Τεχνολογίες για εξοικονόμιση καυσίμου

Μειώνοντας την κατανάλωση (4Τ 136, 1/1982)

Συντάκτες: Κ.Καβαθάς, Δ.Κληρονόμος, Π.Φιλιππακόπουλος

Οι προσπάθειες των κατασκευαστών να μειώσουν την κατανάλωση, βελτιώνοντας τους ίδιους τους κινητήρες, χρησιμοποιώντας τις υπηρεσίες της ηλεκτρονικής και ελαφρύνοντας τα αμαξώματα

Μετά την «Ενέργεια»που εξετάσαμε διεξοδικά στα δύο προηγούμενα τεύχη, εντοπίζουμε το θέμα στις προσπάθειες των κατασκευαστών να μειώσουν με τον ένα ή με τον άλλο τρόπο τις καταναλώσεις των αυτοκινήτων τους, προτού να είναι αργά. Η εξέλιξη της ηλεκτρονικής και της τεχνολογίας των μετάλλων, σε συνδυασμό με τις έρευνες που άρχισαν αμέσως μετά την πρώτη ενεργειακή κρίση, έδωσαν θετικές λύσεις στο πρόβλημα. Νέοι τρόποι τροφοδοσίας εξελίσσονται για τους ντίζελ που ήδη κατακτούν έδαφος σε βάρος των βενζινοκινητήρων, τη στιγμή που οι τελευταίοι προσπαθούν να επανακτήσουν το χαμένο έδαφος, αποδείχνοντας ότι είναι το ίδιο οικονομικοί.
Ηλεκτρονικά συστήματα άρχισαν να ελέγχουν την τροφοδοσία, ενώ οι πολυκύλινδροι κινητήρες μετατρέπονται… σε τρικύλινδρους όταν χρειασθεί, για να καίνε πολύτιμη βενζίνη. Και ακόμη το πρόβλημα βρίσκεται στην αρχή. Τα επόμενα 8 χρόνια μέχρι το 1990 οι παλινδρομικοί κινητήρες θα πρέπει να αποδείξουν πως μπορούν να επιβιώσουν μέσα στο γενικό πλαίσιο της διαρκώς αυξανόμενης τιμής των υγρών καυσίμων. Διαβάστε λοιπόν για τις σημαντικότερες προσπάθειες μείωσης της κατανάλωσης, στους ντίζελ, τους βενζινοκινητήρες και στα αμαξώματα.

Πετρελαιοκινητήρες

ΤΟ ΚΛΕΙΔΙ ΤΗΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟΤΕΡΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΕΡΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΝ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ- ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΒΡΙΣΚΕΤΑΙ ΣΤΟΝ ΤΡΟΠΟ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΤΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ.
Είναι σωστό ίσως ν' αρχίσουμε τη σειρά των άρθρων για τη μείωση της κατανάλωσης αναφερόμενοι στον κινητήρα Ντίζελ, για να τονίσουμε έτσι ότι η ευρύτερη χρησιμοποίησή του αποτελεί ένα από τα σπουδαιότερα μέτρα μείωσης της κατανάλωσης υγρών καυσίμων. Ο ντίζελ είναι οπωσδήποτε οικονομικότερος του βενζινοκινητήρα. Αυτό όμως δεν εμποδίζει τους ειδικούς να προσπαθούν να βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά του ακόμα περισσότερο: Μία από τις δυνατότητες που μελετούν τώρα οι μηχανικοί σε πολλές εταιρίες είναι η χρησιμοποίηση του άμεσου ψεκασμού στους κινητήρες ντίζελ που χρησιμοποιούνται στ' αυτοκίνητα. Και για να δείξουμε τη σπουδαιότητα του θέματος, αναφέρουμε ότι πρόκειται για τη δυνατότητα επίτευξης μιας οικονομίας στην κατανάλωση της τάξης του 15-20%!! Όταν σκεφτεί κανείς τα εκατομμύρια που ξοδεύονται για έρευνες προκειμένου να μειωθεί η κατανάλωση ενός κινητήρα κατά 3 ή 5%, καταλαβαίνει αμέσως πόσο σημαντικό είναι το πρόβλημα. Περισσότερο αναλυτικά: ο κινητήρας ντίζελ είναι ένας παλινδρομικός κινητήρας εσωτερικής καύσης, στον οποίο ο σχηματισμός του καύσιμου μίγματος γίνεται μέσα στον κύλινδρο κι όχι πριν απ' αυτόν (όπως στον κλασικό βενζινοκινητήρα). Η έναυση του μίγματος γίνεται με τη συμπίεσή του κι όχι με τη χρήση σπινθηριστή (μπουζί). Για το σχηματισμό του γίνεται εισαγωγή αέρα από μια κλασική θυρίδα με βαλβίδα (μιλάμε για τον τετράχρονο ντίζελ, αφού αυτός χρησιμοποιείται στ' αυτοκίνητα), η δε εισαγωγή του καύσιμου γίνεται με ψεκασμό από ένα ακροφύσιο τοποθετημένο κάπου στην κυλινδροκεφαλή. Κι εδώ υπάρχει η διαφοροποίηση. Ο ψεκασμός αυτός μπορεί να είναι είτε άμεσος, το καύσιμο δηλαδή να ψεκάζεται απ' ευθείας μέσα στο θάλαμο καύσης, είτε έμμεσος, οπότε ψεκάζεται σε κάποιο δευτερεύοντα χώρο σχηματισμένο στην κυλινδροκεφαλή. στο χώρο αυτό γίνεται η έναυση με τη βοήθεια του αέρα που υπάρχει εκεί, λόγω της συγκοινωνίας του με τον κυρίως θάλαμο καύσης. Το φλεγόμενο μίγμα, λόγω τής αυξανόμενης πίεσης, περνάει στον κυρίως θάλαμο όπου υπάρχει ο υπόλοιπος αέρας και ολοκληρώνεται η καύση. Φυσικά όλα αυτά έχουν σαν συνέπεια μεγαλύτερες απώλειες απ' ό,τι στον άμεσο ψεκασμό (μεγαλύτερες απώλειες θερμότητας, απώλειες ροής κ.λπ.). στο σχετικό σχήμα έχουμε ένα παράδειγμα άμεσου ψεκασμού, και στο άλλο σχήμα ένα παράδειγμα έμμεσου ψεκασμού με θάλαμο τύπου Comet και στο τρίτο σχήμα παράδειγμα έμμεσου ψεκασμού με προθάλαμο καύσης. Προτού προχωρήσουμε σε λεπτομερέστερη παρουσίαση του προβλήματος, πρέπει να πούμε ότι ο κινητήρας ντίζελ με άμεσο ψεκασμό είναι ο οικονομικότερος κινητήρας εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιείται σήμερα. Και χρησιμοποιείται ευρύτατα σε Βιομηχανικές εφαρμογές ή στις μεταφορές (π.χ. παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, κινητήρες πλοίων κ.λπ.). Ο καθένας θα φανταζόταν λοιπόν ότι χρησιμοποιείται και στο αυτοκίνητο. Και όμως το σύνολο (και αυτό το τονίζουμε) των αυτοκινήτων με κινητήρα ντίζελ σήμερα έχει έμμεσο ψεκασμό! Κι επειδή ίσως μερικοί θ' αρχίσουν να σκέφτονται διάφορα περί μαζοχιστικών τάσεων των κατασκευαστών, τους πληροφορούμε ότι το πρόβλημα δεν είναι διόλου εύκολο και ορίστε γιατί.
sx1.JPG
Σχήμα 1: Άμεσος ψεκασμός: στην κορυφή του έμβολο» βρίσκει μια κοιλότητα που βοηθάει την πρόκληση στροβιλισμού του αέρα εισαγωγής και αποτελεί μέρος του θαλάμου καύσης.

