Η ανατομία του κινητήρα diesel

Με αφορμή το θόρυβο που προέκυψε πρόσφατα γύρω από την πετρελαιοκίνηση, αναδημοσιεύουμε, από πρόσφατο τεύχος των 4ΤΡΟΧΩΝ, συνέντευξη με τον Βαγγέλη Καρβούνη, υπεύθυνο εξέλιξης των πετρελαιοκινητήρων της Ford, ο οποίος μας εξηγεί τις προκλήσεις που διέπουν το σχεδιασμό ενός σύγχρονου κινητήρα πετρελαίου.

Ποια είναι τα βασικά τεχνολογικά στοιχεία ενός πετρελαιοκινητήρα σήμερα; Μία από τις σημαντικότερες τεχνολογίες που συνδέονται με την αναβάθμιση της απόδοσης με παράλληλη μείωση της κατανάλωσης των κινητήρων πετρελαίου είναι τα συστήματα τροφοδοσίας common rail, τα οποία επέτρεψαν μια εντυπωσιακή αύξηση της πίεσης ψεκασμού καυσίμου καθώς και τον έλεγχο της τροφοδοσίας ανεξάρτητα από τις στροφές του κινητήρα. Επιπλέον, η δυνατότητα διαμόρφωσης του ψεκασμού ανάλογα με τις εκάστοτε ανάγκες έδωσε μια μεγάλη ευελιξία στην επιλογή της ισορροπίας μεταξύ κατανάλωσης, ρύπων και ποιοτικών χαρακτηριστικών λειτουργίας. Σημαντικό ρόλο παίζουν και οι σύγχρονοι υπερτροφοδότες, καθώς η βελτίωση της αεροδυναμικής τους απόδοσης όπως και η δυνατότητα μεταβολής της γεωμετρίας τους συνέβαλαν καθοριστικά στην καλύτερη απόκριση αλλά και στη διεύρυνση του εκμεταλλεύσιμου εύρους λειτουργίας. Επίσης, η ανάπτυξη συστημάτων με πολλαπλούς υπερτροφοδότες, και μάλιστα διάφορων ειδών (καυσαερίων, μηχανικούς ή ηλεκτρικούς), έχει βελτιώσει το φάσμα της ροπής στις χαμηλές στροφές, και της ισχύος στις ψηλές στροφές.

Παράλληλα, η ανακύκλωση και η επεξεργασία των καυσαερίων έχει συμβάλει στη σημαντική μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων και σωματιδίων, ειδικά στην αρχική φάση εκκίνησης και ψυχρής λειτουργίας των κινητήρων. Ωστόσο, λόγω της σημαντικής αύξησης της απόδοσης, οι μηχανικοί εξέλιξης καλούνται σήμερα να αντιμετωπίσουν τα υψηλά μηχανικά και θερμικά φορτία που προκύπτουν, αλλά παράλληλα να μειώσουν το βάρος, τις εσωτερικές τριβές και τις απώλειες. Ένας από τους στόχους, λοιπόν, είναι η εξέλιξη ακόμα πιο αναβαθμισμένων συστημάτων ψύξης αλλά και διαχείρισης της παραγόμενης θερμότητας για τη γρήγορη θέρμανση του κινητήρα κατά τη φάση της εκκίνησης.

Ποιες είναι οι κύριες αντικρουόμενες παράμετροι κατά την εξέλιξη ενός κινητήρα; Οι συμβιβασμοί που εμπλέκονται στην ανάπτυξη των σύγχρονων πετρελαιοκινητήρων είναι εξαιρετικά πολύπλοκοι και έχουν πολλά χαρακτηριστικά. Είναι εξαιρετικά δύσκολο να εξηγήσουμε όλες τις αλληλεπιδράσεις μέσα σε λίγες γραμμές, οπότε θα σημειώσουμε κάποιες από αυτές σε ορισμένους βασικούς τομείς. Για παράδειγμα, η αύξηση της απόδοσης σε έναν πετρελαιοκινητήρα, έχοντας ως δεδομένη τη μέγιστη δυνατή πίεση ψεκασμού της τροφοδοσίας, απαιτεί τη χρήση ακροφυσίων με μεγαλύτερες οπές καθώς και μεγαλύτερο υπερτροφοδότη. Για να επιτευχθεί, όμως, χαμηλότερη κατανάλωση και ελαχιστοποίηση των εκπομπών σε ένα ευρύ φάσμα στροφών, απαιτούνται μικρότερες οπές, για καλύτερη διάχυση του καυσίμου, αλλά και μικρότερος υπερσυμπιεστής, για ελαστικότητα στην απόκριση.

