Πολυβάλβιδη τεχνολογία

Πολυβάλβιδοι κινητήρες (4Τ 203, 8/1987)

Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος

Ξεπερνώντας την παιδική ΑΣΘΕΝΕΙΑ: Η μειωμένη απόκριση στις χαμηλές στροφές περιόριζε τη λύση των 4 βαλβίδων ανά κύλινδρο σε αυτοκίνητα με «σπορτίφ» χαρακτήρα. Η δουλειά των μηχανικών της Τογιότα δίνει τώρα τη δυνατότητα για το ξεπέρασμα αυτής της «παιδικής ασθένειας» και τη διεύρυνση της χρησιμοποίησής τους στο χώρο των «οικογενειακών» αυτοκινήτων.

sx1.JPG
Σχήμα 1: Η αρχή λειτουργίας του T-VIS. Ο ένας από τους δύο αυλούς εισαγωγής του κάθε κυλίνδρου έχει μία πεταλούδα ακριβώς πριν την αντίστοιχη βαλβίδα. Στις χαμηλές και μεσαίες στροφές η πεταλούδα κλείνει, απομονώνοντας τη βαλβίδα. Έτσι η εισαγωγή γίνεται μόνο από μία βαλβίδα, αυξάνοντας την ταχύτητα του αέρα και εξαλείφοντας το μειονέκτημα της μειωμένης απόκρισης των πολυβάλβιδων κινητήρων σ' αυτές τις στροφές.

ΑΝ ΘΕΛΑΜΕ να περιγράψουμε με λίγα λόγια την επικρατούσα τάση στο σχεδιασμό των κινητήρων των αυτοκινήτων κατά τη δεκαετία που διανύουμε και τις δύο προηγούμενες, θα λέγαμε ότι στη δεκαετία του '60 κυριαρχούσε η προσπάθεια για συνεχή αύξηση της ισχύος, στη δεκαετία του '70 (κυρίως μετά το 1973) επικράτησε η προσπάθεια για βελτίωση της οικονομίας, και μετά την επίτευξη ενός πραγματικού ποιοτικού άλματος σ' αυτόν τον τομέα, στη δεκαετία του '80 υπήρξε μια επιστροφή στην προσπάθεια δημιουργίας ισχυρότερων κινητήρων, σε συνδυασμό όμως πάντα με τη συγκράτηση της κατανάλωσης (αλλά και της ρύπανσης της ατμόσφαιρας) σε χαμηλά επίπεδα. Τάσεις που δεν περιορίστηκαν τελικά μόνο στο σχεδιασμό των κινητήρων, αλλά που χαρακτήρισαν γενικότερα το σχεδιασμό των αυτοκινήτων στο σύνολο του. Μια και η οικονομία εξακολουθεί λοιπόν να παίζει σημαντικό ρόλο στις μέρες μας, δεν υπήρχε περίπτωση να χρησιμοποιηθεί η αύξηση του αριθμού των στροφών σαν μέσο για την αύξηση της ισχύος των κινητήρων. Οι πολλές στροφές σημαίνουν και μεγάλες τριβές, άρα αύξηση των απωλειών του κινητήρα και μείωση του συντελεστή απόδοσής του. Μία άλλη μέθοδος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί - και υπάρχει μια τάση χρησιμοποίησής της από πολλούς κατασκευαστές στις μέρες μας - είναι η παραγωγή της ίδιας ισχύος από κινητήρα αυξημένης χωρητικότητας με μικρότερο αριθμό στροφών. Κι η λύση όμως αυτή έχει κάποια όρια, δεδομένου ότι με την αύξηση των διαστάσεων του κυλίνδρου, αυξάνουν σημαντικά και οι απώλειες θερμότητας προς το ψυκτικό, γεγονός που μειώνει και πάλι το συντελεστή απόδοσης. Βεβαίως η λύση αυτή χρησιμοποιείται σήμερα αρκετά συχνά και μ' επιτυχία, για το λόγο όμως ότι είχαμε φτάσει σ' ένα σημείο υπερβολικά αυξημένων αριθμών στροφών από μικρούς κινητήρες, που είχαν σαν αποτέλεσμα και υπερβολικά αυξημένες τριβές. Έτσι, η μείωση των τριβών που προκύπτει από την αύξηση του μεγέθους του κινητήρα στην αμέσως επόμενη «κατηγορία» (π.