Μπλοκ κινητήρων: Αλουμίνιο VS σίδηρος

Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα δεν μπορεί να δοθεί μονοδιάστατα. Για να πούμε την αλήθεια, ίσως να μην προκαλεί και κανένα ενδιαφέρον για το μέσο οδηγό. Ανάλογα όμως με το υλικό που θα επιλέξει ο κάθε κατασκευαστής για να κατασκευάσει το μπλοκ ενός κινητήρα, του δίνει κάποια χαρακτηριστικά που θα επηρεάσουν ελαφρά τη συμπεριφορά, τις δυνατότητες και τη διάρκεια ζωής του.  

Συνήθως, όταν μιλάμε για κινητήρες, ασχολούμαστε περισσότερο με την ιπποδύναμη που παράγουν, τον κυβισμό τους ή με ορισμένα μέρη τους, όπως πιθανά ένα εξελιγμένο turbo ή κάποιο υψηλής πίεσης σύστημα παροχής καυσίμου. Το μπλοκ, που στην πράξη αποτελεί τη ραχοκοκαλιά κάθε συνόλου, περνάει σε δεύτερη μοίρα. Παλαιότερα οι κατασκευαστές χρησιμοποιούσαν συνήθως χυτοσίδηρο (μαντέμι) για την κατασκευή του, τις τελευταίες όμως δεκαετίες άρχισε να μπαίνει στο παιχνίδι και το αλουμίνιο. Για την ακρίβεια, αυτό πλέον έχει και το πάνω χέρι, αφού μέχρι τη δεκαετία του ’70 περίπου το 1% των οχημάτων διέθεταν κινητήρες με αλουμινένια μπλοκ, ενώ στις μέρες μας το ποσοστό αυτό αγγίζει το 75%.

Και εδώ έρχεται η ώρα να ανοίξουμε μία μεγάλη παρένθεση, μιλώντας για το σίδηρο και το αλουμίνιο, ως μέταλλα. Το καθένα έχει τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Το ότι χρησιμοποιούσαμε σχεδόν αποκλειστικά σίδηρο παλαιά ήταν γιατί αυτός ήταν φτηνός, ανθεκτικός και εύκολα διαμορφώσιμος. Η τεχνολογία όμως εξελίσσεται και οι ανάγκες αλλάζουν.

Ως ιδιότητες, ο σίδηρος είναι αρκετά πιο βαρύς από το αλουμίνιο. Το ειδικό του βάρος είναι 7,87 kg/dm³ (χοντρικά είναι 7,87 φορές βαρύτερος από το νερό) σε σχέση με τα 2,7 kg/dm³ του αλουμινίου. Παράλληλα όμως είναι αρκετά πιο ανθεκτικός, πιο σκληρός και με αυξημένη αντίσταση στη φθορά. Φυσικά, στην πράξη δεν χρησιμοποιούμε καθαρά μέταλλα αλλά κράματα. Τόσο στο σίδηρο, όσο και στο αλουμίνιο προσθέτουμε προσμίξεις άλλων μετάλλων και τα επεξεργαζόμαστε θερμικά, ώστε στο τέλος να πάρουμε τις μηχανικές ιδιότητες που θέλουμε.

Ειδικά για το σίδηρο, οι κατασκευαστές αυτοκινήτων χρησιμοποιούν συνήθως χυτοσίδηρο κλάσης 20 ή 25. Ένα φερριτικό κράμα δηλαδή, με αρκετό άνθρακα μέσα του, που μπορεί να επιτύχει αντοχή σε εφελκυσμό 20.000-25.000 psi. Όταν μιλάμε για αλουμινένια μπλοκ, τότε αναφερόμαστε συνήθως σε κράματα 319, Α356 και Α357, τα οποία έχουν ως κύριο κραματικό στοιχείο το πυρίτιο. Εδώ η εφελκυστική τους τάση είναι περίπου 10.000-14.000 psi.