Για να είναι προσαρμοσμένος στις ανάγκες της οδήγησης ένας κινητήρας πρέπει να λειτουργεί σε ευρεία περιοχή στροφών, (εδώ μάς έρχονται στο νου τα αμερικάνικα τέρατα των χιλιάδων κυβικών, των λίγων στροφών και των ακόμα πιο λίγων ίππων, που έχουν σαν αποτέλεσμα μεγάλο βάρος και όγκο του κινητήρα και του αυτοκινήτου και φυσικά μεγάλη κατανάλωση). Πολλά είναι τα αυτοκίνητα ντίζελ σήμερα που οι κινητήρες τους φτάνουν τις 4500 ή και 5000 στροφές, περιοχή όπου ένας κινητήρας ντίζελ θεωρείται οπωσδήποτε πολύστροφος. Εδώ λοιπόν αρχίζουν τα προβλήματα. Ο κινητήρας με άμεσο ψεκασμό μειονεκτεί, σε σχέση με αυτόν με έμμεσο ψεκασμό, γιατί έχει πρόβλημα απόδοσης της ισχύος στις πολλές στροφές, μεγαλύτερη εκπομπή βλαβερών ουσιών και πρόβλημα θορύβου.
Τα προβλήματα αυτά οφείλονται στην ίδια τη φύση της λειτουργίας του κινητήρα: σε κάποιο σημείο της φάσης της συμπίεσης αρχίζει ο ψεκασμός, αναφλέγονται οι πρώτες ποσότητες καυσίμου που εισάγονται, ενώ δε συνεχίζεται ο ψεκασμός όλο και νέες ποσότητες μπαίνουν στη φλεγόμενη ζώνη μέχρι το τέλος του και την ολοκλήρωση της καύσης λίγο αργότερα. Πρέπει λοιπόν μέσα σ' ένα μικρό χρονικό διάστημα (εκφραζόμενο σε μοίρες περιστροφής του στροφαλοφόρου) να γίνει ο ψεκασμός και μετά μια αργοπορία μετά την έναρξή του, που οφείλεται σε φυσικούς και χημικούς λόγους, να γίνει η έναυση και να καεί πλήρως το μίγμα. Αν ο ψεκασμός και ή έναυση γίνουν πολύ πριν το άνω νεκρό σημείο (ΑΝΣ), τότε η πίεση των αερίων της καύσης εμποδίζει το έμβολο στην άνοδό του παράγοντας όπως λέμε αρνητικό έργο. Αν ο ψεκασμός γίνει πολύ γρήγορα, ψεκασθεί δηλαδή μεγάλη ποσότητα καυσίμου ανά μονάδα χρόνου, όταν γίνει η ανάφλεξη του μίγματος μετά την αργοπορία έναυσης, έχει ήδη εισαχθεί στον κύλινδρο μεγάλη ποσότητα καυσίμου. Αυτό έχει σαν συνέπεια μετά την ανάφλεξη την ξαφνική δημιουργία πολύ υψηλών πιέσεων που δεν θα άντεχε ο κινητήρας. Αν το τέλος του ψεκασμού βρίσκεται πολύ μετά το ΑΝΣ τότε, λόγω της εκτόνωσης, πέφτει η θερμοκρασία των αερίων στον κύλινδρο και η καύση είναι ατελής. Αποτέλεσμα είναι να «καπνίζει» ο κινητήρας, να μην παράγει την αναμενόμενη ισχύ και η μόλυνση του περιβάλλοντος να πολλαπλασιάζεται. Όταν λοιπόν ο κινητήρας εργάζεται στην περιοχή των πολλών στροφών, ο διαθέσιμος χρόνος για τον ψεκασμό και την καύση, που αντιστοιχεί στον ίδιο αριθμό μοιρών περιστροφής του στροφαλοφόρου, είναι πολύ μικρός και η καύση δεν προλαβαίνει να ολοκληρωθεί. Αν προσπαθήσουμε να μεγαλώσουμε τον χρόνο αυτό με κάποιον από τους παραπάνω τρόπους, θα έχουμε τα προβλήματα που περιγράψαμε.
Αν προσπαθήσουμε να μειώσουμε την αργοπορία έναυσης ,που είναι χαμένος χρόνος, αυξάνοντας τη συμπίεση, θα έχουμε πρόβλημα μεγάλων πιέσεων. Ένα άλλο πρόβλημα τέλος είναι ότι όταν η καύση είναι πολύ γρήγορη, αυξάνεται πολύ και ο θόρυβος του κινητήρα. Ο κινητήρας με έμμεσο ψεκασμό λύνει όλα αυτά τα προβλήματα, γιατί ο προθάλαμος όπου γίνεται ο ψεκασμός του καυσίμου δεν έχει αρκετό αέρα για να γίνει πλήρης η καύση. Έτσι ο ψεκασμός μπορεί ν' αρχίσει νωρίτερα χωρίς πρόβλημα μεγάλων πιέσεων, όταν δε το φλεγόμενο μίγμα αρχίζει να περνάει στον κυρίως θάλαμο, το έμβολο είναι κοντά στο ΑΝΣ, οπότε δεν υπάρχει πρόβλημα αρνητικού έργου. Τέλος, η καύση συμπληρώνεται πριν η εκτόνωση εμποδίσει τη συνέχισή της.
sx2.JPG
Σχήμα 2: Έμμεσος ψεκασμός με προθάλαμο καύσης: Εδώ η καύση αρχίζει στον προθάλαμο (όγκου 25-40%) του συνολικού νεκρού χώρου και το μίγμα περνάει από τις πολύ στενές οπές της βάσης του προθάλαμου στον κυρίως θάλαμο, για να συμπληρωθεί η καύση του.
sx3a.JPG sx3b.JPG
Σχήμα 3: Έμμεσος ψεκασμός με θάλαμο τύπου Comet: Φαίνεται καθαρά ότι ο ψεκασμός γίνεται στο σφαιρικό θάλαμο που υπάρχει στην κυλινδροκεφαλή ξεχωριστά από τον κύλινδρο. Το φλεγόμενο μίγμα περνάει από την οπή που συνδέει το σφαιρικό θάλαμο με τον κυρίως θάλαμο καύσης, όπου συμπληρώνεται η καύση. Ο όγκος του σφαιρικού θαλάμου αποτελεί 50% ή και παραπάνω του συνολικού νεκρού χώρου (δηλαδή του χώρου που απομένει για τον αέρα εισαγωγής μετά την πλήρη συμπίεσή του).

Έτσι λοιπόν οι κατασκευαστές είχαν υιοθετήσει τον έμμεσο ψεκασμό πού, όμως, είχε σαν αποτέλεσμα μεγαλύτερη κατανάλωση (μικρότερη πάντως από τον βενζινοκινητήρα). Επιπλέον, στις χαμηλές στροφές, ο στροβιλισμός του αέρα δεν είναι αρκετός, με αποτέλεσμα να μην μπορούν οι κινητήρες αυτοί ν' αναπτύξουν σημαντική ροπή στις χαμηλές περιοχές των στροφών, κι έτσι να μην έχουν καλές «ρεπρίζ».
Ευτυχώς όμως που υπάρχουν μερικοί άνθρωποι που δεν εννοούν να χωνέψουν πως κάτι «είναι πολύ δύσκολο» ή «δεν γίνεται». Έτσι, όταν συντρέχουν και οι ανάλογες δυσκολίες των καιρών, οπότε οι «άνωθεν» τους λύνουν τα χέρια, βάζουν το κεφάλι τους κάτω και ψάχνουν να βρουν «γιατί» αυτό ή εκείνο «είναι δύσκολο» ή «δεν γίνεται». Έτσι λοιπόν από την AVL στην Αυστρία έρχονται ευχάριστα νέα, που τα ανακοίνωσε ο μηχανικός της Wolfgang Cartellieri σε συνέδριο πέρσι στη Γαλλία και τα δημοσίευσε φέτος στην Αμερική η SAE, γεγονός που δείχνει τη σπουδαιότητα του θέματος. Ο κύριος Carterllieri, καταρρίπτοντας τους μέχρι τώρα μύθους ανακοίνωσε πως ναι, ο άμεσος ψεκασμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο αυτοκίνητο. Και για του λόγου το αληθές έδωσε στη δημοσιότητα τα αποτελέσματα των δοκιμών κινητήρων 1600-2000 κυβικών με άμεσο ψεκασμό και απόδοση 21 ως 24 κιλοβάτ στο λίτρο (ή 28,5 ως 32,5 ίππους/λίτρο), απόδοση πολύ αξιόλογη για κινητήρα ντίζελ (φυσικά μη υπερτροφοδοτούμενο). το μάξιμουμ του αριθμού των στροφών είναι στις 4000-5000. Η κατανάλωση ήταν 15-20% μικρότερη από αντίστοιχο κινητήρα με έμμεσο ψεκασμό, πράγμα άλλωστε που ο καθένας θα περίμενε. Ως προς το θέμα των βλαβερών εκπομπών, εξίσου σημαντικό στην εποχή μας, οι μετρήσεις έδειξαν πως ο κινητήρας δεν έχει κανένα πρόβλημα με τις ευρωπαϊκές απαιτήσεις για τον περιορισμό της μόλυνσης. Για τις ΗΠΑ βρίσκεται μέσα στα όρια αν χρησιμοποιηθεί καταλύτης στην εξάτμιση, πράγμα που έτσι κι αλλιώς συμβαίνει και με τους κινητήρες έμμεσου ψεκασμού. Τέλος, σχετικά με το θέμα του θορύβου, ανακοινώθηκε ότι, με τον κινητήρα ρυθμισμένο για τη μικρότερη δυνατή κατανάλωση, ο θόρυβος ήταν 2-3 ντεσιμπέλ δυνατότερος απ' ό,τι στον έμμεσο ψεκασμό για λειτουργία του κινητήρα με πλήρες φορτίο. Στη λειτουργία με μερικό φορτίο ή στο ρελαντί ο θόρυβος ήταν ο ίδιος, γεγονός πολύ ευχάριστο για τους κατοίκους των πόλεων! στη λειτουργία με κρύο κινητήρα και λίγες στροφές ο θόρυβος ήταν μικρότερος. Τ' αποτελέσματα αυτά τα πέτυχαν σχεδιάζοντας έναν ελικοειδή αυλό εισαγωγής του αέρα στον κύλινδρο για την αύξηση του στροβιλισμού, αυξάνοντας την πίεση ψεκασμού, σχεδιάζοντας μια κοιλότητα στο έμβολο για υποβοήθηση του στροβιλισμού, χρησιμοποιώντας ειδικό σχεδιασμένο ακροφύσιο ψεκασμού πολλαπλών οπών που καλύπτονται από τη βαλβίδα του (VSO, μειώνοντας τέλος στο ελάχιστο τον όγκο των μερών που περιέχουν συμπιεσμένο καύσιμο από την πλευρά υψηλής πίεσης της αντλίας καυσίμου. Η συμπίεση του κινητήρα είναι της τάξης του 22 : 1. Στο σχετικό σχήμα φαίνεται ένα κοινό ακροφύσιο κι ένα VSO. Η διαφορά τιμής που προκύπτει από τη χρησιμοποίηση περισσότερο πολύπλοκου συστήματος ψεκασμού (στο οποίο οφείλεται βασικά η δυνατότητα χρησιμοποίησης του άμεσου ψεκασμού με τόση επιτυχία) καλύπτεται από δύο παράγοντες. Από τη χρησιμοποίηση απλούστερης κυλινδροκεφαλής (δεν υπάρχει δευτερεύων θάλαμος) και λιγότερο δαπανηρού συστήματος ψύξης (αφού ο κινητήρας με άμεσο ψεκασμό έχει μικρότερες απώλειες θερμότητας). Οι δύο κινητήρες λοιπόν έχουν τελικά το ίδιο κόστος. Στο σχετικό σχήμα βλέπουμε μία σύγκριση μεταξύ των δύο συστημάτων.
Τελικό συμπέρασμα είναι πως έπρεπε να έρθει η κρίση για να αντιληφθούν οι άνθρωποι τη βλακώδη σπατάλη ενέργειας που έκαναν τόσα χρόνια (που ήταν ανήθικη ακόμα κι όταν το βαρέλι είχε 2 δολάρια, αφού στερούσαν άσκοπα τις πρώτες ύλες για παραγωγή ενέργειας από τις επόμενες γενιές). Και μόνο μετά απ' αυτήν προσπάθησαν να βρουν τρόπους για το σταμάτημα της σπατάλης, πράγμα που τα τελευταία χρόνια γίνεται με αρκετή επιτυχία, αφού λύθηκαν τα χέρια και δόθηκαν τα μέσα σ' αυτούς που ήθελαν και μπορούσαν να το πετύχουν. Τελειώνουμε με το ερώτημα τι θα σκεφτόσαστε για ένα οικογενειακό αυτοκίνητο με κατανάλωση γύρω στα 4 λίτρα πετρέλαιο στα 100 χιλιόμετρα με σταθερή ταχύτητα 90 χιλιομέτρων και γύρω στα 5 με 5,5 λίτρα μέσα στην πόλη; Μήπως αρχίζετε να αισθάνεστε παράξενα;

