Κινητήρες

Εξέλιξη στους κινητήρες της Φορντ (4Τ 229, 10/1989)

Συντάκτης: Jerry Sloninger
Αν είσαστε κάποιας ηλικίας, τότε μπορεί να θυμάστε το σλόγκαν «Υπάρχει ένα Φορντ στο μέλλον σου;». Ίσως σήμερα θα μπορούσαν να το ξαναχρησιμοποιήσουν, παραλλάζοντάς το: «Υπάρχει πολύ μέλλον στο δικό σας Φορντ». Το ευρωπαϊκό παρακλάδι της εταιρίας ενδιαφέρεται πολύ για την έρευνα κι αυτό γιατί θα πρέπει να ανταγωνιστεί τους Γερμανούς κατασκευαστές που στηρίζουν τις πωλήσεις τους στην υψηλή τεχνολογία των προϊόντων τους. Οι συνήθως λιγομίλητοι άνθρωποι των τμημάτων έρευνας και εξέλιξης αποκαλύπτουν πολύ πιο εύκολα τα μυστικά τους στους φοιτητές των πολυτεχνικών σχολών, παρά στους ανθρώπους του Τύπου. Έτσι, σε μια ομιλία τους στο πολυτεχνείο του Άαχεν, οι επικεφαλής των τμημάτων εξέλιξης κινητήρων και συστημάτων μετάδοσης τόνισαν, μεταξύ άλλων, ότι στα επόμενα χρόνια δεν θα πρέπει να αναμένεται σ' αυτούς τους τομείς καμιά εντυπωσιακή πρόοδος, αλλά περισσότερο κάποια μικρά αλλά σταθερά βήματα προς τα εμπρός. Παράλληλα, όμως, θα υπάρξουν κάποια μεγαλύτερα βήματα που θα έχουν να κάνουν με την υιοθέτηση των δίχρονων κινητήρων, την επιστροφή των μηχανικών υπερσυμπιεστών, τη χρησιμοποίηση εξωτικών υλικών, την επανασχεδίαση των βαλβίδων, ενώ για το άμεσο μέλλον προβλέπεται ένας νέος Φορντ V6 και μεταβλητή συμπίεση και χρονισμός του κινητήρα. Αυτήν τη στιγμή, η Φορντ στα νέα της προγράμματα δίνει μεγαλύτερη έμφαση στην καθαρότερη καύση παρά στη βελτιστοποίηση της κατανάλωσης, αν και κάθε είδος κινητήρα, από τον Ότο μέχρι τον Στέρλινγκ, δίχρονο ή τετράχρονο, ντίζελ, στροβιλοσυμπιεστή, βάνκελ ή ηλεκτρικό, η σύγκριση συνηθίζεται να γίνεται με βάση τη σχέση βάρους/ απόδοσης. Κι αυτό γιατί καθώς τα αυτοκίνητα μικραίνουν σε διαστάσεις και γίνονται πιο καμπυλωτά, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάγκη για πιο συμπαγείς κινητήρες. Η Φορντ δεν θεωρεί ότι αυτήν τη στιγμή το ηλεκτρικό αυτοκίνητο μπορεί να δώσει τη λύση, ακόμα και αν εξαπλωθεί η χρήση των μπαταριών Na-S. Το πολύ- πολύ να χρησιμοποιηθούν σαν αυτοκίνητα πόλης και ταξί κοντά στο 2000. Ίσως πάλι η λύση - σύμφωνα με τη Φορντ - να βρίσκεται στα υβριδικά αυτοκίνητα, όπου ένας μικρός κινητήρας εσωτερικής καύσης θα κινεί μια γεννήτρια. Ο «Στέρλινγκ» δεν προβλέπεται ότι θα βρει εφαρμογή στον αιώνα μας, όμως οι άνθρωποι της Φορντ προβλέπουν ότι πολλοί από εμάς θα οδηγούν πετρελαιοκίνητα αυτοκίνητα (προφανώς με ψεκασμό και με φίλτρο σωματιδίων). Πιο συγκεκριμένα: Παραδέχθηκαν ότι ένας V6 κινητήρας με 2ΕΕΚ θα ακολουθήσει σύντομα τον τετρακύλινδρο που ήδη παρουσιάστηκε, ενώ για αργότερα προγραμματίζεται ένα τετραβάλβιδο καπάκι με έναν εκκεντροφόρο επικεφαλής.
Η Φορντ εξετάζει, επίσης, τις βαλβίδες «ριντ», που προσφέρουν καλύτερο έλεγχο της λειτουργίας, ενώ στο ερευνητικό πρόγραμμα περιλαμβάνονται και οι ξεχασμένες περιστροφικές βαλβίδες. Τα κεραμικά υλικά τις ξαναφέρνουν στο φως. Τώρα που πέρασε ο αρχικός ενθουσιασμός ως προς τις πιθανές εφαρμογές των κεραμικών υλικών, αξιοποιούνται κυρίως στο εσωτερικό μέρος των πολλαπλών εξαγωγής και των εμβόλων. Προς το παρόν, πάντως, οι μηχανικοί της εταιρίας δελεάζονται περισσότερο από τις δυνατότητες που προσφέρει το τιτάνιο, περιορίζοντας ίο βάρος των διωστήρων και των βαλβίδων στο ένα τρίτο. Η Φορντ παραδέχθηκε, επίσης, ότι εργάζεται πάνω σε ένα είδος εμβόλου που περιέχει κάποιον όγκο παράκαμψης, έτσι που να μεταβάλλεται ο κυβισμός, καθώς επίσης και σε πιστόνια με ένα μόνο δακτύλιο συμπίεσης, ώστε να μειωθεί η τριβή. Οι μελλοντικοί κινητήρες δεν θα διαθέτουν αισθητές προανάφλεξης, αλλά «μάτια» από οπτικές ίνες που θα παρακολουθούν τη διαδικασία της καύσης καιτη διαδρομή της φλόγας και θα δίνουν οδηγίες σ' έναν κομπιούτερ πώς να ρυθμίσει το μίγμα του καυσίμου.
Μέχρι το 1995 οι αμερικανικές προδιαγραφές για τις εκπομπές των καυσαερίων θα είναι σε επίπεδα κατά 20% χαμηλότερα απ' ό,τι επιτρέπονταν ίο 1970. Εναλλακτικά καύσιμα είναι υπό σκέψη (ιδίως στην πολιτεία της Καλιφόρνια) και, γιατί όχι, εναλλακτικοί κινητήρες.
Αυτό, σύμφωνα με τη Φορντ, σημαίνει και την επιστροφή του δίχρονου, τώρα που ο κόσμος έχει ξεχάσει και τη μυρωδιά του καμένου λαδιού. Οι μηχανικοί της εταιρίας πιστεύουν ότι ένας καλός δίχρονος μπορεί να είναι πιο καθαρός από τον καλύτερο τετράχρονο. Ήδη, καλύπτουν τις απαιτήσεις εκπομπών για το τέλος της δεκαετίας του '90, ενώ στα πλεονεκτήματα του κινητήρα περιλαμβάνεται ακόμα το μικρό βάρος και όγκος του, ένα σημαντικό στοιχείο τώρα που τα αυτοκίνητα γίνονται όλο και πιο μικρά.
Βέβαια, δεν θα πρέπει να κοιτάει κανείς τον κινητήρα ξεκομμένο από το σύστημα μετάδοσης. To CTX, με τη συνεχώς μεταβαλλόμενη σχέση μετάδοσης, πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ευρέως, παρότι έχει μεγάλες απώλειες, αφού έχει το πλεονέκτημα να διατηρεί τον κινητήρα στη μέγιστη απόδοσή του. Για πιο δυνατούς κινητήρες, με ροπή κοντά στα 25Kg.m, στη θέση του ιμάντα θα χρησιμοποιούνται αλυσίδες, ενώ το ρόλο του συμπλέκτη μπορεί να αναλάβει ένας μετατροπέας ροπής. Τα ηλεκτρονικά θα επιστρατευθούν έτσι ώστε οι «αλλαγές» να γίνονται ανάλογα με τον τρόπο οδήγησης (σπορ ή οικονομικό) που έχει επιλεγεί. Μπορεί, ακόμα, και να προγραμματιστεί ώστε να αναγνωρίζει το στυλ οδήγησης και να προσαρμόζεται ανάλογα. Ακόμα και στα χειροκίνητα κιβώτια, τα ηλεκτρονικά θα παίξουν μεγάλο ρόλο, φροντίζοντας ταυτόχρονα για τις αλλαγές και τη ρύθμιση του κινητήρα. Όλα, λοιπόν, δείχνουν ότι οι επιστήμονες παίρνουν από τον οδηγό τον έλεγχο του κινητήρα και του κιβωτίου. Όταν ο επικεφαλής των μηχανικών της Φορντ ρωτήθηκε πού τελειώνει η τεχνολογία, απάντησε «μακάρι να γνωρίζαμε». Οι πελάτες γίνονται όλοι και πιο απαιτητικοί. Στον αιώνα που έρχεται, οι περισσότερες επιθυμίες τους θα ικανοποιηθούν, αν και το τίμημα θα είναι κάποια απομόνωση από τις συνθήκες του δρόμου.
229-1.jpg
Σχήμα 1: Μονομπλόκ σχεδίαση. Θα είναι πιο δύσκολη στην κατασκευή, αλλά ο κινητήρας θα είναι πιο μικρός, ελαφρύτερος και πιο ανθεκτικός.
229-2.jpg
Σχήμα 2: Το πάνω μέρος του εμβόλου είναι κινητό, με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται ο κυβισμός του κυλίνδρου


Εξελίξεις στο μέτωπο των κινητήρων (4Τ 202, 7/1987)

Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος

Κεραμικοί ντίζελ και δίχρονοι βενζινοκινητήρες με ψεκασμό. Τίποτα δεν εκπλήσσει πλέον από τις εξελίξεις της τεχνολογίας και τίποτα δεν μπορεί να προβλεφτεί για τη μορφή του κινητήρα του μέλλοντος. Ο τετράχρονος βενζινοκινητήρας δέχεται πάντως σήμερα ισχυρές αντεπιθέσεις από τους «περιθωριακούς» εξαδέλφους του. Που αυτήν τη φορά φαίνεται πως είναι καλά προετοιμασμένες, με αρκετές πιθανότητες επιτυχίας
202-0.jpg
Η επικράτηση του τετράχρονου βενζινοκινητήρα στο χώρο του αυτοκινήτου σίγουρα δεν ήταν τυχαία, αλλά οφειλόταν σε ορισμένα συγκεκριμένα πλεονεκτήματα. Το ουσιαστικότερο από αυτά δεν είναι ότι υπερτερεί σ' αυτό ή σ' εκείνο το ζωτικό χαρακτηριστικό απ' όλους τους άλλους κινητήρες, αλλά ότι αποτελεί τελικά τον καλύτερο συμβιβασμό ανάμεσα στις πολλές και αντικρουόμενες απαιτήσεις της σύγχρονης αυτοκινητοβιομηχανίας (και της σύγχρονης νομοθεσίας), όπως το χαμηλό βάρος, η υψηλή απόδοση, η μικρή κατανάλωση, η περιορισμένη ρύπανση κ.λπ. Αυτό ακριβώς το γεγονός συντέλεσε στη συνέχιση της έρευνας για την εξέλιξη των άλλων μορφών κινητήρων (που υπερτερούν του τετράχρονου βενζινοκινητήρα σε διαφορετικά ο καθένας σημεία) με την ελπίδα ότι θα γίνει κάποτε δυνατό να εξαλειφτούν τα μειονεκτήματά τους, οπότε η χρησιμοποίησή τους θα γίνει ιδιαίτερα συμφέρουσα. Δύο από τους κινητήρες αυτού του είδους που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι ο τετράχρονος ντίζελ, που χρησιμοποιείται άλλωστε στην αυτοκινητοβιομηχανία, σε πολύ μικρότερο ποσοστό από το βενζινοκινητήρα, και ο δίχρονος βενζινοκινητήρας, που χρησιμοποιείται ακόμα στα περισσότερα μοτοποδήλατα και μερικές μοτοσικλέτες, καθώς και συχνότατα σαν εξωλέμβιος. Το βασικό πλεονέκτημα του πρώτου είναι η σημαντικά μικρότερη κατανάλωση και η μεγαλύτερη ροπή σε σχέση με βενζινοκινητήρα ίδιας ισχύος, όπως και οι μεγαλύτερες δυνατότητες που προσφέρει για υπερτροφοδοσία. Το βασικότερο μειονέκτημά του είναι ότι χρειάζεται αρκετά μεγαλύτερη χωρητικότητα, άρα και μεγαλύτερο βάρος και όγκο για την παραγωγή της ίδιας ισχύος, ενώ παράλληλα είναι και λιγότερο «νευρικός» από το βενζινοκινητήρα. Το βασικό πλεονέκτημα του δίχρονου βενζινοκινητήρα είναι η απλότητα κατασκευής και ο σημαντικά μικρότερος όγκος και βάρος του σε σχέση με τον τετράχρονο, για την παραγωγή της ίδιας ισχύος. Το μειονέκτημά του είναι η αυξημένη κατανάλωση και ρύπανση της ατμόσφαιρας. Έχουν δηλαδή εντελώς αντίθετα χαρακτηριστικά μεταξύ τους, ο καθένας τους όμως παρουσιάζει ορισμένα πολύ ενδιαφέροντα πλεονεκτήματα σε σχέση με το βενζινοκινητήρα. Συνεπώς αξίζει τον κόπο η προσπάθεια να ξεπεραστούν τα μειονεκτήματά τους, ώστε να γίνει δυνατή η ευρύτερη χρησιμοποίησή τους από την αυτοκινητοβιομηχανία. Θα δούμε παρακάτω δύο πολύ σημαντικά βήματα που έγιναν πρόσφατα προς την κατεύθυνση αυτή.

