Πώς δημιουργήθηκε ο σύγχρονος V12 της Cosworth;


Μια ενδιαφέρουσα ιστορία όπου ένας τρικύλινδρος σε σειρά κινητήρας ήταν η βάση για τη εξέλιξη δύο ολοκαίνουργιων V12 κινητήρων από τους ανθρώπους της Cosworth. Ένα ανθρώπινο επίτευγμα που κανένας ηλεκτρονικός υπερυπολογιστής ακόμα δεν είναι σε θέση να ολοκληρώσει.

  • ΚΕΙΜΕΝΟ: BOB SOROKANICH, ΑΠOΔΟΣΗ ΣΤΑ ΕΛΛΗΝΙΚΑ: ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΖΩΓΛΟΠΙΤΗΣ, ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ: ROAD AND TRACK, ΑΡΧΕΙΟ.
  • 20/7/2021

Φανταστείτε ότι είστε επικεφαλής του Τμήματος Εξέλιξης στην Cosworth, τη θρυλική αγγλική εταιρεία η οποία έχει αφήσει το αποτύπωμά της σε κάθε μορφή αγώνων αυτοκινήτου.

Κάποια στιγμή, δύο αυτοκινητοβιομηχανίες, η Aston Martin και η Gordon Murray Automotive (GMA), έρχονται ξεχωριστά η μία από την άλλη και θέτουν την πρόκληση: ζητούν από εσάς να κατασκευάσετε έναν πολύστροφο ατμοσφαιρικό V12 κινητήρα ο οποίος να πληροί τα ισχύοντα αυστηρά όρια εκπομπής ρύπων και διοξειδίου του άνθρακα για την προστασία του περιβάλλοντος. 

Δεν είναι μία, είναι δύο! Η GMA θέλει να είναι τετράλιτρος και να αποδίδει περισσότερους από 650 ίππους για την T.50, το καινούργιο supercar της. Η Aston Martin θέλει να έχει χωρητικότητα 6,5 λίτρα, να μπορεί να δεχτεί υβριδική διάταξη και να αποδίδει τουλάχιστον 1.000 ίππους για τον τοποθετήσει στηValkyrie, το νέο hypercar της. Τι κάνετε, λοιπόν; Πώς πρόκειται να προχωρήσετε;

Όταν η πληροφορική δεν μπορεί 

Θα σκεφτείτε ότι η λύση βρίσκεται στους μικροεπεξεργαστές. Αναλύεις έναν V12 κινητήρα σε μια αλληλουχία ψηφίων μεταξύ των αριθμών μηδέν και ένα, θέτεις εκατομμύρια μεταβλητές στον ηλεκτρονικό υπολογιστή και κάποια στιγμή έχεις το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Aston Martin Valkyrie.
Aston Martin Valkyrie.

Μπορείς να χασομεράς για χιλιάδες ώρες χωρίς να χρειαστεί ποτέ να χρησιμοποιήσεις μηχανουργικά εργαλεία, να χυτεύσεις μέταλλα, να σφυρηλατήσεις ή να θερμοκολλήσεις έστω και ένα τμήμα του κινητήρα. Βεβαίως, η προσομοίωση σε ηλεκτρονικό υπολογιστή είναι μια βασική διαδικασία για τους ανθρώπους της Cosworth. Όμως, αυτή ποτέ δεν θα σου δώσει μια ολοκληρωμένη εικόνα για το τι συμβαίνει πραγματικά κατά τη διαδικασία καύσης στον κύλινδρο.

«Φανταστείτε ένα πιστόνι» λέει ο κ. Bruce Wood, Διευθύνων Σύμβουλος στο Τμήμα Κινητήρων της εταιρείας. «Όταν το μοτέρ λειτουργεί και το καύσιμο εισέρχεται στον κύλινδρο, κάποια μικροποσότητα αυτού παγιδεύεται πίσω από τους δακτυλίους του εμβόλου. Αυτή δεν θα αναφλεγεί παρά μόνο μετά την κύρια φάση της συμπίεσης και της καύσης. Αυτό είναι πολύ κακό για την εκπομπή ρύπων».

