Ηλεκτρονικά συστήματα ψεκασμού πετρελαίου

Audi common rail system
Σδούκος Χρήστος, Σύστημα ψεκασμού Common rail, Περιοδικό "Συνεργείο του Αυτοκινήτου", τεύχος 30/6/2003

Κινητήρες με τεχνολογία Common Rail (4T 329, 2/1998)

της Αλεξανδρής Πέτρου

Ο θάνατος της αντλίας

Οι «καθαροί κινητήρες» έρχονται όλο και πιο έντονα στο προσκήνιο. Στο διάβα τους ισοπεδώνουν τα πάντα, ακόμα και τεχνολογίες που χρόνια τώρα θεωρούνταν αναντικατάστατες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα οι νέοι κινητήρες πετρελαίου. που χάνουν το πιο κλασικό εξάρτημά τους, την αντλία. Με την τεχνολογία «common rail» η εικόνα των πετρελαιοκινητήρων αλλάζει ριζικά, καθώς πλέον θα αποτελούν πραγματικά εναλλακτικά πρόταση στους βενζινοκινητήρες.

ΜΙΑ ΑΠΟ ΤΙΣ ΚΥΡΙΕΣ διαφορές των κινητήρων Βενζίνης και πετρελαίου εντοπίζεται στο σύστημα τροφοδοσίας τους. Ενώ στους πρώτους η βασική παράμετρος είναι ο εισαγόμενος αέρας, στους δεύτερους είναι το εισαγόμενο καύσιμο. Με απλά λόγια, στους βενζινοκινητήρες όταν πατάμε το πεντάλ του γκαζιού, αυξάνουμε την ποσότητα του αέρα (και ανάλογα ρυθμίζεται η ποσότητα του καυσίμου) ενώ αντίθετα στους ντίζελ την ποσότητα του καυσίμου (εδώ ο αέρας εισάγεται χωρίς περιορισμό και βρίσκεται σε περίσσεια κατά τη διάρκεια της καύσης).
329-1.jpg
Σχήμα 1

Είναι λοιπόν προφανές ότι η «καρδιά» των πετρελαιοκινητήρων είναι το σύστημα τροφοδοσίας τους και για να είμαστε ακόμα πιο σαφείς, η αντλία του πετρελαίου και τα ακροφύσια (μπεκ) ψεκασμού (unijet). Η αντλία είναι ένας πολύπλοκος μηχανισμός, με βασική λειτουργία τη δημιουργία της υψηλής πίεσης τροφοδοσίας, που κυμαίνεται μεταξύ των 350 και 1600 bar (ανάλογα με τις στροφές λειτουργίας και το φορτίο). Παράλληλα φροντίζει για το χρονισμό του ψεκασμού του καυσίμου, δηλαδή τη χρονική στιγμή της έναρξης της παροχής αλλά και τη διάρκειά της.
Πέρα από τα παραπάνω αναλαμβάνει και τη ρύθμιση των στροφών του ρελαντί, ενώ περιλαμβάνει και ειδική διάταξη για τον περιορισμό των στροφών λειτουργίας.
329-2.jpg
Σχήμα 2: Ο κινητήρας 2 λίτρων της Τογιότα

Υπάρχει ένα πλήθος αντλιών πετρελαίου, με μηχανική λειτουργία, ενώ στις πιο σύγχρονες ο έλεγχος αρκετών ρυθμίσεων γίνεται μέσω ενός ηλεκτρονικού εγκεφάλου.
Μετά την αντλία ο τελευταίος σταθμός του πετρελαίου πριν από το θάλαμο καύσης είναι τα ακροφύσια ψεκασμού. Μέχρι σήμερα αυτά είναι μηχανικά, δηλαδή το πετρέλαιο ψεκάζεται όταν η πίεσή του ξεπεράσει μια ορισμένη τιμή και υπερνικήσει την αντίσταση του ελατηρίου που υπάρχει στο εσωτερικό του. Ιδιαίτερη σημασία έχει η διατομή και η επιφάνεια του ακροφυσίου, από όπου βγαίνει το καύσιμο, η οποία καθορίζει την «ομπρέλα» του ψεκασμού καθώς και την ποσότητα που θα Βγει κάθε φορά. Η μεγάλη αλλαγή που ευαγγελίζονται σήμερα τα εργαστήρια των αυτοκινητοβιομηχανιών αφορά την αντλία και τα ακροφύσια. Ακλουθώντας τη λογική των Βενζινοκινητήρων διαχωρίζουν πλέον τις λειτουργίες του συστήματος τροφοδοσίας, δηλαδή τη δημιουργία της πίεσης του καυσίμου και το χρονισμό του ψεκασμού.
Έτσι η αντλία πλέον απλά δημιουργεί την πίεση και παρέχει το πετρέλαιο σε έναν αυλό παροχής πάνω στον οποίο είναι συνδεδεμένα τα ακροφύσια, τα οποία πλέον δεν είναι μηχανικά αλλά ηλεκτρικά και συνδέονται με την κεντρική ηλεκτρονική μονάδα.
329-3.jpg
Σχήμα 3
329-4.jpg
Σχήμα 4: Η εφαρμογή της τεχνολογίας «common rail» από την BMW έχει τη μορφή ενός πανίοχυρου V8, ο οποίος θα παρουσιαστεί ύστερα από δύο χρόνια!