χ. από 900 - 1.000 κ.εκ. σε 1.100 ή από 1.100 σε 1.300 κ.λπ.), είναι αρκετά μεγαλύτερη από την αύξηση των απωλειών θερμότητας λόγω της αύξησης της χωρητικότητας, οδηγώντας τελικά σε μεγαλύτερο συνολικό συντελεστή απόδοσης άρα και μικρότερη κατανάλωση. Ο ιδανικός όμως τρόπος αύξησης της ισχύος, θα ήταν η παραγωγή της από την ίδια χωρητικότητα και με μικρότερο αριθμό στροφών. Και ο μόνος τρόπος για να επιτευχθεί αυτό, είναι η βελτίωση της «αναπνοής» του κινητήρα, της ποσότητας δηλαδή του καυσίμου μίγματος που μπαίνει στους κυλίνδρους σε κάθε κύκλο λειτουργίας. Κι εφόσον η ισχύς ενός κινητήρα εξαρτάται από τη θερμική ενέργεια που παράγεται ανά μονάδα χρόνου, τελικά δηλαδή από την ποσότητα καυσίμου που καίγεται ανά κύκλο λειτουργίας, η βελτίωση της «αναπνοής» σημαίνει δυνατότητα παραγωγής της ίδιας ισχύος από κινητήρα μικρότερης χωρητικότητας και λιγότερο πολύστροφο.
Εκτός από την κοινότατη πλέον, μονάδα της υπερτροφοδοσίας, η δεύτερη μέθοδος που μπορεί να οδηγήσει σε βελτίωση της «αναπνοής» και που προσελκύει τελευταία όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον, είναι η αύξηση του αριθμού των βαλβίδων. Ουσιαστικά πρόκειται για την αύξηση της επιφάνειας των θυρίδων εισαγωγής (που επιτρέπει την είσοδο μεγαλύτερης ποσότητας μίγματος γιατί παρουσιάζει μειωμένη αντίσταση στη ροή του) η οποία όμως δεν μπορεί να επιτευχθεί με τη χρησιμοποίηση μίας μόνο μεγάλης βαλβίδας εισαγωγής (το μέγιστο επιτρεπτό μέγεθος της οποίας περιορίζεται από σχεδιαστικές και κατασκευαστικές παραμέτρους) και οδηγεί αναγκαστικά στη χρησιμοποίηση δύο μικρότερων βαλβίδων. Αντίστοιχα, η αύξηση της επιφάνειας της διόδου εξαγωγής με τη χρησιμοποίηση επίσης δύο βαλβίδων, επιτρέπει την ταχύτερη και πληρέστερη έξοδο των καυσαερίων, διευκολύνοντας έτσι την είσοδο φρέσκου μίγματος.
Είναι χαρακτηριστικό, ότι στους κινητήρες των αυτοκινήτων παραγωγής που έχουν 2 βαλβίδες σε κάθε κύλινδρο, ο βαθμός πλήρωσης, το τελικό ποσοστό δηλαδή καυσίμου μίγματος πού εισάγεται στον κύλινδρο, σε σχέση με την ποσότητα που αυτός θεωρητικά μπορεί να χωρέσει, φτάνει στο 85 - 90%, ενώ στους κινητήρες παραγωγής με 4 βαλβίδες στον κύλινδρο φτάνει στο 95 - 100%. Η διαφορά είναι σαφής και παραπάνω από επαρκής για να δικαιολογήσει το ενδιαφέρον που υπάρχει για τη λύση των 4 βαλβίδων ανά κύλινδρο, δεδομένου ότι επιτρέπει την αύξηση της ισχύος τουλάχιστον κατά 10% με την ίδια ακριβώς χωρητικότητα και στις ίδιες στροφές. Στους αγωνιστικούς δε κινητήρες, όπου η ειδική σχεδίαση των αυλών εισαγωγής κι εξαγωγής και η διαφορετική ρύθμιση των βαλβίδων δημιουργούν κάποια μορφή εξαναγκασμένης πλήρωσης, οι 4 βαλβίδες ανά κύλινδρο οδηγούν σε βαθμούς πλήρωσης της τάξης του 125 - 130% (ενώ με τις δύο βαλβίδες φτάνουν μέχρι το 115%).
