Συντονιζόμενες Εξατμίσεις

(πίπες)


[ Τύποι κινητήρων ] - [ Τα μέρη των κινητήρων ] - [ Αρχή λειτουργίας ] - [ Ο κυβισμός ] - [ Η εκκίνηση ] - [ Το στρώσιμο ] - [ Κινητήρες ABC ] - [ Το καρμπυρατέρ ] - [ Σιγαστήρες ] - [ Ροπή και Ισχύς ] - [ Φροντίδα - Συντήρηση ] - [ Βάσεις ] - [ Ψύξη ] - [ Δεξαμενές υγρών καυσίμων ] - [ Το μπουζί πυράκτωσης ] - [ Καύσιμα ] - [ Η έλικα ]

 

  Την δεκαετία του '70, μετά από αρκετά πειράματα, εφαρμόστηκε και στους δικούς μας δίχρονους κινητήρες η "συντονιζόμενη πίπα". Η πίπα, αν και σε πολλές περιπτώσεις κόβει τον οξύ ήχο, δεν είναι παραλλαγή του κοινού σιγαστήρα. Είναι μία ξεχωριστή σχεδίαση ενός συστήματος σωλήνων και άλλων γεωμετρικών σχημάτων, για να εκμεταλλευτούμε τις πιέσεις των εξερχόμενων αερίων και να κερδίσουμε ισχύ.

Πως είναι σχεδιασμένη η πίπα;

Η κλασσική πίπα για ένα δίχρονο κινητήρα αποτελείται από δύο κώνους, τον πρώτο με αυξανόμενη διάμετρο, και τον δεύτερο με φθίνουσα διάμετρο. Για να ακριβολογήσουμε η καρδιά της πίπας είναι δύο άνισοι κόλουροι κώνοι, που εφάπτονται οι μεγάλες βάσεις τους. Πριν από τον πρώτο κώνο υπάρχει ένας σωλήνας για την ευκολία της σύνδεσης με την εξάτμιση, και μετά τον δεύτερο υπάρχει ένας τελικός σωλήνας, μικρότερης διαμέτρου, που ελέγχει την έξοδο των αερίων.

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΤΥΠΙΚΗΣ ΠΙΠΑΣ
1. σωλήνας εισόδου σε δύο τμήματα, 2. μεγάλος κώνος (κώνος υποπίεσης), 3. μικρός κώνος (κώνος ανάκλασης), 4. σωλήνας εξόδου, 5. θεωρητικό σημείο που ανακλάται το κέντρο της μάζας των αερίων.
Το ολικό μήκος λειτουργίας (6) μετράται από την έξοδο του κυλίνδρου έως το κέντρο των ανακλώμενων αερίων (5).

Πως λειτουργεί;

1. Μόλις ανοίξει η θυρίδα της εξάτμισης τα καυσαέρια βγαίνουν σαν ένα κύμα μεγάλης πίεσης.

2. Η σταδιακή διεύρυνση του πρώτου κώνου της πίπας τα διευκολύνει να επιταχυνθούν. Ο θάλαμος αδειάζει γρήγορα από τα καυσαέρια και γεμίζει με φρέσκο μίγμα.

3.Το κύμα των αερίων φθάνει έως την κορυφή του δεύτερου κώνου. Το φρέσκο μίγμα που εισέρχεται σε αυτή την φάση στον θάλαμο προχωράει πέρα από τα όρια της θυρίδας εξαγωγής, και εισέρχεται στον σωλήνα εισαγωγής της πίπας.

4. Τα καυσαέρια ανακλώνται στον δεύτερο κώνο, επιστρέφουν σαν κύμα μεγάλης πίεσης, και σπρώχνουν την μικρή ποσότητα καθαρού μίγματος που είχε βγεί στον σωλήνα, πίσω στον θάλαμο καύσης. Ηδη έχει κλείσει η θυρίδα μεταφοράς και το μίγμα υπερσυμπιέζεται.