Ένα άλλο παράδειγμα είναι πως τα αυξημένα φορτία ενός κινητήρα με υψηλή απόδοση απαιτούν τη χρήση μεγαλύτερων εδράνων και συνδέσμων στα κινούμενα μέρη, κάτι που με τη σειρά του οδηγεί στην αύξηση των τριβών. Τέλος, λιγότερο γνωστό στο ευρύ κοινό είναι το γεγονός πως η αύξηση της ροπής στις χαμηλές στροφές δημιουργεί περισσότερους στρεπτικούς κραδασμούς στη μετάδοση, και αυτό αποτελεί μία από τις πιο δύσκολες εξισώσεις για τους μηχανικούς εξέλιξης, ειδικά στους σύγχρονους, downsized κινητήρες. Ένα άλλο κομμάτι που περιέχει πολλές αντικρουόμενες παραμέτρους είναι αυτό της μείωσης των εκπομπών. Εκεί το πιο χαρακτηριστικό πρόβλημα είναι πως η επανακυκλοφορία των καυσαερίων επιβαρύνει τόσο την κατανάλωση όσο και την απόκριση του κινητήρα.

Δεν μπορούμε επίσης να παραβλέψουμε τον παράγοντα του θορύβου και των κραδασμών. Η θεωρία του θερμοδυναμικού κύκλου αναφέρει πως η πιο αποδοτική διαδικασία καύσης είναι αυτή που επιτυγχάνεται σε σταθερό όγκο, δηλαδή η ταχύτερη σε χρόνο. Δυστυχώς, όμως, αυτή είναι που παράγει και τα υψηλότερα επίπεδα θορύβου καύσης. Ευτυχώς, τα τελευταία χρόνια, με την ευελιξία που προσφέρουν τα συστήματα common rail και η συνεχής έρευνα για την κατανόηση των βασικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ του χρόνου καύσης και του ρυθμού έκλυσης θερμότητας, μας δίνεται η δυνατότητα ρύθμισης των παραμέτρων και σημαντικής μείωσης του θορύβου, προς όφελος των ποιοτικών χαρακτηριστικών λειτουργίας.

Τέλος, εκτός από το θέμα του βάρους που αναφέραμε νωρίτερα, δεν πρέπει να ξεχνάμε και το πρακτικό κομμάτι, που αφορά τον όγκο των κινητήρων αλλά και το κόστος κατασκευής. Κάθε νέα τεχνολογία σημαίνει την ενσωμάτωση ακόμα περισσότερων μηχανικών ή ηλεκτρονικών τμημάτων στον κινητήρα, τη στιγμή όμως που κάτω από το καπό υπάρχουν δεδομένοι χωροταξικοί περιορισμοί. Ακόμα, μάλιστα, και αν όλα καταφέρουν να χωρέσουν, θα πρέπει να υπάρχει πρόβλεψη για τον τρόπο συναρμολόγησής τους στη γραμμή παραγωγής, αλλά και αργότερα της επισκευής τους, χωρίς να απαιτείται η επέμβαση σε άλλα τμήματα του κινητήρα. Σκεφθείτε πως η αδυναμία ανταπόκρισης στις δύο τελευταίες παραμέτρους μπορεί να οδηγήσει μέχρι και στη ματαίωση της εξέλιξης ενός συστήματος. Αντίστοιχα, τα κάθε είδους συστήματα θα πρέπει να είναι συμβατά με ένα μεγάλο αριθμό κινητήρων και διαφορετικών μοντέλων, ώστε να είναι οικονομικά συμφέρουσα η υιοθέτησή τους από έναν κατασκευαστή μαζικής παραγωγής.

Πού εντοπίζονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την ευστροφία και την απόκριση ενός πετρελαιοκινητήρα; Η διαθέσιμη ροπή σε κάθε κινητήρα είναι άμεσα συνδεδεμένη με την ποσότητα καυσίμου και αέρα στο θάλαμο καύσης. Από τα δύο υποσυστήματα που συνδέονται με αυτές τις παραμέτρους, δηλαδή το σύστημα ψεκασμού και την εισαγωγή αέρα, η παροχή αέρα καθορίζει σε μεγαλύτερο βαθμό την προθυμία του κινητήρα. Αυτό, με τη σειρά του, συνδέεται με την πίεση υπερπλήρωσης, με το βαθμό αλλά και την ταχύτητα ανάπτυξής της, η οποία εξαρτάται από τα αεροδυναμικά και μηχανικά χαρακτηριστικά του υπερσυμπιεστή. Είναι αυτονόητο, επομένως, πως η βελτίωση της απόκρισης των κινητήρων οφείλεται στην τεχνολογική αναβάθμιση των υπερσυμπιεστών καθώς και στην εξέλιξη ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου υψηλής επεξεργαστικής ικανότητας, τα οποία επιτρέπουν την υιοθέτηση διπλής υπερτροφοδότησης. Έτσι, για παράδειγμα, με τη χρήση ενός σειριακού ζεύγους υπερσυμπιεστών διαφορετικής διαμέτρου, μπορείς με τον μικρότερο να έχεις την απόκριση χαμηλά, χωρίς να χάνεται η υψηλή απόδοση που προσφέρει ο μεγαλύτερος υπερτροφοδότης στις ψηλές στροφές.