Τέλος, ένα άλλο πλεονέκτημα των κινητήρων με 4 βαλβίδες στον κύλινδρο, είναι ότι επιτρέπουν την κεντρική τοποθέτηση του μπουζί στην οροφή του θαλάμου καύσης γεγονός που διευκολύνει την ομοιόμορφη διάχυση της φλόγας, άρα και την πληρέστερη καύση (κι επομένως την ακόμα μεγαλύτερη αύξηση της ισχύος και μείωση της κατανάλωσης). Κάτι που δεν μπορεί να γίνει στους κινητήρες με 2 ή με 3 βαλβίδες στον κύλινδρο, οι βαλβίδες των οποίων είναι πολύ μεγάλες και δεν επιτρέπουν την κεντρική τοποθέτηση του μπουζί. Αυτό άλλωστε είναι και το βασικότερο μειονέκτημα των κινητήρων με 3 βαλβίδες σε σχέση με τις 4, αφού κατά τα άλλα οι πρώτοι έχουν επίσης βελτιωμένη «αναπνοή» σε σχέση με τις λύσεις των 2 βαλβίδων ανά κύλινδρο.

Το μειονέκτημα της απόκρισης

Όλα φαίνονται ιδανικά, αλλά δυστυχώς δεν είναι. Σ' ένα τόσο πολύπλοκο σύστημα σαν τον βενζινοκινητήρα σπάνια μπορείς να κερδίσεις τόσο εύκολα και τόσο πολύ σε απόδοση χωρίς να χάσεις κάπου αλλού. Και στη συγκεκριμένη περίπτωση το πρόβλημα που δημιουργούν οι 4 βαλβίδες είναι η μειωμένη απόκριση του κινητήρα στις χαμηλές και μεσαίες στροφές. Μειονέκτημα αρκετά σημαντικό όσον αφορά τα «οικογενειακά» επιβατικά αυτοκίνητα, αφού συνήθως οι κινητήρες τους λειτουργούν σ' αυτές ακριβώς τις στροφές.
Τι ακριβώς όμως εννοούμε με τον όρο απόκριση; Θα μπορούσαμε να την ορίσουμε σαν τη χρονική καθυστέρηση που μεσολαβεί μεταξύ της στιγμής που πιέζεται το πεντάλ του «γκαζιού» και της στιγμής που αρχίζει να επιταχύνει το αυτοκίνητο. Η καθυστέρηση αυτή πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη, αλλιώς δυσκολεύει αρκετά τον οδηγό, που πρέπει να υπολογίζει κάθε φορά κι αυτόν το «νεκρό» χρόνο στις αντιδράσεις του.
Η μεγάλη άλλωστε καθυστέρηση απόκρισης αποτελεί κι ένα από τα βασικότερα προβλήματα των κινητήρων με τούρμπο, που κάνει πολλούς. οδηγούς να προτιμούν τους ατμοσφαιρικούς κινητήρες. Η αργή απόκριση των κινητήρων με 4 βαλβίδες στον κύλινδρο στις χαμηλές και μεσαίες στροφές, οφείλεται σε εντελώς διαφορετικούς λόγους από την καθυστέρηση της απόκρισης των υπερτροφοδοτούμενων κινητήρων. Η επιφάνεια ροής του καυσίμου μίγματος και των καυσαερίων μέσω των θυρίδων εισαγωγής κι εξαγωγής σ' έναν κινητήρα με 4 βαλβίδες στον κύλινδρο είναι μεγαλύτερη κατά 30% περίπου από την αντίστοιχη επιφάνεια ενός κινητήρα της ίδιας χωρητικότητας με 2 μόνο βαλβίδες ανά κύλινδρο. Αυτό αυξάνει σημαντικά τη ροή του αέρα στην εισαγωγή κατά τη λειτουργία στις υψηλές στροφές, αυξάνοντας και την παραγόμενη ισχύ.