Η καθυστερημένη ανάφλεξη της εν λόγω μικροποσότητας καυσίμου δεν επηρεάζει τη μέγιστη απόδοση του κινητήρα. Μάλιστα, στο μεγαλύτερο χρονικό διάστημα της ιστορίας των μηχανών εσωτερικής καύσης το συγκεκριμένο φαινόμενο αγνοούνταν από τους μηχανικούς.

Όμως, αυτή η ανεξέλεγκτη καύση δύναται να επηρεάσει τις μετρήσεις ακριβείας για την εκπομπή ρύπων και διοξειδίου του άνθρακα σε έναν σύγχρονο κινητήρα. Έτσι, οι άνθρωποι της Cosworth έπρεπε να γνωρίζουν πώς αυτή η εγκλωβισμένη μικροποσότητα καυσίμου θα επηρέαζε το πόσο καθαροί θα ήταν δύο V12 κινητήρες που τους ζητήθηκε να δημιουργήσουν.

Με τόσες πολυάριθμες παραμέτρους που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη, π.χ. η θερμοκρασία στο εσωτερικό του κινητήρα και στα έμβολα, ο ρυθμός περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα, η ποσότητα αέρα που εισέρχεται στην κυλινδροκεφαλή, είναι δύσκολο να ορίσεις ακριβώς τη συμπεριφορά και τον τρόπο καύσης αυτής της μικροποσότητας καυσίμου με τη μοντελοποίηση της διαδικασίας σε ηλεκτρονικό υπολογιστή και τις προσομοιώσεις σε αυτόν. «Με αυτόν τον τρόπο, το πολύ να γνωρίσουμε σε ένα ποσοστό μέχρι 85% τι συμβαίνει κατά τη φάση της συμπίεσης και της καύσης στην κυλινδροκεφαλή με την συγκεκριμένη μικροποσότητα», λέει ο κ. Wood.

Η κλασική και αξιόπιστη μέθοδος

Για τον λόγο αυτό, ο ίδιος και η ομάδα του αποφάσισαν να κάνουν τα πράγματα με τον παλιό, παραδοσιακό τρόπο. Αντί να χρησιμοποιήσουν τις όποιες δυνατότητες των ηλεκτρονικών υπερυπολογιστών, δημιούργησαν από ένα τρικύλινδρο πειραματικό μοντέλο κινητήρα για καθέναν από τους δύο V12 που τους ζητήθηκε να δημιουργήσουν. 

Αυτή η διαδικασία, όπου όλα γίνονται με το χέρι και με φυσική παρατήρηση και ανάλυση των δεδομένων, φαίνεται... οπισθοδρομική στις ημέρες μας. Όμως, η συναρμολόγηση και ο έλεγχος των περιστρεφόμενων και παλινδρομούντων μεταλλικών τμημάτων έδωσε στους ανθρώπους της Cosworth απτά δεδομένα τα οποία ήταν αδύνατον να εμφανιστούν με την προσομοίωση στον ηλεκτρονικό υπολογιστή.

Η κατασκευή ενός δυνατού κινητήρα υπό κλίμακα είναι ένα από τα ισχυρά χαρτιά μιας εταιρείας όπως η Cosworth. Ένας διάταξης V12 υποδιαιρείται εύκολα σε έναν εξακύλινδρο σε σειρά και αυτός σε έναν τρικύλινδρο σε σειρά κατόπιν.

Καθώς τα στελέχη της βρετανικής εταιρείας επικεντρώθηκαν στην καλύτερη δυνατή καύση και στη μείωση της εκπεμπόμενης ποσότητας ρύπων, οι θάλαμοι καύσης έπρεπε να μεγεθυνθούν υπό κλίμακα και να αντιστοιχούν στην ακριβή χωρητικότητα τού κανονικών διαστάσεων V12 κινητήρα. Για οτιδήποτε αφορούσε κάτω από τους θαλάμους καύσης, π.χ. η διάμετρος και η διαδρομή, το μπλοκ του κινητήρα κ.λπ., οι άνθρωποι της Cosworth μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν μηχανικά μέρη από τους τετρακύλινδρους σε σειρά που διαθέτουν στην γκάμα τους.