Νέες μέθοδοι ψεκασμού

Η έρευνα για τη βελτίωση του κινητήρα ντίζελ και τη μείωση της κατανάλωσής του άρχισε αρκετά αργά. Έτσι το πεδίο για νέες εφαρμογές είναι πολύ μεγάλο και η δυνατότητα για μείωση της κατανάλωσης μεγαλύτερη από το βενζινοκινητήρα. Εδώ θα πρέπει να τονίσουμε ότι ο ντίζελ παρουσιάζει ένα πλεονέκτημα. Η αύξηση της ισχύος του δεν περιορίζεται από το καύσιμο, όπως στον βενζινοκινητήρα, όπου πέρα από ορισμένα όρια θερμοκρασίας και πίεσης παρουσιάζεται το φαινόμενο της αυτανάφλεξης. Η λειτουργία του ντίζελ βασίζεται ακριβώς στο φαινόμενο της αυτανάφλεξης του καυσίμου του. Έτσι κάθε αύξηση πίεσης και θερμοκρασίας βοηθάει στη γρηγορότερη και πληρέστερη καύση. Η αύξηση πίεσης και θερμοκρασίας στον ντίζελ περιορίζεται μόνο από την αντοχή των υλικών του στα μεγέθη αυτά.
Η έρευνα πάνω στον κινητήρα ντίζελ μπορεί να περιορίζεται στην εξέταση των ορίων λειτουργίας του ή να επεκτείνεται στην εξέλιξη και χρησιμοποίηση νέων υλικών και εξαρτημάτων. στην πρώτη κατηγορία θα μπορούσαμε να αναφέρουμε την έρευνα των μηχανικών της Lucas πάνω στην ταχύτητα ψεκασμού. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της δουλειάς τους, αυξάνοντας την ποσότητα ψεκαζόμενου καυσίμου ανά μονάδα χρόνου και μειώνοντας έτσι τη συνολική διάρκεια του ψεκασμού, έχουμε μείωση της κατανάλωσης, της εκπομπής μονοξείδιου του άνθρακα και της εκπομπής καπνού. Η παράλληλη αύξηση των οξειδίων του αζώτου μπορεί, να ελαχιστοποιηθεί με γρηγορότερη μίξη και καθυστέρηση της έναρξης ψεκασμού. Παρατήρησαν όμως ότι υπάρχει ένα όριο ταχύτητας ψεκασμού, πέρα από το οποίο ούτε η κατανάλωση μειώνεται άλλο ούτε οι εκπομπές καπνού και μονοξείδιου του άνθρακα. Παράλληλα η εκπομπή οξειδίων του αζώτου συνεχίζει να αυξάνεται. Το αποτέλεσμα λοιπόν αυτής της δουλειάς είναι ότι αυξάνοντας την ταχύτητα ψεκασμού έχουμε συγκεκριμένα οφέλη. Δεν αξίζει όμως τον κόπο να σχεδιάζονται πανάκριβα συστήματα ψεκασμού για ν' αυξήσουν την ταχύτητα αυτή περισσότερο από κάποιο όριο, πέρα από το οποίο κανένα όφελος δεν έχουμε (μάλλον ζημιά έχουμε αφού αυξάνουμε τη μόλυνση του περιβάλλοντος από οξείδια του αζώτου). Η έρευνα πάνω στα υλικά και εξαρτήματα είναι φυσικά ανεξάντλητη. Συνήθως τα πειράματα αρχίζουν από τους μεγαλύτερους και πιο αργόστροφους κινητήρες των φορτηγών, όπου τα προβλήματα είναι λιγότερα, και μετά επεκτείνονται και στους μικρούς κινητήρες των αυτοκινήτων (κλασικό παράδειγμα η χρησιμοποίηση των υπερσυμπιεστών). Ένα μεγάλο μέρος της έρευνας στρέφεται προς τη μελέτη της συμπεριφοράς διαφόρων υλικών μέσα στον κινητήρα. Έτσι η Κάμινς έκανε πειράματα με χρησιμοποίηση θερμικά μονωμένων εμβόλων. με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι απώλειες θερμότητας. για να αντιμετωπίσει τις πολύ ψηλές θερμοκρασίες που αναπτύχθηκαν στο θάλαμο καύσης χρησιμοποίησε ευρύτατα κεραμικά υλικά. τα υλικά όμως που χρησιμοποιούνται σε τόσο ψηλές θερμοκρασίες πρέπει να έχουν μικρό συντελεστή διαστολής, αλλιώς δημιουργούνται πολύ μεγάλες τάσεις. Προς το παρόν όμως δεν υπάρχουν κεραμικά που να είναι συγχρόνως καλοί μονωτές και να έχουν μικρό συντελεστή διαστολής και καλή αντοχή στις τάσεις που δημιουργούνται στο θάλαμο καύσης. Έτσι χρησιμοποιείται ένα στρώμα κεραμικών για αντοχή στη θερμοκρασία και τις δυνάμεις, χωρίς όμως να είναι και μονωτής, και από κάτω χρησιμοποιείται ένα στρώμα μεταλλικών δίσκων τραχείας επιφάνειας για μονωτικό. Τέλος ένα άλλο πρόβλημα, που ακόμα δεν έχει λυθεί, είναι η μεγάλη κατανάλωση λιπαντικού. Η έρευνα όμως προχώρησε ακόμα περισσότερο. με τη χρησιμοποίηση των κεραμικών και στα χιτώνια, την κυλινδροκεφαλή και τους αυλούς εξαγωγής σε ένα συμβατικό κινητήρα της Κάμινς οι απώλειες θερμότητας (και η ανάγκη για ψύξη) μειώθηκαν στο ελάχιστο. Έτσι η απόδοση του κινητήρα αυξάνεται. Το πρόβλημα της εισαγωγής επαρκούς ποσότητας αέρα στην εισαγωγή, που γίνεται εντονότερο λόγω των μεγάλων θερμοκρασιών. Λύνεται, με τι άλλο, με τη χρησιμοποίηση υπερσυμπιεστή. Επί πλέον όμως, επειδή τα καυσαέρια έχουν πολύ μεγάλη θερμοκρασία (άρα περικλείουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας) μπορούν να χρησιμοποιηθούν επωφελέστερα. Έτσι τοποθετήθηκε στην πλευρά της εξαγωγής και μια… τουρμπίνα ισχύος που εμπλέκεται μέσα από δύο γρανάζια με το στροφαλοφόρο και προσφέρει πρόσθετη ισχύ! στο σχετικό σχήμα υπάρχει ένα σχέδιο του κινητήρα. Πρόκειται για έναν εξακύλινδρο εν σειρά κινητήρα με άμεσο ψεκασμό, 14 λίτρων, που αποδίδει 500 ίππους (373 KW) στις 1900 στροφές, απόδοση πραγματικά εξαιρετική για τόσο αργό κινητήρα (35,7 ίπποι στο λίτρο). Εκείνο όμως που είναι εκπληκτικό είναι η κατανάλωση του. 125 γραμμάρια ανά ώρα και παραγόμενο ίππο (170 gr/KWh)! για να γίνει αυτό κατανοητό, αρκεί να πούμε ότι αντίστοιχοι συμβατικοί κινητήρες δύσκολα κατεβαίνουν κάτω από 1.50 γραμμάρια ανά ώρα και ίππο. Η διάρκεια ζωής της μηχανής ήταν 250 ώρες, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει αρκετός δρόμος μέχρι τη λύση των προβλημάτων και την κατασκευή των σωστών υλικών που θα της δώσουν την αξιοπιστία των συμβατικών κινητήρων.
sx4.JPG
Σχήμα 4: Αδιαβατικός κινητήρας ντίζελ συνδυασμένος με τουρμπίνα ισχύος.

Πάντως η έρευνα βρίσκεται στο σωστό δρόμο και είναι πολύ πιθανό με την εξέλιξη των κεραμικών να φτάσουμε κάποτε σε ένα κινητήρα ντίζελ χωρίς… ψύξη και χωρίς… λίπανση!
Ένας άλλος, τομέας, όπου οι έρευνες είναι εντατικές, είναι οι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες. Είναι πλέον εμφανές, ότι η υπερτροφοδοσία είναι ένας σίγουρος τρόπος για την αύξηση των επιδόσεων και τη μείωση της κατανάλωσης των κινητήρων. Ένας από ιούς τρόπους που χρησιμοποιούνται για ν' αυξηθεί το όφελος από τους υπερτροφοδότες είναι η ψύξη του αέρα εισαγωγής μετά τη συμπίεσή του. Η πυκνότητα του αέρα μεγαλώνει μ' αυτόν τον τρόπο και στον κύλινδρο εισάγεται μεγαλύτερη ποσότητα, οπότε μπορεί να ψεκασθεί και περισσότερο καύσιμο. Επίσης, λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας του αέρα, οι μέγιστες πιέσεις και θερμοκρασίες είναι χαμηλότερες, με αποτέλεσμα να μειώνονται τα θερμικά και μηχανικά φορτία. Όλα αυτά έχουν σαν αποτέλεσμα αύξηση των επιδόσεων και μείωση της κατανάλωσης. Η ψύξη του αέρα εισαγωγής γινόταν συνήθως από έναν εναλλάκτη, όπου σαν ψυκτικό χρησιμοποιούσαν το υγρό ψύξης του κινητήρα. Επειδή όμως το υγρό αυτό βρισκόταν σε αρκετά μεγάλη θερμοκρασία (μικρότερη πάντως απ' αυτή του συμπιεσμένου αέρα) η ψύξη δεν ήταν μεγάλη. Από την άλλη πλευρά βέβαια, όταν η εξωτερική θερμοκρασία έπεφτε δραματικά και ο αέρας, ακόμα και μετά τη συμπίεση, ήταν πιο κρύος από το ψυκτικό, αυτό τον ζέσταινε ελαφρά και μείωνε τα προβλήματα στο ξεκίνημα. Για ν' αυξηθούν οι επιδόσεις των κινητήρων οι μηχανικοί σκέφτηκαν να χρησιμοποιήσουν εναλλάκτη αέρα-αέρα. Τοποθετώντας έναν τέτοιο εναλλάκτη μπροστά χρησιμοποίησαν για την ψύξη τον αέρα του περιβάλλοντος. Αποτέλεσμα ήταν η καλύτερη ψύξη και η αύξηση των επιδόσεων. Όταν ο καιρός ήταν πολύ κρύος, μια διακλάδωση (by pass) δεν άφηνε τον αέρα εισαγωγής να περάσει από τον εναλλάκτη. Ένα τέτοιο σύστημα τοποθέτησε η Βόλβο στον TD70F υπερτροφοδοτούμενο κινητήρα της των 6,7 λίτρων. Χωρίς ψύξη η ισχύς ήταν 210 ίπποι. με τη χρησιμοποίηση εναλλάκτη αέρα-αέρα η ισχύς ανέβηκε στους 230 ίππους, προσθέτοντας τα 22,7 κιλά του εναλλάκτη στο βάρος του κινητήρα. Για σταθερή ισχύ η κατανάλωση είναι μικρότερη στον κινητήρα με ψύξη του αέρα. Δοκιμές γίνονται για τη χρησιμοποίηση δύο σταδίων ψύξης, ενός αέρα-νερού και κατόπιν ενός αέρα-αέρα. Τα αποτελέσματα είναι πολύ καλά, αλλά προς το παρόν το σύστημα εφαρμόζεται μόνο σε μεγάλους κινητήρες για βαριά φορτηγά από την Mack.

