Σημαντική δουλειά γίνεται τον τελευταίο καιρό στο χώρο της αντιρύπανσης των κινητήρων εσωτερικής καύσης που δεν περιορίζεται μόνο στους καταλυτικούς μετατροπείς αλλά επεκτείνεται στην τεχνολογία Πτωχού Μίγματος (Lean burn) και στη χρήση των κεραμικών υλικών.
Τ' αποτελέσματα της έρευνας σ' αυτούς τους δύο τομείς είναι πραγματικά εντυπωσιακά και προδιαγράψουν το δρόμο που θ' ακολουθήσει η σχεδίαση κινητήρων στα επόμενα χρόνια. Η χρησιμοποίηση πτωχών μιγμάτων ελαττώνει δραστικά τους βλαβερούς ρυπαντές και, σε συνδυασμό με καταλύτες τριών δρόμων, ουσιαστικά τους εξαφανίζει ενώ παράλληλα επιτυγχάνει εκπληκτικούς βαθμούς οικονομίας.
Σχήμα 1: Αποτέλεσμα της μεταβολής της σχέσης αέρα-καυσίμου στην κατανάλωση και τις εκπομπές ρυπαντών στον κινητήρα πτωχού μίγματος της Φορντ.
Στα διαγράμματα (σχήμα 1) που δημοσιεύουμε μπορείτε να δείτε τη δραστική ελάττωση της ποσότητας των εκπεμπόμενων ρυπαντών και τους τρόπους που αυτό επιτυγχάνεται σ' έναν αντιπροσωπευτικό κινητήρα πτωχού μίγματος. Για να λειτουργήσει ο κινητήρας με πτωχό μίγμα πρέπει να λειτουργήσουν τέσσερις βασικές συνθήκες:
• να υπάρχει ισχυρή ανατάραξη του μίγματος στο θάλαμο καύσης με ελάχιστη απώλεια ενέργειας
• να δημιουργηθούν μεγάλα μέτωπα φλόγας στην αρχική φάση της καύσης
• να υπάρχουν μικρές απώλειες θερμότητας (με τη μείωση του εμβαδού των επιφανειών του θαλάμου καύσης)
• να υπάρχει δυνατός σπινθήρας.
Δεν θα πέφταμε πολύ έξω αν λέγαμε, ότι η έρευνα στους κινητήρες πτωχού μίγματος θα συνεχιστεί και θα ενταθεί σε βαθμό, που δεν αποκλείεται να επηρεάσει κι αυτήν την ύπαρξη των καταλυτών. Η διαδικασία σχεδίασης κινητήρων έχει μπει σε μια νέα, εικονοκλαστική τροχιά όπου τίποτα δεν θεωρείται «ιερό» κι όλα επανεξετάζονται. Γι' αυτό εκείνοι που ασχολούνται με την διαμόρφωση μιας νέας πολιτικής για το αυτοκίνητο πρέπει να έχουν αυτιά και μάτια ανοιχτά και να διατηρούν ισχυρές επιφυλάξεις όταν ακούνε κάποιον, συνήθως όχι σωστά ενημερωμένο υπουργό, ν' αναγγέλλει μέτρα όπως είναι για παράδειγμα, η αντικατάσταση των πετρελαιοκινητήρων στα ταξί με άλλους που θα μπορούν να «καίνε» και υγραέριο.
Και μια και μιλάμε για πετρελαιοκινητήρες ας (ξανα) δούμε τι ετοιμάζουν τα ερευνητικά εργαστήρια σ' αυτόν τον τομέα.
Όπως είναι γνωστό το μεγαλύτερο εμπόδιο που παρουσιάζεται στην προσπάθεια ανάκτησης όσο το δυνατόν μεγαλύτερου έργου από το καύσιμο που χρησιμοποιούμε σ' έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι οι θερμικές απώλειες όπου προέρχονται από το σύστημα ψύξης που υπάρχει σε κάθε κινητήρα προκειμένου να προληφθεί η καταστροφή (απ' την υπερθέρμανση) των βαλβίδων, εμβόλων και άλλων παρελκομένων του θαλάμου καύσης.
Σ' έναν κινητήρα άμεσου ψεκασμού (ντίζελ) το 20% περίπου της ενέργειας που παράγεται απ' το καύσιμο απορροφάται απ' το σύστημα ψύξης. Σκέφθηκαν λοιπόν οι επιστήμονες: μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα κινητήρα χωρίς σύστημα ψύξης; Αν το καταφέρουμε, αν φτιάξουμε έναν αδιαβατικό κινητήρα, θα βελτιώσουμε την απόδοσή του κατά 10-15%!
Οι ερευνητές της Φορντ στο Ντιαρμπόρν του Μίσιγκαν στρώθηκαν στη δουλειά και, μετά από έναν περίπου χρόνο, κατόρθωσαν να «βάλουν εμπρός» τον πρώτο πετρελαιοκινητήρα, που λειτουργεί χωρίς «ψυγείο»!
Για να το κατορθώσουν έπρεπε πρώτα να επιλύσουν ένα σοβαρό πρόβλημα: την αντοχή των υλικών στις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας. Η απουσία του συστήματος απαγωγής της θερμότητας είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας από τους 150° C στους 800° C. Η λύση αναζητήθηκε στα κεραμικά, τα υλικά που εδώ κι έξι περίπου μήνες βρίσκονται στο προσκήνιο του παγκόσμιου επιστημονικού ενδιαφέροντος λόγω και των ιδιοτήτων που παρουσιάζουν σαν υπεραγώγιμα υλικά.