Κεραμικοί κινητήρες: αποδεδειγμένα πραγματοποιήσιμοι

Το μεγάλο προσόν του ντίζελ, που του επιτρέπει να έχει καλύτερη θερμοδυναμική απόδοση από το βενζινοκινητήρα, είναι η αντοχή του καυσίμου του σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες και πιέσεις και η έλλειψη προβλημάτων αυτανάφλεξης, αφού η λειτουργία του βασίζεται ακριβώς στην αυτανάφλεξη του καυσίμου μείγματος. Έτσι, οι κινητήρες ντίζελ των αυτοκινήτων έχουν συνήθως σχέση συμπίεσης μεταξύ 20 και 25:1, ενώ οι βενζινοκινητήρες βρίσκονται μεταξύ 8 και 10:1. Παράλληλα, ενώ οι ντίζελ μπορούν να χρησιμοποιηθούν με υπερσυμπιεστή και να διατηρήσουν τη σχέση συμπίεσης στα ίδια επίπεδα οι υπερτροφοδοτούμενοι βενζινοκινητήρες είναι απαραίτητο να έχουν μειωμένη συμπίεση, αλλιώς δημιουργείται πρόβλημα αυτανάφλεξης.
Η πραγματικότητα αυτή έκανε τους μηχανικούς να σκεφτούν, ότι θα ήταν δυνατόν ν' αυξηθεί ακόμη περισσότερο η θερμοδυναμική απόδοση του ντίζελ, αν κατασκεύαζαν μεγάλο μέρος του από κεραμικά υλικά (που αντέχουν σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από τα μέταλλα) και καταργούσαν το σύστημα ψύξης! Μ' αυτόν τον τρόπο οι απώλειες θερμότητας θα μειώνονταν στο ελάχιστο και ένα μεγάλο μέρος της παραγόμενης από την καύση ενέργειας θα μετατρεπόταν σε μηχανικό έργο, με αποτέλεσμα αύξηση της θερμοδυναμικής απόδοσης, άρα και αύξηση της παραγόμενης ισχύος (από δεδομένη χωρητικότητα) και μείωση της κατανάλωσης. Όλα αυτά βέβαια είναι πολύ ωραία στη θεωρία, αλλά χρειαζόταν τεράστια προσπάθεια για να εφαρμοστούν στην πράξη. Γιατί μπορεί μεν τα κεραμικά ν' αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες, όμως στους κινητήρες δεν αναπτύσσονται μόνο υψηλές θερμοκρασίες αλλά και μεγάλες μηχανικές τάσεις και σημαντικές τριβές. Έπρεπε λοιπόν να βρεθούν τα κατάλληλα υλικά, που θα μπορούσαν ν' αντέξουν σ' αυτόν τον εξουθενωτικό συνδυασμό θερμικών και μηχανικών καταπονήσεων, να κατασκευαστούν απ' αυτά τα αντίστοιχα εξαρτήματα και να λειτουργήσουν στην πράξη, ώστε ν' αποδειχτεί ότι οι θεωρίες για τους κεραμικούς κινητήρες δεν ήταν μόνο θεωρίες. Γιατί οι έρευνες για την κατασκευή εξαρτημάτων κινητήρων από κεραμικά είχαν μεν αρχίσει εδώ και 15 περίπου χρόνια, η προσπάθεια όμως είχε στραφεί προς τους στροβιλοκινητήρες (οι μηχανικές τάσεις στους οποίους είναι δευτερεύουσες μπροστά στο προβλημάτων υψηλών θερμοκρασιών). Μια αναμφισβήτητη απόδειξη για τη δυνατότητα πραγματοποίησης ενός κεραμικού κινητήρα ντίζελ δόθηκε από τους μηχανικούς της ιαπωνικής Kyocera, που κατάφεραν να κατασκευάσουν δύο πειραματικούς κινητήρες, ένα μονοκύλινδρο κι έναν τετρακύλινδρο, τα βασικά εξαρτήματα των οποίων δεν ήταν μεταλλικά αλλά κεραμικά. Το πρώτο βήμα ήταν η κατασκευή του μονοκύλινδρου κινητήρα, βασισμένου στο Ρόμπιν DY 30D της Φούτζι Χέβι Ίνταστρις, με το στόχο την απλοποίηση των εξαρτημάτων του για να ελαχιστοποιηθούν οι μηχανικές τάσεις. Ο κινητήρας ήταν άμεσου ψεκασμού και ο θάλαμος καύσης σχηματιζόταν σε μια κοιλότητα μέσα στο έμβολο, έτσι ώστε ο κύλινδρος σφραγιζόταν στο επάνω μέρος του από μια επίπεδη «πλάκα», πάνω από την οποία υπήρχε η (μεταλλική) κυλινδροκεφαλή με τις βαλβίδες και το ακροφύσιο (η έδραση των βαλβίδων βέβαια γινόταν στην επίπεδη «πλάκα», όπου υπήρχαν και οι δίοδοι εισαγωγής κι εξαγωγής). Η πλάκα αυτή, ο κύλινδρος και το έμβολο ήταν κατασκευασμένα από νιτρίδιο του πυριτίου, ενώ τα δύο από τα τρία ελατήρια ήταν κατασκευασμένα από νιτρίδιο του τιτανίου (το τρίτο ήταν μεταλλικό). Η επιλογή των υλικών αυτών έγινε μετά από σύγκριση της αντοχής τους σε μηχανικές τάσεις με αρκετά άλλα υποψήφια, υλικά.
Ο κινητήρας δοκιμάστηκε σε όλη την κλίμακα στροφών από 500 έως 3500 με πλήρες φορτίο, ώστε να συγκριθεί η απόδοσή του με αυτή του συμβατικού κινητήρα πάνω στον οποίο είχε βασιστεί η κατασκευή του. Μελετήθηκε επίσης ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας και οι πιέσεις που αναπτύχθηκαν στον κύλινδρο. Εκείνο που παρατήρησαν με ενδιαφέρον οι μηχανικοί της Κιοσέρα, ήταν ότι αν και η κοιλότητα του θαλάμου καύσης μέσα στο έμβολο ήταν ακριβώς η ίδια και στους δύο κινητήρες, η διαδικασία καύσης ήταν διαφορετική. Ο κεραμικός κινητήρας βέβαια δεν είχε σύστημα ψύξης, κάτι που δεν ήταν χωρίς συνέπειες. Όπως παρατηρήθηκε, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών των τοιχωμάτων των κυλίνδρων, υπήρξαν περιπτώσεις πρόωρης καύσης, πριν την πλήρη ανάμειξη αέρα και καυσίμου. Με αλλαγές στο σχεδιασμό της κοιλότητας του εμβόλου, έγινε παρ' όλα αυτά δυνατή η αύξηση του στροβιλισμού, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της ανάμειξης και κατά συνέπεια και της καύσης.
202-1.jpg
Σχήμα 1: Σκίτσο «φάντασμα του μονοκύλινδρου πειραματικού κεραμικού ντίζελ, όπου σημειώνονται τα τμήματα που είναι κατασκευασμένα από κεραμικά υλικά, φαίνεται καθαρά το ακροφύσιο του άμεσου ψεκασμού και η διαμορφωμένη στο έμβολο κοιλότητα του θαλάμου καύσης. Τα κεραμικά εξαρτήματα ξεπέρασαν χωρίς πρόβλημα τις 100 ώρες δοκιμών με πλήρες φορτίο στις 3600 στροφές.

Όσον αφορά την κατανομή των θερμοκρασιών, παρατηρήθηκαν εντυπωσιακές διαβαθμίσεις στην κορυφή του εμβόλου, με διαφορές που έφτασαν τους 24 βαθμούς σε απόσταση 3,5 χιλιοστών, αντί για 3 βαθμούς σε 4 χιλιοστά που μετρήθηκαν στο συμβατικό κινητήρα. Σημαντική διαφορά μεταξύ των δύο κινητήρων υπήρξε, όπως ήταν φυσικό, και στις θερμικές τάσεις που αναπτύχθηκαν στα έμβολα και οι οποίες έφτασαν τα 80 Μ Pa (μεγαπασκάλ) στο κεραμικό έμβολο, αντί για 18 μόνο MPa στο μεταλλικό. Κάτι που αποδεικνύει την τεράστια δυσκολία της κατασκευής ενός κεραμικού κινητήρα που να λειτουργεί σωστά, καθώς δεν πρόκειται απλώς για αντικατάσταση του υλικού κατασκευής των βασικών εξαρτημάτων του.
Μεγάλες διαφορές παρατηρήθηκαν και στις θερμοκρασίες των υπόλοιπων μερών του κινητήρα, όπως π.χ. στο επάνω ελατήριο, όπου η θερμοκρασία έφτασε στους 300 βαθμούς στον κεραμικό κινητήρα, αντί για 130 στο συμβατικό. Αντίστοιχα, η διαφορά θερμοκρασίας στον κύλινδρο έφτασε τους 130 βαθμούς και στην «πλάκα» σφράγισής του τους 70. Το γεγονός αυτό έχει και τα μειονεκτήματά του, όπως τη μεγαλύτερη θερμική παραμόρφωση ή τη μείωση της ποσότητας του αέρα εισαγωγής (όσο πιο θερμός είναι ο αέρας, τόσο μικρότερη μάζα του καταλαμβάνει τον ίδιο όγκο). Από την άλλη πλευρά βέβαια, αυτό αντισταθμίζεται και ξεπερνιέται σημαντικά από την αύξηση της θερμοδυναμικής απόδοσης λόγω των πολύ μικρότερων απωλειών θερμότητας. Όσο για την αντοχή των κεραμικών εξαρτημάτων, αυτή αποδείχτηκε από τη λειτουργία του κινητήρα για περισσότερες από 100 ώρες, με πλήρες φορτίο στις 3600 στροφές.
Το επόμενο βήμα βέβαια ήταν η κατασκευή και η δοκιμή ενός τετρακύλινδρου κεραμικού ντίζελ, που θα έδειχνε και τα τυχόν προβλήματα εφαρμογής των κεραμικών σε πραγματικές συνθήκες (τα προβλήματα κατασκευής ενός πολυκύλινδρου κινητήρα, και μάλιστα από κεραμικά, είναι πολύ μεγαλύτερα απ' αυτά του μονοκύλινδρου). Το πρώτο που έπρεπε να επιλεγεί ήταν η αρχιτεκτονική που θα διευκόλυνε περισσότερο τη χρήση των κεραμικών. Μετά από μελέτη των διαφόρων πιθανών λύσεων, οι μηχανικοί της Κιοσέρα κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η αρχιτεκτονική που διευκολύνει περισσότερο, όσον αφορά την ελαχιστοποίηση των θερμικών παραμορφώσεων, είναι αυτή του 4χρονου 4κύλινδρου ντίζελ με οριζόντια αντιτιθέμενους κυλίνδρους. Έτσι, σχεδιάστηκε ένας κινητήρας μ' αυτήν τη διάταξη, σε υπερτροφοδοτούμενη μάλιστα έκδοση, όπου η κατασκευή του ρότορατου στροβιλοσυμπιεστή έγινε επίσης από κεραμικό υλικό.
Ο κινητήρας συμπληρώθηκε μ' ένα σύστημα βαλβίδων από βενζινοκινητήρα παραγωγής 1300 κ.εκ., με διαφορετική ρύθμιση του χρονισμού τους και δοκιμάστηκε τόσο στο δυναμόμετρο, όσο και σε πραγματικές συνθήκες, με την εγκατάστασή του σ' ένα επιβατικό αυτοκίνητο. Κατά τη δοκιμή στο δυναμόμετρο παρατηρήθηκαν μεγάλες αυξήσεις της θερμοκρασίας των κυλινδροκεφαλών και της παραμόρφωσης των μεταλλικών μερών. Έτσι, στις δοκιμές σε πλήρη ισχύ χρειάστηκε η χρησιμοποίηση συστήματος ψύξης με νερό για τις κυλινδροκεφαλές. Αντίθετα στο αυτοκίνητο, η οδήγηση του οποίου δεν γίνεται προφανώς με πλήρη ισχύ και είναι περιοδική, δεν χρειάστηκε σύστημα ψύξης των κυλινδροκεφαλών. Οι πειραματικοί κινητήρες που κατασκεύασε η Κιοσέρα δεν μπορούν σε καμία περίπτωση να χαρακτηριστούν σαν το τελευταίο βήμα πριν τη μαζική παραγωγή. Το σημαντικό όμως με τη δουλειά της ιαπωνικής εταιρίας, είναι ότι απέδειξε πως η κατασκευή ενός κεραμικού ντίζελ είναι εφικτή και πως τα κεραμικά εξαρτήματα μπορούν ν' αντέξουν τις θερμικές και μηχανικές καταπονήσεις που αναπτύσσονται σε συνθήκες πραγματικής λειτουργίας. Απομένει ακόμα η κατασκευή ενός πρωτότυπου κεραμικού κινητήρα, που θα περάσει όλα τα τεστ λειτουργίας που απαιτούνται για κάθε κινητήρα πριν τεθεί σε κανονική παραγωγή και που θα έχει βέβαια και λογικό κόστος κατασκευής. Με τη διαφορά ότι τώρα οι κατασκευαστές ξέρουν τι ακριβώς θέλουν και πως αυτό είναι απόλυτα εφικτό.
202-2.jpg
Σχήμα 2: Η μορφή των πραγμάτων που θα 'ρθουν; Το κεραμικό έμβολο του πειραματικού ντίζελ της Κιοσέρα, κατασκευασμένο από νιτρίδιο του πυριτίου. Διακρίνονται επίσης τα κεραμικά επάνω ελατήρια (κατασκευασμένα από νιτρίδιο του τιτανίου) και το μεταλλικό ελατήριο σάρωσης του λιπαντικού χαμηλά.