Βενζινοκινητήρες

ΠΑΡΟΛΟ ΠΟΥ Ο ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΒΕΝΖΙΝΗΣ ΕΧΕΙ ΕΞΕΛΙΧΘΕΙ ΣΗΜΑΝΤΙΚΑ, ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΑΚΟΜΗ ΑΡΚΕΤΑ ΠΕΡΙΘΩΡΙΑ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΜΕ ΣΚΟΠΟ ΤΗΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ.
Το γεγονός ότι μεγάλο μέρος των ερευνητικών προσπαθειών των εταιριών κατευθύνεται στην εξέλιξη του κινητήρα ντίζελ δεν σημαίνει ότι η εξέλιξη του βενζινοκινητήρα έχει εγκαταλειφθεί. Μπορεί ο κινητήρας ντίζελ να είναι οικονομικότερος, αλλά ο βενζινοκινητήρας έχει ακόμα πολλά πλεονεκτήματα και η ζήτησή του είναι μεγάλη. Έτσι όλες οι εταιρίες εντείνουν τις προσπάθειές τους για τη βελτίωσή του, ώστε ν' αυξηθεί η απόδοση και να μειωθεί η κατανάλωση. Και παρόλο που η εξέλιξη του βενζινοκινητήρα έχει φτάσει σε πολύ ψηλά επίπεδα, υπάρχει ακόμη ένα ευρύ πεδίο για βελτιώσεις. Ένας από τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να μειωθεί η κατανάλωση ενός κινητήρα είναι η αύξηση της ταχύτητας της καύσης. Πολλές προσπάθειες γίνονται για την αύξηση της ταχύτητας αυτής και μεγάλο μέρος των ερευνών σε πολλές εταιρίες είναι στραμμένο προς αυτή την κατεύθυνση.
Αποτέλεσμα αυτών των ερευνών είναι ο νέος κινητήρας Νaps-Ζ της Νισάν. Η εξέλιξη του βασίστηκε στον παλιό κινητήρα L20Β. Kαι οι δύο είναι τετρακύλινδροι εν σειρά, με εκκεντροφόρο επικεφαλής και η χωρητικότητά τους είναι 1952 κυβικά εκατοστά. Η διάμετρος των κυλίνδρων είναι 85 χιλ. και η διαδρομή των εμβόλων 86 χιλ. (είναι δηλαδή σχεδόν τετραγωνισμένοι). Ο νέος κινητήρας έχει ημισφαιρικούς θαλάμους καύσης και το μέγεθος των βαλβίδων εισαγωγής είναι το ίδιο με του παλιού. Οι βαλβίδες εξαγωγής όμως είναι μεγαλύτερες. Τέλος, το βάρος του είναι κατά 13 κιλά μικρότερο. Οι διάφορες βελτιώσεις που έγιναν στον νέο, ταχείας καύσης κινητήρα έχουν σαν αποτέλεσμα 30% μικρότερη κατανάλωση σε σχέση με τον παλιό!! Βασικός συντελεστής αυτής της εντυπωσιακής μείωσης είναι η αύξηση της ταχύτητας της καύσης.
Είναι γενικά αποδεκτό πως δύο από το βασικότερα χαρακτηριστικά ενός ταχείας καύσης κινητήρα, είναι η αύξηση της περιδίνησης του μίγματος μέσα στον κύλινδρο και η όσο το δυνατό μικρότερη διαδρομή της φλόγας. Η ποιότητα δε της καύσης παραμένει πολύ καλή ακόμα και με τη χρησιμοποίηση της επανακύκλωσης μέρους των καυσαερίων (για τη μείωση της εκπομπής οξειδίων του αζώτου). Η αύξηση της περιδίνησης (και η σωστή κατεύθυνσή της) στον Νaps-Ζ οφείλεται στη διαφορετική σχεδίαση των θυρίδων εισαγωγής. Χρησιμοποιήθηκαν θυρίδες εφαπτομενικού τύπου, μεγάλης περιδίνησης και μικρής αντίστασης στη ροή. Η αύξηση της περιδίνησης επιτεύχθηκε επιδρώντας στο ύψος των θυρίδων, που είναι ο κάθετος συντελεστής της περιδίνησης, και στην εφαπτομενική κατεύθυνση της ροής, που είναι ο οριζόντιος συντελεστής. Ένας συνδυασμός των δύο αυτών συντελεστών οδήγησε στην αύξηση της περιδίνησης, χωρίς παράλληλη αύξηση της αεροδυναμικής αντίστασης, που θα επιδρούσε στην απόδοση του κινητήρα (η περιδίνηση αυξάνει όσο η θέση των θυρίδων χαμηλώνει και η ροή γίνεται σε περισσότερο οξεία γωνία και όσο ενισχύεται η ροή στην εφαπτομενική διεύθυνση του οριζόντιου επίπεδου του κυλίνδρου). Επιπλέον, εκτός από τις αλλαγές στις θυρίδες, χρησιμοποιήθηκαν και πτερύγια περιδίνησης στους αυλούς εισαγωγής. Στο σχετικό σχήμα βλέπουμε φωτογραφία ενός πτερύγιου περιδίνησης και σχηματική παράσταση της επίδρασής του στη ροή. Αυτός θεωρήθηκε ο καλύτερος τρόπος αύξησης της περιδίνησης γιατί, παρόλο που η επιφάνεια του πτερύγιου είναι μικρή, προκαλείται περιδίνηση μεγάλης ταχύτητας με αμελητέα πτώση της απόδοσης. Όπως φαίνεται και στο σχήμα, το πτερύγιο επιδρά στη ροή, ενισχύοντας την οριζόντια συνιστώσα της περιδίνησης και κατευθύνοντας το μίγμα προς την περιφέρεια του κυλίνδρου.
sx5.JPG
Σχήμα 5: Το πτερύγιο περιδίνησης του Naps-Z και σχηματική παράσταση της επίδρασής του στη ροή.

Ένα άλλο βασικό χαρακτηριστικό του κινητήρα είναι ο θάλαμος καύσης δύο σημείων ανάφλεξης που φαίνεται στο άλλο σχήμα. Πρόκειται για έναν ημισφαιρικό θάλαμο καύσης με δύο μπουζί τοποθετημένα συμμετρικά. Η χρήση των δύο μπουζί αποβλέπει στην αύξηση της ταχύτητας της καύσης, μειώνοντας την απόσταση διάδοσης της φλόγας. Πράγματι, η σύγκριση της καύσης με δύο σημεία ανάφλεξης και της καύσης με ένα σημείο ανάφλεξης δείχνει ότι η πρώτη είναι πολύ ταχύτερη της δεύτερης. για την πληρέστερη εξάτμιση και πιο ομοιόμορφη κατανομή του μίγματος, ο κινητήρας έχει θερμαινόμενη με ζεστό νερό πολλαπλή εισαγωγή. Επιπλέον οι κινητήρες του 1981 χρησιμοποιούν κι ένα θερμαντήρα του μίγματος που βελτιώνει ακόμα περισσότερο τα παραπάνω χαρακτηριστικά.
Ένας άλλος τρόπος για να μειωθεί η κατανάλωση του κινητήρα είναι η μεταβολή του χρονισμού ανάφλεξης ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. στο Naps-Z χρησιμοποιείται ένα σύστημα πού, λειτουργώντας με την υποπίεση στο καρμπιρατέρ, ρυθμίζει το χρονισμό του σπινθήρα στη βέλτιστη τιμή του κατά τη διάρκεια της λειτουργίας στο ρελαντί. Τέλος η κατανάλωση μειώνεται κι άλλο με το κόψιμο της παροχής καυσίμου κατά τη διάρκεια της επιβράδυνσης (οπότε η παροχή είναι τελείως άχρηστη). Φυσικά, με τη χρησιμοποίηση των μικροϋπολογιστών στο μέλλον, ο χρονισμός του σπινθήρα (και το κόψιμο της παροχής καυσίμου) θα γίνεται από την κεντρική μονάδα ελέγχου του αυτοκινήτου συνεχώς (όχι μόνο για το ρελαντί) και η οικονομία θα είναι ακόμα μεγαλύτερη. Βλέπουμε λοιπόν πως υπάρχει ακόμα έδαφος για την εξέλιξη του βενζινοκινητήρα και τη βελτίωση της απόδοσής του. Έτσι θα εξακολουθήσει να υπάρχει για χρόνια ακόμα ανάμεσά μας ελαφρύτερος, δυνατότερος και κυρίως, με μικρότερη κατανάλωση, που είναι ο εφιάλτης του σημερινού οδηγού.
sx6.JPG
Σχήμα 6: Κυλινδροκεφαλή κινητήρα ταχείας καύσης, με δύο σημεία ανάφλεξης.