«Ξαφνικά, σε χρονικό διάστημα περίπου πέντε μηνών είχαμε δημιουργήσει τα μοντέλα και είχαμε ξεκινήσει τις δοκιμές», δήλωσε ο κ. Wood. «Εντός μίας ή δύο εβδομάδων ήμασταν σε θέση να πούμε “εντάξει, θα πληρούμε τα όρια εκπομπής ρύπων. Τα καταφέραμε!”. Περίπου επτά με οκτώ μήνες πριν κατασκευάσουμε τον V12 είχαμε επικυρώσει τις προσομοιώσεις μας».       

Το κέρδος σε κόστος και χρόνο

Οι δοκιμές με τους τρικύλινδρους σε σειρά πειραματικούς κινητήρες είχαν ως αποτέλεσμα να επωφεληθούν στην Cosworth τόσο σε χρόνο όσο και σε χρήματα. Όπως εξηγεί ο κ. Wood «η από λευκό χαρτί σχεδίαση, εξέλιξη και κατασκευή ενός καινούργιου V12 κινητήρα διαρκεί σίγουρα 13-14 μήνες. 

Gordon Murray Automotive T.50.
Gordon Murray Automotive T.50.

»Από αυτό το χρονικό διάστημα και έπειτα μπορείς να αρχίσεις τις δοκιμές στο δυναμόμετρο και να γνωρίζεις την ποσότητα των ρύπων που εκπέμπει (σημ.: κινητήρας). Για εμάς, κάθε ημέρα που περνούσε χωρίς να είμαστε σε θέση να εγγυηθούμε ότι η μέγιστη ισχύς του ήταν αυτή που έπρεπε και ότι πληρούσε τα όρια ρύπων αποτελούσε εμπορικό κίνδυνο».

Ευτυχώς για την Cosworth, και οι δύο διαφορετικοί πειραματικοί κινητήρες επιβεβαίωσαν ότι θα ήταν εντός των θεσμοθετημένων ορίων εκπομπής ρύπων και διοξειδίου του άνθρακα. Το να συσχετίσεις τα δεδομένα των δοκιμών σε έναν κανονικών διαστάσεων V12 είναι περισσότερο περίπλοκο από το να πολλαπλασιάσεις επί τέσσερα τα ευρήματα στον τρικύλινδρο σε σειρά.  

Οι παρασιτικές απώλειες σε έναν μικρό κινητήρα δοκιμών απορροφούν μεγαλύτερη ιπποδύναμη απ’ ό,τι σε έναν κανονικών διαστάσεων V12, ενώ η διαδικασία «scavenging» (σημ.: σάρωση καυσαερίων μέσω έντονης εισαγωγής αέρα στον κύλινδρο) δίνει στον δεύτερο ένα μικρό πλεονέκτημα σε ό,τι αφορά στις εκπομπές.

Ο κ. Wood δήλωσε ότι ο πειραματικός τρικύλινδρος κινητήρας με τον οποίο γίνονταν οι δοκιμές για αυτόν που προοριζόταν για την Aston Martin Valkyrie απέδιδε 242 HP (σημ.: 245 PS), δηλαδή λίγο κάτω από το 1/4 της μέγιστης ιπποδύναμης που έχει ο V12 του βρετανικού hypercar (σημ.: 1.000 HP, 1.014 PS). «Αυτό που διαπιστώσαμε τόσο για τη Valkyrie όσο και για την Gordon Murray Automotive T.50 ήταν ότι η απόδοση ενός V12, τόσο στην ισχύ του όσο και στις εκπομπές ρύπων, είναι λίγο καλύτερη από το να πολλαπλασιάζεις απλώς τα δεδομένα ενός τρικύλινδρου», επισήμανε.