Πόσο διαφορετικό μπορεί να είναι το αποτέλεσμα από την εξέλιξη ενός ήδη υπάρχοντος κινητήρα σε σχέση με αυτήν ενός εντελώς νέου συνόλου ξεκινώντας από λευκό χαρτί; Το να καταλήξουμε σε έναν ακριβή ορισμό των «παλαιών» έναντι των «νέων» κινητήρων είναι περισσότερο σύνθετο από όσο μοιάζει. Θα πρέπει να γίνει κατανοητό πως είναι τελείως διαφορετικό να μιλάμε για την αρχιτεκτονική του κινητήρα από το να αναφερόμαστε στην τελική έκδοσή του, η οποία έχει ένα συγκεκριμένο σύστημα εισαγωγής, ψεκασμού, υπερτροφοδότησης και ηλεκτρονικής διαχείρισης. Από όσα σημειώσαμε μέχρι τώρα είναι σαφές πως η τεχνολογική πρόοδος αφορά κατά κύριο λόγο αυτήν την τελική μορφή των κινητήρων και την αναβάθμιση των επιμέρους συστημάτων. Η λογική της αξιολόγησης στη βάση ενός ολοκληρωμένου μηχανικού συνόλου όχι μόνο θα παραμείνει, αλλά και θα οξυνθεί στο μέλλον, όταν θα επιδιωχθεί η ανάπτυξη ακόμα πιο σύνθετων κινητήρων, που θα περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, διάφορους βαθμούς ηλεκτρικής ενσωμάτωσης. Οι τρόποι, λοιπόν, με τους οποίους ένας κατασκευαστής μπορεί να αναβαθμίσει έναν κινητήρα είναι τόσο πολλοί και διαφορετικοί, που είναι δύσκολο να ισχυριστούμε πως η βασική αρχιτεκτονική του αποτελεί τροχοπέδη.

Αξίζει να σημειώσουμε πως η βασική αρχιτεκτονική ενός κινητήρα αναφέρεται σε κύριες διαστάσεις, όπως είναι η διάμετρος και η διαδρομή του κυλίνδρου, καθώς και σε εξαρτήματα που αντιστοιχούν σε μια συγκεκριμένη σειρά κινητήρων. Υπάρχει, λοιπόν, δυνατότητα αναβάθμισης του κινητήρα με ανασχεδιασμό τμημάτων όπως του μπλοκ και της κυλινδροκεφαλής, χωρίς να πειραχτούν τα βασικά κατασκευαστικά σημεία αναφοράς και, ως εκ τούτου, να προκύψει ένας ουσιαστικά νέος κινητήρας χωρίς να απαιτείται μια εντελώς νέα γραμμή παραγωγής. Πρακτικά, μόνο όταν ένας κατασκευαστής καταλήγει στο συμπέρασμα ότι οι περιορισμοί της βασικής αρχιτεκτονικής του κινητήρα λειτουργούν ανασταλτικά στην ενσωμάτωση νέων τεχνολογιών θα επενδύσει στο σχεδιασμό ενός νέου κινητήρα από το μηδέν. Και, βέβαια, κάθε τέτοια απόφαση εξαρτάται από πολλές ακόμα παραμέτρους, όπως πιθανές συνεργασίες με άλλες εταιρείες αλλά και το εύρος εφαρμογής που αναμένεται να έχει ένας κινητήρας ώστε πάντα να εξασφαλίζεται ένα προσιτό και οικονομικά βιώσιμο αποτέλεσμα.

Για ποιο λόγο οι πετρελαιοκινητήρες εμφανίζουν μεγαλύτερες διακυμάνσεις μεταξύ χωρητικότητας και απόδοσης; Αν εξαιρέσουμε τις περιπτώσεις κινητήρων με τα πιο προηγμένα συστήματα υπερπλήρωσης και πολύ υψηλή ειδική ισχύ, που στοχεύουν ξεκάθαρα σε συγκεκριμένο κοινό, υπάρχει πράγματι μια πολυφωνία στις επιλογές των κατασκευαστών σε σχέση με την απόδοση και τη χωρητικότητα των κινητήρων, ειδικά στις περισσότερο εμπορικές κατηγορίες. Είναι κάτι που προκύπτει ακριβώς λόγω των συμβιβασμών που απαιτεί η φυσική των πετρελαιοκινητήρων, φέρνοντας τους κατασκευαστές σε ένα ενδιαφέρον σταυροδρόμι, καθώς βρίσκονται αντιμέτωποι με τις απαιτήσεις για περαιτέρω μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και των εκπομπών ρύπων. Ένας μικρότερου κυβισμού κινητήρας, για παράδειγμα, προσφέρει πολύ καλά χαρακτηριστικά στα παραπάνω ζητούμενα σε χαμηλά έως μεσαία φορτία, όμως θα μεταβάλει σημαντικά αυτήν την εικόνα όταν πιεστεί παραπάνω.