Η επιστροφή του δίχρονου κινητήρα

Το μεγάλο μειονέκτημα του δίχρονου βενζινοκινητήρα, η μεγάλη κατανάλωσή του και η αυξημένη ρύπανση της ατμόσφαιρας, συντέλεσε στον ολοκληρωτικό εξοστρακισμό του από το χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας και στη βαθμιαία υποχώρηση του ακόμα και στον κατ' εξοχήν ευνοϊκό γι' αυτόν χώρο της μοτοσικλέτας. Γιατί μετά την ενεργειακή κρίση η κατανάλωση έγινε ένα από τα βασικότερα κριτήρια για την αγορά αυτοκινήτου, ενώ η διαρκής επιβάρυνση και καταστροφή του φυσικού περιβάλλοντος από τις ανθρώπινες δραστηριότητες είχε σα συνέπεια τη νομοθέτηση αυστηρών κανονισμών για τα όρια εκπομπής ρύπων από τ' αυτοκίνητα σ' όλες τις μεγάλες αγορές του κόσμου. Εξελίξεις που έκαναν εκ των πραγμάτων απαγορευτική τη χρησιμοποίηση του δίχρονου βενζινοκινητήρα.
Τα προβλήματα αυτά οφείλονταν στον ίδιο τον τρόπο λειτουργίας του δίχρονου κινητήρα και συγκεκριμένα στην εισαγωγή μείγματος αέρα - καυσίμου - λαδιού στον κύλινδρο και στην εκδίωξη των καυσαερίων απ' αυτόν όχι μέσω της κίνησης του εμβόλου, αλλά με σάρωση από το μείγμα της εισαγωγής. Το αποτέλεσμα είναι βέβαια ότι μέρος του μείγματος φεύγει μαζί με τα καυσαέρια από την εξαγωγή (λόγω της αναγκαστικά μεγάλης διάρκειας του ταυτόχρονου ανοίγματος των θυρίδων εισαγωγής κι εξαγωγής) κι αποβάλλεται άκαυτο στην ατμόσφαιρα, αυξάνοντας έτσι σημαντικά την κατανάλωση και τη ρύπανση από άκαυτους υδρογονάνθρακες. Παράλληλα, το γεγονός ότι το λιπαντικό καίγεται μαζί με το καύσιμο αυξάνει ακόμα περισσότερο την εκπομπή ρύπων, ενώ δημιουργείται και πρόβλημα επικαθήσεων στο μπουζί, με συνέπεια να χειροτερεύει η ποιότητα της καύσης (αυξάνοντας έτσι ακόμα περισσότερο την κατανάλωση και τη ρύπανση). Το πρόβλημα φαίνεται άλυτο, αλλά συχνά στα «άλυτα» προβλήματα η λύση είναι τόσο απλή όσο το αυγό του Κολόμβου. Και στην προκειμένη περίπτωση το αυγό του Κολόμβου φαίνεται ότι βρήκε μια μικρή εταιρία στο Περθ της Αυστραλίας, η Orbital Engine. Αφού το πρόβλημα είναι η εισαγωγή του καυσίμου μείγματος ταυτόχρονα με το άνοιγμα της θυρίδας εισαγωγής, η λύση του δεν μπορεί να βρίσκεται παρά στην εισαγωγή μόνο αέρα για την εκδίωξη των καυσαερίων και την εισαγωγή καυσίμου αφού κλείσει η θυρίδα εξαγωγής, ώστε να σχηματιστεί το καύσιμο μείγμα και να γίνει η καύση. Και πως μπορεί να γίνει αυτό; Μα με τον απλούστατο και γνωστό από δεκαετίες τρόπο της εισαγωγής καυσίμου χωριστά από τον αέρα, με την τροφοδοσία με άμεσο ψεκασμό! Και πως δεν το είχε σκεφτεί κανείς ως τώρα; Μα μήπως τη λύση του προβλήματος με το αυγό του Κολόμβου τη σκέφτηκε κανείς από τους τόσους που προσπάθησαν να τη βρουν;
202-3.jpg
Σχήμα 3: Μια φωτογραφία αξίζει όσο χίλιες λέξεις. Η σύγκριση του επαναστατικού δίχρονου βενζινοκινητήρα με έναν τετράχρονο αντίστοιχης ισχύος (και μικρότερης ροπής) είναι συντριπτική υπέρ του πρώτου. Η διαφορά βάρους φτάνει τα 70 κιλά. Και βέβαια δεν είναι μόνο η διαφορά βάρους και όγκου, αλλά και η μεγάλη απλότητα κατασκευής του δίχρονου, που καταργεί όλο το πολύπλοκο σύστημα εισαγωγής - εξαγωγής με τις βαλβίδες, τα ωστήρια, τους εκκεντροφόρους, τους ιμάντες και όλα τα συμπαρομαρτούντα.

Ας γυρίσουμε όμως μερικά χρόνια πριν, για να δούμε πως ακριβώς ξεκίνησε αυτή η ιστορία. Η Όρμπιταλ Εντζιν ιδρύθηκε το 1972, με χρηματοδότηση από τη μεγαλύτερη εταιρία της Αυστραλίας η οποία έχει δραστηριότητες στους τομείς του πετρελαίου, των ορυχείων και του χάλυβα, με σκοπό την εξέλιξη ενός περιστροφικού κινητήρα που είχε επινοήσει ένας από τους ιδρυτές της. Η δουλειά αυτή κράτησε 12 χρόνια και ο κινητήρας φαινόταν να υπόσχεται πολλά, καθώς είχαν λυθεί σημαντικά προβλήματά του. Κάποια στιγμή όμως, η διοίκηση της εταιρίας συνειδητοποίησε ότι οι κατασκευαστές αυτοκινήτων δεν ήταν πιθανό να θελήσουν ν' αναλάβουν την τεράστια επένδυση αλλαγής εξοπλισμού, που απαιτούσε η κατασκευή ενός κινητήρα εντελώς διαφορετικού από τους συμβατικούς. Έτσι, αποφάσισε ν' αφήσει κατά μέρος τον περιστροφικό κινητήρα και να συγκεντρώσει τη δραστηριότητά της στα συστήματα ψεκασμού, εισαγωγής και καύσης που είχε δημιουργήσει γι' αυτόν. Κι εκεί βρίσκεται, σε μεγάλο βαθμό, το μυστικό της επιτυχίας του δίχρονου κινητήρα της εταιρίας. Γιατί το σημαντικό μ' αυτόν δεν είναι απλώς η ύπαρξη συστήματος ψεκασμού, αλλά το ίδιο το συγκεκριμένο σύστημα ψεκασμού, η απλότητα και η αποτελεσματικότητα του οποίου δίνουν το μεγάλο ενδιαφέρον στη νέα λύση. Δεν πρέπει να ξεχνάμε, ότι ένα από τα μεγαλύτερα προσόντα του δίχρονου κινητήρα είναι η απλότητα της κατασκευής του. Η χρησιμοποίηση λοιπόν ενός πολύπλοκου συστήματος ψεκασμού για την εξάλειψη των μειονεκτημάτων του, θα είχε αντίστοιχα αρνητικό αποτέλεσμα στον τομέα των πλεονεκτημάτων του. Το ενδιαφέρον που θεώρησε η εταιρία ότι παρουσίαζε το σύστημα για εφαρμογή του σε εμβολοφόρους κινητήρες, επιβεβαιώθηκε το 1984, με συμβόλαιο που υπογράφτηκε με την Τζένεραλ Μότορς για την κατασκευή ενός δίχρονου κινητήρα με ψεκασμό.

Απλότητα και αποτελεσματικότητα

Το σύστημα διαφέρει ριζικά ως προς την αρχιτεκτονική και τη λειτουργία του από τα συμβατικά, μηχανικά η ηλεκτρονικά, συστήματα ψεκασμού, που χρησιμοποιούνται σήμερα στους κινητήρες πολλών αυτοκινήτων παραγωγής. Πρώτον, ο ψεκασμός είναι άμεσος, γίνεται δηλαδή μέσα στον κύλινδρο κι όχι στην πολλαπλή εισαγωγής, κι έτσι υπάρχει από ένα ακροφύσιο στην κορυφή κάθε κυλίνδρου, δίπλα στο μπουζί. Και δεύτερον, η λειτουργία του γίνεται με πεπιεσμένο αέρα. Η τροφοδοσία του καυσίμου μπορεί έτσι να γίνεται με μια απλή αντλία διαφράγματος, ενώ ο αέρας συμπιέζεται από μία εμβολοφόρο αντλία, που καταναλώνει μόλις το 1% περίπου της ισχύος του κινητήρα.
Ο ψεκασμός του καυσίμου γίνεται με σχετικά χαμηλή πίεση (1 ατμόσφαιρα ή και λιγότερο), γιατί ο άμεσος ψεκασμός μπορεί να γίνει λίγο μετά την αρχή της συμπίεσης, μόλις κλείσει η θυρίδα εξαγωγής, οπότε η πίεση στον κύλινδρο είναι ακόμα χαμηλή. Αυτό συντελεί στην ακόμα μεγαλύτερη απλότητα του συστήματος, αφού δεν απαιτούνται τα αυστηρά όρια ανοχών, ακρίβειας και αντοχής που χρειάζονται σ' ένα σύστημα υψηλής πίεσης. Το γεγονός επίσης του διαχωρισμού των δύο ρευστών (αέρα και καυσίμου) και της ανάμειξής τους την τελευταία στιγμή, δίνει τη δυνατότητα για καλύτερο διασκορπισμό του καυσίμου, σε λεπτότερα σταγονίδια, που οφείλεται στο πέρασμα του αέρα με πολύ μεγάλη ταχύτητα πάνω από το αργά κινούμενο καύσιμο. Το αποτέλεσμα είναι ότι το 95% των σταγονιδίων του καυσίμου έχουν μέγεθος κάτω από 10 μικρά, δηλαδή 20 περίπου φορές μικρότερο από το μέγεθος των σταγονιδίων των συμβατικών συστημάτων ψεκασμού. Κάτι που σημαίνει πληρέστερη καύση και αυξημένη απόδοση, όπως επίσης και δυνατότητα καύσης φτωχού μείγματος, που όπως είναι γνωστό μειώνει την κατανάλωση αλλά και τις εκπομπές ρύπων. Το γεγονός ότι το σύστημα είναι απλό, δε σημαίνει ότι δεν επωφελείται από τα επιτεύγματα της σύγχρονης τεχνολογίας. Έτσι, τα πανταχού παρόντα ηλεκτρονικά κάνουν κι εδώ την εμφάνισή τους, για τον έλεγχο της παροχής καυσίμου από την αντλία και τα ακροφύσια. Και βέβαια το ίδιο ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχει και άλλες λειτουργίες του κινητήρα, όπως το χρονισμό της ανάφλεξης ή το μεταβλητού μεγέθους άνοιγμα των θυρίδων εξαγωγής. Η τελευταία αυτή δυνατότητα μεταβάλλει το σημείο όπου αρχίζει η φάση της εξαγωγής (άρα και το χρονισμό της) ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας, μειώνοντας έτσι ακόμα περισσότερο τις εκπομπές ρύπων. Ο κινητήρας στον οποίο δοκιμάστηκε το νέο σύστημα ήταν βασισμένος στο κάτω μέρος ενός τρικύλινδρου εξωλέμβιου δίχρονου βενζινοκινητήρα της Σουζούκι, στον οποίο βέβαια έγιναν οι κατάλληλες τροποποιήσεις για να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αυτοκίνητο. Η Όρμπιταλ Έντζιν κατασκεύασε αρκετούς απ' αυτούς τους κινητήρες για δοκιμές στο δυναμόμετρο, ενώ τοποθέτησε κι έναν σ' ένα Χόλντεν Καμίρα για δοκιμές στο δρόμο. Σε σύγκριση με τον κινητήρα των 1,6 λίτρων που φοράει κανονικά το Χόλντεν, ο δίχρονος κινητήρας των 1,2 λίτρων έχει βάρος μόλις 53 κιλά αντί για 123. Παρά τη μικρότερη χωρητικότητά του, παράγει την ίδια ισχύ (86 ίππους) και σημαντικά μεγαλύτερη ροπή, που φτάνει τα 14,3 Kg.m αντί για 12,7-του σημαντικά μεγαλύτερου τετράχρονου κινητήρα. Σύγκριση που γίνεται πιο κατατοπιστική, αν σκεφτούμε ότι η απόδοση αυτού του τετράχρονου κινητήρα των 1,6 λίτρων βρίσκεται σαφώς μέσα στο μέσο όρο απόδοσης των αντίστοιχων ευρωπαϊκών κινητήρων της κατηγορίας, ενώ η ροπή από τα 1200 μόλις κυβικά του δίχρονου είναι αντίστοιχη με των καλύτερων τετράχρονων 1600. Όλα αυτά είναι πολύ ωραία - με τι κατανάλωση όμως επιτυγχάνονται; Γιατί η δυνατότητα των δίχρονων κινητήρων για παραγωγή αυξημένης ισχύος είναι γνωστή, το πρόβλημά τους όμως ήταν ως τώρα η κατανάλωση. Η δοκιμή λοιπόν του νέου κινητήρα στο δυναμόμετρο έδειξε ότι η κατανάλωσή του ήταν χαμηλότερη κατά 20% από του τετράχρονου κινητήρα των 1,6 λίτρων. Εξέλιξη πραγματικά επαναστατική, που αλλάζει ριζικά το σκηνικό στο χώρο των κινητήρων. Πολύ περισσότερο μάλιστα αφού και οι εκπομπές των τριών βασικών ρύπων (μονοξειδίου του άνθρακα, οξειδίων του αζώτου και υδρογονανθράκων) ήταν χαμηλότερες από τα όρια που ισχύουν σήμερα στις ΗΠΑ, που είναι από τ' αυστηρότερα στον κόσμο. Δεν πρέπει δε να ξεχνάμε, ότι η διαφορά της κατανάλωσης των δύο κινητήρων στο δυναμόμετρο σημαίνει ακόμα μεγαλύτερη διαφορά κατανάλωσης στο αυτοκίνητο, αφού ο δίχρονος εξοικονομεί 70 κιλά βάρους σε σχέση με τον τετράχρονο. Αν σ' αυτό προσθέσουμε και το γεγονός ότι η πολύ απλούστερη κατασκευή του δίχρονου κινητήρα συνεπάγεται και σημαντική μείωση στο κόστος παραγωγής, σχηματίζουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα της συντριπτικής υπεροχής του απέναντι στον τετράχρονο. Εκτός από τις δοκιμές που έκανε η ίδια, η Όρμπιταλ Έντζιν έστειλε το 1985 έναν κινητήρα στο Τεχνικό Κέντρο της Τζένεραλ Μότορς στο Ντιτρόιτ, όπου επίσης ξεπέρασε κατά τις δοκιμές όλους τους στόχους που είχαν τεθεί για την κατανάλωση και τις εκπομπές ρύπων. Μετά απ' αυτό, το 1986 τοποθετήθηκε ένας ακόμα κινητήρας σ' ένα Σέβρολετ Σπέκτρουμ (Ισούζου Τζέμινι), που στάλθηκε επίσης στην Τζένεραλ Μότορς για δοκιμές κάτω από πραγματικές συνθήκες. Τέλος, ενδιαφέρον έχουν δείξει και οι δύο μεγάλοι Αμερικανοί κατασκευαστές εξωλέμβιων κινητήρων, η Τζόνσον και η Έβινρουντ, με τους οποίους η Όρμπιταλ Έντζιν έχει επίσης υπογράψει συμφωνίες συνεργασίας.
Το γεγονός της συνεργασίας της αυστραλιανής εταιρίας με τέτοιους μεγάλους κατασκευαστές, δείχνει ότι μάλλον ο κινητήρας της δεν θα έχει την τύχη άλλων εφευρέσεων μικρών και άγνωστων εταιριών, που συχνά αγνοήθηκαν από το διεθνή κόσμο της αυτοκινητοβιομηχανίας και εξαφανίστηκαν για λόγους που δεν είχαν σχέση με την αξία τους. Στη συγκεκριμένη περίπτωση τα πλεονεκτήματα του νέου δίχρονου κινητήρα (και του συστήματος ψεκασμού που τον συνοδεύει και που μπορεί να τοποθετηθεί και σε τετράχρονους κινητήρες) είναι τόσο μεγάλα, που μάλλον θα ξανακούσουμε γι’ αυτόν στο μέλλον. Ο πόλεμος των κινητήρων συνεχίζεται…
202-4.jpg
Σχήμα 4: Σκίτσο «φάντασμα» του δίχρονου βενζινοκινητήρα της Όρμπιταλ Έντζιν, όπου φαίνεται η αρχή λειτουργίας του. Τα προβλήματα λίπανσης, κατανάλωσης και ρύπανσης των κλασικών δίχρονων έχουν πλέον εξαφανιστεί. Το ενδιαφέρον ενός κολοσσού σαν την Τζένεραλ Μότορς για την εξέλιξή του σίγουρα σημαίνει πολλά.