Οι Τ.Ζ.Α. και L.Z.A. της BMW

Στον τομέα οικονομία κατανάλωσης η BMW έχει απαντήσει με δύο κινητήρες μοναδικούς στη λειτουργία τους. Η ίδια ονομάζει τον ένα Τ.Ζ.Α. από τα αρχικά των γερμανικοί λέξεων, που σημαίνουν Σύστημα Αποσύνδεσης Κυλίνδρων, σε συνθήκες που χρειάζονται μέρος μόνο της ιπποδύναμης και τον άλλο L.Z.A., από αρχικά που σημαίνουν Αποσύνδεση Κυλίνδρων κατά τη διάρκεια του ρελαντί. Ο Τ.Ζ.Α. είναι εξακύλινδρος και όταν ο οδηγός ανάλογα με το πάτημα του γκαζιού επιθυμεί λίγη ιπποδύναμη μόνο οι τρεις κύλινδροι τροφοδοτούνται με βενζίνη, ενώ οι άλλοι τρεις όχι, και συγχρόνως μια βαλβίδα ανοίγει και περνά τα καυσαέρια από τους τρεις «νεκρούς» κυλίνδρους. Η λύση αυτή βοηθά στο να καεί πλήρως τυχόν άκαυτη βενζίνη και συγχρόνως κρατά τους 3 κυλίνδρους σε κανονική θερμοκρασία. Όταν ο οδηγός χρειαστεί περισσότερη ιπποδύναμη, κοντά στα όρια απόδοσης του κινητήρα, τότε θα πατήσει περισσότερο το γκάζι και ένας σερβομηχανισμός θα θέσει σε λειτουργία και τους έξι κυλίνδρους. Η επανασύνδεση των τριών νεκρών κυλίνδρων γίνεται πολύ διακριτικά, σύμφωνα με την BMW, σαν ένα απλό, σιγανό τράνταγμα, που κάνουν και τα αυτόματα κιβώτια ταχυτήτων όταν αλλάζουν θέση τα γρανάζια. Η ιδέα ξεκίνησε ως εξής: Οι απαιτήσεις του οδηγού από τον κινητήρα διαφέρουν μεταξύ οδήγησης σε ανοιχτό δρόμο και οδήγησης σε δρόμο πόλης, που συνήθως είναι πολυσύχναστος. Στον αυτοκινητόδρομο υπερτερούν οι πολυκύλινδροι κινητήρες, επειδή γίνεται καλύτερη κατανομή της ενέργειας, υπάρχουν λιγότεροι κραδασμοί, μεγαλύτερη απόδοση στις ψηλές στροφές και πιο ομαλή ροπή. Επίσης στον ανοιχτό δρόμο ο κινητήρας δεν δουλεύει ρελαντί. Αντίθετα στον πολυσύχναστο δρόμο ο κινητήρας για μεγάλα χρονικά διαστήματα δουλεύει ρελαντί και στις χαμηλές στροφές ένας κινητήρας λίγων κυλίνδρων είναι περισσότερο οικονομικός. Η ιδέα του Τ.Ζ.Α. είναι πολύ έξυπνη. Ο εξακύλινδρος κινητήρας 2000 κ.ε. αποδίδει μέγιστη ροπή 16.3 χλγμ. στις 4000 σ.α.λ. και στην οικονομική κίνηση οι αλλαγές πρέπει να γίνονται ο' αυτήν την περιοχή των στροφών, όπου υπάρχει καλύτερη απόδοση. Αυτή όμως η απόδοση, ενώ είναι οικονομική στον αυτοκινητόδρομο, υστερεί στην πόλη. Υπερτερεί όμως και πάλι μόλις ο κινητήρας γίνει τρικύλινδρος 1000 κ.εκατ. και χρησιμοποιεί την μισή ροπή για εκκίνηση στις 4000 σ.α.λ., που είναι περισσότερο ρεαλιστική για μέσα στην πόλη και συγχρόνως πιο οικονομική. Έτσι επιτυγχάνεται μία οικονομία γύρω στα 20%. Βέβαια ένας τέτοιος κινητήρας θα έχει υψηλότερο κόστος κατασκευής από έναν αντίστοιχο συμβατικό, αλλά αφενός μεν με την μεγάλη παραγωγή το κόστος θα πέσει, αφετέρου δε η οικονομία στην κατανάλωση θα αποσβέσει γρήγορα την επιπλέον τιμή. Ο L.Z.A. είναι η απλούστερη μορφή του Τ.Ζ.Α. Ο κινητήρας αυτός θα λειτουργεί με τρεις κυλίνδρους μόνο κατά τη διάρκεια του ρελαντί και όλες τις άλλες στιγμές θα εργάζονται όλοι μαζί οι κύλινδροι. Έτσι ο κινητήρας αυτός θα επιτυγχάνει οικονομία 2 έως 4% συγκριτικά με ένα συμβατικό, ανάλογα με τη χρονική διάρκεια του ρελαντί.
Αξίζει να σημειωθεί ότι στη διάρκεια του ρελαντί μόνο ο L.Z.A. κάνει 18% οικονομία, ενώ ο Τ.Ζ.Α. 35%, συγκρινόμενοι με τους κλασικούς κινητήρες της BMW!

Ψηφιακά συστήματα ελέγχου

Βασικό όπλο για την αντιμετώπιση της πετρελαϊκής κρίσης είναι τα ηλεκτρονικά. Ένα από τα ηλεκτρονικά συστήματα που έχουν τοποθετηθεί σε πολλά αυτοκίνητα είναι το ψηφιακό σύστημα ελέγχου του κινητήρα Motronic, που πρωτοτοποθετήθηκε στις BMW732i. Πρόκειται για έναν ηλεκτρονικό μικροϋπολογιστή, που ρυθμίζει τον ψεκασμό και το χρόνο ανάφλεξης του καυσίμου για όλες τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. με τον τρόπο αυτό η καμπύλη της ροπής γίνεται πιο ομαλή και μειώνεται η κατανάλωση. Κι αυτό γιατί ένας κινητήρας με σταθερή ρύθμιση των παραπάνω παραμέτρων σε μία τιμή δεν προσφέρει το μάξιμουμ της απόδοσης, παρά σε μια περιοχή στροφών και φορτίου.
Με τις έρευνες για χρησιμοποίηση αλκοολών (μεθανόλης και αιθανόλης) σαν εναλλακτικά καύσιμα, ένα νέο πεδίο εφαρμογών παρουσιάζεται για το Motronic. Πρόκειται για τη δυνατότητα χρησιμοποίησης διαφορετικών καυσίμων για τον ίδιο κινητήρα. Λεπτομερέστερα: ένας από τους τρόπους χρησιμοποίησης των αλκοολών είναι η ανάμιξή τους με βενζίνη. Στη Γερμανία δημιουργήθηκε το Μ15, ένα μίγμα από 85% βενζίνη και 15% μεθανόλη. Για να δοκιμαστεί στην πράξη το νέο καύσιμο χρησιμοποιούνται χίλιες περίπου BMW732i, αφού υπέστησαν τις ανάλογες ρυθμίσεις και μετατροπές. Η επιχείρηση αυτή υποστηρίζεται επίσημα από το Υπουργείο έρευνας και τεχνολογίας.
Το πρόβλημα όμως που τίθεται είναι ότι σ' ολόκληρη τη Δυτική Γερμανία δεν υπάρχουν παρά 30 σταθμοί καυσίμων που διαθέτουν το Μ15. Στις γειτονικές χώρες δεν υπάρχει κανένας. Πρέπει λοιπόν τα αυτοκίνητα αυτά, που σημειωτέον δόθηκαν σε ιδιώτες, να λειτουργούν χωρίς πρόβλημα και με βενζίνη και με Μ15, για να πηγαίνουν οι ιδιοκτήτες τους όπου θέλουν, χωρίς το φόβο να μείνουν από καύσιμα. Το Μ15 όμως, έχοντας μεγαλύτερο αριθμό οκτανίου και όντας περισσότερο πτητικό, χρησιμοποιείται με διαφορετική ρύθμιση χρονισμού και ψεκασμού για μικρότερη κατανάλωση. Εδώ λοιπόν παρεμβαίνει το Motronic. Για τα οχήματα του τεστ εφοδιάστηκε μ' ένα δεύτερο πρόγραμμα ρύθμισης χρονισμού και ψεκασμού. Μ' ένα διακόπτη ο οδηγός επιλέγει το ένα από τα δύο προγράμματα, ανάλογα με τη χρησιμοποίηση Μ15 ή βενζίνης. για τη σωστή λειτουργία του κινητήρα πρέπει ο οδηγός να περιμένει να αδειάσει σχεδόν τελείως το μοναδικό ρεζερβουάρ, για ν' αλλάξει καύσιμο.
Οι τεχνικοί όμως προχώρησαν ακόμη περισσότερο. Σκέφτηκαν ότι υπάρχουν και αφηρημένοι οδηγοί, που πιθανόν να ξεχνούν να πατήσουν το διακόπτη επιλογής όταν αλλάζουν καύσιμο. Έτσι όταν π.χ. ο κινητήρας είναι ρυθμισμένος για το Μ15 και χρησιμοποιηθεί η μικρότερου βαθμού οκτανίου βενζίνη, θα παρουσιάζονται έντονα φαινόμενα αυτανάφλεξης. Προσπαθούν λοιπόν να επιλέξουν ένα τρόπο αυτόματης επιλογής του σωστού προγράμματος. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του καυσίμου, διαφορετική όπως είναι στη βενζίνη και το Μ15, «διαβάζεται» από το ρεζερβουάρ και ένα σήμα μεταδίδεται στο Motronic για την αυτόματη επιλογή του σωστού προγράμματος. Ένας άλλος τομέας όπου τα ηλεκτρονικά βρίσκουν εφαρμογή είναι η μείωση του χτυπήματος (knock) της μηχανής που οφείλεται στην αυτανάφλεξη, με παράλληλη μείωση της κατανάλωσης. Η εξαφάνιση της αυτανάφλεξης θα μπορούσε να γίνει πολύ εύκολα, μειώνοντας τη συμπίεση, αφού αιτία της είναι οι μεγάλες πιέσεις και θερμοκρασίες που αναπτύσσονται τοπικά στον κύλινδρο. Η μείωση όμως της συμπίεσης θα είχε σαν αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης της μηχανής κι επομένως την αύξηση της κατανάλωσης. Έχει υπολογιστεί ότι για κάθε αύξηση της συμπίεσης κατά μία μονάδα μειώνεται η κατανάλωση κατά 4% περίπου. Άρα έχουμε συμφέρον να επιδιώξουμε μια αύξηση της συμπίεσης μάλλον παρά τη μείωσή της. Από την άλλη πλευρά κάθε τέτοια αύξηση αυξάνει τις πιθανότητες αυτανάφλεξης και χτυπήματος, που μπορεί να είναι καταστροφικά για τη μηχανή και μεγαλώνουν την κατανάλωση. Η αύξηση του αριθμού οκτανίου που θα μπορούσε να μειώσει την αυτανάφλεξη περιορίζεται από τεχνικούς και οικονομικούς λόγους.
Ο μοναδικός τρόπος που απομένει για να περιορίσουμε την αυτανάφλεξη χωρίς να αλλάξουμε τη συμπίεση είναι να αλλάξουμε την προπορεία ανάφλεξης (αβάνς). Η ρύθμισή της είναι τέτοια, ώστε η μέγιστη πίεση παρουσιάζεται λίγο μετά το άνω νεκρό σημείο (ΑΝΣ). μια καθυστέρηση λοιπόν της ανάφλεξης (μείωση δηλαδή της προπορείας ανάφλεξης) φέρνει τη μέγιστη πίεση αργότερα, όταν η κάθοδος του εμβόλου έχει αρχίσει, οπότε μειώνει και την τιμή της. Φυσικά αυτό θα έχει σαν συνέπεια τη μείωση της απόδοσης του κινητήρα. Εκείνο όμως που είναι ενδιαφέρον είναι ότι η αυτανάφλεξη δεν παρουσιάζεται καθ' όλη τη διάρκεια της λειτουργίας του κινητήρα. Έχει υπολογιστεί ότι σπάνια ξεπερνάει το 10% του χρόνου λειτουργίας. Θα ήταν λοιπόν πολύ βολικό να μην είχαμε σταθερή ρύθμιση του αβάνς αλλά μεταβλητή, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Έτσι δεν θα είμαστε αναγκασμένοι να μειώσουμε τη συμπίεση (θα μπορούσαμε μάλιστα να την αυξήσουμε) και όταν η μηχανή παρουσίαζε τάσεις χτυπήματος, μόνον τότε θα μειωνόταν προσωρινά το αβάνς. Αυτό θα σήμαινε ότι κατά το 90% του χρόνου λειτουργίας ο κινητήρας θα δούλευε στις. βέλτιστες τιμές συμπίεσης και αβάνς και η μείωση της κατανάλωσης θα υπερκάλυπτε την αύξησή της κατά το υπόλοιπο 10% του χρόνου λειτουργίας, όπου το αβάνς θα μειωνόταν. Έπρεπε λοιπόν να βρεθεί ένας τρόπος συνεχούς ρύθμισης του αβάνς και εδώ είναι που παρεμβαίνουν τα ηλεκτρονικά. Δημιουργήθηκαν διάφορα συστήματα ρύθμισης, που η βάση λειτουργίας τους είναι η εξής: με κάποιον ακροδέκτη τοποθετημένο στον κύλινδρο μετριέται η τάση του κινητήρα για χτύπημα. Ο ακροδέκτης μπορεί να είναι δύο ειδών: είτε επιταχυνσιόμετρο, οπότε μετράει τις δονήσεις του κινητήρα, είτε μετρητής πίεσης. Προς το παρόν χρησιμοποιείται μόνο το πρώτο είδος, θεωρείται όμως ότι ο μετρητής πίεσης θα επιτρέψει την ακριβέστερη μέτρηση του χτυπήματος και την ξεχωριστή ανίχνευση για κάθε κύλινδρο. το σήμα από τον ακροδέκτη, αφού φιλτραριστεί κατάλληλα, μεταδίδεται σε μια μονάδα ελέγχου, που μόλις διαπιστώσει την τάση για χτύπημα, επιδρά στο αβάνς. Η επίδραση αυτή μπορεί να γίνει είτε με ένα, απότομο βήμα, είτε προοδευτικά. Εδώ πρέπει να βρεθεί κάποιος συμβιβασμός, αφού μια απότομη μεταβολή μπορεί να επηρεάσει τη δυνατότητα του αυτοκινήτου για επιτάχυνση, ενώ μια μεταβολή πολύ αργή και προοδευτική μπορεί ν' αφήσει να χτυπάει ο κινητήρας για αρκετό χρόνο πριν να τον φέρει στη σωστή λειτουργία. Ένας άλλος συμβιβασμός πρέπει να γίνει στο χρόνο αναμονής πριν την επιστροφή στην κανονική λειτουργία. Αν ο χρόνος αυτός είναι πολύ μικρός, το αποτέλεσμα είναι χτύπημα διακοπτόμενο και επαναλαμβανόμενο. Αν ο χρόνος είναι μεγάλος, επηρεάζεται το νεύρο του κινητήρα. Για τη ρύθμιση του συστήματος τέλος, πρέπει να ληφθεί υπόψη η συμπεριφορά του κινητήρα στα μεταβατικά στάδια της λειτουργίας του (επιταχύνσεις), όπου η τάση για χτύπημα είναι μεγαλύτερη. Τέτοια συστήματα έχουν εξελιχθεί ή βρίσκονται σε εξέλιξη από διάφορους κατασκευαστές. Για παράδειγμα αναφέρουμε το σύστημα της Μπουίκ για υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες, με διόρθωση του αβάνς ανάλογη με την ένταση του χτυπήματος και προοδευτική επαναφορά και το επίσης αναλογικό σύστημα της γαλλικής S.E.V. Τέλος, η S.E.V. εξελίσσει ένα άλλο, τελείως ηλεκτρονικό σύστημα (πού περιλαμβάνει δηλαδή και τελείως ηλεκτρονική ανάφλεξη), ψηφιακού τύπου με μικροϋπολογιστή. Ειδικά για τους υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ένα άλλο σύστημα, που δεν θα επιδρούσε στο αβάνς, αλλά στην παρεχόμενη από τον συμπιεστή πίεση εισαγωγής. Σαν τελικό συμπέρασμα ίσως μπορούμε να πούμε ότι με τη χρησιμοποίηση της ηλεκτρονικής η οδήγηση θα είναι σε λίγα χρόνια πιο εύκολη, πιο ευχάριστη και κυρίως, πιο ασφαλής και πιο οικονομική. Οι άνθρωποι και η θέληση να το πετύχουν υπάρχουν. Δεν μένει παρά να περιμένουμε τα αποτελέσματα των ερευνών τους και την εφαρμογή τους στην πράξη.

