
Lassan egy hónapja posztoltam ki a Facebookra a Hangyászban ülő vigyorgó fejem, alatta egy olyan lábbal, aminek a talpa épp a kipufogó-leömlő talpával talpalt össze. Úgy alakultak a dolgok a térben, hogy a 350Z motor és a hozzá való leömlő éppen oda került, ahová a gázpedálnak kellett volna. Ezért át kell alakítani a leömlőt. De mivé? És hogyan?
Valószínűleg azért, mert hosszúkás és férfias, a kipufogót pont annyi hülye mítosz veszi körül, mint a hímvesszőt. A kedvencem a "kell a fojtás a motornak, különben nem fog menni". Ez ökörség. A kipufogó megértése azonban a motor megértésével kezdődik.
Alapok
Az mindenkinek megvan, hogy a benzin-levegő keverék úgy megy be a hengerbe, hogy a lefelé haladó dugattyú behúzza (valójában csak engedi benyomulni) a szívószelep(ek)en át. Aztán felfelé menet összesűríti, a gyertya begyújtja, az égés a dugót letolja, aztán a felfelé haladó dugattyú kinyomja az égésgázokat a kipufogószelep(ek)en át.
Sokatoknak az is ismerős lehet, hogy a szelepek nem a dugattyú holtpontjain nyitnak-csuknak. Ennek két oka van. Egyrészt a dolgokhoz idő kell, és abból - főleg magas fordulaton - nincs sok. Másrészt az, hogy a légoszlop, ami szívócsatornában és a kipufogóban utazik, ugyanúgy tehetetlenséggel bír, mint egy szenesvagon vagy egy Bugatti Veyron. Időbe telik, amíg felgyorsul, de aztán még egy darabig viszi a lendülete. Ezt használja ki a szelepösszenyitás nevű állapot. A munkaütemnek még vége sincs, amikor a kipufogószelepek már kinyílnak, hogy a kipufogógáz már elindulhasson kifelé. Erre segít rá a felfelé haladó dugattyú. Ámde mielőtt felérne a felső holtpontra, és kitolná az utolsó pöffenetet a hengerből, azelőtt már kinyílnak a szívószelepek. Azaz van egy olyan tartomány, amikor a dugó felfele utazik, és minden szelep nyitva van. Miért?
Azért, mert a kipufogón át már javában távozó légoszlop segít behúzni, átöblíteni a friss a keverékkel a hengert a szívószelepeken át. Ezt hívják töltetcserének. A motor ereje szempontjából semmi sem fontosabb a hatékony töltetcserénél, elégetni ugyanis csak azt tudjuk, ami bemegy. És ha nem használunk turbót vagy kompresszort, akkor bemenni csak annyi levegő fog a hengerbe, amit a szívószelepek nyitvatartási ideje alatt a légköri nyomás betol. Ezt könnyíti meg, ha a kifelé száguldó kipufogógáz cúgja még belehúz egy kicsit.
Beránt a metró, aztán kigyullad
Mindenki tapasztalhatta a saját bőrén, aki állt már az alagútba berobogó metró mellett a peronon; olyan, mintha be akarná rántani a metróval húzott légvonat. Ezt használja ki a szelepösszenyitás, így segít a lehető legtöbb friss keveréknek a hengerbe kerülni. Ennek a folyamatnak van egy térfogati hatásfoka, ezt hívják angolul volumetric efficiency-nek, röviden VE-nek, magyarul töltési foknak. Az elméletileg tökéletes esetben a művelet végére minden kipufogógáz-molekula elhagyja a hengert, és a helyére friss, éghető keverék kerül. (Van jobb a tökéletesnél is: pont a légoszlopok tehetetlensége (és itt most nem tárgyalt egyéb izgalmas hangolási trükkök) miatt nagyon jól megépített, nagyon jól öblítő motoroknál van olyan tartomány, amikor a VE 100% fölé is mehet egy kicsit, azaz egy egész kevéssel több friss keverék is bepréselődik, mire bezárulnának a szelepek, mint amennyi szimplán beférne)
A gázcsere hatásfokát alapjaiban meghatározza a levegő mozgásának sebessége, amit pedig alapvetően meghatároz a fordulatszám. Nagyobb fordulaton nagyobb a dugattyúsebesség, másak az áramlási viszonyok. Az a fordulattartomány, ahol az öblítés hatásfoka (a VE) a legmagasabb, az lesz a motor nyomatékcsúcsa. Ez elég logikus: a motor ott a legerősebb, ahol a legtöbb friss égetnivaló jut a bendőjébe.
