Στην εποχή της ηλεκτροκίνησης, είναι εύκολο να παραβλέψει κανείς την εξέλιξη των κινητήρων εσωτερικής καύσης (ICE - Internal Combustion Engine). Ας δούµε συνοπτικά τα σηµαντικότερα σηµεία βελτίωσης των ICE τα τελευταία χρόνια.
Δεν υπάρχει αµφιβολία πως η κυρίαρχη τάση στην αυτοκίνηση είναι η ηλεκτροκίνηση. Το µερίδιο των πωλήσεων αυτοκινήτων µε κινητήρες εσωτερικής καύσης µειώνεται διαρκώς στις περισσότερες αγορές. Αυτό οφείλεται σε διάφορους λόγους:
- Στην επιθυµία πολλών οδηγών να «κάνουν το περιβαλλοντικά σωστό».
- Στην εµπειρία οδήγησης ενός EV και τα προφανή πλεονεκτήµατά του.
- Στους νοµοθετικούς στόχους που, αργά ή γρήγορα, θα καταστήσουν µη βιώσιµη την παραγωγή και πώληση οχηµάτων µε θερµικούς κινητήρες.
Παρόλα αυτά, στις τελευταίες δεκαετίες του εξελικτικού τους κύκλου, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης έχουν φτάσει σε ένα απόγειο απόδοσης, εξευγενισµού και αξιοπιστίας, µε παράλληλη µείωση των εκποµπών.
Σαράντα χρόνια πριν, ένα οικογενειακό αυτοκίνητο που κατανάλωνε 10 λίτρα καυσίµου /100 χλµ θεωρούνταν οικονοµικό. Σήµερα βλέπουµε µεγαλύτερα και βαρύτερα οχήµατα να καταναλώνουν 4,5 ή και κάτω από 4 λίτρα/100 χλµ, και δεν προκαλεί εντύπωση.
Ο εξηλεκτρισµός των συστηµάτων ICE (µέσω υβριδικών διατάξεων) συνέβαλε καθοριστικά στην αύξηση της συνολικής απόδοσης, και η εξέλιξη σε αυτόν τον τοµέα συνεχίζεται µε νέες βελτιώσεις στα όρια της τεχνολογίας.
Πώς είναι αυτό εφικτό;
Τα καύσιμα δεν έχουν αλλάξει ριζικά. Οι θεμελιώδεις μηχανισμοί του κινητήρα παραμένουν σε μεγάλο βαθμό οι ίδιοι. Ο τετράχρονος κινητήρας με μηχανισμό βαλβίδων παραμένει το πιο ισορροπημένο σύστημα σε απόδοση, κόστος και αξιοπιστία.
Τα τελευταία 40 χρόνια, η αυτοκινητοβιομηχανία εστίασε λιγότερο στην εφεύρεση εντελώς νέων τύπων κινητήρων και περισσότερο στη βελτιστοποίηση αυτού που ήδη υπάρχει. Και ειδικά τα τελευταία 15 χρόνια, η οικονομία καυσίμου έγινε βασικός παράγοντας για την επιλογή οχήματος, κυρίως σε χώρες όπου η τιμή καυσίμου σε σχέση με το διαθέσιμο εισόδημα είναι υψηλή.
Δεν είναι εφικτό να καλυφθούν όλες οι βελτιώσεις που έχουν οδηγήσει στην αύξηση της απόδοσης των ICE. Εδώ παρουσιάζονται ορισμένα παραδείγματα, χωρίς να εξαντλείται ένα τόσο πολύπλοκο αντικείμενο που έχει αποτελέσει αντικείμενο πολυάριθμων μελετών και τεχνικών δημοσιεύσεων.
Κύκλοι λειτουργίας: MILLER εναντίον OTTO
Ο τετράχρονος κινητήρας χαρακτηρίζεται από τη γνωστή διαδικασία εισαγωγής, συμπίεσης, καύσης και εξαγωγής. Ωστόσο, υπάρχουν παραλλαγές του κύκλου Otto που στοχεύουν στη βελτιστοποίηση της θερμικής απόδοσης, κυρίως μέσω της διαφοροποίησης στη σχέση εκτόνωσης.