Στις χαμηλές και μεσαίες στροφές όμως, η μεγαλύτερη αυτή επιφάνεια μετατρέπεται από πλεονέκτημα σε μειονέκτημα. Γιατί, δεδομένου ότι η διαφορά πίεσης μεταξύ του εξωτερικού περιβάλλοντος είναι η ίδια, η μεγαλύτερη επιφάνεια σημαίνει αισθητά μικρότερη ταχύτητα της ροής του αέρα. Μια άλλη συνέπεια αυτού του γεγονότος και της μεγαλύτερης επιφάνειας των διόδων εισαγωγής είναι ότι είναι δυνατό να «σπρωχτεί» προς τα πίσω μέσα στον αυλό εισαγωγής από το ανερχόμενο έμβολο πολύ μεγαλύτερη ποσότητα καυσίμου. Τέλος, επειδή η επιφάνεια της εισαγωγής είναι μεγάλη, κάθε αύξηση, έστω και μικρή, της γωνίας ανοίγματος της «πεταλούδας» με το πάτημά του γκαζιού προκαλεί την ξαφνική εισαγωγή στον κύλινδρο μιας μεγάλης ποσότητας αέρα, δημιουργώντας στιγμιαία κατά την αρχή της επιτάχυνσης φτωχό μίγμα, που δεν ευνοεί βέβαια καθόλου την άμεση απόκριση του κινητήρα. Αυτά λοιπόν ήταν τα προβλήματα που δημιουργούσε η τοποθέτηση 4 βαλβίδων ανά κύλινδρο, κάτι που έκανε προβληματική τη χρησιμοποίηση αυτής της λύσης σε «οικογενειακά» αυτοκίνητα. Οι πολυβάλβιδοι κινητήρες δεν ήταν χρήσιμοι παρά σε αυτοκίνητα με «σπορτίφ» χαρακτήρα, όπου η λειτουργία του κινητήρα κοντά στο όριο στροφών είναι πολύ πιο συχνή κι όπου συνήθως είναι ανάλογος και ο προσανατολισμός του γενικότερου σχεδιασμού του (π.χ. εμφάνιση της μέγιστης ροπής πιο κοντά στο μέγιστο αριθμό στροφών παρά στη μέση της κλίμακάς τους). Σ' αυτά τα αυτοκίνητα η χρησιμοποίηση των 4 βαλβίδων παρουσίαζε οπωσδήποτε κάποιο ενδιαφέρον, δίνοντας τη δυνατότητα για αισθητή αύξηση της ισχύος των κινητήρων τους χωρίς προσφυγή στην περισσότερο πολύπλοκη από λειτουργικής πλευράς και περισσότερο ακριβή, λύση της τοποθέτησης υπερσυμπιεστή.
sx2.JPG
Σχήμα 2: Η προηγούμενη γενιά. Ο 16βάλβιδος κινητήρας της Τογιότα με το σύστημα μεταβλητής εξαγωγής T-VIS, εις τα… εξ ων συνετέθη. Κάτω δεξιά βλέπουμε την κυλινδροκεφαλή, όπου φαίνεται καθαρά το σημαντικό πλεονέκτημα της κεντρικής τοποθέτησης του μπουζί που επιτρέπει η «αρχιτεκτονική» των 4 βαλβίδων ανά κύλινδρο. Μεταξύ της κυλινδροκεφαλής και της πολλαπλής εισαγωγής φαίνεται το σύστημα μεταβλητής εισαγωγής με τις «πεταλούδες» για κάθε δεύτερη δίοδο εισαγωγής.