A vezérműtengelyek bütykeinek formája határozza meg a szelepek nyitási időzítését. Vigyázat: az idő itt nem másodperceket jelent, hanem fokot, szögelfordulást: például azt, hogy a kipufogószelep a dugattyú alsó holtpontja (AHP) előtt 52 fokkal nyit, és a felső holtpontja (FHP) után 8 fokkal zár. A dugattyú ugye össze van építve a hajtókaron át a főtengellyel, és a főtengely hajtja a vezérműtengelyt, azaz az ő időzítésük fixen összefügg. Ez nem is lehetne másként, hiszen ha a szelepek elkezdenének a dugattyútól külön életet élni, akkor beletrafálhatnának az éppen felfele száguldó dugattyúba (ezt történik például, ha átugrik pár fokot a vezérműszíj, vagy elszakad). Ebből értjük, hogy a fenti szelep akkor is 52 fokkal AHP előtt nyit és 8 fokkal FHP után zár, ha a motor épp egy 1000-es alapjáraton ketyeg, és akkor is, ha 8000-en ordít, tök mindegy neki. Pedig utóbbi esetben pont nyolcadannyi idő van a töltetcserére, és nyilván jóval sebesebb az egész légvonat is odabent.
A szelepek nyitásának időzítésével, a befelé áramló levegő útját adó szívórendszer kialakításával, és a kifelé nyomuló gázok útját adó kipufogórendszer kialakításával választjuk ki azt a fordulatszám-tartományt, ahol a motor a saját képességeihez képest a legjobb hatásfokkal öblít, azaz a legerősebb, a legnagyobb a nyomatéka. Ez - a köcsög fizika miatt - egy relatíve szűk tartomány. Nem lehet egyszerre mindenhol jó, 1000-en és 8000-en is. A modern motorok változó vezérlése (VTEC, VANOS, VVT, mifene) pont ezt a tartományt igyekszik bővíteni, de mindenhol ugyanolyan faszán nyomatékos motort egyikkel se lehet csinálni.
Mint feltűnhetett, végig nyomatékról beszélünk, nem teljesítményről. A nyomaték azt mondja: az adott pillanatban ekkora erővel tudom megcsavarni a főtengelyt. Ha egy motornak 200 Nm a nyomatéka, és te egy marha nagy csőkulccsal megmarkolod a főtengelyt, és ellentartasz a 200Nm-nek, megáll. Ezzel nem mondtunk semmit a motor teljesítményéről. A teljesítmény ugyanis azt mondja, hogy oké, hogy egy adott pillanatban ilyen marha erős vagy, de hányszor vagy ilyen marha erős adott idő alatt? Ha egy perc alatt belenyomsz 6-ot a 150 kilóba a konditermi fekpadon, elég nagy király vagy. De ha a szomszéd padon valaki közben ugyanannyi idő alatt 30-at nyomott az 50 kilóba, akkor ő 1,5 tonnát mozgatott meg, amíg te 900 kg-t. Azaz az ő teljesítménye bő másfélszerese a tiédnek, pedig a te nyomatékod az övének a 3 szorosa, és már azt hitted, lenyúlhatod a gömbmellű csaját.
Így van ez a motorral is. A nyomaték annyit mond meg, hogy mi a motor legnagyobb pillanatnyi erőkifejtési maximuma. A teljesítmény azt mondja meg, hogy mennyi munkát tud elvégezni ezzel a bizonyos erővel adott idő alatt. Vegyünk egy 3 literes benzinmotoros autót. Legyen 300 Nm a nyomatéka 1000-es fordulaton (alapjárat körül). Ezzel ilyenkor 43 lóerő a teljesítménye. Ezért nem szokás alapjáraton gyorsulási versenyezni. Ugyanez a nyomaték 5000-es fordulaton kifejtve 214 lóerőt adna, itt már mutatsz valamit a pályán. Ha pedig beletesszük egy F1-es autóba, még mindig 300 Nm, de 15.000-es fordulaton, akkor pedig 641 lóerőnk van. Ezért olyan kurva gyors egy F1-es, pedig a nyomatéka (motor űrtartalomra vetítve) nem sokkal magasabb, mint egy jó széria benzinmotornak. De azt nagyon-nagyon magas fordulaton tudja.
