Entry ignition: Το μέλλον των βενζινοκινητήρων!


ΤΑ ΤΕΛΕΥΤΑΙΑ ΧΡΟΝΙΑ ΑΝΑΠΤΥΣΣΕΤΑΙ ΟΛΟΤΑΧΩΣ Η ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΣΗ, ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΜΙΑΣ ΠΙΟ ΒΙΩΣΙΜΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΛΥΣΗΣ ΓΙΑ ΤΙΣ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΙΣ. ΤΙ ΘΑ ΓΙΝΟΤΑΝ ΟΜΩΣ ΑΝ ΒΡΙΣΚΑΜΕ ΤΟΝ ΤΡΟΠΟ ΝΑ ΠΑΡΑΓΟΥΜΕ ΚΑΘΑΡΟΥΣ ΣΥΜΒΑΤΙΚΟΥΣ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ;

  • Μιχαλης Κατωποδης
  • 9/9/2020

Η απάντηση είναι μάλλον απλή, καθώς για μία ακόμα φορά θα καταφέρναμε να ξεγελάσουμε το peak oil, την κορύφωση της παραγωγής του πετρελαίου, για μερικά χρόνια ακόμα. Ας πάρουμε όμως τα πράγματα από την αρχή. Αυτή τη στιγμή οι κινητήρες εσωτερικής καύσης έχουν το πάνω χέρι στην αυτοκίνηση, για δύο πολύ σοβαρούς λόγους. Αφενός γιατί αυτούς χρησιμοποιούμε εδώ και δεκαετίες, οπότε όλη η παραγωγή και οι υποδομές είναι προσαρμοσμένες επάνω τους. Αφετέρου γιατί έχουν τη δυνατότητα να εξελίσσονται, με την πάροδο των ετών.

Αυτό το τελευταίο, βέβαια, είναι λίγο δίκοπο μαχαίρι, καθώς δεν παύουν να αποτελούν μία ώριμη τεχνολογία. Βελτιώσεις υπάρχουν, με αργό όμως ρυθμό. Πιο σπάνια, ωστόσο, συμβαίνουν και επαναστάσεις, μία εκ των οποίων δείχνει να βρίσκεται προ των πυλών. Αυτήν ακριβώς πρόκειται να αναλύσουμε στο συγκεκριμένο άρθρο.

Μέχρι στιγμής, αυτό που γνωρίζαμε στους τετράχρονους βενζινοκινητήρες (το πλέον διαδεδομένο είδος ΜΕΚ εκεί έξω) είναι ότι χρησιμοποιούν τα έμβολα για να συμπιέσουν το καύσιμο μείγμα και κατόπιν ένα μπουζί, για να δώσει την έναυση της καύσης. Αντιθέτως, στους πετρελαιοκινητήρες δεν υπάρχει μπουζί, καθώς η καύση ξεκινά με αυτανάφλεξη, λόγω της πίεσης και της θερμοκρασίας που αναπτύσσεται στο εσωτερικό του κυλίνδρου.

Σε ένα καύσιμο πιο εύφλεκτο, όπως η βενζίνη, η αυτανάφλεξη είναι πολύ πιο εύκολο να επιτευχθεί, μέχρι τώρα όμως δεν την θέλαμε, για πολλούς και διάφορους λόγους. Χοντρικά, είναι πολύ δύσκολο να ελεγχθεί, με τη συγκεκριμένη δομή των κυλίνδρων, ενώ όπου παρουσιάζεται, είναι για κακό. Τι θα γινόταν όμως εάν βρίσκαμε ένα τρόπο να την τιθασεύσουμε; Την απάντηση την έχει ήδη δώσει η Mazda, με το νέο της κινητήρα Skyactiv-X.

Mazda Skyactiv X

Αυτός χρησιμοποιεί την τεχνολογία Spark Controlled Ignition Compression (SPCCI), η οποία του επιτρέπει να λειτουργεί ιδανικά μεταξύ της συμβατικής έναυσης της καύσης και της αυτανάφλεξης με συμπίεση, χρησιμοποιώντας ένα σπινθήρα για να ενεργοποιήσει και τους δύο τύπους καύσης, με διαφορετικό τρόπο. Μέσω μίας διαδικασίας ελεγχόμενων ψεκασμών, καταφέρνει να δημιουργήσει ξεχωριστές ζώνες μείγματος. Πολύ χοντρικά, εισάγει αρχικά ένα πολύ φτωχό μείγμα, ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος αυτανάφλεξης με τη συμπίεση.

Αφού λοιπόν αυξήσει τη συμπίεση, σε ποσοστό μεγαλύτερο από αυτό ενός φυσιολογικού κινητήρα, στο τέλος παρέχει ένα στρώμα ατμοποιημένου καυσίμου ακριβώς γύρω από το μπουζί, προκαλώντας την έκρηξη. Το αποτέλεσμα αυτής της τεχνολογίας, μιλώντας με νούμερα, είναι ότι ο κινητήρας Skyactiv-X, χωρητικότητας 1.998 cc, καταφέρνει να δώσει 180 PS ισχύος και 224 Nm ροπής, έχοντας ταυτόχρονα μέση κατανάλωση 4,3 λίτρα/100 km και εκπομπές CO2 μόλις 96 gr/ km!

Το παράδειγμα της Mazda, που ήδη έχει βγάλει σε παραγωγή τον πρώτο εμπορικό κινητήρα βενζίνης με ανάφλεξη μέσω συμπίεσης, ακολουθούν σιγά σιγά και άλλοι κατασκευαστές. Εξίσου ενδιαφέρουσα είναι η προσέγγιση της General Motors, που δεν είναι διόλου απίθανο να υιοθετήσουν σύντομα και άλλες εταιρίες. Οι Αμερικάνοι μηχανικοί εργάζονται επάνω σε ένα νέο, τρικύλινδρο σύνολο, εκ των οποίων μόνο οι δύο κύλινδροι είναι συμβατικοί, όπως τους αντιλαμβανόμαστε. Η συνολική τους χωρητικότητα αγγίζει το 1,1 λίτρο, ενώ αυτή του τρίτου κυλίνδρου είναι 1,33 λίτρα.

