπει ένας παλμός καυσαερίων μέσα στον συλλέκτη και μεταφέρει πίεση στους υπόλοιπους κυλίνδρους, η απόσταση βαλβίδας εξαγωγής - συλλέκτη θα είναι τέτοια ώστε η πίεση να μην προλάβει να πετύχει κάποια βαλβίδα ανοιχτή.
2. Μόλις ο παλμός καυσαερίων του ενός κυλίνδρου φύγει από τον πρωτεύοντα σωλήνα, θέλουμε η χαμηλή πίεση που τον ακολουθεί να συνεχίσει να παρασύρει καυσαέρια όχι μόνο από τον κύλινδρο που μόλις ξεφύσηξε, αλλά και από τους σωλήνες των κυλίνδρων που περιμένουν με τη σειρά τους να ανοίξουν τις βαλβίδες εξαγωγής.
3. Επειδή τα δυο παραπάνω είναι ασυμβίβαστα από μόνα τους, η επιλογή των κυλίνδρων που θα επικοινωνούν με τον εκάστοτε συλλέκτη πρέπει να είναι τέτοια, ώστε στη φάση που αναπόφευκτα θα έχουμε κάποιον παλμό πίεσης να ταξιδεύει προς κάποια βαλβίδα, η βαλβίδα αυτή θα είναι ερμητικά κλειστή.
Το σύστημα εξαγωγής πρέπει να σχεδιάζεται με βάση ορισμένα στοιχεία, όπως ο κυβισμός και οι στροφές λειτουργίας. Οι κατασκευαστές γνωρίζουν φυσικά, πολύ καλά τους νόμους που διέπουν ένα τέτοιο σχεδιασμό, αλλά προσπαθώντας να κρατήσουν χαμηλά το κόστος παραγωγής, οδηγούνται σε συμβιβασμούς.

Η μορφή αυτή των συμβιβασμών φαίνεται στα διάφορα αυτοκίνητα, ακόμα και στα διάφορα μοντέλα του ίδιου κατασκευαστή, και διατρέχει όλο το φάσμα της αποδοτικότητας, από τραγικό έως πολύ καλό.

Όπως και στις υπόλοιπες μετατροπές, έτσι και εδώ το αποτέλεσμα που θα πάρει κάποιος σχεδιάζοντας και κατασκευάζοντας το δικό του σύστημα εξαγωγής, εξαρτάται από το πόσο κακό ή καλό ήταν το εργοστασιακό κομμάτι. Να πω εδώ ότι όλα τα συστήματα βελτιώνονται, και φυσικά δεν μιλάω για την Ferrari 360 – 430, BMW σειρές M, Porsche κλπ, που τα συστήματα τους είναι σωστά σχεδιασμένο γιατί εκεί δεν υπάρχουν περιορισμοί και συμβιβασμοί.

Τα περισσότερα αυτοκίνητα πάσχουν από συστήματα κοντά και πολύ στενά. Οι υπολογισμoί που αναφέρονται παρακάτω έχουν σκοπό την αποδέσμευση της κρυμμένης ισχύος που βρίσκεται μέσα στην αδυναμία ελεύθερης λειτουργίας των εργοστασιακών συστημάτων.

Υπάρχουν δύο βασικά συστήματα εξαγωγής. Το χταπόδι 4-2-1 και το χταπόδι 4-1 (αυτό φοράω εγώ). Το κάθε ένα έχει τα δικά του χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα ή μειονεκτήματα.
Το 4-2-1 συγκεκριμένα λειτουργεί από τις χαμηλές ως τις μεσαίες στροφές, ενώ το 4-1 χρησιμοποιείται σε κινητήρες που εργάζονται στις υψηλές στροφές.

Το 4-2-1 αποδίδει καλά ως τις 6.500 – 7000 σαλ, και το 4-1 φθάνει ως τις ανώτερες στροφές της F1 και των αγωνιστικών Μοτό, ενώ υστερεί αρκετά έναντι του 4-2-1 στις χαμηλές και μεσαίες.

Έστω ότι θέλουμε να φτιάξουμε ένα χταπόδι 4-2-1

Ξεκινάμε πρώτα από τον κυβισμό ,στην συνέχεια πάμε στον/στους εκκεντροφόρους που ήδη έχει ο κινητήρας, ή σε αυτόν που θα τοποθετήσουμε. Όλοι οι κατασκευαστές εκκεντροφόρων δίνουν τα στοιχεία του χρονισμού.

Τέλος πάμε στις στροφές του κινητήρα. Περιέργως αυτό είναι και το πιο δύσκολο σημείο. Συνήθως υπάρχουν τρία σημεία στροφών να διαλέξετε. Πρώτες είναι οι στροφές της μέγιστης ροπής, αν διαλέξετε αυτές, το αυτοκίνητο θα κινείται με πολλή ευκολία και νεύρο στην χαμηλή κλίμακα των στροφών και θα χάνει την όρεξη του ο κινητήρας να περάσει άνετα στις υψηλές στροφές.