Ο κύκλος Atkinson, σχεδιασμένος ενώ οι πατέντες του Otto ίσχυαν ακόμα, χρησιμοποιούσε έναν έξυπνο μηχανισμό που επέτρεπε να πραγματοποιούνται και οι τέσσερις φάσεις λειτουργίας μέσα σε μία μόνο περιστροφή του στροφαλοφόρου, με τη συμπίεση να είναι μικρότερης διάρκειας από την εκτόνωση.
Στη σύγχρονη εκδοχή του, ο κύκλος Atkinson επιτυγχάνεται μέσω ασυνήθιστου χρονισμού βαλβίδων, κατά τον οποίο η βαλβίδα εισαγωγής παραμένει ανοιχτή κατά την αρχή της συμπίεσης, επιτρέποντας την εκτόνωση να πραγματοποιείται σε μεγαλύτερο όγκο απ’ ό,τι η συμπίεση. Έτσι, ο κινητήρας έχει μεγαλύτερη σχέση εκτόνωσης από σχέση συμπίεσης.
Αν και τέτοιοι κινητήρες δεν αποδίδουν ιδιαίτερα σε ισχύ ανά λίτρο κυβισμού, επιτυγχάνουν υψηλή θερμική απόδοση λόγω μειωμένων απωλειών άντλησης. Συνήθως συνδυάζονται με υβριδικά συστήματα που παρέχουν επιπλέον ροπή εκεί όπου ο θερμικός κινητήρας δεν επαρκεί. Παραδείγματα εφαρμογής: Toyota Prius, Honda Insight πρώτης γενιάς.
Ο κύκλος Miller βασίζεται επίσης στην αρχή της μεγαλύτερης σχέσης εκτόνωσης από τη συμπίεση, αλλά αντί να βασίζεται σε υβριδικό σύστημα, συνδυάζεται με υπερτροφοδότηση.
Ο υπερσυμπιεστής αυξάνει την ποσότητα αέρα εισαγωγής, αντισταθμίζοντας τη μικρότερη φάση συμπίεσης και επιτρέποντας στον κινητήρα να λειτουργεί αποδοτικά και εκτός του ιδανικού φορτίου/ταχύτητας.
Υβριδοποίηση
Η υβριδοποίηση δίνει στους μηχανικούς επιβατικών αυτοκινήτων τη δυνατότητα να εστιάσουν περισσότερο στην ενεργειακή απόδοση του θερμικού κινητήρα.
Η υβριδοποίηση δεν περιορίζεται μόνο στην υποβοήθηση του συστήματος μετάδοσης, αλλά επιτρέπει τον επανασχεδιασμό επιμέρους υποσυστημάτων που παραδοσιακά κινούνταν μηχανικά μέσω του στροφαλοφόρου άξονα.
Ενδεικτικά, η αντικατάσταση της μηχανικής αντλίας νερού, της αντλίας λαδιού ή της υδραυλικής αντλίας τιμονιού με ανεξάρτητες ηλεκτρικές μονάδες αποδεσμεύει τη λειτουργία τους από τις στροφές και το φορτίο του κινητήρα. Αυτό επιτρέπει ακριβέστερο έλεγχο θερμοκρασίας, στοχευμένη λειτουργία ανάλογα με τις απαιτήσεις λειτουργίας και συνολική μείωση των μηχανικών απωλειών.
Η χρήση ηλεκτροκινητήρων υψηλής απόδοσης για τα βοηθητικά συστήματα βελτιώνει σημαντικά την ενεργειακή αποδοτικότητα του οχήματος και ενισχύει τη συνοχή του υβριδικού συστήματος, ειδικά σε χαμηλά φορτία ή σε λειτουργία EV.
Άμεσος ψεκασμός (DIRECT INJECTION)
Στην περίπτωση των βενζινοκινητήρων, η άμεση έγχυση καυσίμου έχει επιφέρει σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση και τις εκπομπές ρύπων.
Η παραδοσιακή έγχυση στον αυλό εισαγωγής (port injection) αποτέλεσε ήδη ένα σημαντικό άλμα σε σχέση με τα καρμπιρατέρ, αλλά ο άμεσος ψεκασμός συνιστά ακόμη μεγαλύτερη εξέλιξη.