Η μονάδα αυτή (εγκέφαλος) παρακολουθεί τη λειτουργία του κινητήρα (στροφές, φορτίο, κ.λπ.) καθώς και την πίεση του παρεχόμενου καυσίμου μέσω ενός αισθητήρα που είναι τοποθετημένος πάνω στον αυλό παροχής) και ο οποίος, σύμφωνα με τον προγραμματισμό του, δίνει την εντολή ψεκασμού στα μπεκ την κατάλληλη στιγμή. Η ποσότητα του πετρελαίου που ψεκάζεται είναι ανάλογη με την πίεση του πετρελαίου και του χρόνου που μένουν τα μπεκ ανοιχτά. Χαρακτηριστικό του συστήματος είναι ότι απαιτείται ιδιαίτερα υψηλή πίεση του καυσίμου έτσι, ώστε να επιτυγχάνεται η καλύτερη ανάμειξή του με τον αέρα μέσα στο θάλαμο καύσης μέσα σε ελάχιστο χρονικό διάστημα. Επίσης η πίεση θα πρέπει να διατηρείται υψηλή (μέχρι και 1300 bar) ακόμα και στις χαμηλές στροφές λειτουργίας, κάτι που δε συνέβαινε πάντα με τις κλασικές αντλίες. Το βασικό πλεονέκτημα του συστήματος είναι ότι με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται καλύτερος έλεγχος της διαδικασίας καύσης, μιας και ψεκάζεται πάντοτε η ιδανική ποσότητα καυσίμου, με αποτέλεσμα την επίτευξη της μέγιστης θερμοδυναμικής απόδοσης. Αυτό σημαίνει βέβαια μεγαλύτερη οικονομία καθώς και λιγότερα καυσαέρια. Το βασικό μειονέκτημα που παρουσιάζει ο ψεκασμός καυσίμου με υψηλή πίεση είναι η αύξηση της περιεκτικότητας των οξειδίων του αζώτου (ΝΟx) στα εκπεμπόμενα καυσαέρια. Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα, οι τεχνικοί των εταιριών κατέφυγαν σε ένα «τρικ» το οποίο ονομάζεται «πιλοτικός ψεκασμός» ή προ-ψεκασμός. Πριν από τον κανονικό ψεκασμό λοιπόν τα μπεκ ανοίγουν στιγμιαία και ψεκάζουν μια πολύ μικρή ποσότητα καυσίμου η οποία αναφλέγεται αμέσως, προθερμαίνοντας το θάλαμο καύσης. Η διάρκεια του προ-ψεκασμού είναι γύρω στα 200 μικροδευτερόλεπτα και η ποσότητα του καυσίμου που εισάγεται είναι της τάξης των δύο χιλιοστόλιτρων (ml). Έτσι στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια του κανονικού ψεκασμού, το πετρέλαιο αναφλέγεται πιο εύκολα, με αποτέλεσμα να μην παρατηρείται απότομη αύξηση της θερμοκρασίας, παράγοντας που συμβάλει αποφασιστικά στη δημιουργία των οξειδίων του αζώτου. Παράλληλα δεν παρουσιάζονται απότομες μεταβολές πίεσης, με αποτέλεσμα να μειώνεται ο θόρυβος που δημιουργείται από την αυτανάφλεξη του καύσιμου μίγματος. Έτσι οι πετρελαιοκινητήρες που λειτουργούν με το σύστημα «common rail» από πλευράς θορύβου βρίσκονται ουσιαστικά στα ίδια επίπεδα με αυτούς με προθάλαμο καύσης.
329-5.jpg
Σχήμα 5: Συγκριτικό διάγραμμα ισχύος, κατανάλωσης και ροπής μεταξύ ενός συμβατικού κινητήρα ντίζελ 2,4 λίτρων τούρμπο, με τον αντίστοιχο κινητήρα Unijet.