5. Ο κύκλος ολοκληρώνεται με το κλείσιμο της θυρίδας της εξάτμισης. Ο θάλαμος δεν έχει υπόλοιπο καυσαερίων και είναι γεμάτος με μεγαλύτερη ποσότητα φρέσκου (και υπερσυμπιεσμένου) μίγματος.

Εφαρμογή της πίπας στον κινητήρα

Αριστερά: Μάνιφολντ με ελαφρά αρχική καμπύλη. Δεξιά: Σωλήνας σιλικόνης και σφιγκτήρες.

Το μήκος του αρχικού σωλήνα που φέρει η πίπα είναι σχετικά μικρό και δεν είναι δυνατή η απ' ευθείας στερέωσή του στην εξάτμιση του κινητήρα. Για τον σκοπό αυτό προσφέρονται ειδικοί σωλήνες προσαρμογής (manifolds), που στην μία άκρη είναι διαμορφωμένα για να εφαρμόζουν στον κινητήρα, και στην άλλη απλά καταλήγουν σε διάμετρο ίδια με αυτή του στόμιου της πίπας, με την οποία ενώνονται με σωλήνα σιλικόνης και σφιγκτήρες ή μεταλλικό σωλήνα και σιλικονούχα O-ring. Το manifold δεν πρέπει να ακουμπάει στην πίπα, αλλά και να μην απέχει περισσότερο από 1-2 χιλιοστά.

Διάφοροι τύποι μάνιφολντ με σχήματα που εξυπηρετούν τον σωστό προσανατολισμό της πίπας παράλληλα με τον άξονα της ατράκτου

Στερέωση στην άτρακτο

Αφού το μάνιφολντ είναι σε επαφή με τον κινητήρα, θα δέχεται τους κραδασμούς του. Επίσης να μην ξεχνάμε και τις μετακινήσεις του κυλίνδρου όταν η μαλακή βάση το επιτρέπει. Αν στηρίξουμε το μάνιφολντ στην άτρακτο σύντομα θα σπάσει. Αρα φροντίζουμε ώστε το σημείο στήριξης να είναι μακρυά από τον κινητήρα, περίπου στο ΚΒ της πίπας. Ετσι το όλο σύστημα θα μπορεί να πάλλεται (εντός λογικών ορίων) χωρίς να σπάει το μάνιφολντ. Η στήριξη γίνεται με διάφορα εξαρτήματα, που συμφέρει να έχουν και μαλακό μόριο για την απόσβεση των κραδασμών της πίπας.

Είναι εύκολος ο συνδυασμός πίπας - κινητήρα;

Η διαδρομή των καυσαερίων (μπροστά - πίσω) πρέπει να συμπίπτει χρονικά με τα ανοίγματα και τα κλεισίματα της θυρίδας εξαγωγής του κινητήρα, με άλλα λόγια η συχνότητα λειτουργίας της πίπας πρέπει να έχει την ίδια συχνότητα με αυτή του κινητήρα, δηλαδή να συντονίζεται με αυτόν.
Για να γίνει αυτό, η πίπα πρέπει:
  1. να σχεδιαστεί για τις αναμενόμενες στροφές της ταχείας λειτουργίας
  2. να σχεδιαστεί για τον αναμενόμενο όγκο εκπεμπόμενων καυσαερίων (μέγεθος κινητήρα, είδος καυσίμου, θερμοκρασία λειτουργίας)
  3. να τοποθετηθεί στην ιδανική απόσταση από τον κινητήρα για να επιτευχθεί ο συντονισμός στις επιθυμητές στροφές λειτουργίας
Μερικές διαπιστώσεις:
  • Οι πίπες που προορίζονται για μικρούς κινητήρες έχουν μικρότερους όγκους από αυτές που προορίζονται για μεγάλους κινητήρες.

  • Οι πίπες που στοχεύουν σε πιό στενή περιοχή στροφών έχουν πιό απότομες πλευρές, ενώ οι πίπες που στοχεύουν σε ευρεία περιοχή στροφών δεν έχουν σαφείς κώνους, αλλά πιό καμπύλες πλευρές. Στο σχήμα βλέπουμε μία πίπα με καμπύλες πλευρές. Το μήκος του τμήματος Χ ορίζει και το εύρος του συντονισμού.