Κινητήρες (4Τ 174, 3/1985)

Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος

ΧΘΕΣ, ΣΗΜΕΡΑ, ΑΥΡΙΟ: ΜΙΑ ΜΑΤΙΑ ΣΤΙΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΠΟΥ ΣΦΡΑΓΙΣΑΝ ΤΗΝ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ «ΚΑΡΔΙΑΣ» ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ ΣΤΟΝ ΕΝΑ ΑΙΩΝΑ ΤΗΣ ΖΩΗΣ ΤΟΥ, ΚΑΝΟΝΤΑΣ ΤΟ ΑΠΟ ΧΟΜΠΙ ΤΩΝ ΠΛΟΥΣΙΩΝ, ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΤΩΝ ΠΟΛΛΩΝ.
Αποτελώντας το σημαντικότερο τμήμα του αυτοκινήτου, αυτό ακριβώς που επιτρέπει σ' ένα όχημα να είναι αυτοκίνητο, ο κινητήρας αποτέλεσε πάντα ένα από τα σπουδαιότερα αντικείμενα της έρευνας στην αυτοκινητοβιομηχανία και πεδίο εφαρμογής δεκάδων καινοτομιών. Ένας ολόκληρος αιώνας έχει ήδη περάσει, από τότε που το πρώτο αυτοκίνητο με βενζινοκινητήρα εσωτερικής καύσης έκανε την εμφάνισή του. Σιγά - σιγά το αυτοκίνητο έγινε από πολυτελές χόμπι, εργαλείο για τον καθένα, σημαδεύοντας το πέρασμα της ανθρωπότητας στην τεχνολογική και καταναλωτική κοινωνία. Παρά τις προσπάθειες διαφοροποίησης που έγιναν στη διάρκεια αυτών των δεκαετιών, οι εμβολοφόροι παλινδρομικοί κινητήρες εξακολουθούν να παραμένουν κυρίαρχοι στο χώρο του αυτοκινήτου, χάρη στα σημαντικά πλεονεκτήματά τους. Αυτό δεν σημαίνει πως δεν άλλαξαν σημαντικά προς το καλύτερο από τότε που πρωτοεμφανίστηκαν, παρά τη φαινομενική διατήρηση των ίδιων αρχών λειτουργίας. Ο κινητήρας επωφελήθηκε σημαντικά από την εκπληκτική πρόοδο της τεχνολογίας στον αιώνα μας και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του, όπως κι η αρχιτεκτονική του, δεν έχουν σήμερα σχεδόν καμία σχέση μ' εκείνα των μακρινών προγόνων του. Μόνο που ο τρόπος παραγωγής ισχύος στους εμβολοφόρους παλινδρομικούς κινητήρες, δεν επέτρεψε ποτέ την άμεση μετάδοση της ισχύος στους τροχούς, χωρίς την παρεμβολή ενός ξεχωριστού συστήματος μετάδοσης. Το σύστημα όμως αυτό ενσωματώνεται όλο και περισσότερο στον κινητήρα, τόσο σχεδιαστικό όσο και λειτουργικά, σε βαθμό που σύντομα δεν θα αναφερόμαστε στον κινητήρα και τη μετάδοση σαν ξεχωριστές ενότητες, αλλά στο σύνολο παραγωγής και μετάδοσης της ισχύος. Την εξέλιξη, το παρόν και τις προοπτικές αυτού του συνόλου θα εξετάσουμε παρακάτω.
20007006-r.jpg Πηγή Daimler.jpg
Σχήμα 1: 100χρόνια πριν! Μια άγνωστη δύναμη κινούσε την άμαξα του σχήματος, που μέχρι τότε την έσερναν μόνο άλογα. Κατασκευασμένη το 1886, έπαιρνε κίνηση από ένα μικρό κι ελαφρό μονοκύλινδρο βενζινοκινητήρα του Γκότλιμπ Ντάιμλερ με διάμετρο x διαδρομή 70 x 122 mm, χωρητικότητα 469 κ.εκ., ισχύ 1,5 ίππο στις 700 στροφές και μέγιστη ταχύτητα 16 χλμ. /ώρα.
Benz-1886-Patent-Motorwagen-Replica.jpg Πηγή 802792_1474659_800_1199_Carl_Benz_sw_800x1200.jpg
Σχήμα 2: Το όχημα του σχήματος αποτελεί ίσως το πρώτο αυτοκίνητο στον κόσμο, με την έννοια ότι το «αμάξωμα» - σασί κατασκευάστηκε ειδικά για να δεχθεί έναν κινητήρα και με βάση τις συγκεκριμένες απαιτήσεις που υπήρχαν από έναν τέτοιο συνδυασμό. Κατασκευασμένο από τον Καρλ Μπεντς το 1886 έπαιρνε κίνηση από ένα βενζινοκινητήρα πατενταρισμένο από τον ίδιο, με ένα οριζόντια τοποθετημένο κύλινδρο, διάμετρο επί διαδρομή 91,4 x 150 mm. χωρητικότητα 984 κ. εκ., ισχύ 0,9 ίππους στις 400 στροφές και μέγιστη ταχύτητα 15 χλμ./ώρα. Η πρωτοπορία αυτή των δύο Γερμανών εξηγεί ίσως αρκετά πειστικά τη φήμη που έχουν μέχρι τις μέρες μας τα αυτοκίνητα της Ντάιμλερ - Μπεντς. Κάθε ομοιότητα πάντως των δύο οχημάτων με τις σημερινές Μερτσέντες, είναι εντελώς συμπτωματική!!

Λίγη ιστορία

Ο πιο συνηθισμένος ευρωπαϊκός κινητήρας, όταν πλέον το αυτοκίνητο έπαψε να είναι σπάνιο είδος και καθιερώθηκε σαν ένα βασικό μέσο μεταφοράς, ήταν 4κύλινδρος (και μερικές φορές 2κύλινδρος) με εκκεντροφόρο στο πλάι. Η ισχύς του δεν είχε καμία σχέση με τα σημερινά επίπεδα και μόλις στις αρχές της δεκαετίας του '60 έφτασε τους 40 με 50 ίππους στο λίτρο, 30% με 40% δηλαδή περισσότερο από το μέσο κινητήρα των αρχών της δεκαετίας του '50 και αρκετά κοντά στα σημερινά επίπεδα. Την ίδια περίοδο ο μέγιστος αριθμός στροφών του μέσου κινητήρα αυξήθηκε περίπου κατά 1.000, ενώ μετά το '60 άρχισε να γενικεύεται η χρήση του αλουμινίου και η αρχιτεκτονική των 5 εδράνων στροφαλοφόρου.
Οι προσπάθειες για αύξηση της ισχύος βασίστηκαν τώρα στην αύξηση του μέγιστου αριθμού στροφών, που έφτασε τις 5.500 ως 6.000 σα.λ. για κινητήρες με χωρητικότητα γύρω στα 400 κ.εκ. ανά κύλινδρο ή ακόμη και στις 6.500 ως 7.000 σ.α.λ. για κινητήρες με χωρητικότητα ανά κύλινδρο 250 κ.εκ. Η τάση αυτή αντιστράφηκε μόνο πολύ πρόσφατα, μετά την ενεργειακή κρίση, όταν έγινε αντιληπτό ότι η υπερβολική αύξηση του αριθμού των στροφών σήμαινε αυξημένες απώλειες λόγω τριβών κι επομένως σημαντικά μεγαλύτερη κατανάλωση. Η αύξηση του αριθμού των στροφών έγινε δυνατή χάρη στις βελτιώσεις που υπήρξαν στα λιπαντικά, στην τεχνολογία των ελατηρίων και των εδράνων και στη μεταλλουργία. Με την πρόοδο της τελευταίας, μέταλλα σαν το χρώμιο, το νικέλιο, το χαλκό και το κοβάλτιο που τα χρησιμοποιούσαν σαν συστατικά των κραμάτων κατασκευής μηχανικών μερών, άρχισαν να εξαφανίζονται ή να μειώνονται σημαντικά. Στην κατασκευή των μηχανικών μερών, κυριάρχησε στη δεκαετία του '70 ο χυτοσίδηρος (και ιδιαίτερα ο χυτοσίδηρος σφαιροειδούς γραφίτη για τα κινητά μέρη του κινητήρα) και λύθηκαν έτσι πολλά προβλήματα αντοχής. Σημαντική επίσης ήταν η βελτίωση της θερμικής απόδοσης των κινητήρων, κάτι που άρχισε από τη δεκαετία του '50, για λόγους οικονομίας (η κρίση του Σουέζ το 1956 είχε δημιουργήσει φόβους για έλλειψη πετρελαίου) αλλά και για να γίνει δυνατή η παραγωγή επαρκούς ισχύος από μικρότερους κινητήρες, ώστε να γίνουν προσιτά τ' αυτοκίνητα στα μεσαία και χαμηλότερα εισοδήματα. Η βελτίωση αυτή έγινε δυνατή χάρη στην προοδευτική αύξηση της σχέσης συμπίεσης των κινητήρων μέχρι το 9- 9,5:1, που με τη σειρά της επιτεύχθηκε χάρη στην εξέλιξη της σχεδίασης των θαλάμων καύσης και στη σημαντική αύξηση του αριθμού οκτανίου της βενζίνης. Όπως είναι γνωστό, η αύξηση της συμπίεσης δεν περιορίζεται στο βενζινοκινητήρα παρά από τον κίνδυνο αυτανάφλεξης του καυσίμου. Από την άλλη πλευρά, όσο αυξάνεται η σχέση συμπίεσης, αυξάνεται και η θερμική απόδοση του κινητήρα, δηλαδή παράγεται περισσότερη ισχύς από την καύση της ίδιας ποσότητας καυσίμου. Επομένως η αύξηση της συμπίεσης συνεπάγεται και αύξηση της οικονομίας του κινητήρα. Έτσι, προοδευτικά εγκαταλείφθηκε η χρήση ημισφαιρικών θαλάμων καύσης, προς όφελος της περισσότερο «σφηνοειδούς» μορφής ή του σχήματος «στέγης», που ευνοούσαν το στροβιλισμό του μείγματος, άρα και την καλύτερη καύση του και την αποφυγή της αυτανάφλεξης. Αυτό επέτρεψε επίσης και την καύση φτωχότερων μειγμάτων, με μικρότερη δηλαδή περιεκτικότητα σε βενζίνη, αυξάνοντας έτσι ακόμη περισσότερο την οικονομία. Τέλος, η καλύτερη πλήρωση των κυλίνδρων με καύσιμο μείγμα στις υψηλές στροφές, επιτεύχθηκε με την εξέλιξη των κινητήρων προς την υπερτετράγωνη γεωμετρία (μεγαλύτερη διάμετρος από διαδρομή). Μια άλλη σημαντική εξέλιξη των κινητήρων, που άρχισε όμως πολύ αργότερα, στα τέλη της δεκαετίας του '60, ήταν η μείωση της ρύπανσης της ατμόσφαιρας από τα καυσαέριά τους. Οι όλο και αυστηρότεροι σχετικοί κανονισμοί, ιδιαίτερα στις Η.Π.Α. και την Ιαπωνία, οδήγησαν σε πολλές σημαντικές βελτιώσεις, όπως η βελτίωση των καρμπιρατέρ, η βελτίωση της σχεδίασης των πολλαπλών εισαγωγής, η υιοθέτηση του ψεκασμού σε πιο ακριβά μοντέλα, η βελτίωση του σχεδιασμού των θαλάμων καύσης, ενώ όσον αφορά την Αμερική και την Ιαπωνία, καθιερώθηκε η χρήση συστημάτων αδρανοποίησης των ρύπων που περιέχονται στα καυσαέρια, όπως οι θερμικοί αντιδραστήρες, τα συστήματα επανακυκλοφορίας καυσαερίων και οι καταλύτες. Βελτίωση υπήρξε επίσης στο θέμα του θορύβου των κινητήρων με την καθιέρωση των «σιλανσιέ» στις εξατμίσεις, τη χρησιμοποίηση ηχομονωτικών υλικών στην κατασκευή των αυτοκινήτων και στη βελτίωση της ίδιας της κατασκευής των κινητήρων, με πιο άκαμπτα τοιχώματα, καλύτερες μεθόδους συναρμολόγησης, ειδική ανάρτηση των κινητήρων στο σασί κ.λπ. Μία πολύ σημαντική εξέλιξη στην αρχιτεκτονική του κινητήρα ήταν η σχεδόν πλήρης υιοθέτηση του επικεφαλής εκκεντροφόρου. Πριν από μερικά χρόνια, η διάταξη αυτή δεν υπήρχε παρά στα σπορ και στα πιο ακριβά αυτοκίνητα και η ύπαρξή της αποτελούσε διαφημιστικό επιχείρημα. Σήμερα, κανείς δεν σκέπτεται να διαφημίσει σαν πλεονέκτημα του αυτοκινήτου τον επικεφαλής εκκεντροφόρο, ενώ η πλάγια τοποθέτηση του αποτελεί μάλλον κάτι το αξιοπερίεργο.
174-3.jpg
Σχήμα 3: Χαρακτηριστικό δείγμα της μεταπολεμικής τεχνολογίας, ο δίλιτρος κινητήρας Μπρίστολ υπήρξε από τους βασικούς τροφοδότες των βρετανικών αγώνων της δεκαετίας του 50. Εξακύλινδρος εν σειρά, υδρόψυκτος, είχε χυτοσιδηρό μπλοκ με ξηρά χιτώνια και κυλινδροκεφαλή από κράμα αλουμινίου. Διακρίνονται τα 4 έδρανα του χαλύβδινου στροφαλοφόρου και στο κέντρο περίπου του δεξιού σχήματος φαίνεται ο πλάγιος εκκεντροφόρος με τις ωστικές ράβδους, που έπαιρνε κίνηση με αλυσίδα. Οι βαλβίδες ήταν τοποθετημένες σε σχήμα V και είχαν διπλά ελατήρια, ενώ ο θάλαμος καύσης ήταν ημισφαιρικός. Στο αριστερό σχήμα διακρίνονται στην κορυφή τα 3 κάθετα Σόλεξ που τροφοδοτούσαν τον κινητήρα. Η απόδοση του κινητήρα στα 1963 ήταν 128 ίπποι στις… 5.950 στροφές (για όσους νομίζουν ότι τα σημερινά αυτοκίνητα είναι… πολύστροφα) και ροπή 16,5 Kg.m στις 4.500 στροφές. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι στην περιοχή της μέγιστης ισχύος απέδιδε το 94% της μέγιστης ροπής του (15,6 Kg.m). ενώ στην περιοχή της μέγιστης ροπής απέδιδε ήδη το 80% της μέγιστης ισχύος.
174-4.jpg
Σχήμα 4: Η σύγχρονη τεχνολογία δεν είναι και τόσο… σύγχρονη. Πολλές από τις τεχνικές λύσεις που εφαρμόζονται σήμερα στους κινητήρες, είχαν ήδη επινοηθεί ή ακόμη κι εφαρμοσθεί πριν μερικές δεκαετίες! Εδώ ο περίφημος κινητήρας του Φίατ 125 Σπέσιαλ, που είχε χρησιμοποιηθεί και στο 124 κουπέ και που εξακολουθεί ακόμη και σήμερα, με την αναπόφευκτη βέβαια εξέλιξή του σύμφωνα με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα, να τοποθετείται σε πολλά Φίατ και Λάντσια. Τετρακύλινδρος εν σειρά, υδρόψυκτος και τετράγωνος (διάμετρος x διαδρομή 80 x 80 mm, 1.608 κ.εκ.) έγινε πασίγνωστος για τους 2 επικεφαλής εκκεντροφόρους του (σπάνιο χαρακτηριστικό για κινητήρα μεσαίου μεγέθους σε αυτοκίνητο μαζικής παραγωγής εκείνη την εποχή) και την αντικατάσταση της αλυσίδας για την κίνησή τους με οδοντωτό ιμάντα, τεχνολογική καινοτομία τεράστιας σημασίας, που έχει σήμερα κυριαρχήσει στο χώρο του αυτοκινήτου. Κατά τα άλλα ο κινητήρας είχε χυτοσίδηρο μπλοκ και κυλινδροκεφαλή από χυτό αλουμίνιο. 5 έδρανα για το χαλύβδινο στροφαλοφόρο, βαλβίδες τοποθετημένες σε V με διπλά ελατήρια, θάλαμο καύσης οβάλ, σε σχήμα «στέγης» και καρμπιρατέρ διπλού σώματος, όλα δηλαδή σχεδόν τα βασικά χαρακτηριστικά ενός μοντέρνου κινητήρα της σημερινής εποχής. Έτσι είναι πολύ φυσιολογική και η θαυμάσια απόδοσή του. Με σχέση συμπίεσης 8,8:1, η ισχύς του έφτανε τους 100 ίππους στις 6.000 στροφές και η ροπή το 13,3 Kg.m στις 4.000 στροφές, απόδοση που δεν έχει τίποτα να ζηλέψει από μερικούς «σύγχρονους» κινητήρες 1.6 λίτρων. Σημειώνουμε ότι στη μορφή που τον τοποθετούσαν στο 124 κουπέ, ο κινητήρας είχε 2 καρμπιρατέρ και ισχύ 110 ίππους στις 6.400 στροφές.