Το γενικότερο όμως ενδιαφέρον που παρουσίαζαν τα πλεονεκτήματα της καλύτερης «αναπνοής» των πολυβάλβιδων κινητήρων, ώθησε τους κατασκευαστές να ψάξουν για λύσεις εξάλειψης των μειονεκτημάτων τους, ώστε να γίνει δυνατή η χρησιμοποίησή τους σ' όλη την «γκάμα» των επιβατικών αυτοκινήτων. Ποιος δεν θα ενδιαφερόταν για ένα αυτοκίνητο με κινητήρα της ίδιας χωρητικότητας, αλλά με σημαντικά μεγαλύτερη ισχύ και με μικρότερη κατανάλωση; Οι προσπάθειες αυτές εστιάσθηκαν κυρίως προς τη δημιουργία συστημάτων μεταβλητής εισαγωγής, έτσι ώστε στις υψηλές στροφές η εισαγωγή να γίνεται κανονικά, όπως σ' οποιονδήποτε πολυβάλβιδο κινητήρα, αλλά στις χαμηλές και μεσαίες να κλείνουν οι μισές θυρίδες εισαγωγής, ώστε να μειώνεται η επιφάνεια της εγκάρσιας διατομής της ροής και όχι η ταχύτητά της. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα λύση με καλά αποτελέσματα, από την άλλη πλευρά όμως γίνεται υπερβολικά πολύπλοκη η κατασκευή της κυλινδροκεφαλής και του συστήματος εισαγωγής, κάτι που δεν μπορεί παρά να επηρεάζει και το κόστος κατασκευής.

Στροφή προς το σύστημα τροφοδοσίας

Αν έτσι είχαν τα πράγματα παλιότερα, η λύση φαίνεται ευκολότερη σήμερα, χάρη στα σύγχρονα συστήματα τροφοδοσίας, όπως απέδειξε πρόσφατα η δουλειά των ερευνητών της Τογιότα. Γιατί δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι τελικά μιλάμε για πρόβλημα τροφοδοσίας, αφού η απόκριση δεν εξαρτάται παρά από την άμεση παροχή αυξημένης ροπής, άρα καύση μεγαλύτερης ποσότητας καυσίμου ανά κύκλο λειτουργίας, μόλις αυτό ζητηθεί από τον οδηγό με το πάτημα του γκαζιού.
Η Τογιότα έχει μια αρκετά σημαντική εμπειρία στην κατασκευή πολυβάλβιδων κινητήρων, έχοντας μάλιστα δημιουργήσει κι ένα σύστημα σαν αυτά που αναφέραμε παραπάνω, για τη βελτίωση της απόκρισης των κινητήρων αυτών στις μεσαίες και χαμηλές στροφές. Πρόκειται για το σύστημα T-VIS (Toyota Variable Induction System) που τοποθετήθηκε στον κινητήρα 4A-GE και φροντίζει για το κλείσιμο των 4 από τις 8 διόδους εισαγωγής του κινητήρα, αμέσως μόλις οι στροφές του κινητήρα πέσουν κάτω από τις 4.650.
Η νέα προσέγγιση του προβλήματος που επιχείρησαν οι μηχανικοί της εταιρίας, στηρίζεται στη νέα γενιά των ηλεκτρονικών συστημάτων ψεκασμού, τα οποία επιτρέπουν τον έλεγχο της τροφοδοσίας βάσει ενός μεγάλου αριθμού δεδομένων, που λαμβάνουν υπ' όψη όλες τις παραμέτρους που επηρεάζουν τη λειτουργία του κινητήρα.
Πριν προχωρήσουμε σε περισσότερες λεπτομέρειες για τη δουλειά τους, πρέπει να υπενθυμίσουμε ότι τα συστήματα ψεκασμού έχουν πάψει πλέον ν' αποτελούν πολυτέλεια που χρησιμοποιείται μόνο στ' ακριβά αυτοκίνητα κι ότι στο μέλλον θα τα συναντούμε όλο και συχνότερα σε όλο και πιο «κοινά» αυτοκίνητα. Η μεγάλη αυστηρότητα των νέων κανονισμών για τη ρύπανση της ατμόσφαιρας σ' όλον τον κόσμο, κάνει σχεδόν υποχρεωτική τη χρησιμοποίηση συστημάτων ψεκασμού σ' ένα μεγάλο αριθμό αυτοκινήτων, που δεν ανήκουν μόνο στις μεγάλες κατηγορίες. Ιδιαίτερα μάλιστα στη μεσαία κατηγορία, είναι πολύ πιθανό να χρησιμοποιηθούν συστήματα ψεκασμού από πολλούς κατασκευαστές μετά το 1990, προκειμένου να συμμορφωθούν με τους νέους