  • Πίπες που συνδυάζονται με κινητήρες χαμηλόστροφους, όπως οι long stroke, έχουν μόνο τον πρώτο κώνο και διαφράγματα στα οποία ανακλώνται τα αέρια.

Είναι ευνόητο ότι για την καλύτερη εκμετάλλευση της πίπας τα κύματα πρέπει να επιστρέψουν την κατάλληλη στιγμή. Αν η πίπα είναι πολύ μακρυά, το φρέσκο μίγμα δεν θα προλάβει να επιστρέψει πριν κλείσει η πόρτα της εξάτμισης. Αν αντίθετα η πίπα είναι κοντή, τα αέρια θα επιστρέψουν πολύ νωρίς και πιθανόν να βρούν την πόρτα μεταφοράς ανοικτή και να διώξουν το καθαρό μίγμα επιστρέφοντας στον θάλαμο ποσότητα καυσαερίων.

Αρα: Οταν η απόσταση της πίπας είναι μικρή (κοντή πίπα), συντονίζει στις ψηλές στροφές, ενώ όταν η απόσταση είναι μεγάλη (μακρυά πίπα), συντονίζει στις χαμηλές.

Οσο πιό ψηλά ανεβαίνουν οι στροφές (π.χ. 25.000-30.000) τόσο πιό κρίσιμο είναι το μήκος της πίπας και όλη η γεωμετρία της προκειμένου να συντονίσει, αλλά τότε το κέρδος θα είναι και μεγαλύτερο.

Μήκος συντονισμού

ΜΗΚΟΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ
Το "μήκος αναφοράς" της πίπας, το δίνει η θεωρία ή έχει μετρηθεί στην πράξη. Το μήκος αυτό άλλοτε έχει πολύ μικρές ανοχές (μερικά χιλιοστά) και άλλοτε μεγάλες ανοχές (μερικά εκατοστά). Για κάθε πίπα και αποστολή το μήκος αναφοράς είναι διαφορετικό και στην πράξη, ανάλογα με το ποιός το αναφέρει, εκφράζεται με ένα από τους παρακάτω τρόπους:

  1. από το κέντρο του κυλίνδρου έως το σημείο συμβολής των δύο κώνων
  2. από την έξοδο της εξάτμισης έως το σημείο συμβολής των δύο κώνων
  3. από το κέντρο του κυλίνδρου έως το σημείο που αρχίζει η σταθερή εξωτερική διάμετρος του σώματος
  4. από την έξοδο της εξάτμισης έως το σημείο που αρχίζει η σταθερή εξωτερική διάμετρος του σώματος
  5. από το κέντρο του κυλίνδρου έως το πρώτο διάφραγμα (όταν υπάρχει)
  6. από την έξοδο της εξάτμισης έως το πρώτο διάφραγμα (όταν υπάρχει)

Είναι εύλογο ότι αν μέρος των σωληνώσεων είναι καμπύλο, το μήκος μετριέται ακολουθώντας την καμπύλη, και στο μέσον του σωλήνα, με άλλα λόγια σαν να είχαμε ένα ευθύγραμμο ανάπτυγμα της καμπύλης.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΥΡΕΣΗ ΤΟΥ ΜΗΚΟΥΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ
Το ιδανικό μήκος λειτουργίας L βρίσκεται για κάθε μοντέλο, κινητήρα, πίπα, καύσιμο, έλικα, θερμοκρασία και υγρασία περιβάλλοντος, πειραματικά. Να πως ενεργούμε σε ένα μοντέλο σπορ με δίχρονο 40ρη ή 60ρη (όχι αγωνιστικό).

Ρύθμιση μήκους πίπας (L) με παρεμβολή ενδιάμεσου σωλήνα κατάλληλου μήκους (A) και δύο δακτυλίων σιλικόνης (B).