Όπως υποδηλώνει και το όνομα, το καύσιμο ψεκάζεται απευθείας στον κύλινδρο, αντί στον αυλό εισαγωγής. Με χρήση αντλίας και μπεκ υψηλής πίεσης, η διάρκεια ψεκασμού είναι εξαιρετικά σύντομη και μπορεί να πραγματοποιείται εντός της φάσης όπου η βαλβίδα εξαγωγής είναι κλειστή.
Αυτό επιτρέπει την πρόσθεση καυσίμου χωρίς τον κίνδυνο να διαφύγει άκαυστο προς την εξάτμιση, μειώνοντας σημαντικά τις απώλειες και τις εκπομπές HC.
Μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων (VVT)
Η χρήση μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων (Variable Valve Timing – VVT) έχει στόχο να μεταβάλλεται ο χρονισμός των βαλβίδων ανάλογα με τις στροφές και το φορτίο, ώστε να βελτιώνεται η απόδοση και η κατανάλωση καυσίμου.
Σε κινητήρες με σταθερό χρονισμό βαλβίδων, οι ρυθμίσεις επιλέγονται με γνώμονα την ιδανική λειτουργία σε μία συγκεκριμένη περιοχή λειτουργίας (π.χ. μέγιστη οικονομία στις μεσαίες στροφές), γεγονός που σημαίνει υποχωρήσεις σε άλλες περιοχές στροφών.
Αντίθετα, με το VVT, ο κινητήρας μπορεί να προσαρμόζει τον χρονισμό βαλβίδων σε πραγματικό χρόνο, ώστε να αποδίδει καλύτερα σε ευρύτερο φάσμα ταχυτήτων και φορτίων.
Μεταβλητό βύθισμα βαλβίδων (VARIABLE VALVE LIFT)
Τα συστήματα μεταβλητού ύψους ανοίγματος ρυθμίζουν το μέγιστο άνοιγμα της βαλβίδας, ελέγχοντας έτσι με μεγαλύτερη ακρίβεια την παροχή αέρα προς τον κινητήρα. Μπορούν να ελέγχουν συνεχώς το ύψος ανοίγματος από το μηδέν έως το μέγιστο, σε πραγματικό χρόνο. Έτσι, είναι τεχνικά εφικτό ακόμη και να καταργηθεί εντελώς η πεταλούδα γκαζιού, αυξάνοντας την απόδοση και μειώνοντας τις απώλειες άντλησης.
Απενεργοποίηση κυλίνδρων (CYLINDER DEACTIVATION)
Ο Willy Krautter, στο SAE άρθρο του το 1969 με τίτλο «Why Multicylinder Motorcycle Engines?», έθεσε το ερώτημα για την ανάγκη ύπαρξης πολλών κυλίνδρων. Την εποχή εκείνη, η Honda είχε παρουσιάσει υπερεξελιγμένους κινητήρες αγώνων, όπως έναν 250cc εξακύλινδρο και έναν 125cc πεντακύλινδρο, προκαλώντας δέος σε σχέση με τους απλούστερους μονοκύλινδρους ή δικύλινδρους κινητήρες.
Σήμερα, διαθέτουμε τεχνολογία που επιτρέπει την προσωρινή απενεργοποίηση κυλίνδρων όταν δεν χρειάζεται πλήρης ισχύς.
Τα οφέλη της απενεργοποίησης κυλίνδρων περιλαμβάνουν:
- Καμία έγχυση καυσίμου στους ανενεργούς κυλίνδρους
- Μείωση των απωλειών άντλησης
- Αύξηση της αποδοτικότητας των ενεργών κυλίνδρων, καθώς λειτουργούν με μικρότερο άνοιγμα γκαζιού και υψηλότερη θερμική απόδοση
Η τεχνολογία σήμερα έχει βελτιστοποιηθεί στην παραγωγή επιβατικών αυτοκινήτων για εξοικονόμηση καυσίμου.
Υπερτροφοδότηση (TURBOCHARGING)
Το ποσοστό επιβατικών οχημάτων με υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες έχει αυξηθεί θεαματικά τα τελευταία χρόνια. Αυτό που ξεκίνησε ως βοήθημα για βελτίωση απόδοσης, έχει πλέον εδραιωθεί ως τεχνολογία ευρείας χρήσης. Στο παρελθόν, η ύπαρξη turbo χαρακτήριζε τη σπορ έκδοση μιας γκάμας. Σήμερα, σε πολλές αγορές, σπάνια κυκλοφορεί καινούργιο όχημα με κινητήρα χωρίς υπερτροφοδότηση – είτε μέσω υπερσυμπιεστή εξάτμισης είτε μέσω μηχανικού υπερσυμπιεστή.