Το ενδιαφέρον μας, βέβαια, εστιάζεται στην παροχή μιας σταθερής επίδοσης σε όσο το δυνατόν ευρύτερο φάσμα συνθηκών οδήγησης, και αυτό διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη στρατηγική αναφορικά με το σωστό κυβισμό των κινητήρων. Βλέπετε, για την όποια αξιολόγηση πρέπει να λαμβάνεται υπόψη όχι μόνο το μέγεθος του κινητήρα, αλλά και το μέγεθος του οχήματος. Σκεφθείτε, για παράδειγμα, πως ένας downsized κινητήρας μπορεί να έχει μια πολύ καλή συνολική απόδοση σε ένα μικρό αυτοκίνητο, όμως είναι πιθανό να μην τα καταφέρνει το ίδιο καλά όταν τοποθετηθεί σε ένα βαρύ όχημα με αυξημένες απαιτήσεις, όπως τα επαγγελματικά. Από τη στιγμή, λοιπόν, που οι κατασκευαστές προσπαθούν να παρέχουν τη βέλτιστη λύση για κάθε όχημά τους και όταν η σημερινή τεχνολογία σε παραγωγικό επίπεδο επιτρέπει με λογικό κόστος να υπάρχουν αρκετές παραλλαγές ενός κινητήρα, είναι εύκολο να καταλάβουμε γιατί υπάρχουν τόσο πολλές διαφορετικές προσεγγίσεις στην αγορά σήμερα.

Τι περιθώρια βελτίωσης και σε ποιους τομείς μπορούμε να περιμένουμε στους πετρελαιοκινητήρες τα επόμενα χρόνια; Υπάρχουν αρκετές προσδοκίες από τους μελλοντικούς κινητήρες, οπότε είναι δύσκολο να επικεντρωθούμε σε κάποιον τομέα ώστε να αποτυπώσουμε την εικόνα του αύριο. Μπορούμε να πούμε πως η έρευνα που έχει γίνει το προηγούμενο διάστημα βρίσκεται πλέον σήμερα στη φάση της εφαρμογής, δίνοντάς μας πολύτιμα εργαλεία για την ανάπτυξη τεχνολογιών που θα οδηγήσουν στο μεγάλο βήμα για την ελαχιστοποίηση των εκπομπών ρύπων. Στους εσωτερικούς κύκλους μεταξύ των μηχανικών ακούγεται αρκετές φορές η μεταφορική έκφραση πως στο μέλλον τα πετρελαιοκίνητα οχήματα «θα καθαρίζουν τον αέρα του περιβάλλοντος»… Κάτι που, αν λάβει κανείς υπόψη τις προσεχείς προδιαγραφές εκπομπών καυσαερίων έναντι των τυπικών επιπέδων ρύπανσης σε ορισμένες από τις πιο προβληματικές πόλεις, μπορεί εν μέρει να είναι κυριολεκτικό.

Όσον αφορά την κατανάλωση καυσίμου, είναι σίγουρο πως θα υπάρξει περαιτέρω σημαντική πρόοδος, που θα προκύψει τόσο από τη βελτίωση του βαθμού απόδοσης των διάφορων τεχνολογιών όσο και από την αύξηση της ενσωμάτωσης ηλεκτρικών συστημάτων. Εκτός, βέβαια, από αυτούς τους τομείς, θα πρέπει να σημειώσουμε πως οι πετρελαιοκινητήρες αναμένεται να διευρύνουν περαιτέρω το πεδίο τους. Έχουν, για παράδειγμα, εισχωρήσει ήδη και στο κομμάτι fun-to-drive, σε αυτοκίνητα υψηλών επιδόσεων, με σημαντικό πλεονέκτημα την υψηλότατη ροπή, ενώ περιμένουμε ακόμα πιο εντυπωσιακά δεδομένα από τη χρήση συστημάτων υπερτροφοδότησης πολλαπλών σταδίων. Υπάρχουν ακόμα πολλά περιθώρια για καινοτομίες που θα εστιάσουν στις σύγχρονες απαιτήσεις, οπότε το μόνο σίγουρο είναι πως οι προοπτικές είναι ατελείωτες.