Honda Variable Wing Turbo System (4T 225, 6/1989)
Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος
Η μικρή απόδοση των υπερσυμπιεστών στις χαμηλές στροφές είναι ένα πρόβλημα που ψάχνει ακόμα να βρει τη λύση του στα ερευνητικά κέντρα των αυτοκινητοβιομηχανιών, αποτελώντας και το σημαντικότερο μειονέκτημα των υπερτροφοδοτούμένων κινητήρων σε σχέση με τους ατμοσφαιρικούς. Μια νέα λύση προτείνεται τώρα από τη Χόντα, με τη μορφή ενός Συστήματος Τούρμπο Μεταβλητών Πτερυγίων (Variable Wing Turbo System). Στον υπερσυμπιεστή αυτόν υπάρχουν 4 πτερύγια με μεταβλητό σχήμα που περιβάλλουν τη φτερωτή του στροβίλου. Με τη μεταβολή του σχήματος τους, που ελέγχεται από τον υπολογιστή ελέγχου του συστήματος ψεκασμού, μεταβάλλεται η ταχύτητα της ροής των καυσαερίων στο στρόβιλο και κατά συνέπεια και η παρεχόμενη υπερσυμπίεση από το συμπιεστή. Έτσι είναι δυνατή η παραγωγή επαρκούς ροπής σ' όλη την κλίμακα των στροφών, χωρίς μάλιστα να υπάρχει ανάγκη ύπαρξης βαλβίδας διαφυγής. Επειδή τα πτερύγια κλείνουν στιγμιαία μόλις πατηθεί το «γκάζι» για επιτάχυνση από χαμηλή ταχύτητα, υπάρχει μια βελτίωση της απόκρισης του κινητήρα σε σχέση με τους κοινούς υπερσυμπιεστές. Έτσι το πρόβλημα της καθυστέρησης απόκρισης (turbo lag) που χαρακτηρίζει τους κινητήρες τούρμπο σχεδόν εξαλείφεται όπως υποστηρίζει η Χόντα. Η τοποθέτηση του νέου υπερσυμπιεστή σ' ένα 2λιτρο V6 κινητήρα, που στην ατμοσφαιρική έκδοσή του αποδίδει 145 ίππους, αύξησε την ισχύ του στους 190 ίππους.
Σχήμα 1: Σχέδιο τομής του νέου υπερσυμπιεστή της Χόντα. Ο στρόβιλος είναι αριστερά, με τα πτερύγια μεταβλητού σχήματος που τον περιβάλλουν στην ανοιχτή θέση.
Σχήμα 2: Σχηματική παράσταση της λειτουργίας των μεταβλητών πτερυγίων.
Υπερσυμπιεστές: προσπάθειες και προοπτικές (4Τ 137, 2/1982)
Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος
Μια δεύτερη εμπλοκή στο τεράστιο κεφάλαιο των υπερσυμπιεστών, που εξετάζει τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η εξάπλωση τους και συγκρίνει τούς υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες βενζίνης και πετρελαίου.
Οι υπερσυμπιεστές χρησιμοποιούν την ενέργεια των καυσαερίων του κινητήρα για ν' αυξήσουν την ποσότητα του αέρα (κι επομένως και του καυσίμου) που εισέρχεται στον κινητήρα σε κάθε κύκλο λειτουργίας. Αυτό γίνεται με την κίνηση ενός μικρού στροβίλου (τουρμπίνας) από τα καυσαέρια, που με τη σειρά του μεταδίδει την κίνηση σ' ένα συμπιεστή που συμπιέζει τον αέρα εισαγωγής. Έτσι στον ίδιο χώρο έχουμε μεγαλύτερη μάζα αέρα, κι επομένως μπορούμε να τον αναμείξουμε με μεγαλύτερη μάζα καυσίμου. Στο τεύχος 117 (Ιούνης 1980) των 4T περιλαμβανόταν ένα άρθρο που εξηγούσε διεξοδικότερα τη λειτουργία των υπερσυμπιεστών κι έτσι δεν θα επανέλθουμε σ' αυτήν. Θα τονίσουμε μόνο αυτό που αποτελεί και το βασικό λόγο της χρησιμοποίησης των υπερσυμπιεστών. πως με τον τρόπο αυτό εκμεταλλευόμαστε μέρος της ενέργειας των καυσαερίων, που αλλιώς θα πήγαινε χαμένο. Οι υπερσυμπιεστές βέβαια δεν λύνουν όλα τα προβλήματα, ή καλύτερα λύνουν ορισμένα και δημιουργούν άλλα! Και πρώτα απ' όλα, πέρα από τα λειτουργικά προβλήματα, υπάρχουν τα προβλήματα αυξημένου κόστους και διαθέσιμου χώρου. Πέρα όμως από τις προσπάθειες για συμπίεση του κόστους παραγωγής, πρέπει να υπάρξουν και άλλες για ουσιαστική μείωση των καταναλώσεων σε σχέση με τους συμβατικούς κινητήρες, ώστε η αγορά ενός αυτοκινήτου με κινητήρα με υπερσυμπιεστή να είναι συμφέρουσα. Όσο για το κόστος πιστεύεται ότι, αφενός θα μειωθεί όταν η παραγωγή γίνει περισσότερο μαζική, αφετέρου είναι ήδη μειωμένο, από το γεγονός ότι για την ίδια ισχύ χρειαζόμαστε μικρότερους κι επομένως φτηνότερους κινητήρες. Από την άλλη πλευρά, σχετικά με το πρόβλημα του χώρου, η προσπάθεια είναι να μειωθεί το μέγεθος του υπερσυμπιεστή, αλλά και να είναι εύκολη η τοποθέτησή του κάτω από το καπό, ανάλογα με το είδος και τις απαιτήσεις του κινητήρα (π.χ. κινητήρας V ή εν σειρά κλπ.).