ευρωπαϊκούς κανονισμούς για τη ρύπανση χωρίς ν αναγκαστούν να χρησιμοποιήσουν καταλύτες ή τουλάχιστον τους πιο σύνθετους καταλύτες, ενώ ακόμα και με τη χρησιμοποίηση καταλυτών είναι χρήσιμη η τροφοδοσία με ψεκασμό για την αποτελεσματικότερη λειτουργία τους. Οι μηχανικοί της Τογιότα έκαναν μια σειρά δοκιμών σε πολυβάλβιδους κινητήρες, διαπιστώνοντας ότι μπορούσαν να βελτιώσουν πολλά πράγματα με κάποιες διαφορετικές ρυθμίσεις στην τροφοδοσία. Είναι για παράδειγμα γνωστό, ότι για την καλή απόκριση του κινητήρα, πρέπει να ελαχιστοποιηθεί όσο γίνεται περισσότερο η απόσταση μεταξύ του ακροφύσιου ψεκασμού (που βρίσκεται στον αυλό εισαγωγής) και της βαλβίδας εισαγωγής. Πρέπει λοιπόν ο ψεκασμός να γίνεται προς την κατεύθυνση της βαλβίδας εισαγωγής και το ακροφύσιο να τοποθετείται όσο πιο κοντά σ' αυτήν είναι δυνατό. Όταν όμως οι βαλβίδες εισαγωγής είναι δύο, κάτι τέτοιο γίνεται δυσκολότερο, γιατί πρέπει η απόσταση ψεκασμού να είναι μικρή και για τις δύο βαλβίδες ταυτόχρονα. Αναγκαστικά λοιπόν πρέπει να υιοθετηθεί μια μέση λύση, που αποτελεί οπωσδήποτε συμβιβασμό και δεν μπορεί να δίνει τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα. Η δοκιμές έδειξαν ότι αν ο ψεκασμός γίνεται προς το μέρος της μιας μόνο από τις δύο βαλβίδες (ώστε να υπάρχει η βέλτιστη λύση τουλάχιστον για μία από τις δύο) υπάρχει μείωση της ροπής και ανεπαρκής καύση. Αναγκαστικά λοιπόν υιοθετήθηκε ο συμβιβασμός της κεντρικής τοποθέτησης του ακροφύσιου, σε ίση απόσταση δηλαδή από τις δύο βαλβίδες εισαγωγής. Παράλληλα, μια άλλη ομάδα μηχανικών προχώρησε στην εξέλιξη ενός νέου ακροφύσιου ψεκασμού με δύο οπές, το οποίο κατευθύνει έτσι μία δέσμη σταγονιδίων καυσίμου προς κάθε βαλβίδα. Σε συνδυασμό και με την ικανοποίηση ορισμένων άλλων συνθηκών που επηρεάζουν την απόκριση και γενικότερα τη λειτουργία του κινητήρα (π.χ. αποφυγή της ύγρανσης των τοιχωμάτων του αυλού εισαγωγής από το καύσιμο) το νέο ακροφύσιο βελτίωσε την απόκριση του κινητήρα αλλά ακόμη και την αποτελεσματικότητα του καταλύτη που ήταν τοποθετημένος στην εξάτμισή του (η λειτουργία του οποίου επηρεάζεται σημαντικά από τις μεγάλες διακυμάνσεις του λόγου αέρας / καύσιμο που παρατηρούνται στις μεταβατικές περιόδους λειτουργίας των πολυβάλβιδων κινητήρων).
Ένα πρόβλημα που έπρεπε να λυθεί, ήταν ο καθορισμός των επιπτώσεων που είχε στη λειτουργία του κινητήρα η μείωση της ταχύτητας εισαγωγής του αέρα στις χαμηλές και μεσαίες στροφές. Οι υποψίες εστιάσθηκαν στην ανεπαρκή μίξη αέρα - καυσίμου και για την επιβεβαίωσή τους έγινε μια σειρά μετρήσεων της ροπής, των εκπομπών ρύπων και της ειδικής κατανάλωσης με διαφορετικούς χρόνους έναρξης του ψεκασμού και με ρύθμιση της λειτουργίας με στοιχειομετρικό λόγο αέρας / καύσιμο, και στους δύο κινητήρες ( με 2 και με 4 βαλβίδες ανά κύλινδρο). Τ' αποτελέσματα έδειξαν ότι αν ο ψεκασμός άρχιζε με αργή ταχύτητα του αέρα εισαγωγής, το καύσιμο που περνούσε από την βαλβίδα εισαγωγής δεν διασκορπιζόταν αρκετά, με αποτέλεσμα το μίγμα να μην είναι ομογενές και η καύση να είναι ανεπαρκής (με όλα τα επακόλουθα στην απόδοση, την κατανάλωση και τη ρύπανση).