Oké, csíra, de mi köze van ennek a pudvás leömlődhöz végre?
Nos, a fentieket azért kellett tisztázni, hogy a későbbiek összeálljanak. A kipufogó egyetlen célra van: biztosítani, hogy az égésgázok hiánytalanul elkotródnak a hengerből, és elég gyorsan távozzanak ahhoz, hogy a nyomukban még be is húzzanak egy kis friss keveréket. A leömlő ebben a legfontosabb. Azért van a sportos motorokon olyan hosszú, hengerenkénti csövekből, hogy az egyes hengerekből kifelé nyomuló égésgázok nehogy megnehezítsék a másik hengerből épp kijönni készülő gázok dolgát – sőt, még inkább segítsék is.
A csövek hossza és átmérője is kritikus. Ha próbáltál már keresztülfújni szívószálon, meg is van, hogy miért: mert minél kisebb átmérőjű a cső, annál nehezebb áttolni rajta levegőt. Cserébe (szia, áltisis fizika) annál gyorsabban megy benne a cúg. Próbáld ki szájjal: hatalmasra tátva egy nagy kilégzés egy pillanat alatt megvan, de 30 centivel az arcod előtt már nem érzed a kezeden a leheleted (és milyen mákod van). Ha csücsörítve fújod ki ugyanazt a levegőt, ahogy a gyertyákat szoktad a tortán, nehezebb és tovább tart, de sokkal messzebbre visz, mert sokkal gyorsabban áramlik.
Azzal, hogy a leömlő milyen hosszú és milyen vastag, azt állítod be, hogy milyen fordulatszám-tartományban és milyen szelepidőzítés mellett segítse a legjobban a töltetcserét. Mindenhol nem tud jó lenni. Ha nagyon szűkre veszed, akkor viszonylag gyorsan áramlik benne a levegő, így alacsony fordulaton, amikor nem kéne marha soknak átférni rajta, jól működik, és a jó húzása miatt segít nyomatékosnak lenni odalent (mert hatékonnyá teszi a töltetcserét). Viszont odafent befullad, mert nagy fordulaton, amikor sok gáz menne át rajta, hirtelen nehéz lesz átfújni.
A vastag cső a fordítottja, odafent, fordulaton istenes, de lent, amikor nincs nagy gázvolumen, csak lézeng benne a pár molekula, ami egyáltalán nem segíti a töltetcserét, és így az adott fordulatszámhoz tartozó nyomatékot.
És a hossz?
Azt már tisztáztuk, hogy az időben egymáshoz közel kipufogó hengerek gázait külön kell utaztatni egy darabon, hogy ne zavarjanak be egymásnak. De ez csak a dolgok egyik fele. A másik fele sokkal sötétebb. Amikor kinyílik a kipufogószelep, és elindul kifele a gáz, két külön folyamatot látunk.
Az egyik az, hogy a forró gázoszlop maga kimegy, ahogy a dugattyú kitolja. Ez mondjuk egy jó 2-300 km/órás huzat. Maga a dugó nem megy ilyen gyorsan, de a meleg levegőnek eleinte elég sürgős.
A másik folyamat magán a légoszlopon belül történik: egy jó kis nyomáshullám fut végig rajta. Ahogy az égésgáz szinte kirobban a szelepen át, a nyomáskülönbség lökése egy nyomáspúpként végigzúg a csőben. Míg maga a gázoszlop legfeljebb pár száz km/h-val halad, és folyamatosan lassul, addig a nyomáshullám a gázban (na, ki találja ki, mennyivel megy? nyomásváltozás a levegőben, rémlik? bizony, a levegőben lévő hullámzó nyomásváltozást úgy hívjuk: hang) hangsebességgel közlekedik, ami jó közelítéssel 1200 km/h tengerszinten, normál légköri nyomáson, és elég sokkal gyorsabb a kipufogócső nagy nyomású terében. Amikor ez a nyomáspúp kiér a csőből, egy nyomásvölgy vonul vissza a kiindulási helyére, a hengerbe. Ha jól méretezzük a kipufogórendszert, ez a hullámvölgy pont szelepösszenyitáskor ér vissza, amivel megint segít egy kis friss keveréket beszívni.
Oké, akkor mit is mondtál, milyen lesz az a nyomorult leömlőd végül?