Άλλα προβλήματα των κινητήρων με υπερσυμπιεστή είναι η καθυστέρηση απόκρισης στο πάτημα του γκαζιού (το λεγόμενο turbo lag) και η αδυναμία για επίπεδη καμπύλη ροπής. το ιδανικό θα ήταν να μπορούσαμε να έχουμε μεγάλες ταχύτητες περιστροφής του υπερσυμπιεστή σ' όλη την κλίμακα των στροφών. Αν όμως μεγιστοποιήσουμε την ταχύτητα του συμπιεστή στις χαμηλές στροφές, η υπερτροφοδοσία θα είναι υπερβολική στις πολλές στροφές, με αποτέλεσμα πολύ μεγάλες πιέσεις, που θα ξεπερνούν την αντοχή του κινητήρα ή υπερβολική ταχύτητα και κατά συνέπεια καταστροφή του υπερσυμπιεστή. Ο συμβιβασμός που γίνεται συνήθως σήμερα είναι να διαλέγεται ο υπερσυμπιεστής για βέλτιστη λειτουργία στις μεσαίες στροφές και να περιορίζεται η ροή των καυσαερίων στις πολλές στροφές με βαλβίδα διαφυγής (waste gate) που «διακλαδώνει» μέρος της ροής και δεν το αφήνει να περάσει από την τουρμπίνα. Φυσικά έτσι χάνεται μέρος της ενέργειας των καυσαερίων. μια διαφορετική αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος θα ήταν η ρύθμιση της διατομής της ροής στο κέλυφος της τουρμπίνας. Η ταχύτητα της τουρμπίνας θα μπορούσε να διατηρηθεί ψηλά και στις χαμηλές στροφές του κινητήρα, μειώνοντας τη διατομή του κελύφους. Όταν ο κινητήρας αύξανε τις στροφές του, η διατομή θα άνοιγε για να αποφευχθεί η υπερβολική υπερτροφοδοσία. Έτσι θα είχαμε σταθερή ταχύτητα υπερσυμπιεστή κι επομένως σταθερή πίεση εισαγωγής σ' όλο το πεδίο λειτουργίας του κινητήρα, λύνοντας έτσι πολλά προβλήματα και βελτιώνοντας τα χαρακτηριστικά του κινητήρα (κατανάλωση, εκπομπές, καμπύλη ροπής, καθυστέρηση απόκρισης κ.λπ.). Ο έλεγχος της ροής θα μπορούσε επίσης να γίνεται από την πλευρά του συμπιεστή αντί από την πλευρά της τουρμπίνας. μια άλλη από τις λύσεις που δοκιμάζονται είναι η υπερσυμπίεση δύο βαθμίδων. Δύο υπερσυμπιεστές τοποθετούνται εν σειρά. το αποτέλεσμα είναι μεγάλη ροπή, αλλά και ομαλότερη καμπύλη ροπής, χωρίς μεγάλη καταπόνηση των υπερσυμπιεστών. το σύστημα αυτό δοκιμάζεται για τούς κινητήρες ντίζελ, γιατί οι βενζινοκινητήρες δεν «σηκώνουν» μεγάλη υπερσυμπίεση και θα δούμε αργότερα γιατί. Συνήθως μία βαλβίδα διαφυγής (wastegate) τοποθετείται μεταξύ των δύο στροβίλων, όπως φαίνεται και στο σχήμα, για ν' αποφευχθούν υπερβολικά μεγάλες πιέσεις στη λειτουργία με πολλές στροφές. Έτσι όταν η πίεση από την πλευρά της εξόδου των καυσαερίων ξεπεράσει ένα όριο μετά την πρώτη τουρμπίνα, μέρος των καυσαερίων διακλαδώνεται για να μην περάσει