Ξεκινάμε με ένα μακρύ manifold ώστε το "μήκος" της πίπας να είναι δύο με τρία εκατοστά μεγαλύτερο από το "μήκος αναφοράς" L.

Αφού ρυθμίσουμε τον κινητήρα για ταχεία λειτουργία στο έδαφος εκτελούμε πτήση με κατακόρυφες ανόδους, και λούπινγκ. Αν οι στροφές στην άνοδο δεν πέφτουν, κόβουμε 1 εκατοστό από το manifold και δοκιμάζουμε πάλι. Οι στροφές στο έδαφος θα είναι πιθανόν αυξημένες, αλλά ο στόχος είναι να δούμε αν στην άνοδο κρατάει τις στροφές του. Αυτό επαναλαμβάνεται έως ότου δούμε πτώση των στροφών. Τότε οριστικοποιούμε την απόσταση της πίπας προσθέτοντας ένα κομμάτι ενδιάμεσου σωλήνα κατά 0,5-1 εκατοστό μεγαλύτερο από το μήκος που πρωτοεμφανίστηκε ο αποσυντονισμός.

Στην πράξη οι αερομοντελιστές ξεκινούν την διαδικασία ρύθμισης του μήκους της πίπας, κόβοντας εξ' αρχής το μάνιφολντ πιό κοντό και προσθέτοντας ανάμεσα σε αυτό και την πίπα έτοιμους σωλήνες ίδιας διαμέτρου, σε μήκη που διαφέρουν κατά 0,5-1 εκατοστά.

Οταν το μήκος της πίπας είναι κοντό, ο κινητήρας:

  • υπερθερμαίνεται
  • καίει συχνά μπουζί
  • συντονίζει δύσκολα - η βελόνα είναι ευαίσθητη
  • κόβει στροφές στις μακρές ανόδους
  • λειτουργεί με αστάθεια

Οταν το μήκος της πίπας είναι μακρύ, ο κινητήρας:

  • ανταποκρίνεται απαλά στην βελόνα
  • λειτουργεί ήρεμα
  • έχει τάση για μπούκωμα και πλούσια λειτουργία
  • δεν αποδίδει όλη την δυνατή ισχύ του

Μπορούν όλοι οι κινητήρες να δεχθούν πίπα;

Ο πρώτος παράγοντας από τον οποίο εξαρτάται το αποτέλεσμα της χρήσης πίπας, είναι ο χρονισμός της θυρίδας εξαγωγής. Κινητήρες με χρονισμό εξαγωγής μικρότερο από 142-145 μοίρες, δεν επηρεάζονται από την πίπα, ενώ παράλληλα και η ανταπόκριση στο καρμπυρατέρ θα είναι περίεργη, μπουκώνοντας στην μέση περιοχή του.

Απαραίτητη είναι επίσης και μεγαλύτερη διαφορά χρόνου μεταξύ του ανοίγματος της θυρίδας εξάτμισης και της θυρίδας μεταφοράς.

Για την σωστή καύση και εκτόνωση της αυξημένη ποσότητα μίγματος που εισέρχεται λόγω της πίπας. ο κινητήρας πρέπει να έχει μεγαλύτερο χώρο καύσης (να μειωθεί ο λόγος συμπίεσης), και αν δεν έχει, αυτό είναι εύκολο να επιτευχθεί παρεμβάλλοντας μεταλλική φλάντζα μεταξύ κεφαλής και κυλίνδρου.

Τέλος η χρήση της πίπας αυξάνει τα φορτία στον στρόφαλο, και ειδικά στο κομβίο, και αν ο κατασκευαστής δεν έχει προβλέψει παχύτερες διατομές, η χρήση πίπας μπορεί να προκαλέσει την θραύση τους.

Αρα καταλήγουμε ότι άλλοι κινητήρες δεν μπορούν να δεχθούν πίπα, ενώ άλλοι χρειάζονται μικρή μετατροπή για να την δεχτούν. Επίσης η εφαρμογή πίπας σε άλλους κινητήρες θα δώσει μεγάλο κέρδος ενώ σε άλλους μικρό.