Στην πράξη

Τα συστήματα τροφοδοσίας «common rail» δεν είναι κάτι το καινούριο για τις αυτοκινητοβιομηχανίες, καθώς βρίσκονται σε στάδιο εξέλιξης εδώ και αρκετά χρόνια.
Μέχρι τώρα έβρισκαν εφαρμογή μόνο σε μεγάλους ντίζελ, όπως αυτούς των μεγάλων φορτηγών της Hino Motors του 1995, με συστήματα τροφοδοσίας κατασκευασμένα από την Denso.
Το ουσιαστικό πρόβλημα που είχαν να αντιμετωπίσουν στην εφαρμογή τους σε μικρούς κινητήρες ήταν η δημιουργία μικρότερων σε μέγεθος εξαρτημάτων, κυρίως των μπεκ, με ταυτόχρονη ανταπόκριση στις υψηλές απαιτήσεις του συστήματος (αντοχή στις υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες). Μία από τις πρώτες εταιρίες που ασχολήθηκαν ενεργά με την εξέλιξη των συστημάτων αυτών ήταν η Φίατ. Η έρευνα ξεκίνησε στα τέλη της δεκαετίας του '80, έπειτα από τη διαπίστωση των ανθρώπων του ομίλου ότι οι πετρελαιοκινητήρες θα αποκτούσαν ιδιαίτερη σημασία τα αμέσως επόμενα χρόνια. Το σύστημα ονομάστηκε Unijet και η έρευνα ξεκίνησε σε συνεργασία με την Magneti Marelli.
Η πρώτη γενιά του συστήματος παρουσιάστηκε το 1987 ενώ η δεύτερη, η οποία δοκιμάστηκε με επιτυχία τόσο στο εργαστήριο όσο και σε αυτοκίνητα στο δρόμο, το 1989. Την άνοιξη του 1994 η FIAT υπέγραψε συμφωνία με την Bosch η οποία ανέλαβε την τελειοποίηση αλλά και τη βιομηχανική παραγωγή του Unijet.
Η εμπορική πρεμιέρα της τρίτης κατά σειράς γενιάς του Unijet έγινε μέσα στο 1997, στη νέα Άλφα 156 και μάλιστα σε δύο εκδόσεις, έναν τετρακύλινδρο 1,9 και έναν πεντακύλινδρο 2,4 λίτρων. Ο πρώτος αποδίδει 105 ίππους και 26 kgm ροπής, ενώ ο δεύτερος 136 ίππους και 31 kgm.
Το σύστημα ακολουθεί την κλασική διάταξη «common rail», με τη διαφορά ότι περιλαμβάνει δύο αντλίες καυσίμου, μια (μικρή) δευτερεύουσα, εμβαπτισμένη στο ρεζερβουάρ και μια πρωτεύουσα η οποία παίρνει κίνηση μέσω ιμάντα από τον άξονα του κινητήρα και δημιουργεί την υψηλή πίεση του καυσίμου. Χαρακτηριστικά του συστήματος είναι:

  • η δυνατότητα δημιουργίας υψηλής πίεσης καυσίμου (από 150 μέχρι 1350 bar), ανεξάρτητα από το φορτίο και τις στροφές λειτουργίας
  • άμεσος ψεκασμός μέσα στο θάλαμο καύσης που είναι σχηματισμένος στην επιφάνεια του εμβόλου
  • ρύθμιση της ποσότητας αέρα στην εισαγωγή ανάλογα με το φορτίο και τις στροφές με αποτέλεσμα τη δημιουργία του βέλτιστου καύσιμου μίγματος
  • ικανότητα λειτουργίας σε υψηλές στροφές (μέχρι 6.000 σ.α.λ.)
  • μεγάλη ακρίβεια στο χρονισμό και τη διάρκεια του ψεκασμού
  • εφαρμογή προψεκασμού