Το παρελθόν, για το μέλλον

Ο κ. Wood ρωτήθηκε εάν αυτοί οι πειραματικοί τρικύλινδροι κινητήρες θα αξιοποιηθούν εμπορικά στην πράξη. Η απάντησή του ήταν αρνητική. Όπως είπε: «Δυστυχώς, οι άνθρωποι στο τμήμα εξέλιξης της Cosworth δεν τοποθέτησαν ποτέ κάποιον από αυτούς σε ένα σπορ αυτοκίνητο, για δοκιμές στον δρόμο. Παρ’ όλα τα επανειλημμένα αιτήματά μου να το πράξουν, δεν θα έδιναν κάποιον από αυτούς σε εμένα και το τμήμα μου.

»Ωστόσο, αυτοί αποδείχτηκαν τόσο χρήσιμοι ώστε τους χρησιμοποιήσαμε για περαιτέρω δοκιμές οι οποίες δεν αφορούσαν στην εκπομπή ρύπων. Καθώς ήταν στο ¼ ενός V12 κινητήρα είχαμε την ευκαιρία να πραγματοποιήσουμε δοκιμές στους τρικύλινδρους και για άλλες παραμέτρους αναφορικά με τη λειτουργία, ή να υλοποιήσουμε κάποιες ιδέες που είχαμε και κατόπιν να τις εφαρμόσουμε στην πράξη. Πώς ήταν ο θόρυβός τους στο δυναμόμετρο; Δεν είχαν την καθαρή ένταση ενός V12 η οποία ταράζει τα σωθικά σου, όμως σου έδιναν μια μικρή γεύση αυτής».

Παρότι η συγκεκριμένη διαδικασία πραγματοποίησης δοκιμών σε έναν κινητήρα είναι παλαιομοδίτικη, η χρήση πειραματικών μοντέλων κινητήρα υπό κλίμακα είναι μια πρόσφατη προσθήκη στο «οπλοστάσιο» της Cosworth. Αν και η εταιρεία πραγματοποιεί όλα τα τεστ εξέλιξης ενός κινητήρα στο κανονικό μέγεθός του, η πρώτη φορά που χρησιμοποίησε τη συγκεκριμένη πρακτική ήταν το 2015.

Εκείνη τη χρονιά, η Nissan παρήγγειλε στους Βρετανούς να κατασκευάσουν έναν τρίλιτρο V6 twin-turbo κινητήρα ο οποίος προοριζόταν για το αγωνιστικό GT-R LM Nismo με το οποίο η ιαπωνική εταιρεία συμμετείχε στο πρωτάθλημα αγώνων αντοχής. Για να το καταφέρει, η Cosworth δημιούργησε πρώτα έναν πειραματικό τρικύλινδρο σε σειρά και με αυτόν έκανε δοκιμές για να συλλέξει δεδομένα για την κατανάλωση καυσίμου. 

Ο κ. Bruce Wood, έπειτα από την επιτυχία που είχαν οι ως τώρα προσπάθειες, βλέπει πολλούς αντίστοιχους κινητήρες δοκιμών υπό κλίμακα στο μέλλον της Cosworth. «Δεν πρόκειται να δημιουργήσουμε ξανά έναν καινούργιο κινητήρα εάν πρώτα δεν κάνουμε δοκιμές σε έναν υπό κλίμακα. Βεβαίως, αυτή η διαδικασία είναι ακριβή (σημ.: από το εάν έκανες τις δοκιμές μόνο σε μοντέλα σε ηλεκτρονικό υπολογιστή), όμως έχει το πλεονέκτημα ότι κερδίζεις χρόνο. Δεν θα κοστολογούσα τους μήνες που κερδίσαμε. Αν μη τι άλλο, σου δίνει επιπλέον έξι μήνες ήσυχου ύπνου τα βράδια!», κατέληξε.