Εδώ ο στόχος είναι η αύξηση της θερμοδυναμικής απόδοσης, μέσω του περιορισμού των απωλειών. Εάν πούμε ότι οι δύο πρώτοι κύλινδροι λειτουργούν συμβατικά, τα καυσαέριά τους δεν διαφεύγουν άμεσα στο περιβάλλον, μέσω του συστήματος εξαγωγής αλλά τροφοδοτούν τον τρίτο, μεγαλύτερο κύλινδρο. Έχοντας ακόμα σχετικά υψηλή πίεση, δίνουν κίνηση σε αυτόν, η οποία μεταφέρεται στο στροφαλοφόρο άξονα, μέσω ενός multilink μηχανισμού. Η ανάκτηση της ενέργειας των καυσαερίων αυξάνει τη συνολική απόδοση του συνόλου κατά 10%! Σε συνδυασμό, δε, με το εξελιγμένο σύστημα καύσης φτωχού μείγματος των δύο πρώτων κυλίνδρων, επιτυγχάνουν υψηλότερη απόδοση καυσίμου (brake-specific fuel consumption - BFSC) κατά 38%, σε σχέση με ένα σύγχρονο, συμβατικό, ατμοσφαιρικό κινητήρα βενζίνης, ανάλογης ισχύος.

Entry Ignition

Συνδυάζοντας τη λογική του compression ignition με αυτή του «expanding expansion», τελικά, το μέλλον ίσως να περιγράφεται σε ένα paper που ανέβηκε πριν λίγους μήνες, στο site της SAE International. Εδώ ήρθε η ώρα να εισάγουμε την έννοια του entry ignition. Πρόκειται για μία καινοτόμο ιδέα, που θα μπορούσε να αλλάξει όλα όσα γνωρίζουμε για τους κινητήρες εσωτερικής καύσης. Να τους μεταμορφώσει από τετράχρονους σε δίχρονους και να αυξήσει τη θερμική τους απόδοση σε ποσοστό πάνω από 20%.

Πως γίνεται αυτό; Με τη χρήση σε σειρά τριών ή και τεσσάρων κυλίνδρων, όπου ο καθένας θα έχει το δικό του ρόλο στην όλη διαδικασία. Ο πρώτος κύλινδρος, σχετικά μεγάλης διατομής, θα έχει ως αποστολή να παίρνει τον ατμοσφαιρικό αέρα και να τον συμπιέζει, στέλνοντας στον στο δεύτερο κύλινδρο. Αυτός, έχοντας πιο μικρή διατομή, για λόγους απόδοσης, θα συμπιέζει περαιτέρω τον αέρα, προωθώντας τον σε ένα θάλαμο συμπίεσης και από εκεί απευθείας στο θάλαμο μίξης με το καύσιμο. Εδώ θα έχουμε πολύ υψηλή πίεση και σχετικά υψηλή θερμοκρασία, όχι όμως τόση ώστε να προκαλέσει ανάφλεξη.

Πλέον, το καύσιμο μίγμα είναι έτοιμο να εισέλθει στον τρίτο κύλινδρο, όπου θα πραγματοποιηθεί η καύση. Η παροχή του θα γίνεται μέσω μία ειδικής βαλβίδας, μεγάλης διαμέτρου, με γρίλιες ικανές να ανοίγουν και να κλείνουν πιο γρήγορα από ότι μία συμβατική βαλβίδα. Έχοντας τώρα συγκρατήσει μία μικρή ποσότητα καυσαερίων από τον προηγούμενο κύκλο καύσης, ο τρίτος κύλινδρος θα δέχεται το υψηλής πίεσης καύσιμο μίγμα, όταν το έμβολό του βρίσκεται στο επάνω νεκρό σημείο. Η θερμότητα των καυσαερίων αυτών θα αναφλέγει ακαριαία το φρέσκο μίγμα, εξασφαλίζοντας καλύτερη καύση και αυξημένη συμπίεση, σε στοιχειομετρική αναλογία.

Τέλος, ο τέταρτος κύλινδρος, μεγαλύτερης χωρητικότητας, θα λαμβάνει τα καυσαέρια του τρίτου, εκμεταλλευόμενος την επιπλέον πίεση, όπως ακριβώς κάνει και ο κινητήρας της GM που περιγράψαμε προηγουμένως. Η ονομασία entry ignition προκύπτει από αυτήν ακριβώς την άμεση έναυση της καύσης, όπου γίνεται με την είσοδο του μείγματος στον αντίστοιχο κύλινδρο.

Αυτή τη στιγμή δεν γνωρίζουμε κατασκευαστή που να ετοιμάζεται να βγάλει τα αμέσως επόμενα χρόνια entry ignition κινητήρες. Θεωρούμε όμως δεδομένο πως σε βάθος χρόνου αυτοί θα περάσουν στην παραγωγή. Εκτός και αν ανακαλυφθεί κάποια άλλη, ακόμα πιο επαναστατική τεχνολογία ICE. Όπως άλλωστε υποστηρίζει και ο Graham Conway, του Southwest Research Institute, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης θα παραμείνουν ζωντανοί -έστω και σε υβριδικά σύνολα- για πολλά χρόνια ακόμα. Ακόμα και το 2050, ασχέτως γεωγραφικής περιοχής, αναμένεται να αποτελούν την πλειοψηφία στους δρόμους μας.