από τη δεύτερη. με τον τρόπο αυτό ο αντίστοιχος συμπιεστής συμπιέζει λιγότερο τον αέρα και η συνολική υπερσυμπίεση είναι μικρότερη. Για την αποφυγή προβλημάτων υπερθέρμανσης (κύρια του αλουμινένιου συμπιεστή υψηλής πίεσης) χρειάζεται ψύξη του συμπιεσμένου από την πρώτη βαθμίδα αέρα εισαγωγής. Θα ήταν δυνατό να χρησιμοποιηθούν άλλα υλικά με καλύτερη συμπεριφορά στις ψηλές θερμοκρασίες, αυτό όμως θα αύξανε, λόγω μεγαλύτερου βάρους, την αδράνεια του περιστρεφόμενου μέρους (ρότορα) του συμπιεστή (κι επομένως και την καθυστέρηση απόκρισης). Επίσης θα αύξανε και το κόστος υπερσυμπιεστή. Βασικό πρόβλημα στην υπερσυμπίεση δύο βαθμίδων είναι φυσικά ο όγκος του συστήματος. Το πρόβλημα του χώρου, που ήδη υπάρχει για την υπερσυμπίεση μίας βαθμίδας, γίνεται έτσι οξύτερο. μια άλλη εφαρμογή για τη διατήρηση μεγάλων ταχυτήτων της τουρμπίνας και στις χαμηλές στροφές του κινητήρα και για περισσότερη υπερσυμπίεση είναι το σύστημα Υπερμπάρ (Hyperbar). Στο σύστημα αυτό χρησιμοποιείται υπερσυμπιεστής μίας βαθμίδας, που περιλαμβάνει όμως και βαθμίδα μετάκαυσης πριν την εκτόνωση των καυσαερίων στην τουρμπίνα. Ο καυστήρας αυτός μπαίνει σε λειτουργία κάτω από έναν ορισμένο αριθμό στροφών του κινητήρα διατηρώντας έτσι μεγάλη ταχύτητα της τουρμπίνας και του συμπιεστή, κι επομένως σταθερή υπερσυμπίεση και σταθερή ροπή και στις μικρές ταχύτητες του κινητήρα. Επιπλέον, για το ξεκίνημα, με μια διακλάδωση (by pass) του αέρα εισαγωγής το σύστημα μετατρέπεται προσωρινά σε αεριοστρόβιλο. Έτσι ο συμπιεστής φτάνει σ' έναν αριθμό στροφών τέτοιο που να επιτρέπει ικανοποιητική παροχή του αέρα για να ξεκινήσει η λειτουργία του κινητήρα. Τότε η διακλάδωση κλείνει και ο αέρας διοχετεύεται πλέον στους κυλίνδρους, συμπιεσμένος και ζεστός αρκετά, για να γίνει το ξεκίνημα χωρίς προβλήματα. Επίσης η διακλάδωση χρησιμοποιείται για να μπορεί να υπάρχει σταθερή ροή αέρα από το συμπιεστή, άσχετα με τις απαιτήσεις της μηχανής διοχετεύοντας τον περσσευούμενο αέρα προς την εξαγωγή. Τα πλεονεκτήματα του συστήματος είναι το πανεύκολο ξεκίνημα τού κρύου κινητήρα, η μεγάλη και σχετικά σταθερή σ' όλο το εύρος των στροφών ροπή και η γρήγορη απόκριση. Από την άλλη πλευρά η κατανάλωση αυξάνει, όταν λειτουργεί ο καυστήρας και το σύστημα παροχής καυσίμου που απαιτείται γι' αυτόν προσθέτει κόστος, πολυπλοκότητα και προβλήματα αξιοπιστίας.
Ας συγκρίνουμε τώρα δύο κινητήρες, έναν βενζίνης και έναν ντίζελ, που χρησιμοποιούν υπερσυμπίεση.