Το τελικό αποτέλεσμα δείχνει να δικαιώνει τους σχεδιαστές του συστήματος, καθώς οι κινητήρες Unijet παρουσιάζουν σαφώς μικρότερο θόρυβο και καλύτερη απόδοση από τους κλασσικούς ντίζελ. Για παράδειγμα ο πεντακύλινδρος των 2,4 λίτρων παρουσιάζει 10% μεγαλύτερη ισχύ, 15% μεγαλύτερη ροπή και 20% χαμηλότερη κατανάλωση σε σχέση με τον αντίστοιχο (παλαιότερο) πετρελαιοκινητήρα με προθάλαμο.
Ειδικότερα η μείωση της κατανάλωσης οφείλεται σε τρεις παράγοντες: στη βελτίωση της απόδοσης καύσης, στη μείωση της διάχυσης θερμότητας προς τα τοιχώματα των κυλίνδρων και στη μείωση της απαιτούμενης ενέργειας για την άντληση του καυσίμου. Στα ίδια πλαίσια κινείται και η Μερτσέντες Μπενζ η οποία παρουσίασε τους πρώτους ντίζελ με την τεχνολογία «common rail» στην καινούργια A-Class.
Οι δύο κινητήρες είναι 16 βάλβιδοι, υπερτροφοδοτούμενοι (ο ένας με εναλλάκτη και ο άλλος χωρίς), έχουν χωρητικότητα μόλις 1,7 λίτρα και είναι οι μικρότεροι σε αυτή την κατηγορία. Εδώ μια περιστροφική αντλία παρέχει σταθερά καύσιμο υπό υψηλή πίεση (μέχρι 1350 bar) σε ένα αυλό πάνω στον οποίο είναι συνδεδεμένα τα τέσσερα μπεκ.
Ο «εγκέφαλος» του κινητήρα παίρνει σήματα από τους αισθητήρες περιστροφής του εκκεντροφόρου και του στροφαλοφόρου και σύμφωνα με τον προγραμματισμό του ανοίγει ή κλείνει τα μπεκ. Στα πλαίσια της οικολογικής συμπεριφοράς τους οι πετρελαιοκινητήρες αυτοί περιλαμβάνουν δύο οξειδωτικούς καταλύτες, καθώς και ένα εξελιγμένο σύστημα ανακύκλωσης καυσαερίων το οποίο περιλαμβάνει και δύο εξαρτήματα που απουσιάζουν κανονικά από έναν συμβατικό πετρελαιοκινητήρα:

  • έναν αισθητήρα παροχής αέρα, έτσι ώστε ο εγκέφαλος του κινητήρα να γνωρίζει ακριβώς την ποσότητα του αέρα που εισάγεται και να υπολογίζει την ακριβή ποσότητα των καυσαερίων που θα ανακυκλώσει
  • μια πεταλούδα αέρα, η οποία δημιουργεί την απαραίτητη υποπίεση για το «ρούφηγμα» των καυσαερίων στην εισαγωγή.
329-6a.jpg
_
329-6b.jpg
Σχήμα 6: Διαδοχικές φάσεις ανάφλεξης του μίγματος αέρα καυσίμου στο θάλαμο καύσης του κινητήρα της Μερτσέντες
329-7.jpg
Σχήμα 7: Απεικόνιση της διάταξης του μπεκ ψεκασμού και του αυλού εισαγωγής στο σύστημα Unijet.

Η θεωρία επιβεβαιώνεται και από τους αριθμούς, αφού η μέγιστη ισχύς της Α160 τουρμποντίζελ (μοντέλο χωρίς εναλλάκτη) φτάνει τους 60 ίππους στις 3.600 σ.α.λ. και η μέγιστη ροπή τα 16 kgm μόλις στις 1.500 σ.α.λ.
Αντίστοιχα η επίσης υπετροφοδοτούμενη Α170 (μοντέλο με εναλλάκτη) αποδίδει 90 ίππους στις 4.200 σ.α.λ. και 18 kqm ροπής στις 1.600 σ.α.λ.
Η κατανάλωση των κινητήρων αυτών, σύμφωνα πάντα με τη Μερτσέντες, είναι 4,7 και 4,9 λίτρα ανά 100 χιλιόμετρα αντίστοιχα, τιμές ιδιαίτερα χαμηλές ακόμα και πετρελαιοκινητήρες. Σε μια τόσο σημαντική τεχνολογική εξέλιξη δε θα μπορούσαν βέβαια να απουσιάζουν και οι Ιάπωνες και πιο συγκεκριμένα η Τογιότα, που έχει να παρουσιάσει σημαντικό έργο σε ό,τι αφορά τους κινητήρες πετρελαίου.