Η τοποθέτηση του εκκεντροφόρου επικεφαλής, παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα όπως είναι γνωστό, και έγινε δυνατή χάρη στην εξέλιξη ανθεκτικών οδοντωτών ιμάντων, που επιτρέπουν τη ρύθμιση της λειτουργίας του εκκεντροφόρου με την ίδια ή και μεγαλύτερη ακρίβεια από τις αλυσίδες. Με την κατάργηση της πλάγιας τοποθέτησης και των ωστικών ράβδων για την κίνηση των βαλβίδων, μειώθηκαν τα κινητά μέρη του κινητήρα και έγινε απλούστερη η κατασκευή του μπλοκ, επιτρέποντας τη χρήση αλουμινίου με χύτευση υπό πίεση. Επιπλέον αυξήθηκε η ακρίβεια της ρύθμισης των βαλβίδων και η αποτελεσματικότητα της λειτουργίας τους.
Από τα σημαντικότερα επιτεύγματα στο χώρο των κινητήρων, ήταν επίσης η σημαντική μείωση της κατανάλωσης μετά το 1975, που έγινε δυνατή χάρη σε μια σειρά σημαντικών βελτιώσεων όλου του συστήματος παραγωγής και μετάδοσης της ισχύος. Η τάση αυτή βρίσκεται ακόμη σε πλήρη εξέλιξη και κάθε χρόνο η κατανάλωση των νέων αυτοκινήτων μειώνεται ακόμη περισσότερο. Από τις βασικότερες επιλογές προς αυτήν την κατεύθυνση ήταν η λεπτομερέστερη μελέτη και προσεκτικότερη επιλογή του κυβισμού των κινητήρων και του αριθμού και της κλιμάκωσης των σχέσεων των κιβωτίων ταχυτήτων. Ήδη η τάση που επικρατεί σήμερα είναι η επιλογή κινητήρων μεγαλύτερης χωρητικότητας για την παραγωγή της ίδιας ισχύος, με παράλληλη μείωση του μέγιστου αριθμού στροφών. Αυτό σημαίνει σημαντική μείωση των τριβών κι επομένως μείωση της κατανάλωσης παρά την αύξηση του κυβισμού του κινητήρα (κάτι που δεν μπορούν ή δεν θέλουν να καταλάβουν κάποιοι κυνηγοί κυβικών σε μια μακρινή χώρα). Επίσης, προς την κατεύθυνση της μείωσης της κατανάλωσης λειτούργησε και η βελτίωση της γνώσης γύρω από τη λειτουργία του κινητήρα με μερικά φορτία και η σχετική ρύθμιση της ανάφλεξης και της τροφοδοσίας για καλύτερη απόδοση στη λειτουργία μ' αυτά τα φορτία. Υπολογίζεται στη Γαλλία, που υπήρξε κι εξακολουθεί να είναι από τους πρωτοπόρους στην κατασκευή οικονομικών αυτοκινήτων, ότι χάρη σ' όλες αυτές τις βελτιώσεις προς όφελος της οικονομίας, η μέση μείωση της κατανάλωσης των γαλλικών αυτοκινήτων στην πενταετία 1977-1982 ήταν 1 λίτρο/100 χλμ. Και δεν μπορούμε εδώ παρά να επισημάνουμε και πάλι την τρομερή ζημιά που γίνεται στην Οικονομία και το περιβάλλον της χώρας μας με τη μη ρεαλιστική φορομπηχτική πολιτική απέναντι στο αυτοκίνητο. Αν η μείωση στη Γαλλία ήταν 1 λίτρο/100 χλμ. μόνο σε μια πενταετία, η σημαντικά μεγαλύτερη ηλικία των αυτοκινήτων που κυκλοφορούν στους ελληνικούς δρόμους αλλά και η αγορά των λιγότερο οικονομικών από τα νέα μοντέλα σημαίνει πολύ μεγαλύτερη επιβάρυνση, που μεταφράζεται σε σπατάλη πολύτιμου συναλλάγματος.
174-5.jpg
Σχήμα 5: Χαρακτηριστικός κινητήρας των αρχών της δεκαετίας του '60 ήταν αυτός του MG Midget, η καλή απόδοση του οποίου οφειλόταν περισσότερο στην εξέλιξη ετών, παρά στην εφαρμογή τεχνολογικών καινοτομιών. Τετρακύλινδρος εν σειρά και υδρόψυκτος, είχε χωρητικότητα 1.275 κ.εκ. (διάμετρος χ διαδρομή 70.6 x 81.3 mm) και με σχέση συμπίεσης 8.8:1 απέδιδε 65 ίππους στις 6.000 στροφές και ροπή 10 Kg.m στις 3.000 στροφές. Μπλοκ και κυλινδροκεφαλή ήταν από χυτοσίδηρο και ο χαλύβδινος στροφαλοφόρος είχε 3 έδρανα. Στο σχήμα διακρίνεται ο πλάγιος εκκεντροφόρος (κοντά και λίγο ψηλότερα από το στροφαλοφόρο) και οι ωστικές ράβδοι για την κίνηση των παράλληλων βαλβίδων, όπως και τα πλάγια τοποθετημένα μπουζί, ενώ η τροφοδοσία γινόταν από 2 καρμπιρατέρ SU.
B202-1.jpg1..jpg
Σχήμα 6: Και η τελευταία λέξη της τεχνολογίας στους κινητήρες υψηλής κλάσης. Η τρίτη γενιά του κινητήρα τούρμπο της Σάαμπ αποτελεί μια ματιά στο μέλλον, συγκεντρώνοντας όλα σχεδόν εκείνα τα στοιχεία που θα χαρακτηρίζουν τους μεγάλους (αλλά ίσως και μερικούς μεσαίους) κινητήρες της επόμενης δεκαετίας, φαίνονται καθαρά οι 4 βαλβίδες ανά κύλινδρο, οι οποίες έχουν υδραυλικά ωστήρια με αυτόματη ρύθμιση, οι 2 επικεφαλής εκκεντροφόροι (1 για τις βαλβίδες εισαγωγής και 1 για τις βαλβίδες εξαγωγής), η κεντρική τοποθέτηση του μπουζί στην κορυφή του θαλάμου καύσης, για μικρότερη διαδρομή της φλόγας, ο σχηματισμός του θαλάμου καύσης εν μέρει μέσα στην κεφαλή του εμβόλου, το σύστημα μέτρησης της Εισερχόμενης μάζας αέρα (επάνω δεξιά, πάνω στο φίλτρο του αέρα) για τη σωστή ρύθμιση του λόγου αέρας/καύσιμο από το ηλεκτρονικό σύστημα ψεκασμού (οι βαλβίδες του οποίου φαίνονται επάνω από την πολλαπλή εισαγωγής, πίσω από τον εκκεντροφόρο) και φυσικά, σε πρώτο πλάνο, ο στροβιλοσυμπιεστής με ενσωματωμένη βαλβίδα ελέγχου πίεσης του αέρα. Ο κινητήρας διαθέτει ηλεκτρονικό σύστημα αυτόματου ελέγχου της λειτουργίας του, που «ανιχνεύει» το «χτύπημα» σε περίπτωση που συμβεί και μειώνει το βαθμό υπερσυμπίεσης, ενώ ελέγχει και τη λειτουργία της ανάφλεξης και του ψεκασμού. Για μεγαλύτερη ισχύ, η Σάαμπ προσφέρει και μία έκδοση με εναλλάκτη θερμότητας για την ψύξη του αέρα εισαγωγής. Στη μορφή της φωτογραφίας, τα 1985 κ. εκ. του κινητήρα αποδίδουν 160 ίππους στις 5.500 στροφές και 24.6 Kg.m στις 3.000 στροφές, ενώ με τον εναλλάκτη αποδίδει 175 ίππους στις 5.300 στροφές και 27.5 Kg.m στις 3000 στροφές.

Οι υπερσυμπιεστές

Η υπερτροφοδοσία των κινητήρων για παραγωγή μεγαλύτερης ροπής και ισχύος από την ίδια χωρητικότητα, είναι μια μέθοδος γνωστή ήδη από την προπολεμική εποχή. Εκείνο τον καιρό, είχαν χρησιμοποιηθεί μηχανικά οδηγούμενοι υπερσυμπιεστές σε αγωνιστικά αυτοκίνητα και σε μερικά ακριβά μοντέλα παραγωγής. Η εμφάνιση των στροβιλοσυμπιεστών έγινε πρώτα στην αεροπορία, στα 1918. Μετά, οι στροβιλοσυμπιεστές πέρασαν στους κινητήρες ντίζελ και ιδιαίτερα στους μεγάλους ναυτικούς κινητήρες με πολύ χαμηλό αριθμό στροφών.
Στη δεκαετία του '60 κι αφού υπήρχε ήδη μια εμπειρία από τη χρησιμοποίησή τους στα πλοία, πέρασαν στους ντιζελοκινητήρες των μεγάλων φορτηγών. Η εφαρμογή στ' αυτοκίνητα ήρθε τελευταία, όταν η GM πρόσφερε προαιρετικά τη Σέβρολετ Κορβαίρ με κινητήρα τούρμπο στα 1962, ενώ από τους πρωτοπόρους, με εφαρμογή όμως στους αγώνες, ήταν η BMW με τη 2002 και η Πόρσε. Αργότερα, στη δεκαετία του '70 οι στροβιλοσυμπιεστές έγιναν γνωστοί στο ευρύ κοινό με τη χρησιμοποίηση κινητήρα τούρμπο από τη Ρενό στη Φόρμουλα 1. Το 1977, η παρουσία των Σάαμπ, Μπιούικ και Ρενό 5 και 18 με βενζινοκινητήρες τούρμπο και των Μερτσέντες, Όλντσμομπιλ και Πεζό με ντίζελ, σήμανε την αρχή της εξάπλωσης των στροβιλοσυμπιεστών στο χώρο του επιβατικού αυτοκινήτου.
Σήμερα, δεν υπάρχει σχεδόν κατασκευαστής στον κόσμο που να μην προσφέρει κάποιο μοντέλο του με κινητήρα τούρμπο. Επί πλέον, γίνονται δοκιμές για τη δυνατότητα χρησιμοποίησης συστημάτων υπερτροφοδοσίας διαφορετικών από τους στροβιλοσυμπιεστές και κυρίως με μηχανικά οδηγούμενους υπερσυμπιεστές, με γνωστότερο δείγμα του είδους το σύστημα Βόλιουμεξ της Φίατ-Λάντσια. Προς το παρόν πάντως, δεν υπάρχει κάποια παρόμοια εφαρμογή σε παραγωγή μεγάλης κλίμακας και η κυριαρχία του τούρμπο είναι πλήρης. Οι βασικότερες καινοτομίες στους στροβιλοσυμπιεστές, από την εποχή της αρχής της εφαρμογής τους στους κινητήρες των επιβατικών αυτοκινήτων ως σήμερα, αφορούν κυρίως τη βελτίωση της τεχνολογίας κατασκευής τους (ακρίβεια, ανοχές κ.λπ.). Η βελτίωση αυτή είχε σαν αποτέλεσμα τη μείωση του μεγέθους τους, γεγονός που βοήθησε στη, μερική τουλάχιστον, εξάλειψη ορισμένων μειονεκτημάτων τους, όπως η καθυστέρηση απόκρισης στη μεταβολή του ρυθμού περιστροφής, λόγω αδράνειας, και η δυσκολία ομαλής λειτουργίας με παροχή μικρών ποσοτήτων αέρα. Αυτό επέτρεψε την ομαλότερη λειτουργία των υπερτροφοδοτούμενων κινητήρων και τη δυνατότητα υπερτροφοδοσίας μικρότερων σε μέγεθος κινητήρων. Ο μικρότερος ίσως συμπιεστής που υπάρχει σήμερα στον κόσμο, κατασκευάζεται από τη Μιτσουμπίσι, έχει διάμετρο φτερωτής 34 χιλιοστά (!), ταχύτητα περιστροφής 270.000 στροφές/λεπτό και χρησιμοποιείται για την υπερτροφοδοσία ενός δικύλινδρου βενζινοκινητήρα 550 κ.εκ., φτάνοντας την ισχύ του στους 39 ίππους (αύξηση 26% λόγω υπερσυμπίεσης). Τέλος, βελτίωση υπήρξε στην τροφοδοσία των κινητήρων τούρμπο, με την τελειοποίηση των «συμπιεζόμενων» καρμπιρατέρ (αυτών δηλαδή που τοποθετούνται μετά τον υπερσυμπιεστή και δέχονται συμπιεσμένο αέρα) και τη χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου της υπερσυμπίεσης και του «αβάνς» για την αποφυγή της αυτανάφλεξης, που είναι περισσότερο πιθανή στους υπερτροφοδοτούμενους βενζινοκινητήρες απ' ότι στους ατμοσφαιρικούς.