Γιατί τα αναφέρουμε αυτά; Γιατί τώρα μπορούμε να συμφωνήσουμε ότι ο χυτοσίδηρος είναι πιο ανθεκτικός αλλά και πιο βαρύς από το αλουμίνιο. Εάν λοιπόν θέλουμε να παράξουμε δύο κινητήρες παρόμοιων χαρακτηριστικών και δυνατοτήτων, θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε περισσότερο αλουμίνιο για να καταφέρουμε να προσδώσουμε στον δεύτερο ανάλογες μηχανικές ιδιότητες. Και με δεδομένο ότι το αλουμίνιο κοστίζει αρκετά περισσότερο, κάτι τέτοιο δεν θα είχε νόημα, εάν με αυτή την επιλογή δεν εξασφαλίζαμε και ένα ανάλογο όφελος.

Το πρώτο, λοιπόν, σημαντικό κέρδος των αλουμινένιων κινητήρων είναι το βάρος. Κατά μέσο όρο μπορούμε να υπολογίζουμε μία διαφορά της τάξης των 20 κιλών, μόνο για το μπλοκ. Αυτή μεταφράζεται σε καλύτερες επιδόσεις και μειωμένη κατανάλωση, αφού το τελικό βάρος παίζει πάντα ρόλο. Το δεύτερο, εξίσου σημαντικό όφελος από τη χρήση αλουμινένιων μπλοκ έχει να κάνει με μία άλλη ιδιότητα του μετάλλου, την υψηλή θερμική αγωγιμότητα.

Το αλουμίνιο ζεσταίνεται και ψύχεται πολύ πιο γρήγορα από ότι ο σίδηρος. Αυτό σημαίνει ότι ο κινητήρας φτάνει πιο γρήγορα σε θερμοκρασία λειτουργίας, πράγμα καλό για τους ρύπους και το σύστημα λίπανσης. Παράλληλα, ελέγχεται καλύτερα η θερμοκρασία στο θάλαμο καύσης, με αποτέλεσμα οι μηχανικοί εξέλιξης των εταιριών να μπορούν να επιτύχουν ελαφρά καλύτερες συμπιέσεις, που και αυτές με τη σειρά τους συνεπάγονται καλύτερη οικονομία και επιδόσεις.

Αυτά τα δύο στοιχεία αποτελούν και τα μεγάλα πλεονεκτήματα του αλουμινίου, έναντι του σιδήρου. Πάμε τώρα στα μειονεκτήματα. Ακριβώς λόγω των υποδεέστερων αντοχών του μετάλλου, τα μπλοκ αλουμινίου απαιτούν πιο περίπλοκο σχεδιασμό. Παράγουν ελαφρά περισσότερο θόρυβο και κραδασμούς, ενώ είναι και πιο εύκολο να φθαρούν. Ένα άλλο αρνητικό έχει να κάνει με τη θερμική διαστολή. Παρότι και τα δύο είδη μπλοκ διατηρούν τα χαρακτηριστικά τους στο φάσμα λειτουργίας, σε περίπτωση υπερθέρμανσης (για παράδειγμα λόγω ενός χαλασμένου θερμοστάτη) το μπλοκ από αλουμίνιο είναι πολύ πιο πιθανό να υποστεί μία καταστροφική παραμόρφωση. Αντίστοιχα, εάν κάποιος αποφασίσει να πειράξει τον κινητήρα του, ανεβάζοντας με διάφορους τρόπους την ιπποδύναμη, θα μπορούσε να έχει το κεφάλι του πιο ήσυχο, χρησιμοποιώντας κάποιο σιδερένιο μπλοκ.

Στο δια ταύτα, όλα τα παραπάνω βασίζονται κυρίως στη θεωρία. Εάν προσθέσουμε και επιπλέον παράγοντες στην όλη εξίσωση, όπως το σχεδιασμό, διατάξεις απορρόφησης κραδασμών, διάφορα μηχανικά μέρη κ.λπ. τότε το τελικό αποτέλεσμα μπορεί να ποικίλλει ανά περίπτωση. Αυτό που δεν αλλάζει είναι το γεγονός ότι το μπλοκ του κινητήρα αποτελεί τη βάση, επάνω στην οποία χτίζονται όλα. Όσο καλύτερο είναι, τόσο μεγαλύτερο το κέρδος, από κάθε άποψη.