Η τεχνολογία του τούρμπο έχει καταστήσει δυνατή την ουσιαστική μείωση του κυβισμού (downsizing) σε κινητήρες βενζίνης και πετρελαίου. Είναι πλέον κοινό να βρίσκει κανείς υπερτροφοδοτούμενο κινητήρα 1.0 ή 1.5 λίτρων να κινεί μεγάλα οικογενειακά αυτοκίνητα.
Παρότι η χρήση turbo, intercooler και του σχετικού ηλεκτρονικού ελέγχου αυξάνει τη συνολική πολυπλοκότητα, το μικρότερο φυσικό μέγεθος και η υψηλή ειδική απόδοση (ισχύς ανά λίτρο) καθιστούν αυτούς τους κινητήρες εξαιρετικά ελκυστικούς. Στο παρελθόν, οι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες είχαν τη φήμη κακής απόκρισης και καθυστέρησης επιτάχυνσης (turbo lag). Όμως, τα τελευταία χρόνια έχουν σημειωθεί τεχνολογικά άλματα για τη βελτίωση της δυναμικής απόκρισης.
Σήμερα, η υπερτροφοδότηση χρησιμοποιείται για να αποδίδει ένας μικρός κινητήρας την ισχύ και τη ροπή ενός μεγαλύτερου σε ευρύ φάσμα στροφών. Οι τουρμπίνες και οι συμπιεστές είναι πλέον βελτιστοποιημένοι για πραγματικές συνθήκες οδήγησης, σε αντίθεση με παλαιότερες εφαρμογές που συχνά είχαν ακατάλληλη σχεδίαση για χρήση πόλης ή χαμηλού φορτίου.
Μεταβλητής γεωµετρίας τουρµπίνες (VGT)
Οι τουρμπίνες μεταβλητής γεωμετρίας προσφέρουν αυξημένη απόδοση σε ευρύτερο φάσμα στροφών και φορτίου κινητήρα, καθώς η διατομή της τουρμπίνας προσαρμόζεται δυναμικά μέσω της μεταβολής της γωνίας των πτερυγίων κατεύθυνσης καυσαερίων. Η μεταβολή αυτή επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της ταχύτητας ροής και της πίεσης των καυσαερίων στον στροβιλοσυμπιεστή, προσφέροντας γρηγορότερη απόκριση (ειδικά σε χαμηλές στροφές) και σταθερή υπερπλήρωση σε υψηλά φορτία.
Ηλεκτρικά υποβοηθούµενα τούρµπο (e-turbo)
Τα e-turbo διαθέτουν ενσωματωμένο ηλεκτροκινητήρα ο οποίος περιστρέφει τον άξονα του στροβιλοσυμπιεστή ανεξάρτητα από την πίεση των καυσαερίων. Με αυτόν τον τρόπο εξαλείφεται η καθυστέρηση (turbo lag), καθώς η πίεση υπερπλήρωσης δημιουργείται άμεσα από τη στιγμή που ο οδηγός απαιτεί ροπή. Παράλληλα, ο ηλεκτροκινητήρας μπορεί να λειτουργήσει και ως γεννήτρια κατά την επιβράδυνση, ανακτώντας ενέργεια. Η τεχνολογία αυτή επιτρέπει μικρότερη τουρμπίνα, πιο ελεύθερη σχεδίαση εξαγωγών και καλύτερη απόκριση σε χαμηλά φορτία και στροφές.
Mείωση τριβών (FRICTION REDUCTION)
Η μείωση τριβών παραμένει μια ανεξάντλητη πηγή βελτιώσεων. Το χαμηλό θερμικό ποσοστό απόδοσης των κινητήρων εσωτερικής καύσης οφείλεται εν μέρει και σε απώλειες λόγω εσωτερικής τριβής. Παρά τις προσπάθειες να διαχωριστούν οι κινούμενες μεταλλικές επιφάνειες μέσω λιπαντικών φιλμ, η τριβή παραμένει σημαντικός παράγοντας απωλειών.