Először is kiszámoljuk a leömlő csőhosszát az alábbi képlet szerint:
P=(((850*Kny)/rpm)-3)*2.54
ahol
P: a leömlő csőhossza cm-ben (P mint primer cső, az első eleme a rendszernek)
Kny: 180° + ahány fokkal az alsó holtpont előtt nyit a kipufogószelep
rpm: a fordulatszám-tartomány, ahová a leömlőt hangolod, azaz ahova a nyomatékcsúcsot szeretnéd
A fentiekbe behelyettesítve az én motorom adatait, azt kapjuk, hogy a gyári vezérműtengelyekkel 83,5 cm, sportosabb tengelyekkel meg közel 90 centis leömlőhossz lenne az optimális, ha a motor jelenlegi nyomatékcsúcsa (4800) és teljesítménycsúcsa (6200) közé lövöm be (5500-ra). Azért viszem kicsit feljebb, mert engem a pályán az alsó tartomány nem érdekel, a magasabb csúcsteljesítményhez pedig magasabbra vitt nyomatékcsúcs (és esetemben leszabályozás) dukál.
A hossz és egy henger űrtartalma ismeretében ki tudjuk számolni a célszerű belső csőátmérőt:
ID=SQRT(cm3/((P+3)*25))*5.33
ahol
ID: a belső csőátmérő cm-ben
cm3: egy henger térfogata köbcentiben
P: a fent megkapott csőhossz
Az én esetemben ez 4,2 cm-es csőátmérőt eredményezne.
Az összefüggések alapján elmondhatjuk, hogy a csőátmérő csökkentésével lefelé, növelésével felfelé mozgatjuk a nyomatékcsúcs helyét a fordulatszám-tartományban. Az általános elv szerint nagyjából 3mm-rel kisebb belső leömlőszár-átmérő nagyjából 500 fordulattal viszi lejjebb a nyomatékcsúcs helyét nagyobbacska motoroknál, és 650-800 fordulattal 2.0 liter alattiaknál.
Az alulra hangolt (szűk) leömlővel csúcsteljesítményt vesztünk, mert alacsonyabb fordulaton lesz a nyomatékcsúcs, a magasra hangolttal pedig csak akkor nyerünk, ha tényleg jól működik a motorunk odafent, ahova a nyomatékcsúcsot tennénk.
A csőhossz változtatása a nyomatékgörbét a csúcspontja körül billenti, magát a csúcsot nem teszi arrébb.
Akkor most mire mondják a vén szakik, hogy kell az a fojtás a motornak? Természetesen nem kell. A motor hatásfokát minden fojtás, pumpálási veszteség rontja. Nem véletlen, hogy az F1-ben nem győznek azzal trükközni, hogy az eleve hiperoptimalizált, nyúlfarknyi kipufogóikat a lehető legalacsonyabb nyomású környezetbe vezessék, hogy még a menetszél is húzza kifele azokat a gázokat. Ugyanakkor azonban a vén szakiknak mégis igazuk van: a "fojtás nélküli" kipufogó nagy átmérőjű, ami, ahogy megtanultuk, magas fordulaton, nagy légtömegáramnál működik csak. Egy túl nagy kipufogó a saját optimális tartománya alatt nagyon ramaty motort tud csinálni, lomha gázáramlással, rossz öblítéssel.
Csak akkora csöveket válassz, amiket meg is tudsz tölteni gázzal, ahogy az agg kínai szexológus szokta javasolni.
Schmitt Pál doboz: a posztban lévő tudomány innen-onnan jött, de a legjava Alexander Graham Bell Four Stroke Performance Tuning című bibliájából, beleértve a képleteket is, amiket én Excel-baráttá konvertáltam. Kösz, Alex.
Érzem én, hogy ez egy kicsit tikkasztó olvasmány volt, de remélem, van köztetek pár ember, akinek hasznára vált. Sajnos a felszínt alig kapirgáltuk, még nem volt szó a kollektorról, ahol a leömlő csövei találkoznak, sem a rendszer további pár méteréről a helókittis krómvégig. Ha elegen jelzitek az igényt, megcsinálom.
És most pár szót a Hangyászról: ezen a héten sem történt túl sok minden, de nagyjából a helyére került a kormánymű. Ámde a ma esti telefonbeszélgetésünk során Adorján a következő mondatot mondta, és megígértem neki, hogy kiírom neon betűkkel, nehogy véletlenül elfelejtse:
Áprilistól tiszta erővel a Hangyászra koncentrálunk!
Ámen.