Ο κινητήρας ντίζελ μειονεκτεί σε σχέση με τον βενζινοκινητήρα στη σχέση μέγεθος- ισχύς και επομένως βάρος-ισχύς. Η ισχύς ανά λίτρο κυβισμού του ντίζελ είναι σαφώς κατώτερη της αντίστοιχης του βενζινοκινητήρα. Η υπερσυμπίεση θα μπορούσε να καλύψει τη διαφορά αυτή. Ο ντίζελ παρουσιάζει λιγότερα, προβλήματα από τον βενζινοκινητήρα στη χρησιμοποίηση υπερσυμπιεστή. Έχει χαμηλότερες θερμοκρασίες εξαγωγής, δεν έχει πρόβλημα αυτανάφλεξης του καυσίμου του (αφού η λειτουργία του βασίζεται ακριβώς στην αυτανάφλεξη του καυσίμου), και η κλίμακα των στροφών του είναι πιο μικρή από του βενζινοκινητήρα. Οπωσδήποτε όμως υπάρχει ένα ανώτατο όριο υπερσυμπίεσης, που τίθεται από την αντοχή του κινητήρα στις ψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες. το σύστημα χρειάζεται μικρή τουρμπίνα για καλή ροπή στις χαμηλές στροφές (αλλά και για μικρή αδράνεια κι επομένως μικρή καθυστέρηση απόκρισης) και συγχρόνως βαλβίδα διαφυγής (waste gate) για αποφυγή μεγάλης υπερτροφοδοσίας στις πολλές στροφές. με την υπερτροφοδοσία ο κινητήρας ντίζελ μπορεί να έχει απόδοση ανάλογη μ' αυτή του βενζινοκινητήρα του ίδιου κυλινδρισμού. Το σύστημα του υπερσυμπιεστή προσθέτει όμως κόστος στον ντίζελ που ήδη είναι ακριβότερος του βενζινοκινητήρα. Βέβαια όταν αρχίσει η μαζική παραγωγή υπερσυμπιεστών το κόστος θα συμπιεστεί. Πάντως ένας μικρός ντίζελ μπορεί να αποδώσει την ίδια ισχύ μ' έναν άλλο φυσικής αναπνοής με κυλινδρισμό μεγαλύτερο κατά 40%, έχοντας το ίδιο κόστος μ' αυτόν. Το κέρδος θα είναι το μικρότερο βάρος και ο μικρότερος συνολικός όγκος του συνόλου.
Το βασικό πρόβλημα της υπερτροφοδοσίας του βενζινοκινητήρα είναι ο έλεγχος της αυτανάφλεξης του καύσιμου, που έχει σαν αποτέλεσμα το χτύπημα (knock) του κινητήρα. για την αποφυγή της αυτανάφλεξης λόγω υπερτροφοδοσιας (οπότε ανεβαίνουν οι θερμοκρασίες και οι πιέσεις μέσα στον κύλινδρο και οι πιθανότητες για αυτανάφλεξη αυξάνουν) υπάρχουν διάφορες μέθοδοι. Τέτοιες είναι ο περιορισμός της μέγιστης πίεσης υπερτροφοδοσίας, η μείωση της σχέσης συμπίεσης, η καθυστέρηση της έναυσης (δηλαδή η μείωση του αβάνς), η ψύξη του αέρα εισαγωγής (που προσθέτει όμως κόστος και όγκο) ή ακόμη ο ψεκασμός νερού. Η μείωση της συμπίεσης και η καθυστέρηση έναυσης μειώνουν την απόδοση του κινητήρα. Η δεύτερη φαίνεται περισσότερο ενδιαφέρουσα σήμερα γιατί, με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών, μπορεί να γίνεται μόνο όταν χρειάζεται. Μια ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου δηλαδή θα μειώνει το αβάνς μόνον όταν ανιχνεύει συμπτώματα αυτανάφλεξης. Έτσι, όταν δεν υπάρχει τέτοιο πρόβλημα, η προπορεία έναυσης (αβάνς) θα ρυθμίζεται στη βέλτιστη τιμή της για καλύτερη απόδοση. Το πρόβλημα με τον βενζινοκινητήρα είναι ότι έχει μεγαλύτερες θερμοκρασίες εξαγωγής από τον ντίζελ, με αποτέλεσμα μεγαλύτερες θερμικές καταπονήσεις της τουρμπίνας. Επιπλέον, η καθυστέρηση της προπορείας έναυσης για έλεγχο της αυτανάφλεξης έχει σα συνέπεια ακόμα μεγαλύτερες θερμοκρασίες των καυσαερίων. Έτσι η θερμική καταπόνηση της πολλαπλής εξαγωγής και της τουρμπίνας είναι μεγάλη. Χρειάζεται λοιπόν καλύτερη σχεδίαση και νέα υλικά. το πρόβλημα για τούς υπερσυμπιεστές είναι ν' αυξηθεί η αξιοπιστία, αλλά και να μειωθεί το κόστος. Κι αυτό το τελευταίο δεν θα γίνει παρά μόνο όταν αρχίσει η μαζική παραγωγή τους σε μεγάλους αριθμούς, όπως γίνεται π.χ. με τις αντλίες ψυκτικού.