Η εξέλιξη και η εφαρμογή της τεχνολογίας «common rail» έγινε σε συνεργασία με την Denso, η οποία φρόντισε για την εξέλιξη τόσο των μπεκ ψεκασμού όσο και της αντλίας υψηλής πίεσης. Το πρακτικό αποτέλεσμα ήταν τρεις διαφορετικοί κινητήρες: ένας 8βάλβιδος 1,5 λίτρων με 1 επικεφαλής εκκεντροφόρο και δύο μεγαλύτεροι 2 και 2,4 λίτρων, με 16 βαλβίδες και 2 επικεφαλής εκκεντροφόρους. Ο μικρότερος προορίζεται για μοντέλα πόλης, με στόχο η κατανάλωσή τους να κυμαίνεται γύρω στα 3 λίτρα ανά 100 χιλιόμετρα, ενώ αυτός των 2 λίτρων προορίζεται για μικρομεσαία και μεσαία μοντέλα. Εδώ ο στόχος δεν είναι μόνον η οικονομία αλλά και η επίτευξη όσο γίνεται μεγαλύτερης ισχύος. Η επιλογή πολυβάλβιδης κυλινδροκεφαλής βελτιώνει τη ροή του αέρα μέσα στον κινητήρα, ενώ παράλληλα επιτρέπει την κατακόρυφη τοποθέτηση του μπεκ στο κέντρο του κυλίνδρου. Έτσι επιτυγχάνεται ο ψεκασμός στο κέντρο του στροβιλισμού του αέρα, στοιχείο που βελτιώνει την καύση και κατά συνέπεια την απόδοση του κινητήρα. Σε σύγκριση με τον αντίστοιχο από πλευράς χωρητικότητα κινητήρα ντίζελ με προθάλαμο καύσης ο «common rail» παρουσιάζει 30% μεγαλύτερη οικονομία καυσίμου και μέχρι κατά 40% αυξημένη ισχύ. Τέλος ο κινητήρας των 2,4 λίτρων θα χρησιμοποιείται σε ημιφορτηγά, ενώ η βασική του δομή είναι ίδια με αυτήν του δίλιτρου.

Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος Unijet

329-0.jpg
  1. Κεντρική ηλεκτρονική μονάδα
  2. Ταχύμετρο
  3. Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα ρύθμισης ανακύκλωσης καυσαερίων
  4. Ποτενσιόμετρο θέσης πεντάλ γκαζιού
  5. Αισθητήρας πεντάλ φρένου
  6. Αισθητήρας πεντάλ συμπλέκτη
  7. Αισθητήρας στροφών κινητήρα
  8. Αισθητήρας ροής αέρα
  9. Αισθητήρας θερμοκρασίας ψυκτικού Ι
  10. Προθερμαντήρες
  11. Βαλβίδα ανακύκλωσης καυσαερίων
  12. Μπεκ ψεκασμού
  13. Αισθητήρας χρονισμού ψεκασμού (θέσης εκκεντροφόρου)
  14. Αισθητήρας πίεσης τούρμπο
  15. Ρυθμιστής πίεσης
  16. Αντλία υψηλής πίεσης καυσίμου στον αυλό παροχής
  17. Αισθητήρας θερμοκρασίας πετρελαίου
  18. Μονάδα ελέγχου προθερμαντήρων
  19. Μονάδα επιστροφής πετρελαίου
  20. Αισθητήρας πίεσης πετρελαίου

Επίλογος: Μόλις τώρα αρχίζουμε

Οι κινητήρες «common rail» αποτελούν ένα μέρος της κατάστασης που θα διαμορφωθεί στο μέλλον στον τομέα των κινητήρων εσωτερικής καύσης.
Οι ντίζελ θα αποτελέσουν την ιδανική λύση για την κίνηση μέσα στην πόλη, αφού πλέον δε θα διακρίνονται μόνον για την οικονομία τους αλλά και για τα πολύ χαμηλά επίπεδα εκπεμπόμενων ρύπων. Μάλιστα είναι πολύ πιθανόν ότι ο πρώτος κινητήρας που θα πέσει κάτω από το όριο των 3 λίτρων για κάθε 100 χιλιόμετρα θα είναι πετρελαίου, εφοδιασμένος με ένα εξελιγμένο σύστημα «common rail».