Από τη στιγμή που έγινε αντιληπτό ότι ήταν δυνατό να επηρεαστεί η απόδοση του πολυβάλβιδου κινητήρα στις χαμηλές στροφές με τη μεταβολή του χρονισμού του ψεκασμού, έπρεπε να προσδιορισθεί ποια ακριβώς ρύθμισή του ήταν αυτή που έδινε τα επιθυμητά αποτελέσματα. Γιατί όπως έδειξε μια άλλη σειρά δοκιμών, η μεταβολή του χρονισμού του ψεκασμού μπορεί επίσης να επηρεάσει, προς το χειρότερο, την απόδοση του καταλύτη (και γενικότερα την εκπομπή ρύπων), όπως επίσης και την «αναπομπή» του καυσίμου προς την εισαγωγή από το ανερχόμενο έμβολο. Σχετικά με το τελευταίο φαινόμενο, παρατηρήθηκε ότι προς το τέλος της περιόδου κατά την οποία οι βαλβίδες εισαγωγής είναι ανοιχτές κατά τη λειτουργία με λίγες στροφές, η πίεση στον κύλινδρο ήταν μεγαλύτερη από την πίεση στην πολλαπλή εισαγωγής. Με αποτέλεσμα, αν εκείνη τη στιγμή γινόταν ψεκασμός, να «σπρώχνεται» καύσιμο από τον ένα κύλινδρο προς την πολλαπλή και να διοχετεύεται στους άλλους. Έτσι ώστε να υπάρχει τελικά φτωχό μίγμα σ' αυτόν κι ελαφρά πλούσιο στους άλλους, γεγονός που δεν χρειάζεται να επισημάνουμε πόσο μπορεί να επηρεάσει την ομαλή λειτουργία του κινητήρα. Η τελική μέθοδος που υιοθετήθηκε για την επίτευξη καλής απόκρισης στον πολυβάλβιδο κινητήρα κατά τη λειτουργία σε χαμηλές στροφές, ήταν ο ψεκασμός στους κυλίνδρους ανά ομάδες των δύο, όπως και η παροχή μιας πρόσθετης ποσότητας καυσίμου κατά τη μεταβατική περίοδο της επιτάχυνσης, κατά την οποία παρατηρήθηκε ότι δημιουργείται μία έλλειψη καυσίμου, με συνέπεια τη φτωχή απόκριση και τις άλλες λειτουργικές «ανωμαλίες». Η μέθοδος ονομάστηκε TCFI (Transient Compensatory Fuel Injection - Πρόσκαιρος Αντισταθμιστικός Ψεκασμός Καυσίμου) και η πρόσθετη ποσότητα που ψεκάζεται ρυθμίζεται από το ηλεκτρονικό κέντρο του συστήματος, ανάλογα με την ταχύτητα ανοίγματος της «πεταλούδας». Τ' αποτελέσματα των δοκιμών μετά την εφαρμογή της ήταν εντυπωσιακά. Ενώ η καθυστέρηση απόκρισης σ' ένα αυτοκίνητο με κινητήρα 2 βαλβίδων ανά κύλινδρο ήταν στις δοκιμές 0,29 δευτερόλεπτα και αυξήθηκε στα 0,42 δευτερόλεπτα με τον ίδιο κινητήρα σε έκδοση 4 βαλβίδων, μετά τη νέα ρύθμιση της τροφοδοσίας η καθυστέρηση της πολυβάλβιδης έκδοσης έπεσε στα 0,26 δευτερόλεπτα, χαμηλότερα δηλαδή κι από την έκδοση των 2 βαλβίδων.