Σχήμα 1: Σύστημα υπερσυμπίεσης δύο βαθμίδων. Δύο υπερσυμπιεστές τοποθετημένοι εν σειρά, με βαλβίδα διαφυγής (waste gate) μεταξύ των δύο στροβίλων.
Σχήμα 2: Το σύστημα Υπερμπάρ (Hyperbar), που διατηρεί μεγάλη ταχύτητα του υπερσυμπιεστή σ' όλη την κλίμακα των στροφών της μηχανής, με τη βοήθεια του καυστήρα στην εξαγωγή, πριν την τουρμπίνα.
Ένα άλλο πρόβλημα που οξύνεται στο βενζινοκινητήρα είναι η καθυστέρηση απόκρισης. Αυτό συμβαίνει γιατί η αδράνεια του βενζινοκινητήρα είναι μικρή, ο ίδιος είναι πιο νευρικός και η κλίμακα των στροφών του μεγαλύτερη. Έτσι κάθε καθυστέρηση στην απόκριση γίνεται περισσότερο εμφανής απ' ό,τι στον ντίζελ, που έτσι κι αλλιώς δεν είναι και πολύ νευρικός. για να λυθεί το πρόβλημα χρειάζεται μικρός όγκος των πολλαπλών εισαγωγής κι εξαγωγής, μικρή αδράνεια του υπερσυμπιεστή, μεγάλη απόδοσή του σε μικρούς λόγους πίεσης, μικρή επικάλυψη των χρόνων ανοίγματος των βαλβίδων και σωστά σχεδιασμένα συστήματα ελέγχου της υπερτροφοδοσίας και καυσίμου. Ίσως μια λύση στο πρόβλημα να είναι η μικρή αδράνεια μίας τουρμπίνας από κεραμικά.
Προβλήματα παρουσιάζονται με τη ροή στην τουρμπίνα όχι μόνο λόγω μεγαλύτερων θερμοκρασιών στο βενζινοκινητήρα, αλλά κι εξαιτίας της μεγάλης κλίμακας ταχυτήτων (κι επομένως και ροής) και του περιορισμού στην υπερτροφοδοσία για την αποφυγή της αυτανάφλεξης. Έτσι η ταχύτητα του υπερσυμπιεστή πέφτει στη λειτουργία με λίγο φορτίο περισσότερο από τον ντίζελ. Έτσι χρειάζεται ακόμη μικρότερη καθυστέρηση απόκρισης με την αύξηση του φορτίου. Σημαντικό ρόλο παίζει η τοποθέτηση του «στραγγαλισμού» του αέρα (τής πεταλούδας). Αν τοποθετηθεί πριν το συμπιεστή, οπότε φτάνει ο' αυτόν αέρας μικρότερης πίεσης από την ατμοσφαιρική που συμπιέζεται και εισάγεται απ' ευθείας στον κύλινδρο, έχουμε καλύτερη απόδοση του συμπιεστή και η ταχύτητά του είναι μεγαλύτερη. Σημαντικό ρόλο επίσης παίζει κι η τοποθέτηση του καρμπιρατέρ. Μεγαλύτερα πλεονεκτήματα παρουσιάζει η τοποθέτησή του μετά το συμπιεστή, παρά το γεγονός ότι δημιουργεί την ανάγκη μίας αντλίας καυσίμου που να παρέχει καύσιμο με μεγαλύτερη πίεση από τον συμπιεσμένο αέρα. Μ' αυτή την τοποθέτηση όμως, ο υπερσυμπιεστής μπορεί να τοποθετηθεί οπουδήποτε στο χώρο της μηχανής, κι αυτό είναι πολύ σημαντικό. Η αντίθετη λύση (τοποθέτηση καρμπιρατέρ πριν τον συμπιεστή) έχει πλεονεκτήματα αλλά και σημαντικά μειονεκτήματα, όχι μόνο στην απόδοση αλλά και στη μόλυνση του περιβάλλοντος.
Η έρευνα συνεχίζεται εντατικά. Οι υπερσυμπιεστές αποτελούν μια πραγματικότητα και τα πλεονεκτήματά τους είναι πλέον αποδεκτά απ' όλους. Μένει να δούμε πόσο γρήγορα θ' αυξηθεί η αξιοπιστία τους και θα μειωθεί το κόστος τους, ώστε να επωφεληθεί ο κάθε οδηγός από τις δυνατότητες που προσφέρουν.