Έμβολο

Πως κατασκευάζεται: Δείτε το Video
Πως λειτουργεί: Δείτε μια απλοποιημένη προσομοίωση

Έμβολο Sonex (4T 201, 6/1987)

Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος

Sonex Research: Διεργασίες καύσης

Φαίνεται τελικά, πως όταν διατυπώναμε τις επιφυλάξεις μας για τη σκοπιμότητα και την αποτελεσματικότητα της χρησιμοποίησης καταλυτών για μείωση της ρύπανσης από τ' αυτοκίνητα και εκφράζαμε την πεποίθηση ότι η τεχνολογία μπορεί να βρει καλύτερους τρόπους για την επιτυχία αυτού του σκοπού, βρισκόμαστε απολύτως μέσα στην πραγματικότητα. Τα προβλήματα κόστους και κατανάλωσης που δημιουργούν οι καταλύτες είναι γνωστά σε όλους, όπως και η αμφίβολη αντοχή της αποτελεσματικότητάς τους στο χρόνο. Παρέμενε ν' αποδειχτεί ότι είναι δυνατό να μειωθούν τα όρια εκπομπής ρύπων από τ' αυτοκίνητα με κάποια άλλη μέθοδο, στα επίπεδα που τα μειώνουν, έστω προσωρινά, οι καταλύτες.
sonex.jpg
Σχήμα: Το επαναστατικό έμβολο της βρετανικής ΑΕ και της αμερικανικής Σόνεξ. Θ' αποδειχτεί τελικά αποτελεσματικό υποκατάστατο των καταλυτών;

Για τα μικρού και μεσαίου κυβισμού αυτοκίνητα το βάρος της έρευνας ρίχτηκε στην καύση φτωχού μίγματος, που εκτός από τη μείωση της ρύπανσης οδηγεί και σε μείωση της κατανάλωσης. Τα σχετικά συστήματα όμως είναι αρκετά πολύπλοκα και η αξιοπιστία της μεθόδου δεν είναι ακόμα αυτή που πρέπει σε μεγάλο εύρος στροφών και φορτίων. Μια λύση, που μοιάζει με το αυγό του Κολόμβου, εμφανίστηκε πρόσφατα από μια βρετανική και μια αμερικανική εταιρία, με τόσο ενθαρρυντικά αποτελέσματα, που αν αποδειχτεί και η αντοχή της στο χρόνο ίσως ν' αποτελέσει τη ληξιαρχική πράξη θανάτου των καταλυτών τουλάχιστον για τ' αυτοκίνητα κάτω από 2000 κ.εκ. Το νέο σύστημα, στην ύπαρξη του οποίου αναφερθήκαμε πρόσφατα (βλ. 4Τ Μαρτίου, «Τεχνολογία 87»), αποτελείται από ένα ειδικά σχεδιασμένο έμβολο κι ένα τροποποιημένο σύστημα τροφοδοσίας. Έτσι, αντί να υπάρχει μόνο μία δίοδος για την εισαγωγή καύσιμου μίγματος, η εισαγωγή είναι χωρισμένη στα δύο, διαθέτοντας ένα τμήμα για τη μεταφορά μί¬γματος κι ένα για τη μεταφορά μόνο αέρα. Κατά τη φάση της εισαγωγής, στον κύ¬λινδρο μπαίνει πρώτα μια ποσότητα αέρα από το ένα τμήμα και μετά το μίγμα από το άλλο. Έτσι, σχηματίζεται ένα στρώμα πολύ φτωχού μίγματος στην περιοχή της κεφαλής του εμβόλου κι ένα στρώμα σχετικά πλούσιου μίγματος στην κορυφή του κυλίνδρου, κοντά δηλαδή στο μπουζί. Το έμβολο έχει μόνο δύο ελατήρια και η κεφαλή του έχει μικρότερη διάμετρο από το υπόλοιπο σώμα του. Κάτω δε απ' αυτή και στη θέση περίπου όπου θα βρισκόταν κανονικά το τρίτο ελατήριο, υπάρχει μια κοιλότητα σ' όλη τη διάμετρο του εμβόλου, η οποία γεμίζει μ' αυτό το πολύ φτωχό μίγμα που βρίσκεται χαμηλά. Η κοιλότητα είναι έτσι σχεδιασμένη, που να συντονίζεται με την ιδιοσυχνότητα του «χτυπήματος» (knock) του κυλίνδρου. Όταν λοιπόν ξεκινήσει η καύση, μ' ένα ελαφρό «χτύπημα», το μίγμα μέσα στον κύλινδρο αρχίζει να δονείται και λόγω του συντονισμού οι δονήσεις είναι πιο έντονες στην ποσότητα του σχεδόν καθαρού αέρα που βρίσκεται μέσα στην κοιλότητα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να ωθείται ένα μέρος του προς τα επάνω, μέσα στο θάλαμο καύσης, και να συμπιέζει έτσι τη φλεγόμενη ποσότητα μίγματος, μην επιτρέποντας την υπερβολική διάχυση και τελικά το σβήσιμο της φλόγας. Έτσι αυτή διαδίδεται τελικά πολύ γρήγορα, ενώ ταυτόχρονα αποφεύγεται και η αυτανάφλεξη του μίγματος που βρίσκεται χαμηλά, γιατί είναι υπερβολικά φτωχό.
Ποιο είναι το πρακτικό αποτέλεσμα; Οι δοκιμές που έχουν γίνει μέχρι στιγμής στην Αμερική, με την τοποθέτηση του συστήματος σ' ένα Φορντ Έσκορτ 1600, έδειξαν μια σημαντική μείωση των εκπομπών των τριών βασικών ρύπων, μονοξείδιου του άνθρακα, οξειδίου του αζώτου και υδρογονανθράκων, κάτω από τα όρια των ευρωπαϊκών και των αμερικανικών κανονισμών και χωρίς τη χρησιμοποίηση καταλύτη! Παράλληλα, αντίστοιχες δοκιμές σε δίχρονους κινητήρες, σε συνεργασία με την Πιάτζιο, έδειξαν σημαντική βελτίωση της απόδοσης, μείωση της ρύπανσης και μείωση της κατανάλωσης. Οι δοκιμές συνεχίζονται τώρα και στην Ευρώπη, για να επιβεβαιωθεί και η αντοχή του συστήματος στο χρόνο. Αν τελικά γίνει κι αυτό, τότε είναι πολύ πιθανό ότι η πλειοψηφία των αυτοκινήτων της ηπείρου μας θα γλιτώσει τελικά από την, κάθε άλλο παρά αμελητέα επιβάρυνση της τοποθέτησης καταλύτη.