Χαμηλότερο βάρος

Πέρα όμως από τη βελτίωση των ίδιων των κινητήρων -ντίζελ ή βενζίνης- σημαντικότατο ρόλο παίζει και το βάρος του αμαξώματος, το οποίο μόλις τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει να απασχολεί σχεδιαστές και μηχανικούς. Ήδη μάλιστα σε αρκετές χώρες η μείωση του βάρους αποτελεί ανειλημμένη υποχρέωση των κατασκευαστών απέναντι στις κυβερνήσεις τους.
Ένα αυτοκίνητο κατά τη διάρκεια της ζωής του επιταχύνει και επιβραδύνει άπειρες φορές και έτσι η φερόμενη μάζα του παίζει σημαντικό ρόλο στο κεφάλαιο εξοικονόμηση ενέργειας. Αυτός ο ρόλος είναι ακόμη ουσιαστικότερος στην κίνηση μέσα στις πόλεις. Στα συχνά ξεκινήματα του αυτοκινήτου η μηχανή χρειάζεται περισσότερη ενέργεια, για να εξουδετερώσει την αδράνεια της μάζας του, από αυτήν που χρειάζεται στον ανοιχτό δρόμο. Αυτή η συνθήκη επιδεινώνεται, γιατί ο κινητήρας αρχίζει να εργάζεται από τις 600 ή 800 σ.α.λ., όπου έχει χαμηλότερη θερμική απόδοση από αυτή στις μέσες στροφές συν τη ροπή που αναπτύσσει λόγω κοντών σχέσεων στο κιβώτιο Η BMW έκανε τεστ με αυτοκίνητα της σειράς 3,που τα μισά ήταν ελαφρύτερα κατά 100 κιλά του κανονικού βάρους και υπολόγισε ότι τα ελαφρύτερα μοντέλα είχαν 3,2% οικονομία, στην πόλη και 2,7% στον αυτοκινητόδρομο. Εδώ πρέπει να σημειώσουμε ότι οι κατά 100 κιλά ελαφρύτερες κατασκευές είχαν και καλύτερες φυσικά επιδόσεις. Όταν η BMW τοποθέτησε σ' αυτά μακρύτερο διαφορικό, ώστε να εξισωθούν οι επιδόσεις με τα βαρύτερα μοντέλα, οι αντίστοιχες τιμές στην κατανάλωση καλυτέρευσαν σε 5.4% και 5%.
Βλέποντας λοιπόν τα πλεονεκτήματα της ελαφρύτερης κατασκευής ως προς την κατανάλωση, ο μηχανικός έχει τις ακόλουθες δυνατότητες για την ελάττωση του βάρους:

  • Ελάττωση των εξωτερικών διαστάσεων που σημαίνει λιγότερο υλικό, διατηρώντας τις ίδιες εσωτερικές διαστάσεις.
  • Ελάττωση του μεγέθους μερικών εξαρτημάτων, έστω και διατηρώντας το ίδιο υλικό.
  • Διάφορα τμήματα κατασκευής αποτελούμενα από πολλά κομμάτια να ανασχεδιάζονται και αντικαθίστανται από ένα ενιαίο εξάρτημα.
  • Χρήση υλικών με καλύτερη αναλογία Αντοχής/Βάρους από τα ήδη χρησιμοποιούμενα.
  • Χρήση πλαστικών υλών, ιδίως σε μέρη που δεν δέχονται φορτία.