Ο κινητήρας ντίζελ

Η εξέλιξη του ντίζελ υπήρξε πολύ πιο ραγδαία τα τελευταία χρόνια από του βενζινοκινητήρα, ιδιαίτερα μετά την πετρελαϊκή κρίση. Παραγνωρισμένος ως τότε από την αυτοκινητοβιομηχανία λόγων των μειονεκτημάτων του (είναι βαρύτερος από τον βενζινοκινητήρα, ενώ λειτουργεί σε μικρότερους αριθμούς στροφών και εκμεταλλεύεται μέρος μόνο της εισαγόμενης ποσότητας αέρα, με αποτέλεσμα παραγωγή μικρότερης ισχύος από την ίδια χωρητικότητα) περιοριζόταν μόνο σε πολύ ειδικές και περιθωριακές χρήσεις. Με την έναρξη όμως της ενεργειακής κρίσης, οι κατασκευαστές θυμήθηκαν και τα σημαντικά του πλεονεκτήματα: την καλύτερη θερμική του απόδοση, τη μεγαλύτερη αντοχή του και τη μικρότερη ρύπανση της ατμόσφαιρας. Επί πλέον, ο τρόπος λειτουργίας του, που βασίζεται ακριβώς στην αυτανάφλεξη του καυσίμου του, τον κάνει ιδανικό για χρησιμοποίηση υπερσυμπιεστή, μειώνοντας έτσι την απόσταση που τον χωρίζει από το βενζινοκινητήρα στο θέμα της παραγωγής ισχύος ανά μονάδα χωρητικότητας. Έτσι, σιγά-σιγά ο ντίζελ εδραιώθηκε στην αυτοκινητοβιομηχανία και σήμερα τ' αυτοκίνητα με κινητήρα ντίζελ καλύπτουν σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες το 10% ή και περισσότερο του συνόλου των πωλήσεων νέων αυτοκινήτων. Από την αρχή της χρησιμοποίησης του στην αυτοκινητοβιομηχανία, εφαρμόστηκε για την τροφοδοσία του η μέθοδος του έμμεσου ψεκασμού με προθάλαμο καύσης (συνήθως τύπου Ρικάρντο, χωρίς όμως να λείπουν οι εξαιρέσεις όπως της Μερτσέντες), που ευνοεί το στροβιλισμό του μείγματος. Παρά τις σχετικές προσπάθειες κι εξ αιτίας του σχετικά υψηλού αριθμού στροφών των ντίζελ των αυτοκινήτων, δεν έγινε δυνατή όλα αυτά τα χρόνια η αποτελεσματική χρησιμοποίηση του άμεσου ψεκασμού, που θα είχε σαν αποτέλεσμα ακόμα καλύτερη απόδοση και μικρότερη κατανάλωση. Η έρευνα πάντως, για την εφαρμογή του δεν έχει εγκαταλειφθεί και ήδη βρίσκεται σε πολύ καλό δρόμο. Μια από τις σημαντικότερες εξελίξεις που προέκυψαν από τη μαζική χρησιμοποίηση του ντίζελ στην αυτοκινητοβιομηχανία, ήταν η πετυχημένη προσπάθεια των εταιριών να κατασκευάζουν τους πετρελαιοκινητήρες τους με όσο το δυνατό περισσότερα κοινά τμήματα με τους βενζινοκινητήρες τους, με σκοπό τη μείωση του κόστους σχεδιασμού και κατασκευής. Σήμερα, οι περισσότεροι ντίζελ των αυτοκινήτων έχουν τουλάχιστον το ίδιο μπλοκ με κάποιο βενζινοκινητήρα του ίδιου κατασκευαστή. Από την εποχή που άρχισε η μαζική παραγωγή του στην αυτοκινητοβιομηχανία μέχρι σήμερα, ο ντίζελ έχει υποστεί μια σειρά σημαντικών βελτιώσεων, που αύξησαν σημαντικά την απόδοση και την αξιοπιστία του. Πρώτα απ' όλα μειώθηκε σημαντικά ο χρόνος που απαιτείται για το ξεκίνημά του (σήμερα είναι συνήθως μερικά δέκατα ως ελάχιστα δευτερόλεπτα), χάρη στη βελτίωση του συστήματος προθέρμανσης. Επίσης, με την εξέλιξη των συστημάτων ψεκασμού, της γεωμετρίας του προθάλαμου καύσης, του μπουζί προθέρμανσης κ.λπ. βελτιώθηκε πολύ η ποιότητα της καύσης, με άμεσο αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης και τη μείωση της ρύπανσης της ατμόσφαιρας. Μια άλλη εξέλιξη, ήταν η δυνατότητα μείωσης της χωρητικότητας ανά κύλινδρο στα 330 κ.εκ., με μικρότερο κινητήρα ντίζελ σήμερα τον 3κύλινδρο της Νταϊχάτσου με 1.000 κ.εκ. Τέλος, η χρησιμοποίηση υπερσυμπιεστών στους ντίζελ επεκτείνεται όλο και περισσότερο, με αποτέλεσμα να λύνεται το πρόβλημα της χαμηλής παραγωγής ισχύος ανά λίτρο.
174-7.jpg
Σχήμα 7: Ένα από τα καλύτερα «πρόσωπα» του κινητήρα ντίζελ, ένα θαυμάσιο δείγμα της σύγχρονης τεχνολογίας! Ο κινητήρας της Σιτροέν BX 19 ντίζελ, που τοποθετείται και στα Πεζό 305 και Ταλμπό Οράιζον, δικαιώνει την παράδοση της Πεζό, που μαζί με τη Μερτσέντες αποτέλεσαν τους πρωτοπόρους του πετρελαιοκινητήρα. Διακρίνεται ο επικεφαλής εκκεντροφόρος ψηλά, που κινεί τις παράλληλες βαλβίδες, και ο σχηματισμός του θαλάμου καύσης μέσα στην κεφαλή του εμβόλου. Δίπλα στις βαλβίδες δεξιά, φαίνεται καθαρά ο προθάλαμος καύσης με το ακροφύσιο του ψεκασμού και το μπουζί προθέρμανσης. Με σχέση συμπίεσης 23,5:1, τα 1905 κ.εκ. του τετρακύλινδρου συνόλου αποδίδουν 65 ίππους στις 4.600 στροφές και ροπή 12,2 Kg.m στις 2.000 στροφές. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι ο κινητήρας διαθέτει μια εκπληκτική καμπύλη ροπής, με αποτέλεσμα ν' αποδίδει πάνω από το 85% της μέγιστης ροπής από τις 1.000 ως τις 4.600 στροφές (δηλαδή ουσιαστικά σ' όλη την κλίμακα λειτουργίας) και πάνω από το 95% από τις 1.500 ως τις 3.200 στροφές! Το αποτέλεσμα φαίνεται στην οικονομία και ιδιαίτερα κατά την οδήγηση στην πόλη, όπου η ΒΧ 19 είναι παρά τα σχεδόν 2 λίτρα της είναι οικονομικότερη από πολλά ντίζελ των 1.600 κ.εκ. και τα βενζινοκίνητα 900άρια, έχοντας τις καλύτερες επιδόσεις στην κατηγορία της. Πως θα ήταν άραγε αν η Σιτροέν της πρόσθετε κι έναν υπερσυμπιεστή;

Τα συστήματα μετάδοσης και τα ηλεκτρονικά

Τα θετικά αποτελέσματα από τη σημαντική εξέλιξη των κινητήρων στη μεταπολεμική εποχή, δεν θα ήταν δυνατό να φανούν αν δεν υπήρχε ανάλογη εξέλιξη των συστημάτων μετάδοσης της ισχύος από τον κινητήρα στους τροχούς. Και το κλασικό σύστημα μετάδοσης των τριών μη συγχρονισμένων σχέσεων δεν ήταν δυνατό να καλύψει τις αυξανόμενες απαιτήσεις για πιο σύνθετα και συγχρόνως εύχρηστα συστήματα, που δημιουργούσαν η συνεχώς αυξανόμενη ισχύς και μέγιστος αριθμός στροφών των κινητήρων, η αύξηση της ταχύτητας των αυτοκινήτων και οι συνεπαγόμενες διαφορετικές συνθήκες οδήγησης.
Με τον καιρό όλα τ' αυτοκίνητα απέκτησαν κιβώτια 4 συγχρονισμένων σχέσεων, ενώ στην Αμερική κυριαρχούσαν τα αυτόματα κιβώτια, που στην Ευρώπη δεν προσέφεραν οι κατασκευαστές παρά προαιρετικά στα ακριβότερα μοντέλα τους. Μετά την εμφάνιση της ενεργειακής κρίσης, μια 5η σχέση προστέθηκε προαιρετικά σ' ορισμένα μοντέλα, για καλύτερη κλιμάκωση του υπο-πολλαπλασιασμού της κίνησης από τον κινητήρα προς τους τροχούς και ανάλογη μείωση της κατανάλωσης. Με τη βελτίωση της τεχνολογίας και κάποιες ευνοϊκές φορολογικές ρυθμίσεις για τ' αυτοκίνητα με 5άρια κιβώτια (π.χ. στη Γαλλία), η χρησιμοποίησή τους διευρύνθηκε σημαντικά και σήμερα όλοι σχεδόν οι κατασκευαστές προσφέρουν προαιρετικά κιβώτια 5 σχέσεων σε πολλά μοντέλα τους ή ακόμη και στάνταρ σε κάποια απ' αυτά.
Προσπάθειες έγιναν επίσης για κατασκευή συστημάτων μετάδοσης συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης, που θα είχαν τα πλεονεκτήματα των αυτόματων κιβωτίων χωρίς όμως τα μειονεκτήματά τους, δίνοντας θεωρητικά τη δυνατότητα για χρησιμοποίηση άπειρων σχέσεων μετάδοσης, ανάλογα με τις συγκεκριμένες συνθήκες οδήγησης. Το γνωστότερο απ' αυτά τα συστήματα ήταν αυτό της DAF, που εφαρμόστηκε άλλωστε και στην πράξη, στα μικρά αυτοκίνητα της εταιρίας. Η απόδοσή του όμως ήταν μέτρια, ενώ δεν είχε τη δυνατότητα μετάδοσης μεγάλης ισχύος, γι' αυτό και η εφαρμογή του ήταν περιορισμένη. Σήμερα, η σχετική τεχνολογία έχει εξελιχθεί σημαντικά και σύντομα θα κυκλοφορούν στους δρόμους τα πρώτα αυτοκίνητα με μετάδοση συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης.
174-8.jpg
Σχήμα 8: Το σύστημα παραγωγής και μετάδοσης ισχύος του μέλλοντος; Μια από τις πρώτες εφαρμογές σε επίπεδο κανονικής παραγωγής, της νέας γενιάς συστημάτων μετάδοσης συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης, σε ενιαίο σύνολο με τον κινητήρα του Uno-matic 70. Μια τεχνική κι εμπορική επιτυχία του συστήματος, θ' αλλάξει σύντομα πολλά πράγματα στον τομέα της μετάδοσης της ισχύος, ιδιαίτερα στις μικρές - μεσαίες κατηγορίες.

Σημαντικό επίσης ρόλο στην εκμετάλλευση των βελτιωμένων χαρακτηριστικών των κινητήρων, έπαιξε και η εισβολή των ηλεκτρονικών στα αυτοκίνητα, ιδιαίτερα την τελευταία δεκαετία. Η καθυστέρηση της εφαρμογής των ηλεκτρονικών οφείλεται στο «δύσκολο» γι' αυτά περιβάλλον του κινητήρα, με τις μεγάλες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, την εκπομπή μεγάλων ποσοτήτων θερμότητας, τους κραδασμούς, την υγρασία, τις ηλεκτρικές παρεμβολές κ.λπ.
Οι πρώτες εφαρμογές των ηλεκτρονικών στ' αυτοκίνητα ξεκίνησαν στα μέσα της δεκαετίας του '60 κι εξελίχθηκαν ραγδαία, ενώ η εξέλιξη της τεχνολογίας επέτρεψε τη μείωση του κόστους χρησιμοποίησής τους κατά 20 φορές κάθε 10 χρόνια. Στις αρχές της δεκαετίας του '70 άρχισαν οι πρώτες σοβαρές εφαρμογές, ιδιαίτερα στο σύστημα ανάφλεξης και εμφανίζονται τα πρώτα συστήματα ηλεκτρονικού ελέγχου της παραγωγής του σπινθήρα και του «αβάνς». Μεταξύ του 1975 και του 1980 εμφανίζονται στην αγορά οι πρώτοι μικροεπεξεργαστές της τεχνολογίας LSI (Ολοκλήρωση Μεγάλης Κλίμακας) και κάποιοι κινητήρες αρχίζουν να εφοδιάζονται με αναλογικούς μικροϋπολογιστές για τον έλεγχο της ανάφλεξης και της τροφοδοσίας, ενώ αργότερα κάνουν την εμφάνισή τους και οι ψηφιακοί μικροϋπολογιστές με ικανότητα ελέγχου όλων των συστημάτων του κινητήρα.