Τέσσερεις βαλβίδες ή τούρμπο;

Το πρακτικό αποτέλεσμα της δουλειάς των μηχανικών της Τογιότα ήταν ότι εξάλειψε το βασικό μειονέκτημα των πολυβάλβιδων κινητήρων, δίνοντας τη δυνατότητα να γίνουν πιο ελαστικοί άρα και πιο εύχρηστοι. Το επόμενο ερώτημα που τίθεται μετά απ' αυτήν την εξέλιξη, είναι αν τελικά πρέπει να εγκαταλειφθούν οι υπερσυμπιεστές σαν μέσο για την αύξηση της ισχύος των κινητήρων μικρής και μεσαίας χωρητικότητας και να υιοθετηθεί αντί γι' αυτούς η χρησιμοποίηση των πολυβάλβιδων κυλινδροκεφαλών.
sx3.JPG
Σχήμα 3: Το νέο ακροφύσιο ψεκασμού της Τογιότα αποτελεί μια καλή προσέγγιση του προβλήματος αποτελεσματικής μίξης αέρα - καυσίμου στους πολυβάλβιδους κινητήρες. Το ακροφύσιο διαθέτει δύο οπές και δημιουργεί μια δέσμη σταγονιδίων προς την κατεύθυνση της κάθε μιας από τις δύο βαλβίδες εισαγωγής. Έτσι ο ψεκασμός είναι ομοιόμορφος και ο καλός διασκορπισμός του καυσίμου επιτρέπει την πληρέστερη καύση του.

Το ερώτημα δεν είναι θεωρητικό, αφού τίθεται ήδη από πολλούς και μάλιστα όχι χωρίς επιχειρήματα. Η προσωπική μας άποψη είναι ότι κάτι τέτοιο δεν είναι σωστό και δεν πρόκειται να συμβεί, για τον απλούστατο λόγο ότι μιλάμε για δύο διαφορετικά πράγματα. Η αύξηση της ισχύος που μπορεί να επιτευχθεί με τους υπερσυμπιεστές είναι πολύ μεγαλύτερη απ' αυτήν που μπορούν να πετύχουν οι 4 βαλβίδες στον κύλινδρο, κάτι που φέρνει τις δύο λύσεις σε διαφορετική θέση. Η χρησιμοποίηση των 4 βαλβίδων έχει σαν στόχο την αύξηση της ισχύος ενός κινητήρα, ενώ η χρησιμοποίηση του υπερσυμπιεστή έχει σαν στόχο την παραγωγή μεγάλης ισχύος από ένα μικρό κινητήρα. Όσο κι αν αυτά τα δύο φαίνονται παρόμοια, στην πραγματικότητα είναι εντελώς διαφορετικά, παρά τον κοινό στόχο της μείωσης της κατανάλωσης (σε σχέση με την παραγόμενη ισχύ για τη λύση του υπερσυμπιεστή, σε απόλυτες τιμές για τη λύση των 4 βαλβίδων).
Εκείνο που μπορεί ίσως ν' αλλάξει είναι η κατανομή των δύο λύσεων ανάλογα με τις απαιτήσεις του κάθε συγκεκριμένου μοντέλου. Με την επικράτηση, για παράδειγμα, των 4 βαλβίδων στο χώρο των δυνατών και γρήγορων «οικογενειακών» αυτοκινήτων και τον περιορισμό των υπερσυμπιεστών στο χώρο των αυτοκινήτων με σπορ χαρακτήρα, όπου απαιτείται η απόδοση μιας μαζικής ροπής και ισχύος σε μια στενότερη περιοχή λειτουργίας του κινητήρα. Οι υπερσυμπιεστές άλλωστε αποτελούν μια αρκετά καλή λύση για την παραγωγή συγκεκριμένης ισχύος με μικρότερη κατανάλωση και δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι κι αυτών τα μειονεκτήματα αρχίζουν βαθμιαία να ξεπερνιούνται και κάθε νέα γενιά είναι καλύτερη από την προηγούμενη. Σε τελική ανάλυση, στην αυτοκινητοβιομηχανία δεν υπάρχει ακόμα η λύση - πανάκεια και το δόγμα που επικρατεί όλο και περισσότερο είναι «η πιο κατάλληλη λύση για τις συγκεκριμένες ανάγκες».