Πως αντιδρούν οι αγωνιστικοί, και μη, κινητήρες στην πίπα;

Οι κινητήρες που είναι σχεδιασμένοι ειδικά για πίπα στις ψηλές στροφές (αγωνιστικοί ταχύτητας) δεν μπορούν να λειτουργήσουν σωστά χωρίς αυτή, ή κατ' επέκταση δεν μπορούν να εργαστούν αποδοτικά έξω από το στενό εύρος των αναμενόμενων (και επιδιωκόμενων) στροφών. Πρέπει να βοηθηθούν από εξωτερικούς παράγοντες για να πιάσουν τις προκαθωρισμένες στροφές και άν όλα τα άλλα συνηγορούν θα μπορέσουν να τις διατηρήσουν.

Για παράδειγμα τα τηλεκατευθυνόμενα F3D (pylon) απογειώνονται σε χαμηλές στροφές με μεγάλη δυσκολία. Οταν βρεθούν στον αέρα αυξάνουν τις στροφές σταδιακά και φθάνοντας στον πρώτο πυλώνα η πίπα "μπαίνει" (συντονίζεται). Πιό χαρακτηριστική είναι η περίπτωση στα δέσμια μοντέλα ταχύτητας F2A (speed), που χρειάζονται αρκετούς γύρους με τράβηγμα από τον χειριστή, για να αυξηθεί η φυγόκεντρος, έως ότου τελικά επιταχύνουν και "μπεί" η πίπα. Αν έχουμε στοχεύσει σε πολύ ψηλές στροφές, ίσως η πίπα να μην "μπει" ποτέ, αν έχουμε στοχεύσει χαμηλά θα συντονιστεί νωρίς και δεν θα επιτευχθεί η μέγιστη ταχύτητα.

Αντίθετα οι πίπες που χρησιμοποιούμε στις 40ρες και 60ρες, στα ακροβατικά και καθημερινά sport μοντέλα, έχουν διαφορετικό σχεδιασμό και αποστολή. Προορίζονται να λειτουργούν σε χαμηλή περιοχή στροφών (9.000 - 15.000) και έχουν σχεδιαστεί με τέτοια γεωμετρία ώστε να μην είναι πολύ κρίσιμο το μήκος τους. Μπορούν να συντονιστούν και να κρατήσουν τον συντονισμό τους σε ευρύτερη περιοχή στροφών, φυσικά με αντίστοιχο σχεδιασμό των κινητήρων που έχουν ηπιότερα χρονίσματα, για να επιταχύνουν από το ρελαντί έως την μέγιστη συχνότητα περιστροφής χωρίς καθυστέρηση ή εξωτερική βοήθεια.

Τι κερδίζουμε τέλος πάντων με μία συντονιζόμενη εξάτμιση;

Η πίπα αυξάνει σε γενικές γραμμές την ισχύ. Η ισχύς όμως εξαρτάται και από την ροπή και από τις στροφές. Εμείς τι ακριβώς θέλουμε από τα δύο;

Σε ένα μοντέλο ταχύτητας, θέλουμε τις περισσότερες δυνατόν στροφές, ενώ σε ένα ακροβατικό τηλεκατευθυνόμενο μοντέλο θέλουμε να γυρίσουμε μεγάλη έλικα και ζητάμε ροπή. Για να πάρει κανείς αυτά που θέλει πρέπει να βρεί την κατάλληλη πίπα και να την συντονίσει σωστά.

Στο διάγραμμα απόδοσης του γνωστού κινητήρα Hanno Special .61RF, βλέπουμε ότι η απόδοση χωρίς καμμία προέκταση της εξάτμισης είναι πολύ μεγαλύτερη, απ' ότι με την πίπα, αλλά στην περίπτωση της πίπας, η ροπή είναι πολύ μεγαλύτερη, σε χαμηλή περιοχή στροφών (9.000-9.500), που δίνει τη δυνατότητα να γυρίσει μεγάλες (για τον κυβισμό αυτό) έλικες π.χ. 12.5 Χ 11 ή 13 Χ 10.