Πρέπει να σημειώσουμε ότι τα αυτοκίνητα σήμερα έχουν φτάσει σε καλά επίπεδα ως προς την ελάττωση του βάρους της κατασκευής τους και, εκτός αν πρόκειται για ειδική και ακριβή κατασκευή, δεν υπάρχουν πολλά περιθώρια βελτιώσεων, κρατώντας συγχρόνως το κόστος σχετικά χαμηλά. Ήδη σε όλα σχεδόν τα αυτοκίνητα η χρήση πλαστικών υλών είναι εκτεταμένη, αρχίζοντας από τους προφυλακτήρες και τα πλαϊνά πλαίσια μέχρι καλύμματα μηχανικών μερών. Εάν τώρα ο κατασκευαστής θέλει να αφαιρέσει ακόμη περισσότερο βάρος, αρχίζουν οι ειδικές κατασκευές, που όμως είναι ακριβότερες απ' τις καθιερωμένες. Δηλαδή χρήση κραμάτων κυρίως μαγνησίου και αλουμινίου ή ατσαλιού, που κάτω από ειδικές συνθήκες θέρμανσης και ψύξης αποκτά περισσότερη αντοχή και έτσι το μέγεθος των εξαρτημάτων μικραίνει. Επίσης η χρήση Φάιμπερ-γκλάς,που όμως δεν ενδείκνυται για μεγάλη παραγωγή, γιατί χρειάζεται αρκετή χειρωνακτική εργασία και είναι δύσκολο στη συντήρησή του γιατί είναι εύθραυστο. Φάιμπερ-γκλάς μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κατασκευές Sandwich, όπου μπαίνει σαν ενδιάμεσο υλικό ή έστω και να επενδύει τη μια πλευρά μόνο, την πιο ασφαλή από τα χτυπήματα. Ένα καλό παράδειγμα ελαφριάς κατασκευής είναι το Ρενό 5 Τούρμπο,που ζυγίζει 940 κιλά, ενώ διαθέτει τμήματα ιδιαίτερης αντοχής, όπως είναι αυτά της ανάρτησης, μετάδοσης, κίνησης και φυσικά ενισχυμένα σημεία του αμαξώματος που δέχονται τα φορτία της ανάρτησης, καθώς και τα φορτία των 160 ίππων της μηχανής, με προοπτική να φτάσουν τους 250 καθαρόαιμους από 1400 κ.εκατ. Όλα τα σημεία του αυτοκινήτου έχουν σαν πρωταρχική ιδιότητα την αντοχή εφόσον το αυτοκίνητο προορίζεται για σκληρούς αγώνες ράλλυ με μικρές μετατροπές, ενώ το βάρος πρέπει να είναι στο ελάχιστο (φυσικά εδώ για λόγους επιδόσεων). Η οροφή του, οι δυο πλαϊνές πόρτες του και η τρίτη πίσω είναι από κράμα αλουμινίου, ενώ όλα τα φτερά, οι προφυλακτήρες και το μπροστινό καπό είναι από πολυεστέρα. Το δάπεδο του είναι ένα φύλλο ατσαλιού που έχει κατεργαστεί, έτσι ώστε να είναι μεγάλης αντοχής. Περιέχει 0.18% στοιχείο άνθρακα, έχει θερμανθεί στους 950ο C, έχει ψυχθεί με γρήγορο ρυθμό και ακολούθως έχει ξαναθερμανθεί στους 680ο C, για να αποκτήσει ελαστικότητα κατά των δυνατών χτυπημάτων (αλλιώς θα ήταν επικίνδυνα εύθραυστο σε ένα χτύπημα π.χ. από πέτρα). Το τμήμα της καρότσας που στηρίζει την μηχανή είναι από το ίδιο μέταλλο, αλλά αποτελείται από δύο μαζί φύλλα πρεσαριστά και με νευρώσεις στα σημεία που δέχονται μεγαλύτερες τάσεις. Χρησιμοποιούνται επίσης μέταλλα που έχουν κατεργαστεί και σχηματιστεί με πρέσες, σε θερμοκρασίες κάτω από το σημείο που αλλάζει η δομή τους (Cold work process). Η τεχνολογία των κραμάτων έχει προχωρήσει αρκετά, ώστε διάφορα εξαρτήματα να αντικαθιστούνται με άλλα της ίδιας αντοχής και ελαφρότερα σε βάρος, όπως τα κράματα μαγνησίου που χρησιμοποιούνται σαν μοχλοί ανύψωσης παράθυρων, καλύμματα εμβόλων δισκοφρένων, κιβώτιου ταχυτήτων, γεννητριών, φίλτρων, καπάκια βαλβίδων κ.ά. Βέβαια η αγορά σιδήρου και η κατασκευή εξαρτημάτων από αυτόν γίνεται εδώ και 200 χρόνια (για ευρεία και βιομηχανική χρήση), το κόστος κατασκευής είναι χαμηλό, μερικές φορές είναι αναντικατάστατος λόγω των ιδιοτήτων του, αλλά τελευταία κέρδισαν έδαφος και τα κράματα, γιατί νέες τεχνικές εξόρυξης των μετάλλων και ανάμιξης αυτών φέρνουν το κόστος χαμηλά, και έχουν τις επιθυμητές ιδιότητες για μια κατασκευή.
Οι συνθετικές ύλες χρησιμοποιούνται πολύ τα τελευταία χρόνια, γιατί το κόστος είναι χαμηλό, το βάρος μικρό, δεν σκουριάζουν, είναι εύκολες στη συντήρηση και αντικατάσταση, εάν έχουν ελαστικότητα αντέχουν στα χτυπήματα και αχρηστεύουν το φαναρτζή. Τα υλικά κατασκευής παρόλη την μακριά ιστορία του αυτοκινήτου παραμένουν σε συνεχή εξέλιξη, ώστε να εναρμονίζονται στις σημερινές απαιτήσεις, μεταξύ των οποίων είναι και η ελάττωση του βάρους κατασκευής.


Μείωση κατανάλωσης (4Τ 129, 6/1981)

2χρονος Τέμπλγουελ

sx1-0.jpg sx1-1.jpg
Στα απλά αυτά σχήματα φαίνεται καθαρά ή λειτουργία του δίχρονου κινητήρα με το τραπεζοειδές έμβολο. O αέρας που εισέρχεται από την απορροφητική δράση στο κάτω μέρος του εμβόλου που έχει μεγάλη διάμετρο στέλνεται, μέσω θυρίδων μεταφοράς, στους θαλάμους καύσης των δύο κυλίνδρων στην αρχή της φάσης συμπίεσης. Η χρησιμοποίηση συστήματος ψεκασμού επιτρέπει — και βοηθά— την καλύτερη ανάμιξη/ανατάραξη των κατάλοιπων της καύσης που φεύγουν από την ανοιχτή θυρίδα εξαγωγής. Όταν o κινητήρας της Τέμπλγουελ είναι μονοκύλινδρος (δεξιά), τότε υπάρχει ένας ειδικός θάλαμος μέσα στον όποιο «φυλάγεται» ο αέρας που αντλείται για να αποδοθεί στο θάλαμο καύσης, με την προς τα κάτω κίνηση του εμβόλου και το άνοιγμα της θυρίδας μεταφοράς.

Γιατί να μην μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει τα έμβολα του ίδιου του κινητήρα σαν αντλίες για την πλήρωσή τους;
Γιατί δηλαδή το ένα έμβολο να μην μπορεί να γεμίσει με μίγμα το θάλαμο καύσης του άλλου κυλίνδρου; Αυτές τις σκέψεις φαίνεται ότι έκαναν οι βρετανοί μηχανικοί που εργάζονταν παλιά στην Νόρτον Βίλιερς Τράιομφ και πού, μετά την πτώση της αγγλικής βιομηχανίας μοτοσικλετών, δημιούργησαν το δικό τους γραφείο Έρευνας & Εξέλιξης Τέμπλγουελ. Και γιατί να μη γίνει αυτό σ' ένα δίχρονο κινητήρα που τώρα τελευταία έχει υποστεί καθίζηση στις συνειδήσεις των κατασκευαστών και των νομοθετών λόγω των απαράδεκτα υψηλών τιμών εκπομπής βλαβερών καυσαερίων; Γιατί όχι;
Στο κάτω-κάτω ό δίχρονος κινητήρας είναι (ήταν) ένας ιδιαίτερα απλός κινητήρας. Σχεδίασαν λοιπόν ένα περίεργο έμβολο που μοιάζει με ψηλό καπέλο (βλέπετε σχήματα) και που εκτός από όργανο συμπίεσης, παίζει και το ρόλο της αντλίας αέρα! Πώς γίνεται;
Απλά όπως όλα τα πολύπλοκα πράγματα. Όταν το έμβολο κατεβαίνει δημιουργεί «μια υποπίεση» που λένε κι οι «ειδικοί» στην τηλεόραση, απορροφώντας», αέρα μέσα από μια βαλβίδα μη επιστροφής που συγκεντρώνεται (ο αέρας) στον ειδικό χώρο που βρίσκεται στο κάτω τμήμα του τραπεζοειδούς κυλίνδρου (σχήμα, αριστερά). Όταν το δεξί έμβολο ανεβαίνει, ο αέρας συμπιέζεται και στέλνεται μέσω μιας —έξυπνης— θυρίδας μεταφοράς στον αριστερό κύλινδρο (αν βέβαια ο κινητήρας είναι δικύλινδρος). Όταν γίνει η έναυση ή έκρηξη του μίγματος και το έμβολο αρχίζει να κατεβαίνει, τότε η θυρίδα μεταφοράς απελευθερώνεται και τα αέρια της καύσης βοηθούν στον καθαρισμό απ’ τα υπολείμματα της καύσης του «πρώτου» κυλίνδρου (του αριστερού).
Αυτό το σύστημα εισαγωγής απελευθερώνει τον στροφαλοθάλαμο από το μίγμα βενζίνης-λαδιού που υπάρχει στους κοινούς δίχρονους κινητήρες κάνοντας τη λίπανση υπό πίεση δυνατή. Στην πραγματικότητα στον κύλινδρο εργάζεται ένα έμβολο δύο διαμέτρων με κοινό διωστήρα. Οι διάμετροι στον πειραματικό κινητήρα της Τεμπλγουέλ —που έχει τοποθετηθεί στο πλαίσιο μιας Νόρτον Κομάντο— είναι: 74.5 χιλ. και 105 χιλ. κι η σχέση συμπίεσης 9:1. Ο κινητήρας αποδίδει 28 kW (37 hp) στις 5.200 σ.α.λ. κι είναι ιδιαίτερα οικονομικός. Σε δοκιμές αποδείχτηκε ότι ο δίχρονος κινητήρας με τραπεζοειδείς έμβολο είχε κατανάλωση από 3.73 λίτρα /100 χλ. με 65 χ.α.ώ. μέχρι 5.0 λίτρα/100 χλμ με 112χ.α.ω.,πού ήταν 5% και 19% πιο χαμηλή από την κατανάλωση μιας τετράχρονης Καβασάκι 400.
Οι μηχανικοί της Τεμπλγουέλ έδωσαν στη δημοσιότητα το σχέδιο ενός δίχρονου κινητήρα V4 για χρήση σε αυτοκίνητα και μοτοσικλέτες στον όποιο οι διάμετροι των εμβόλων στο «κάτω» μέρος θα είναι σημαντικά μεγαλύτεροι, με αποτέλεσμα η «άντληση» του αέρα να είναι μεγαλύτερη από τη σχέση 1:1. Ο πρόσθετος αυτός αέρας θα στέλνεται στους «απέναντι» θαλάμους καύσης, δημιουργώντας έτσι συνθήκες ελαφριάς υπερπλήρωσης. Ο κινητήρας αυτός (βλέπε σχέδιο) θα έχει χυτές κυλινδροκεφαλές, δεν θα έχει φλάντζες, βαλβίδες και εκκεντροφόρους και θα είναι ιδιαίτερα αθόρυβος και ασφαλής από βλάβες. Πολλές φορές σκεφτόμαστε αν το αυτοκίνητο έφτασε στο τέλος του δρόμου της εξέλιξης του ή αν, για πολλά χρόνια, σχεδιαστές και μηχανικοί κοιμόντουσαν τον ύπνο του δικαίου από τον όποιο μόλις τώρα άρχισαν να ξυπνούν. Απόδειξη αυτός ό πανέξυπνος δίχρονος κινητήρας!
sx1-2.jpg
Πρώτο σχέδιο για την κατασκευή ενός δίχρονου, υδρόψυκτου. τετρακύλινδρου κινητήρα με θυρίδες μεταφοράς, τραπεζοειδή έμβολα και μικρό βαθμό υπερσυμπίεσης.