Η διαδρομή των εμβόλων (Auto Express 62, 9/1972)

Πολλές συζητήσεις γίνονται και διάφορες απόψεις επικρατούν σχετικά με το θέμα της διαδρομής των εμβόλων των κινητήρων.
Κατ' αρχήν, μπορούμε να πούμε ότι, από θεωρητικής πλευράς, τα καλύτερα αποτελέσματα επιτυγχάνονται με κινητήρες σχεδόν τετράγωνους, δηλαδή εκείνους που έχουν διαδρομή εμβόλου ίδια ή ελάχιστα μεγαλύτερη με την εσωτερική διάμετρο του κυλίνδρου.
Στους κινητήρες που απαιτούν πολύ μεγάλη ισχύ (π.χ. αγωνιστικούς), η διάμετρος είναι δυσανάλογα μεγαλύτερη από την διαδρομή (υπερτετράγωνοι) γιατί δεν μπορούμε να υπερβούμε μια ορισμένη γραμμική ταχύτητα του πιστονιού (έως 30 μέτρα ανά 1 '') και επί πλέον χρειάζεται να περιορίσουμε στο ελάχιστο τις απώλειες τροφοδοσίας στις υψηλές στροφές.
Γι’ αυτό χρησιμοποιούνται χοντρά πιστόνια (μεγάλης διαμέτρου) με ταχύτητες μετακινήσεως μειωμένες και βαλβίδες μεγάλης διαμέτρου.
Στους πολύστροφους κινητήρες, η μικρή διαδρομή είναι αναγκαία για να διατηρηθεί μέσα σε χαμηλά όρια η μέση γραμμική ταχύτητα του πιστονιού «V», η οποία δίδεται από τον εξής τύπο:

(1)
\begin{align} V = \frac {L n} {30} (m/sec) \end{align}

όπου «L» είναι η διαδρομή του εμβόλου σε μέτρα και «n» ο αριθμός των στροφών του κινητήρα ανά λεπτό.
Αυτή η ταχύτητα δεν ξεπερνά τα 15 — 16 μέτρα ανά δευτερόλεπτο.
Θα πρέπει να σημειώσουμε ότι ένας κινητήρας με διαδρομή σχετικά μεγάλη είναι περισσότερο ελαστικός, ενώ οι βαλβίδες του και τα πιστόνια του υφίστανται λιγότερες θερμικές επιδράσεις. Φυσικά, οι μηχανικές πιέσεις είναι μεγαλύτερες γιατί τότε εμφανίζονται φυγοκεντρικές δυνάμεις και δυνάμεις αδρανείας.