Παράγοντες που επηρεάζουν την εξέλιξη

Η εξέλιξη των κινητήρων, όπως και κάθε μέρους του αυτοκινήτου, στα χρόνια που πέρασαν από την εμφάνισή του, δεν οφείλεται και δεν επηρεάζεται μόνο από τις τάσεις του αγοραστικού κοινού κι από κάποια πρόθεση τεχνολογικής επίδειξης. Πολύ συχνά η εξέλιξη αυτή επιβάλλεται, ή τουλάχιστον επηρεάζεται, από τις περιστάσεις στον εθνικό ή στο διεθνή χώρο. Από τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρέασαν την εξέλιξη των κινητήρων των αυτοκινήτων, ήταν η νομοθεσία, οι διεθνείς εξελίξεις, η εξέλιξη των παραγωγικών μεθόδων της βιομηχανίας και βέβαια η εμφάνιση της νέας τεχνολογίας. Όσον αφορά τη νομοθεσία, η επιρροή της ήταν και είναι συνεχής και πολλαπλή. Και πρώτα απ' όλα υπάρχει η ρύθμιση της φορολογίας του αυτοκινήτου, που τροποποιήθηκε πολλές φορές και σε πολλές χώρες στις δεκαετίες της ζωής του. Η φορολόγηση π.χ. των αυτοκινήτων ανάλογα με τον κυβισμό τους και μόνο, που υπήρχε κάποτε στη Γαλλία (κι εξακολουθεί να υπάρχει στη Χαρτόβια), δεν μπορούσε παρά να ωθήσει τους ντόπιους κατασκευαστές αλλά και τους ξένους που έκαναν εκεί εξαγωγές, να στραφούν προς την εξέλιξη μικρών κινητήρων με όλο και μεγαλύτερη ισχύ, χωρίς ιδιαίτερη προσοχή στην κατανάλωση. Αργότερα όμως, με την ενεργειακή κρίση, οι γαλλικές αρχές άλλαξαν τη νομοθεσία κι αποφάσισαν να υπολογίζουν για τη φορολογία και την πραγματική ισχύ του κινητήρα, όπως και τη σχέση υποπολλαπλασιασμού της μετάδοσης, που όπως είναι γνωστό επηρεάζει άμεσα την κατανάλωση. Όπως ήταν φυσικό αυτό άλλαξε τις τάσεις της αγοράς στη Γαλλία, όπως ανάλογη ήταν και η επιρροή στις εγχώριες αγορές της γιαπωνέζικης και της ιταλικής επιβάρυνσης σε αυτοκίνητα με κινητήρες χωρητικότητας μεγαλύτερης από κάποιο συγκεκριμένο όριο. Την εξέλιξη των κινητήρων επηρέασαν επίσης οι διάφοροι κανονισμοί και νομοθετικές ρυθμίσεις για το θόρυβο των αυτοκινήτων, που σύμφωνα με τις οδηγίες της ΕΟΚ, για παράδειγμα, πρέπει να μειωθεί στις χώρες μέλη της στα 77 ντεσιμπέλ (dbA) μέσα σε 2 χρόνια.
Τέλος, σημαντική επίδραση είχε και η σχετική με τη ρύπανση νομοθεσία, ιδιαίτερα αυστηρή στις ΗΠΑ και στην Ιαπωνία, που γίνεται σιγά-σιγά αρκετά αυστηρή και στην ΕΟΚ.
Οι διεθνείς εξελίξεις αποτέλεσαν επίσης ένα σημαντικό παράγοντα, που επηρέασε τη μορφή των κινητήρων και των αυτοκινήτων, ιδιαίτερα αυτές που σχετίζονταν με τις πρώτες ύλες για την παραγωγή ενέργειας. Τα σημαντικότερα απ' αυτά τα διεθνή γεγονότα, ήταν η κρίση του Σουέζ το 1956, που όπως προαναφέραμε δημιούργησε φόβους για έλλειψη πετρελαίου και έσπρωξε τους κατασκευαστές στην κατασκευή μερικών οικονομικών για την εποχή αυτοκινήτων, και φυσικά οι δύο πρόσφατες πετρελαϊκές κρίσεις που δημιούργησαν μια νέα πραγματικότητα και σήμαναν την αρχή της κούρσας προς την όλο και μεγαλύτερη οικονομία.
Η εξέλιξη των βιομηχανικών μεθόδων, που αποτελεί τον τρίτο σημαντικό παράγοντα επιρροής, πέρασε τρεις βασικές φάσεις από την εποχή της εμφάνισης του αυτοκινήτου ως σήμερα. Η πρώτη απ' αυτές, που εμφανίστηκε πριν από τον πόλεμο, αφορούσε τη μεθοδική οργάνωση της εργασίας στην παραγωγή σε αλυσίδα και την τυποποίηση. Η δεύτερη φάση χαρακτηρίστηκε από την προοδευτική εξαφάνιση των χειροποίητων κατασκευών των ειδικευμένων τεχνιτών, οι οποίοι αντικαταστάθηκαν από τα εξειδικευμένα μηχανήματα κι εργαλεία και τους χειριστές τους. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου έγινε μια σημαντική προσπάθεια για τη μείωση του κόστους των πρώτων υλών και του κόστους επεξεργασίας τους. Η τρίτη φάση είναι αυτή που περνάμε σήμερα, με την εξαφάνιση των ανειδίκευτων εργατών και την αυτοματοποίηση της παραγωγής με τη χρήση ρομπότ και ηλεκτρονικού εξοπλισμού, με αποτέλεσμα τη μείωση του κόστους αλλά και τη μεγαλύτερη ευελιξία των συστημάτων παραγωγής, που προσαρμόζονται ευκολότερα σε κάθε αλλαγή συνθηκών. Τέλος, η εμφάνιση της νέας τεχνολογία εντοπίζεται κύρια στην εξέλιξη και την ευρεία εφαρμογή του ντίζελ, στην υπερτροφοδοσία, στη χρησιμοποίηση νέων υλικών, όπως τα πλαστικά, τα συνθετικά και τα κεραμικά και φυσικά στην πλημμυρίδα των ηλεκτρονικών. Τεχνολογίες στην εμφάνιση και καθιέρωση των οποίων αναφερθήκαμε ήδη, ενώ στο παρόν και το μέλλον τους θ' αναφερθούμε παρακάτω.

Οι σημερινές τάσεις

Οι τάσεις που επικρατούν σήμερα στην αυ¬τοκινητοβιομηχανία, όσον αφορά την εξέλιξη του συστήματος παραγωγής και μετάδοσης της ισχύος, επηρεάζονται σίγουρα από την κατάσταση που εδραιώθηκε μετά την ενεργειακή κρίση και τις γενικότερες τάσεις εξέλιξης των αυτοκινήτων. Και πρώτα απ' όλα, η εξέλιξη της σχεδίασης των αμαξωμάτων με βασικό στόχο την οικονομία, που οδήγησε σε σημαντική μείωση του συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης και του βάρους των αυτοκινήτων, έκανε δυνατή τη μείωση της αναγκαίας ισχύος στις χαμηλές και μεσαίες κατηγορίες. Το γεγονός αυτό εξηγεί κάποια στροφή που παρουσιάστηκε από μερικούς κατασκευαστές, προς την εξέλιξη 3κύλινδρων κινητήρων, βενζίνης ή ντίζελ, γύρω στα 1.000 με 1.200 κ.εκ. (Νταϊχάτσου, Μπρίτις Λέιλαντ, VW). Από την άλλη πλευρά, στα αυτοκίνητα υψηλής κλάσης, που εξακολουθούν παρά την κρίση να γνωρίζουν μια αρκετά μεγάλη επιτυχία, συναντιέται αρκετά συχνά η αρχιτεκτονική του V6. Ο κινητήρας ντίζελ έχει πλέον καθιερωθεί και η εξέλιξή του είναι παράλληλη μ' αυτή του βενζινοκινητήρα. Συνεχής είναι επίσης κι η εξέλιξη των υπερσυμπιεστών, που τους συναντά πλέον κανείς σ' όλες τις κατηγορίες, αφού το μέγεθος τους μειώνεται συνεχώς και συνεπώς και η ευκολία προσαρμογής τους σε μικρότερους κινητήρες. Τη χρησιμοποίησή τους διευκολύνει επίσης και η σημαντική εξέλιξη των μικροηλεκτρονικών και κυρίως των μικροεπεξεργαστών, που αναλαμβάνουν τον πλήρη έλεγχο της λειτουργίας του κινητήρα κι επιτρέπουν πολύ μεγαλύτερη ευελιξία και προσαρμογή στις εκάστοτε συνθήκες, του συνόλου κινητήρας - υπερσυμπιεστής. Με την εξέλιξη των ηλεκτρονικών καθιερώνεται επίσης βαθμιαία η χρήση πλήρως ηλεκτρονικών αναφλέξεων σ' όλα τ' αυτοκίνητα όλων των κατηγοριών, ενώ ανάλογη είναι κι ή εξέλιξη των συστημάτων τροφοδοσίας, που χρησιμοποιούν όλο και πιο συχνά τον ηλεκτρονικό έλεγχο. Σ' αυτόν τον τομέα, τρεις είναι οι κατευθύνσεις που ακολουθεί η σχετική έρευνα: το ηλεκτρονικά ελεγχόμενο καρμπιρατέρ (Solex, CISAC) και ο ηλεκτρονικός ψεκασμός ενός και πολλαπλών σημείων (Renix, Bosch, Lucas).
Σχετικά με την αρχιτεκτονική του κινητήρα, υπάρχει γενίκευση της χρησιμοποίησης επικεφαλής εκκεντροφόρου και οι εξαιρέσεις δεν αποτελούν πλέον παρά μικρή μειοψηφία. Επίσης, στους μεγάλους κινητήρες για τ' αυτοκίνητα υψηλής κλάσης, αρχίζει κανείς και συναντά όλο και συχνότερα 4 βαλβίδες στον κύλινδρο, λύση την οποία μελετούν σχεδόν όλοι οι κατασκευαστές.
Η χρησιμοποίηση των καταλυτών για την αδρανοποίηση των ρύπων που περιέχονται στα καυσαέρια, έχει γενικευθεί στις Η.Π.Α. και την Ιαπωνία, ενώ σύντομα θα κάνει την εμφάνισή της και στην Ευρώπη, με την απόφαση της γερμανικής κυβέρνησης να την καθιερώσει υποχρεωτικά από το 1986. Επίσης, έρευνα γίνεται και για την κατασκευή αποτελεσματικών συστημάτων «παγίδευσης» της αιθάλης που εκπέμπουν οι κινητήρες ντίζελ.
Στον τομέα των υλικών, ο χυτοσίδηρος και το αλουμίνιο παραμένουν τα βασικότερα υλικά κατασκευής των κινητήρων, σε συνεχή πάντα ανταγωνισμό μεταξύ τους. Η σχεδίαση των κινητήρων (όπως κι ολόκληρων των αυτοκινήτων) με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή, που εφαρμόζεται σήμερα απ' όλους τους κατασκευαστές, αλλά κι η εξέλιξη των μεθόδων χύτευσης, έκανε δυνατή την κατασκευή χυτοσιδηρών εξαρτημάτων με πάχος μέχρι 4 χιλιοστά αντί για 8 πριν 15 χρόνια. Γεγονός που είχε σαν φυσικό αποτέλεσμα τη μείωση του βάρους των κινητήρων.
Προς την κατεύθυνση αυτή λειτούργησε κι η εξέλιξη των ελαφρών κραμάτων, με τη βελτίωση και της σύνθεσής τους και των μεθόδων χύτευσής τους. Σημαντικές επίσης ήταν και οι εξελίξεις στο χώρο των βιομηχανικών μεθόδων κατασκευής κι επεξεργασίας. Πολύ σημαντικές καινοτομίες στον τομέα της επεξεργασίας επιφανειών βρίσκονται ήδη υπό εξέλιξη: η σκλήρυνση του χυτοσιδήρου με λέιζερ (Φίατ), μέθοδοι ηλεκτροχημικής επεξεργασίας σαν το Nicasil (χιτώνια του Σιτροέν Βιζα) κ.λπ.
Η χρησιμοποίηση των πλαστικών (που ήδη αποτελούν περισσότερο από το 15% του βάρους του αυτοκινήτου) επεκτείνεται και στον κινητήρα, με την κατασκευή καλυμμάτων και βοηθητικών εξαρτημάτων, ενώ εντατική είναι και η έρευνα για την κατασκευή τμημάτων που υφίστανται μηχανικές τάσεις από ενισχυμένα πλαστικά ή άλλα συνθετικά υλικά.
Στον τομέα των μεταδόσεων, λίγες καινοτομίες αναμένονται στο άμεσο μέλλον, με σημαντικότερη την προσθήκη μιας 4ης σχέσης στα αυτόματα κιβώτια, ενώ οι μεταδόσεις συνεχώς μεταβαλλόμενης σχέσης θ' αρχίσουν να κάνουν όλο και πιο συχνά την εμφάνισή τους.
Τέλος, τα ηλεκτρονικά είναι ο τομέας με το μεγαλύτερο ρυθμό εξέλιξης και ήδη, με την ύπαρξη ψηφιακών μικροϋπολογιστών, είναι δυνατή η ταυτόχρονη ρύθμιση (με ανεξάρτητο για τον καθένα έλεγχο) του συστήματος της πλήρως ηλεκτρονικής ανάφλεξης, της τροφοδοσίας (με καρμπιρατέρ ή ψεκασμό), του ρυθμιστή ταχύτητας του αυτοκινήτου και του αυτόματου συστήματος μετάδοσης.
Η εφαρμογή των ηλεκτρονικών επεκτείνεται συνεχώς και σήμερα συναντά κανείς σε μικρά μοντέλα, ηλεκτρονικά συστήματα που πριν λίγα χρόνια διαφημίζονταν σαν πλεονεκτήματα κάποιων ακριβών αυτοκινήτων. Εκτός δε από την άμεση συμβολή τους στη βελτίωση των χαρακτηριστικών λειτουργίας του κινητήρα, υπάρχει και η έμμεση, με την έννοια ότι η ύπαρξη του ηλεκτρονικού ελέγχου επιτρέπει τη διαφορετική ρύθμιση της λειτουργίας, (αύξηση της σχέσης συμπίεσης, υπερσυμπίεσης κ.λπ.) με αποτέλεσμα ακόμη μεγαλύτερη αύξηση της απόδοσης. Οι ειδικοί προβλέπουν, ότι μέσα στο 1985 το 25% των ευρωπαϊκών αυτοκινήτων θα έχουν ηλεκτρονικό ψεκασμό, κάτι που προσφέρεται ήδη από το 1983 στο 20% των αμερικανικών αυτοκινήτων.