Οι "μίνι" πίπες

Αν αντί για ολόκληρη πίπα εφαρμόσουμε στην εξάτμιση ένα σωλήνα, ή ένα κώνο, και αφήσουμε ανοικτή την έξοδο στην μέγιστη διάμετρό του, παρατηρούμε ένα σημαντικό κέρδος στροφών, αποτέλεσμα συντονισμού της "μίνι" πίπας, που δεν είναι βέβαια το ίδιο από αυτό που θα παρείχε η κλασσική πίπα, αλλά δεν παύει να είναι σημαντικό και μάλιστα χωρίς δυσκολία στην ρύθμιση για συντονισμό. Αυτές οι mini pipes λέγονται και "τρομπόνια", γιατί ο ήχος που παράγουν θυμίζει το αντίστοιχο μουσικό όργανο.

Μετα-σιγαστήρες

Οταν υπάρχει ανάγκη για υπερβολικά χαμηλό θόρυβο, πρέπει να προστεθούν κι' άλλα στάδια σίγασης στην πίπα. Ετσι διακρίνουμε:

Πίπα με ένα στάδιο σιγαστήρα μέσα στο ίδιο περίβλημα.

Πίπα με πολλά στάδια σιγαστήρα μέσα στο ίδιο περίβλημα

Πίπα με "μετασιγαστήρα"

"Μετασιγαστήρας" που εφαρμόζεται στην έξοδο της πίπας

Πίεση από την πίπα

Η πίπα μπορεί να παράσχει αυξημένη πίεση στην δεξαμενή, όπως και ο απλός σιγαστήρας. Αν και σε ορισμένες πίπες η παροχή πίεσης είναι τοποθετημένη στον πρώτο κώνο, έχει αποδειχθεί ότι σταθερότερη πίεση παρέχει το μάνιφολντ.

Υλικά κατασκευής

Οι πίπες κατασκευάζονται από αλουμίνιο, ή συνθετικές ρητίνες και ύφασμα από ίνες άνθρακα και kevlar. Στην δεύτερη περίπτωση, πρέπει να ψύχονται πολύ καλά, γιατί αν και τα υλικά αντέχουν σε υψηλή θερμοκρασία, δεν θα αντέξουν σε περίπτωση υπερθέρμανσης της πίπας (ιδίως αυτές για τετράχρονες που η θερμοκρασία λειτουργίας είναι πιό μεγάλη από τις δίχρονες).

Σχήματα

Το κλασσικό κυλινδρικό σχήμα, δεν χωράει σε όλες τις ατράκτους. Ετσι προσφέρονται πίπες με ελαφρά αλλαγή γωνίας στον άξονά τους, ή πίπες με τετράγωνη ή παραλληλόγραμμη διατομή.

Πίπες για τετράχρονες

Οι τετράχρονες στα ακροβατικά F3A φοράνε "συντονιζόμενη πίπα". Αν και η θεωρία λέει ότι μία πίπα δεν μπορεί να συνδυαστεί με τετράχρονη, βασιζόμενη στην ίδια αρχή λειτουργίας, στην πράξη βλέπουμε βελτίωση της απόδοσης, άρα κάτι θα συμβαίνει. Οι πίπες των τετράχρονων είναι πολύ μικρότερες από αυτές των δίχρονων ίδιου κυβισμού.

 

[ Τύποι κινητήρων ] - [ Τα μέρη των κινητήρων ] - [ Αρχή λειτουργίας ] - [ Ο κυβισμός ] - [ Η εκκίνηση ] - [ Το στρώσιμο ] - [ Κινητήρες ABC ] - [ Το καρμπυρατέρ ] - [ Σιγαστήρες ] - [ Ροπή και Ισχύς ] - [ Φροντίδα - Συντήρηση ] - [ Βάσεις ] - [ Ψύξη ] - [ Δεξαμενές υγρών καυσίμων ] - [ Το μπουζί πυράκτωσης ] - [ Καύσιμα ] - [ Η έλικα ]


 

Πρώτη σελίδα/Home Περιεχόμενα