Ροή διαμέσου των βαλβίδων | Μέρος 2ο
Στο 1ο μέρος είχα γράψει για τα υλικά της βαλβίδας, το σχεδιασμό της και τους συντελεστές που συμβάλλουν, για μια καλή ροή κατά την ανύψωση της.
Σε αυτό το άρθρο θα προσπαθήσω να συνεχίσω με την ουσία της μελέτης και όχι με αριθμητικούς τύπους, ώστε να γίνουν κατανοητά από τον κάθε ένα/μια που θα το διαβάσει.
Για το χρονικό διάστημα επικάλυψης των βαλβίδων (είναι το χρονικό διάστημα όπου και οι εισαγωγής και οι εξαγωγής παραμένουν ανοιχτές), έστω ότι έχουμε ισοδύναμη επιφάνεια ροής. Γι’ αυτή την περίπτωση έχουμε τις εξής παραδοχές για τον υπολογισμό της :
- Η ροή είναι ασυμπίεστη
- Βαλβίδες εξαγωγής και εισαγωγής έχουν τον ίδιο συντελεστή εκροής Cd
- Η κινητική ενέργεια του ρευστού (αέρα) στη βαλβίδα εισαγωγής καταστρέφεται πλήρως (100%)
Για τη γεωμετρική επιφάνεια των βαλβίδων , χρησιμοποιούνται εκφράσεις όπως “επιφάνεια κεφαλής βαλβίδας”, “επιφάνεια οχετού στην έδρα της βαλβίδας” και “επιφάνεια πετάσματος”.
Τα τελευταία χρόνια καθιερώθηκε η χρήση τεσσάρων βαλβίδων (2 εισαγωγής και 2 εξαγωγής) ανά κύλινδρο. Η διάμετρος όλων είναι ίση περίπου με 0,7. Για το λόγο αυτό είναι και πιο ελαφριές συνολικά.
Με τέσσερις βαλβίδες ανά κύλινδρο πετυχαίνουμε μεγαλύτερη επιφάνεια ροής, αλλά και χαμηλότερη ταχύτητα ρευστού. Υπάρχει πρόβλημα με την ταχύτητα ρευστού σε χαμηλές στροφές. Γι’ αυτό οι πολυβάλβιδοι συνήθως έχουν μεταβλητό σύστημα χρονισμού βαλβίδων.
Γι’ αυτό και σε μεγάλο ποσοστό κινητήρων πλέον βλέπουμε χρήση 2 εκκεντροφόρων, επειδή προτιμάται η χρήση άνω των δυο βαλβίδων ανά κύλινδρο. Βέβαια αυτό είναι θέμα κατασκευαστικής επιλογής και σχεδιασμού του θαλάμου καύσης (θα γράψω σε επόμενο άρθρο και το ρόλο του μεταβλητού συστήματος εκκεντροφόρων).
Βαλβίδα εισαγωγής
Όταν υπάρχει μικρή ανύψωση, δεν παρατηρείται ανακυκλοφορία και η ροή εφάπτεται στην έδρα. Σε αυτή την περίπτωση ο συντελεστής εκροής είναι υψηλός (μπαίνει το μίγμα με ευκολία).
Όταν η ανύψωση είναι μεσαία, η ροή αποκολλάται από την εσωτερική πλευρά της κεφαλής της κεφαλής. Γι΄αυτό παρατηρείται απότομη τοπική μείωση του συντελεστή εκροής και στη συνέχεια αύξηση.
Τέλος, όταν η ανύψωση είναι μεγάλη, η ροή επίσης αποκολλάται αυτή τη φορά όμως από την εσωτερική πλευρά της έδρας.
Όλες αυτές οι περιπτώσεις όμως αφορούν σταθερές συνθήκες λειτουργίας. Αυτό φυσικά είναι ιδανικό, κάτι το οποίο δεν ισχύει στον πραγματικό κόσμο. Γι’ αυτό σε πραγματικό κύκλο λειτουργίας πρέπει να λάβουμε υπόψη και τα δυναμικά χαρακτηριστικά των βαλβίδων.
Οπότε οι παράγοντες που συμβάλουν στη απόδοση της βαλβίδας εισαγωγής είναι:
- Η ανύψωση
- Το πλάτος της έδρας
- Η γωνία της έδρας
- Η καμπυλότητα των γωνιών
- Ο γεωμετρικός σχεδιασμός του οχετού
- Το σχήμα της κεφαλής του κυλίνδρου
Τα τελευταία χρόνια οι κινητήρες κατασκευάζονται έτσι ώστε η σχεδίαση του αυλού της εισαγωγής και των βαλβίδων, να προσδίδει στο αέριο εγκάρσια περιστροφική κίνηση (swirl). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απότομη μείωση του συντελεστή εκροής.
Βαλβίδα εξαγωγής
Η δουλειά της είναι να απομακρύνει τα καυσαέρια από τον κύλινδρο. Για να το πετύχει αυτό πρέπει να έχει πολύ μικρή αντίσταση ώς προς το καυσαέριο. Άρα ο συντελεστής εκροής Cd παίρνει πολύ υψηλές τιμές.
Επίσης η βαλβίδα εξάγωγής επιρεάζει τον ογκομετρικό βαθμό απόδοσης πολύ λιγότερο από την εισαγωγής (λογικό αφού ο όγκος καθορίζεται με βάση αυτό που εισέρχεται ώστε να γίνει καύση, απόδοση κλπ..)
Υπάρχει ζουμί στο θέμα ανύψωσης της βαλβίδας εξαγωγής. Υπάρχουν διαφορετικού τύπου ροές όπου εξαρτώνται από την ανύψωση της βαλβίδας.
Βλέπουμε στη φωτό ότι η απομονωμένη βαλβίδα με απότομες γωνίες έχει καλύτερη συμπεριφορά ώς προς τον συντελεστή εκροής.
Πηγές
βιβλίο Εναλλαγή των αερίων