Δεύτερο σημείο υπολογισμού είναι κάποιο σημείο μεταξύ της μέγιστης ροπής και της μέγιστης ισχύος. Αν πχ η ροπή εκδηλώνεται στις 4500 σαλ και η δύναμη στις 6500 σαλ, παίρνετε σαν δεδομένο τις 5500 σαλ. Αποτέλεσμα αυτού του υπολογισμού θα είναι ένα χταπόδι που θα λειτουργεί σε όλη την γκάμα των στροφών ικανοποιητικά, με εμφανή έξαρση γύρω στις 5000 σαλ. Αυτός ο τρόπος σχεδίασης χρησιμοποιείται πιο συχνά γιατί καταλήγει στον ελαστικό κινητήρα.

Αν το σημείο υπολογισμού είναι οι στροφές τις μέγιστης ιπποδύναμης, το αποτέλεσμα θα είναι ένα αυτοκίνητο κάπως άδειο στις χαμηλές στροφές αλλά πολύ ζωντανό μετά τις 5500 σαλ. Σ΄αυτό το πλαίσιο κινούνται οι υπολογισμοί για τους κινητήρες αγώνων, που λίγο ενδιαφέρει αν λειτουργούν ομαλά στις 1500-2000 σαλ.

Στο σύστημα 4-2-1 οι σωλήνες που ξεκινάνε από το καπάκι ονομάζονται πρωτεύοντες. Αυτοί μετά από κάποια απόσταση, που συνήθως είναι 38 εκ. ενώνονται ανά 2, ο 1 με τον 4, και ο 2 με τον 3. Οι δύο σωλήνες που ξεκινούν από την ένωση αυτή των 4άρων ονομάζονται δευτερεύοντες, φυσικά στο σύστημα 4-1 δεν υπάρχουν δευτερεύοντες.

Οι δευτερεύοντες αυτοί μετά από μια απόσταση που υπολογίζονται, ενώνονται και αυτοί και από την ένωση τους ξεκινάει ο τελικός σωλήνας στον οποίο μπαίνουν ο καταλύτης και τα καζανάκια.

Φτάσαμε λοιπόν στους τύπους που θα σας επιτρέψουν να σχεδιάσετε το σύστημα σας.

Τα μήκη και οι διάμετροι έχουν ως εξής :
Μ1 είναι το μήκος κάθε πρωτεύοντα σωλήνα.
Μ2 είναι το μήκος κάθε δευτερεύοντα σωλήνα.
Μ3 είναι το άθροισμα των δύο, αλλά μετράει από την βαλβίδα εξαγωγής στο καπάκι, μέχρι εκεί που οι 2 δευτερεύοντες γίνονται ένας ( τελικός σωλήνας )

Οι διάμετροι του υπολογισμού είναι ( εσωτερικές ) :
Δ1 η διάμετρος του κάθε πρωτεύοντα σωλήνα.
Δ2 η διάμετρος του κάθε δευτερεύοντα σωλήνα.
Δ3 η διάμετρος του τελικού σωλήνα.

Πρώτα υπολογίζετε το Μ3

Μ3 = 13.000 Χ Ε
----------------
Στροφές Χ 6

Ε είναι η διάρκεια σε μοίρες της εξαγωγής από την στιγμή που ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής και μέχρι το άνω νεκρό σημείο όμως.

Για την επιλογή των στροφών αναφέρθηκα πρίν.

Δεύτερη υπολογίζετε τη διάμετρο Δ1 κάθε πρωτεύοντα σωλήνα.

Δ1 = 2.1 Χ όγκος κυλίνδρου Χ 2
---------------------------
Μ3 Χ 3.14

Όπου όγκος εκφράζεται σε κυβικά εκατοστά ( cc )

Το Δ2, η διάμετρος του δευτερεύοντα είναι :

Δ2 = 0.93 Χ Δ1² Χ 2
Η διάμετρος του τελικού σωλήνα Δ3 είναι :
Δ3 = 2.1 X Συνολικός κυβισμός
--------------------------
Μ3 Χ 3.14
Πάλι ο κυβισμός εδώ είναι σε κυβικά εκατοστά ( cc )
Το Μ1 και Μ2 είναι πιο εύκολο να βρεθούν.
Το Μ1 όσον αφορά τα συστήματα 4-2-1 είναι πάντα γύρω στα 38 εκατοστά ( cm ).
Το Μ2 είναι η διαφορά των Μ3 και Μ1 και αυτό είναι όλο.
Δηλαδή σε κάθε περίπτωση :
Μ2 – Μ3 = 38 cm

Στο σύστημα 4-1 βέβαια, συζητάμε μόνο για Μ3 γιατί δεν υπάρχουν δευτερεύοντες ( Μ2 )
Δύο χαρακτηριστικά παραδείγματα θα βοηθήσουν στην εύκολη χρήση των υπολογισμών αυτών. Πρώτα ας πάρουμε ένα κινητήρα 2.000 κυβικών με χρονισμό βαλβίδων 50-70-70-50, ο τρίτος αριθμός, το 70, δείχνει που ανοίξει η βαλβίδα εξαγωγής πρίν το Κάτω Νεκρό Σημείο.