Η πρόοδος σε δύο βασικούς τομείς έχει κάνει τη διαφορά:
- Υλικά: νέες μεταλλουργικές συνθέσεις αντέχουν επαναλαμβανόμενους κύκλους υψηλής μηχανικής καταπόνησης.
- Λιπαντικά: τα σύγχρονα λιπαντικά αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες, ρυθμούς διάτμησης και μηχανικά φορτία.
Εκεί όπου η υδροδυναμική λίπανση δεν επαρκεί (π.χ. σε πολύ μικρές επιφάνειες ολίσθησης), η χρήση σκληρών, ανθεκτικών και χαμηλής τριβής επικαλύψεων έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματική. Η μείωση βάρους συμβάλλει επίσης στη μείωση τριβών και στη βελτίωση της δυναμικής απόκρισης του κινητήρα. Παραδείγματα:
- Ελαφρύτερο έμβολο: λιγότερη πίεση στον πείρο εμβόλου: μικρότερη διατομή.
- Μικρότερη αδράνεια: ελαφρύτερη μπιέλα: δυνατότητα μικρότερων εδράνων και στροφάλου.
- Μειωμένη ανάγκη για αντίβαρα στον στρόφαλο: μικρότερες μάζες.
- Ελαφρύτερη βαλβίδα: μικρότερο ελατήριο: μικρότερο μήκος βαλβίδας.
TJI – Aνάφλεξη με αναταρακτικό ακροφύσιο (TURBULENT JET IGNITION)
Έχει πραγματοποιηθεί εκτεταμένη έρευνα για τη βελτίωση της διαδικασίας καύσης στους κινητήρες. Μία ιδιαίτερα υποσχόμενη τεχνολογία, προερχόμενη από μεγάλους σταθερούς κινητήρες φυσικού αερίου και εξελιγμένη μέσω Formula 1 και αγώνων Le Mans, είναι η ανάφλεξη προθαλάμου ή Turbulent Jet Ignition (TJI).
Στο σύστημα TJI, το ηλεκτρόδιο του μπουζί δεν βρίσκεται στο θάλαμο καύσης, αλλά μέσα σε έναν μικρό προθάλαμο που επικοινωνεί με τον κύριο θάλαμο καύσης μέσω πολλαπλών μικρών οπών. Η καύση δεν ξεκινά από ένα μόνο σημείο, αλλά από πολλαπλούς πίδακες φλόγας (turbulent jets), με πολλαπλά μέτωπα ανάφλεξης ανά πίδακα.
Η αναλυτική τεχνική μελέτη του Biswas αναδεικνύει τα πλεονεκτήματα του TJI:
- Επιτρέπει υπερβολικά φτωχά μίγματα (lean burn), γεγονός που αυξάνει σημαντικά τη θερμική απόδοση
- Εξασφαλίζει καύση χωρίς προανάφλεξεις υπό υψηλό φορτίο, επιτρέποντας την εφαρμογή μεγαλύτερων λόγων συμπίεσης και υψηλότερης υπερπλήρωσης
Αυτά τα χαρακτηριστικά συνέβαλαν καθοριστικά στην επίτευξη θερμικής απόδοσης άνω του 50% στη Formula 1 ήδη από το 2017.
Εκδοχές προθάλαμου ανάφλεξης: ενεργητικός και παθητικός. Υπάρχουν δύο κύριες παραλλαγές του TJI:
- Ενεργητικός προθάλαμος (active): διαθέτει ξεχωριστή παροχή καυσίμου στον προθάλαμο.
- Παθητικός προθάλαμος (passive): το μείγμα αέρα-καυσίμου εισάγεται στον προθάλαμο κατά τη φάση συμπίεσης.
Η Maserati, με τον κινητήρα Nettuno, χρησιμοποιεί παθητικό σύστημα, σε συνδυασμό με συμβατικό μπουζί για χαμηλά φορτία, προκειμένου να αποφευχθεί θόρυβος από την καύση του προθαλάμου.
Στη Formula 1 χρησιμοποιείται μόνο παθητικό TJI, αλλά σύμφωνα με τον Biswas, το μέγιστο όφελος από τη χρήση φτωχών μιγμάτων επιτυγχάνεται μέσω ενεργητικού προθαλάμου.