Ματιά στο μέλλον

174-9.jpg
Σχήμα 9: Παρά το γεγονός ότι δεν φαίνεται να βρίσκουν σύντομα λύση. τα προβλήματα που εμποδίζουν τον ηλεκτροκινητήρα ν' αποτελέσει μια ισχυρή εναλλακτική λύση απέναντι στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, κυρίως λόγω περιορισμένης αυτονομίας και μεγάλου βάρους των μπαταριών, το ηλεκτρικό αυτοκίνητο εξακολουθεί να εξάπτει τη φαντασία των ερευνητών, που ποτέ δεν σταμάτησαν τις προσπάθειες εξέλιξής του. Εδώ, σχήμα «φάντασμα» του ηλεκτρικού 205 της Πεζό, ενός από τα πιο πρόσφατα και εξελιγμένα δείγματα του είδους, με ανώτατη ταχύτητα 100 χλμ./ώρα και αυτονομία 140 χλμ.

Μια από τις πιο σίγουρες προβλέψεις που μπορούν να γίνουν για το μέλλον, είναι ότι οι παλινδρομικοί εμβολοφόροι κινητήρες θα εξακολουθήσουν για πολλά χρόνια να κυριαρχούν στο χώρο του αυτοκινήτου, γιατί οι ελπίδες που είχαν δημιουργηθεί για τη δυνατότητα εφαρμογής άλλων εναλλακτικών λύσεων δεν φαίνεται ότι μπορούν σύντομα να επαληθευτούν. Ο κινητήρας Βάνκελ, παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματά του (εξαιρετική απλότητα κατασκευής, δυνατότητα μεγάλων ρυθμών περιστροφής, λίγα κινούμενα μέρη κ.λπ.) εξακολουθεί να έχει μεγαλύτερη κατανάλωση από τον παλινδρομικό βενζινοκινητήρα και να ρυπαίνει περισσότερο. Πάντως, η Μάζντα δεν έχει εγκαταλείψει τις προσπάθειες εξέλιξής του και η εφαρμογή του ψεκασμού και της υπερτροφοδοσίας, πού ήδη βρίσκονται υπό ανάπτυξη, ίσως αλλάξουν πολλά πράγματα. Οπωσδήποτε θα χρειαστεί αρκετός καιρός γι’ αυτό κι έτσι μια πιθανή διεύρυνση της χρησιμοποίησής του δεν προβλέπεται στα αμέσως επόμενα χρόνια.
Για την εφαρμογή των στροβιλοκινητήρων θα χρειαστεί η δημιουργία νέων υλικών, που θ' αντέχουν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (για να είναι καλός ο συντελεστής απόδοσης του στροβιλοκινητήρα χρειάζεται μια θερμοκρασία γύρω στους 1300 βαθμούς, αμέσως πριν το στρόβιλο). Η εξέλιξη των κεραμικών ίσως προσφέρει αυτήν τη δυνατότητα, αλλά και πάλι η εφαρμογή των στροβιλοκινητήρων δεν θα αφορά παρά μεγάλα αυτοκίνητα (με ισχύ πάνω από 100 ίππους).
Τέλος, οι προσπάθειες για εφαρμογή κινητήρων εξωτερικής καύσης, όπως ο κινητήρας Στέρλιγκ και ο κινητήρας ατμού, φαίνεται ότι έχουν εγκαταλειφθεί για διάφορους λόγους (κόστος, συντελεστής απόδοσης κ.λπ.), ενώ το ηλεκτρικό αυτοκίνητο εξακολουθεί ακόμη να κεντρίζει τη φαντασία των ερευνητών, αλλά δεν φαίνεται να μπορούν στα επόμενα χρόνια να λύσουν όλα τα προβλήματά του και να παρουσιάσουν μια λύση για μαζική εφαρμογή. Έτσι, οι παλινδρομικοί κινητήρες θα εξακολουθήσουν για πολλά χρόνια ακόμη ν' αποτελούν το κεντρικό αντικείμενο της έρευνας για τη βελτίωση του συστήματος παραγωγής και μετάδοσης ισχύος. Με βασικότερες εξελίξεις την όλο και μεγαλύτερη διάδοση των υπερσυμπιεστών και τον πλήρη ηλεκτρονικό έλεγχο κινητήρα και μετάδοσης, από έναν κεντρικό μικροϋπολογιστή.
fiat_fire_engine_688.jpg Πηγή
Σχήμα 10: Ο μικρομεσαίος της επόμενης δεκαετίας! Το νέο απόκτημα της φίατ στα 1.000 κ.εκ., ο FIRE 100, σε φωτογραφία και τομή «φάντασμα». Αποτέλεσμα της συνεργασίας μηχανικών και ηλεκτρονικών υπολογιστών, διαθέτει όλα τα χαρακτηριστικά της τελευταίας λέξης της τεχνολογίας στους κινητήρες. Εκκεντροφόρος επικεφαλής που παίρνει κίνηση μέσω οδοντωτού ιμάντα (φαίνεται αριστερά στο σχήμα, ενώ στη φωτογραφία είναι τοποθετημένο δεξιά το κάλυμμά του), θάλαμος καύσης σχεδιασμένος με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή, με τρόπο που επέτρεψε την αύξηση της συμπίεσης στο 9,8:1 χωρίς πρόβλημα αυτανάφλεξης, 5 έδρανα στροφαλοφόρου, ηλεκτρονική ανάφλεξη χωρίς πλατίνες με ρύθμιση του χρονισμού του σπινθήρα και βάρος μόλις 69 κιλά (αντί για 78 του προηγούμενου κινητήρα) χάρη στην αντικατάσταση του χάλυβα με χυτοσίδηρο σε ορισμένα εξαρτήματα, στη μείωση του ολικού αριθμού των εξαρτημάτων και στη χρησιμοποίηση λεπτότερων τοιχωμάτων λόγω ακριβέστερου υπολογισμού των καταπονήσεων με τη βοήθεια υπολογιστή. Η κυλινδροκεφαλή είναι από ελαφρό κράμα ενώ ο διανομέας και η αντλία καυσίμου (επάνω δεξιά στο σχήμα) παίρνουν κατευθείαν κίνηση από τον εκκεντροφόρο. Με διάμετρο x διαδρομή 70 x 64,9 mm, ο κινητήρας έχει χωρητικότητα 999 κ.εκ. και αποδίδει 45 ίππους στις 5.000 μόλις στροφές και ροπή 8,2 Kg.m στις 2.750 στροφές. Το σημαντικό είναι ότι αποδίδει την ίδια ισχύ με τον παλιό κινητήρα σε 600 στροφές χαμηλότερα, με αποτέλεσμα μεγάλη μείωση των τριβών, κι ότι αποδίδει μεγαλύτερη ροπή από τον παλιό σ' όλη την περιοχή από τις 1.200 ως τις 4.500 στροφές, με τελικό αποτέλεσμα 15% μικρότερη κατανάλωση. Ένα από τα λαμπρότερα δείγματα της σύγχρονης τεχνολογίας.

Σημαντική επίσης εξέλιξη θ' αποτελεί η συνεχώς διευρυνόμενη εφαρμογή των «νέων υλικών», που θα επιτρέψουν την αύξηση του συντελεστή απόδοσης των κινητήρων, τη μείωση τους βάρους τους και τη μείωση των τριβών. Στην κατηγορία αυτή των υλικών βρίσκονται τα κεραμικά και τα συνθετικά, με διαφορετική το καθένα εφαρμογή. Τα βασικότερα πλεονεκτήματα των κεραμικών αποτελούν η αντοχή στη διάβρωση, ο μικρός συντελεστής διαστολής και η μικρή θερμική αγωγιμότητα. Το βασικότερο μειονέκτημά τους, που πρέπει να εξαλειφθεί ή να παρακαμφθεί για να γίνει ευρεία εφαρμογή τους, είναι η ευθραυστότητά τους. Ήδη ένας μεγάλος αριθμός ερευνητικών προγραμμάτων σχετικών με την εφαρμογή των κεραμικών στους κινητήρες, βρίσκεται σε εξέλιξη σε πολλές χώρες. Οι πρώτες προσπάθειες εφαρμογών, εκτός από τα μπουζί, αφορούν τους προθάλαμους καύσης των κινητήρων ντίζελ, ενώ οι πιο πιθανές μελλοντικές εφαρμογές αφορούν τη μόνωση των αυλών εξαγωγής και την κατασκευή των φτερωτών των υπερσυμπιεστών. Για το απώτερο μέλλον, οι ελπίδες στρέφονται προς την επίτευξη αδιαβατικής λειτουργίας του ντίζελ κατά πρώτο λόγο και του βενζινοκινητήρα κατά δεύτερο. Αυτό σημαίνει λειτουργία του κινητήρα χωρίς απώλεια θερμότητας μέσω των τοιχωμάτων του κυλίνδρου, της κυλινδροκεφαλής, του εμβόλου και των βαλβίδων κατά τους χρόνους συμπίεσης και εκτόνωσης (παραγωγής ωφέλιμου έργου) του κινητήρα.
Πρόκειται δηλαδή ουσιαστικά για ένα είδος εσωτερικής θερμομόνωσης του κινητήρα. Όπως είναι φυσικό, ενώ για τον ντίζελ δεν υπάρχει κανένα πρόβλημα, στο βενζινοκινητήρα δεν μπορεί να υπάρξει η σημαντική άνοδος της θερμοκρασίας που συνεπάγεται η πλήρης θερμομόνωσή του, λόγω του κινδύνου αυτανάφλεξης του καυσίμου. Έτσι, μια τέτοια εφαρμογή θα γίνει μόνο κάτω από κάποιους περιοριστικούς όρους (π.χ. μείωση της συμπίεσης). Τα κυριότερα κεραμικά υλικά που συγκεντρώνουν τις περισσότερες πιθανότητες για εφαρμογή στους κινητήρες των αυτοκινήτων, είναι το καρβίδιο και το νιτρίδιο του πυριτίου, λόγω της ικανότητάς τους για ενσωμάτωση πάνω σε μεταλλικές επιφάνειες (εφαρμογές στη φτερωτή των υπερσυμπιεστών και στα έμβολα), η αλουμίνα, λόγω της αντοχής της στο θερμικό «σοκ», ο ζιρκονίτης (επάνω μέρος των χιτωνίων, κυλινδροκεφαλή) κ.λπ. Τέλος, όσον αφορά τη μείωση των τριβών και την αντοχή στη φθορά και τη διάβρωση, οι κυριότερες εφαρμογές των κεραμικών προβλέπεται να γίνουν στις έδρες των βαλβίδων, σε ορισμένα περιστρεφόμενα εξαρτήματα στεγάνωσης και σε ορισμένα έδρανα, με κυριότερα υλικά εφαρμογής την αλουμίνα και το ζιρκονίτη. Από την πλευρά τους, τα συνθετικά θα έχουν μια σειρά διαφορετικών εφαρμογών, από την κατασκευή όλο και περισσότερων βοηθητικών εξαρτημάτων ως την κατασκευή μηχανικά καταπονούμενων τμημάτων του κινητήρα, που σήμερα είναι μεταλλικά (γρανάζια, δακτύλιοι συγχρονισμού κιβωτίων ταχυτήτων κ.λπ. ενώ μελλοντικά, ανθεκτικότερα συνθετικά υλικά μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή μέρους των διωστήρων (μπιελών), των εμβόλων κ.λπ.). Τα συνθετικά υλικά που θα χρησιμοποιηθούν θα είναι, όπως και τα κεραμικά, διαφόρων ειδών, ανάλογα με τις εφαρμογές. Έτσι, θα υπάρχουν ενισχυμένα πλαστικά (ελαστομερή, εποξικές ρητίνες κ.λπ.), υλικά με «μήτρα» από άνθρακα ή κεραμικό και ενίσχυση με ίνες άνθρακα ή κεραμικού και τέλος υλικά με μεταλλική «μήτρα» (π.χ. από αλουμίνιο) και ενίσχυση με κεραμικές ίνες.
Σε κάθε περίπτωση πάντως, εκείνο που πρέπει να επισημανθεί, είναι ότι όλες σχεδόν οι αναμενόμενες μελλοντικές εξελίξεις ευνοούν τον κινητήρα ντίζελ περισσότερο από το βενζινοκινητήρα, μειώνοντας ακόμη περισσότερο την απόσταση που τους χωρίζει (ιδιαίτερα μετά την εφαρμογή και του άμεσου ψεκασμού, που θ' αυξήσει ακόμη περισσότερο το συντελεστή απόδοσής του). Δεδομένου δε ότι ο θόρυβος των ντιζελοκίνητων αυτοκινήτων, που κάποτε αποτελούσε ένα από τα βασικά μειονεκτήματά τους, μειώνεται όλο και περισσότερο στα επίπεδα των βενζινοκίνητων χάρη στις σύγχρονες τεχνικές ηχομόνωσης, το μέλλον του ντίζελ διαγράφεται ακόμη πιο ευοίωνο απ' αυτό του βενζινοκινητήρα. Με πιθανότερη εξέλιξη τη μελλοντική αύξηση του ποσοστού χρησιμοποίησής του στ' αυτοκίνητα και την παράλληλη ύπαρξη των δύο κινητήρων σε ισότιμη πλέον βάση για κάμποσες ακόμη δεκαετίες, μέχρι να εμφανισθεί, αν εμφανισθεί, μια νέα αξιόπιστη εναλλακτική λύση.