Με ένα τέτοιο εκκεντροφόρο περιμένουμε την μέγιστη ροπή γύρω στις 4.500 σαλ και την μέγιστη ισχύ στις 6.200 σαλ. Το σύστημα εξαγωγής θέλουμε να μας επιτρέπει την άνετη κίνηση στην κυκλοφορία της πόλης, αλλά και να δείχνει το σπόρ χαρακτήρα του αυτοκινήτου στον ανοιχτό δρόμο, ή όταν αποφασίσουμε να κινηθούμε κάπως γρήγορα….μέσα στην πόλη!
Θα πάρουμε λοιπόν σαν στροφές υπολογισμού τις 5.000 επειδή μας ενδιαφέρει η ομαλή κίνηση χαμηλά. Το Ε στην περίπτωση του κινητήρα αυτού είναι:

Ε = 180ο + 70ο = 250ο
Πρώτο έρχεται λοιπόν το Μ3
Μ3 = 13.000 Χ 250
------------------------- = 108cm
5.000 Χ 6
Ο όγκος κάθε κυλίνδρου είναι 500cc για 4κύλινδρο κινητήρα, ας πάμε τώρα στο Δ1
Δ1 = 2.1 Χ ² 500 Χ 2
----------- = 3.6cm ή 36mm
108 X 3.14
36mm λοιπόν η εσωτερική διάμετρος κάθε πρωτεύοντα σωλήνα, Δ2 τώρα και
Δ2 = 0.93 Χ² 3.6² Χ 2 = 4.7cm ή 47mm είναι η εσωτερική διάμετρος καθενός από τους δευτερεύοντες σωλήνες. Ο τελικός σωλήνας έχει τώρα σειρά με διάμετρο Δ3.
Δ2 = 2.1 Χ ² 2000
----------- = 5cm ή 50mm
108 Χ 3.14

Το Μ1 είπαμε ότι είναι 38cm ( πρωτεύοντες σωλήνες ) Οι δευτερεύοντες σωλήνες είναι η διαφορά του Μ3 και του Μ1 δηλαδή
Μ2 = 108 – 38 = 70cm
Επειδή όμως, όλο το σύστημα μετράει από την βαλβίδα εξαγωγής, πρέπει να αφαιρέσουμε από το Μ2 την απόσταση έδρας εξαγωγής-φλάτζας χταποδιού, που συνήθως είναι 8 – 10 cm. Γίνεται έτσι το Μ2, 60cm.
Καλός ο υπολογισμός, αλλά πρέπει να προσαρμοστούμε και στους πραγματικούς περιορισμούς των υλικών που υπάρχουν στην αγορά. Το Δ1 βγήκε εσωτερικά 36mm. Οι σωλήνες ( χωρίς ραφή ) που υπάρχουν στην αγορά έχουν πάχος τοιχώματος 1.3 – 1.5mm. Επειδή όταν μιλάμε για σωλήνες στην περίπτωση αυτή πάντα ορίζουμε την εξωτερική διάμετρο, έχουμε για το Δ1:

Εξωτερικά: 36+3=39mm. Στην αγορά υπάρχει σωλήνα 40άρα οπότε θα χρησιμοποιηθεί αυτή.
Το Δ2 είναι εξωτερικά 47+3=50mm, υπάρχει 50άρα σωλήνα στην αγορά.
Το Δ3 εξωτερικά είναι 50+3=53mm, στην αγορά υπάρχει 55άρα, άρα χρησιμοποιούμε αυτή.

Ανακεφαλαιώνοντας έχουμε ένα σύστημα 4-2-1 με τις εξής διαστάσεις.
4 πρωτεύοντες 38cm μήκος από 40άρα σωλήνα.
2 Δευτερεύοντες σωλήνες 60cm μήκος από 50άρα σωλήνα.
Και τελικό σωλήνα 55άρη.

Τώρα πάμε στα σιλανσιέ. Αυτά πρέπει να κάνουν δύο δουλειές καλά : Να μειώνουν πολύ τον θόρυβο και να μη γίνονται εμπόδιο στην ελεύθερη ροή των καυσαερίων. Η εσωτερική τους διάμετρος πρέπει να είναι ίδια με αυτή του τελικού σωλήνα και όχι μικρότερη !

Μετά από πολλές δοκιμές έχει βρεθεί ένας τύπος σιλανσιέ που κάνει σχεδόν τέλεια τη δουλειά του. Συνδυάζει ελεύθερη ροή καυσαερίων με επαρκή μείωση του θορύβου.
Αυτό είναι βέβαια μεγάλο προσόν σε μια τέτοια κατασκευή, γιατί μειώνει στο ελάχιστο την παρακράτηση υγρασίας, που προκαλεί τελικά και την καταστροφή των σιλανσιέ, και με την ευκαιρία για όσους δεν το ξέρουν, τα σιλανσιέ σκουριάζουν από μέσα προς τα έξω. Εχθρός κάθε σιλανσιέ, είναι οι μικρές διαδρομές του αυτοκινήτου, λόγω του ότι δεν θερμαίνεται αρκετά το σύστημα για να απομακρύνει όλη την υγρασία που συσσωρεύεται στο εσωτερικό του.