4χρονος με βοηθητική θυρίδα εισαγωγής

Η λύση που προσφέρει η Γιαμάχα στους τετράχρονους κινητήρες της για το 1981 είναι κι αυτή —όπως όλες οι μεγάλες ανακαλύψεις— μεγαλοφυής στην απλότητά της, Οικονομία θέλει να πετύχει στην κατανάλωση και να ό τρόπος που διάλεξε.
Ο αυλός εισαγωγής χωρίζεται στα δύο (βλέπε σχήμα). Όταν ο κινητήρας εργάζεται σε χαμηλές ή μέσες στροφές, τότε το μίγμα απ’ το καρμπιρατέρ περνά απ’ ένα Βοηθητικό αυλό εισαγωγής που έχει σημαντικά μικρότερη διάμετρο (από 1/4 ως 1/6) στη στένωση Βεντούρη από τον κύριο αυλό που βρίσκεται από πάνω. Λόγω ακριβώς της μικρής διαμέτρου και του φαινόμενου βεντούρι, το μίγμα αποκτά τέσσερις φορές μεγαλύτερη ταχύτητα —απ' το μίγμα του κυρίως αυλού— καθώς μπαίνει στο θάλαμο καύσης απ’ τη βαλβίδα εισαγωγής. Η μεγάλη ταχύτητα και η εφαπτομενική —λόγω σχεδίασης— ροή κάνουν το μίγμα να στροβιλίζεται στο θάλαμο και να εξαερώνεται εντελώς με φανερά αποτελέσματα στην καύση.
sx1-3.jpg
Όταν ο αναβάτης ανοίξει περισσότερο το γκάζι, τότε η πάνω πεταλούδα ανοίγει αφήνοντας να μπαίνει άφθονο μίγμα για την επιτάχυνση ή το φορτίο. Δοκιμάζοντας το σύστημά της σε πολυκύλινδρους κινητήρες, όπου χρησιμοποιεί το ισάριθμο καρμπιρατέρ για να ελέγχει τη ροή στους δύο αυλούς εισαγωγής με κατάλληλες «πεταλούδες» η Γιαμάχα επέτυχε οικονομία της τάξης του 10%. Τόση φαίνεται πώς ήταν η επιτυχία, ώστε η… Φίατ αγόρασε την πατέντα και θα γίνει η δεύτερη εταιρία (μετά την Τογιότα) που θα έχει κινητήρες «κουρδισμένους» απ’ την Γιαμάχα, που τόσο γνωστή είναι για τα μουσικά της όργανα.

Σφαιρικός θάλαμος καύσης

Συνεχίζοντας στο θέμα της προσπάθειας επίτευξης οικονομίας στην κατανάλωση, ας δούμε έναν ακόμα κινητήρα που σχεδιάστηκε από Άγγλους κι αγοράστηκε από τους Ιταλούς (Φίατ). Ο σχεδιαστής της Τσάρλς Γκούντακρ δήλωσε, όταν παρουσίασε τον κινητήρα του στο Σύνδεσμο των Μηχανικών Μηχανολόγων του Ηνωμένου Βασιλείου, πως ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι αντιοικονομικός και πως οικονομικός είναι ο κινητήρας εξωτερικής καύσης. Τότε γιατί δεν μας λέει ότι συμπαθεί τις ατμομηχανές ή τους κινητήρες Στέρλινγκ; θα ρωτήσουν πολλοί αναγνώστες…
Γιατί δεν εννοεί ο καλός μηχανικός τέτοιον κινητήρα εξωτερικής καύσης… για χρόνια οι μηχανικοί προσπαθούν να πετύχουν το ακατόρθωτο να σχεδιάσουν/κατασκευάσουν ένα θάλαμο καύσης που νάχει το τέλειο σχήμα της σφαίρας μ' έναν αναφλεκτήρα στο κέντρο της. Ανυπέρβλητες οι δυσκολίες τους εμπόδισαν και το μόνο που κατάφεραν μέχρι σήμερα είναι να φτιάξουν τέλειους ημισφαιρικούς θαλάμους καύσης. Να όμως που η λύση βρέθηκε. Ο θάλαμος καύσης, σε σχήμα τέλειας σφαίρας, δημιουργείται στην κυλινδροκεφαλή στη διάρκεια της έκχυσης του μετάλλου. Ένα μπουζί, με μακρύ ηλεκτρόδιο, φτάνει μέχρι το κέντρο της σφαίρας όπου υπάρχει ένα ηλεκτρόδιο (κυλινδρικό). Μια μικρή σήραγγα ενώνει το θάλαμο καύσης με τον κύλινδρο. Το καύσιμο φτάνει στον κύλινδρο με πίεση 100bar από ένα ακροφύσιο με δύο τρύπες που ψεκάζουν με περιεχομένη γωνία 20°.
Το καύσιμο χτυπάει με μεγάλη ταχύτητα τη ράβδο— ηλεκτρόδιο— που είναι κατασκευασμένη από κράμα Nimonic 90—και εξαερώνεται πλήρως. Καθώς το έμβολο ανεβαίνει, αέρας με μεγάλη πίεση περνά απ’ τη δίοδο και φτάνει στο σφαιρικό θάλαμο, όπου αμέσως αρχίζει να παρασύρει το μίγμα γύρω απ’ την κεντρική ράβδο-ηλεκτρόδιο. Πέντε μοίρες πριν απ’ το ΑΝΣ το μίγμα είναι έτοιμο και ο σπινθήρας σπινθηροβολεί. Η καύση, λέει ο εφευρέτης, έχει ολοκληρωθεί 20° μετά το ΑΝΣ. Στη φάση αυτή —της καύσης— το επάνω μέρος του εμβόλου βρίσκεται τόσο κοντά (0.8 χιλιοστά) στη θυρίδα, ώστε μπορεί να δει κανείς πως ο θάλαμος είναι σφραγισμένος όσο διαρκεί η καύση. Ο Γκούντακρ χρόνισε έτσι το σύστημα ψεκασμού, ώστε η οπισθοπίεση στο λαιμό της διόδου (από τα αέρια που σπρώχνει προς τα πάνω το έμβολο καθώς ανεβαίνει) να είναι τόσο μεγάλη, που το μίγμα να μην μπορεί να περάσει στον κύλινδρο!
Με μια πρώτη ματιά ο κινητήρας «εξωτερικής» καύσης του Γκούντακρ φαίνεται σαν ένας πετρελαιοκινητήρας έμμεσου ψεκασμού. Υπάρχουν όμως σημαντικές διαφορές.
sx1-4.jpg
Σ' αυτόν τον κινητήρα «εξωτερικής καύσης» το μίγμα ψεκάζεται από το μπεκ δεξιά. Καθώς το έμβολο ανεβαίνει σπρώχνει τον αέρα μεσα στη δίοδο έτσι που να κυκλοφορήσει με μεγάλη ταχύτητα στη φορά που δείχνουν τα βέλη. το μπουζί δίνει σπινθήρα με το κεντρικό κυλινδρικό ηλεκτρόδιο όταν το έμβολο έχει περίπου σφραγίσει το θάλαμο καύσης.

Ο θάλαμος καύσης είναι σημαντικά μεγαλύτερος απ’ το χώρο καύσης ενός ντίζελ. Η δίοδος που ενώνει το θάλαμο καύσης με τον κύλινδρο έχει μεγαλύτερη διάμετρο απ' ότι σ' ένα ντίζελ για να επιτρέψει στον —μεγαλύτερο— όγκο του αέρα να περάσει στο χρόνο που διατίθεται. Το σύστημα ψεκασμού στέλνει το μεγαλύτερο τμήμα του μίγματος προς τη ράβδο/ ηλεκτρόδιο που βρίσκεται στο κέντρο του θαλάμου καύσης. Τα μεγαλύτερα σταγονίδια κυκλοφορούν —λόγω της μεγαλύτερης αδράνειας— στο κέντρο του θαλάμου, τα ελαφρύτερα όμως κινούνται σχεδόν σε ευθείες γραμμές μακριά απ’ το στρόβιλο του κέντρου. Ο σπινθήρας «ανάβει» εύκολα το πλούσιο μίγμα που βρίσκεται γύρω του, η φλόγα αρχίζει το ταξίδι της προς την περιφέρεια σπρώχνοντας το άκαφτο μίγμα που βρίσκεται μπροστά της, στην προσπάθειά της να βρει οξυγόνο απαραίτητο για την καύση. Η διαδικασία αυτή έχει σαν αποτέλεσμα την πλήρη καύση του μίγματος και ένα λεπτό στρώμα αέρα παραμένει πάντα ανάμεσα στο μέτωπο της φλόγας και τα τοιχώματα του σφαιρικού θαλάμου καύσης, εμποδίζοντας την απώλεια θερμότητας. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στο μήκος της διόδου. Πολύ μικρό και, τα υπέρθερμα αέρια «τρυπάνε πιστόνι». Πολύ μεγάλο κι η κατανάλωση αυξάνει. Σε δοκιμές που έγιναν (στο Τουρίνο;) ένας κινητήρας Μάρκερ —όπως τον αποκαλεί ο σχεδιαστής του— έδωσε κατανάλωση 11.5 χλμ. στο λίτρο τοποθετημένος σε αυτοκίνητο 1500 κιλών. Με ταχύτητα 112 χ.α.ω. η κατανάλωση ήταν 17.5 χλμ. στο λίτρο (περίπου 5,2 λίτρα/100 χλμ.!)
Το μεγαλύτερο μυστικό του κινητήρα όμως δεν είναι η οικονομία του, αλλά το ότι καίει ότι καύσιμο θέλει ο ιδιοκτήτης από πετρέλαιο μέχρι βενζίνη και οινόπνευμα χωρίς ιδιαίτερη ρύθμιση του συστήματος ψεκασμού.