Οι θάλαμοι καύσης των αδιαβατικών ντίζελ είναι κατασκευασμένοι απ' αυτά ακριβώς τα υλικά.
Το πρόβλημα της λίπανσης των εμβόλων και των ελατηρίων τους αντιμετωπίζεται με τη χρησιμοποίηση φυτικών λιπαντικών, που δεν αφήνουν κατάλοιπα όπως τα ορυκτά. Οι τεχνικοί της Φορντ δοκιμάζουν μάλιστα ένα κεραμικό έμβολο χωρίς ελατήρια που λειτουργεί μέσα σ' ένα επίσης κεραμικό μπλοκ! Η στεγανότητα του στροφαλοθαλάμου εξασφαλίζεται από ένα φιλμ αερίων που συγκρατείται ανάμεσα στα δύο λόγω της σχεδόν απόλυτης επαφής του εμβόλου με τα τοιχώματα του κυλίνδρου κάτι που μπορεί να πραγματοποιηθεί επειδή, τα κεραμικά υλικά στην ουσία δεν διαστάλλονται με τη θερμοκρασία.
Απ' τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος θα εξαρτηθεί αν οι τεχνικοί θα προχωρήσουν στην αντικατάσταση και άλλων μεταλλικών μερών των κινητήρων ντίζελ, όπως είναι για παράδειγμα, οι σφαιρικοί ή οι κυλινδρικοί τριβείς των διωστήρων (μπιελών). Αν το καταφέρουν τότε το λιπαντικό θα είναι κι αυτό πλέον… άχρηστο πράγμα που σημαίνει ότι άχρηστες θα είναι και οι αντλίες λαδιού, τα φίλτρα και οι διόδοι που υπάρχουν στους στροφαλοθαλάμους για το πέρασμα του λιπαντικού! Ο «απόλυτος» αδιαβατικός κινητήρας θα έχει: στροφαλοθάλαμο, έμβολα, βαλβίδες, κεφαλή και τριβείς από κεραμικά υλικά και θα διαθέτει βέβαια και στροβιλοσυμπιεστή ή υπερσυμπιεστή. Ένας κινητήρας σαν αυτόν θα χρειάζεται μόνο καύσιμο και… αέρα και θα είναι κατά 60% πιο οικονομικός (άρα και «καθαρός» απ' τους συμβατικούς πετρελαιοκινητήρες. Η πιθανότητα σχεδίασης και κατασκευής ενός μικρού, φθηνού αδιαβατικού κινητήρα για επιβατικά αυτοκίνητα που θα λειτουργεί με βενζίνη ή αλκοόλ δεν είναι μακριά, με την προϋπόθεση βέβαια ότι παράλληλα θα εξελιχθεί ένα ηλεκτρονικό σύστημα άμεσης έκχυσης, που θα ψεκάζει το καύσιμο στον θάλαμο καύσης όταν το έμβολο βρίσκεται κοντά στο Άνω Νεκρό Σημείο. Όπως όλοι καταλαβαίνουμε ένας συμβατικός κινητήρας δεν μπορεί να λειτουργήσει χωρίς να πληγεί απ' την προανάφλεξη όταν στο θάλαμο καύσης η θερμοκρασία ξεπερνάει τους 800° C.
a 
b
c 
d
eΣχήμα 2: Ο στροβιλισμός του εισερχομένου μίγματος σ' έναν κινητήρα πτωχού μίγματος επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση ειδικών αυλών εισαγωγής και «μασκαρισμένων» εδράνων βαλβίδων (σχ. 2a & b) που στροβιλίζουν αλλά και συμπιέζουν το μίγμα όταν το έμβολο βρίσκεται κοντά στο Α. Ν.Σ. (σχ. 2c). Στο σχ. 2d διακρίνονται οι καμπύλες που ορίζουν το μέτωπο διάδοσης της φλόγας και οι περιοχές που το μίγμα συμπιέζεται στον θάλαμο καύσης ενώ στο σχ. 2e μπορούμε να δούμε πόσο μικρές είναι οι επιφάνειες του θαλάμου που εκτίθενται στην καύση για να περιορίζονται οι θερμικές απώλειες στα τοιχώματα και στο σύστημα ψύξης.
a 
b
c 
dΣχήμα 3: Οι ίδιες διαδικασίες παρουσιάζονται στα προοπτικά σχήματα. Ο ειδικά σχεδιασμένος αυλός εισαγωγής στροβιλίζει το μίγμα που εισέρχεται και είναι πιο έντονη όταν το έμβολο έχει πια -φθάσει στο Α. Ν.Σ. (μαύρη περιοχή). Το μέτωπο συνεχίζεται και επιταχύνεται καθώς το έμβολο πλησιάζει το Α.Ν.Σ. (σχ. 3b). Η καύση αρχίζει στον θάλαμο καύσης (σχ. 3a), ο στροβιλισμός της φλόγας καίει τα κατάλοιπα που βρίσκονται στα άκρα του θαλάμου καθώς το έμβολο κατεβαίνει εμποδίζοντας την εκπομπή άκαφτων υδρογονανθράκων (σχ. 3d).
