Μείζονα απόδοση ή ελάσσoνα κατανάλωση; Την λύση μπορούν να δώσουν οι πολλά υποσχόμενοι κινητήρες μεταβλητής συμπίεσης (VCR ή Variable Compression Ratio)…
Θα μπορούσε να πει κανείς πως σε σχέση με τους βενζινοκινητήρες οι πρωταγωνιστές της τελευταίας δεκαετίας δεν είναι άλλοι από τους πετρελαιοκινητήρες. Στην… μετά-common rail περίοδο οι μηχανικοί όποια προτεραιότητα χρειάστηκε ώστε οι diesel να γίνουν “καθαρότεροι” προσεγγίζοντας τα επίπεδα των βενζινοκινητήρων αναφορικά με ορισμένες εκπομπές ρύπων. Οι βενζινοκινητήρες έμοιαζαν σα να παρακολουθούν σε ρόλο κομπάρσου τα τεκταινόμενα και να υιοθετούν “ντιζελάτες” τεχνολογίες (π.χ. άμεσος ψεκασμός, καθιέρωση της υπερτροφοδότησης κ.α.). Ωστόσο, ποια αναμένεται να είναι η επόμενη εξέλιξη στους κινητήρες βενζίνης; Η ελεγχόμενη αυτανάφλεξη του μίγματος -HCCI– που μελετούν εδώ και καιρό οι κατασκευαστές αυτοκινήτων. Αυτό θα σημάνει και το τέλος του σπινθηριστή αλλά μέχρι να φτάσουμε σε αυτό το σημείο μία ακόμη τεχνολογία που προσελκύει το ενδιαφέρον είναι οι κινητήρες μεταβλητής συμπίεσης…
Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα η τεχνολογία HCCI είναι εξαιρετικά ευαίσθητη στις μεταβολές. Οι κινητήρες VCR θα μπορούσαν να εξαλείψουν πολλές από τις “ιδιοτροπίες” της…
Λίγα λόγια για τους VCR
VCR, Variable Compression Ratio, μεταβλητή σχέση συμπίεσης. Τα πλεονεκτήματα της όλης ιδέας είναι γνωστά από τις αρχές του 20ου αιώνα αφού αυξάνοντας την σχέση συμπίεσης σε έναν ΜΕΚ παρουσιάζεται αύξηση της ισχύος με την ίδια ή μικρότερη κατανάλωση καυσίμου. Καλά όλα αυτά στην θεωρία αλλά τι γίνεται στην πράξη; Ανάλογα με την κατασκευή και τα χαρακτηριστικά του ένας κινητήρας λειτουργεί με σταθερή σχέση συμπίεσης που εξασφαλίζει ομαλή λειτουργία σε όλο το εύρος των στροφών του.
Γιατί σταθερή σχέση συμπίεσης; Γιατί δεν γίνεται αλλιώς αφούκαθορίζεται από την λειτουργία του κινητήρα με μέγιστη απόδοση -με ορθάνοιχτη την πεταλούδα- οπότε γίνεται αντιληπτό πως υπάρχει καύση περίσσειας καυσίμου που ουσιαστικά δεν χρειάζεται σε συνθήκες χαμηλότερου φορτίου. Ποιο το μειονέκτημα όταν ένας κινητήρας με σταθερό λόγο συμπίεσης λειτουργεί με τέρμα γκάζι; Απλά, η σχέση συμπίεσης είναι αυτή που πρέπει ώστε ο κινητήρας να μην δυσλειτουργεί. Έτσι, σε συνθήκες με χαμηλότερο φορτίο θα μπορούσαμε να είχαμε υψηλότερη σχέση συμπίεσης προς όφελος της κατανάλωσης. Υψηλές σχέσεις συμπίεσης -οι diesel λειτουργούν έως και 22:1 λόγω της πυκνότητας καυσίμου και της περίσσειας αέρα- συναντάμε στα αγωνιστικά (έως 13:1). Η πλειονότητα των βενζινοκινητήρων λειτουργεί συνήθως κάτω από 10:1 ώστε να αποφεύγεται η κρουστική αυτανάφλεξη του μίγματος και να προκαλούνται τα γνωστά “πειράκια”. Ωστόσο, με την χρήση άμεσου ψεκασμού αρκετοί νέοι ατμοσφαιρικοί, όπως ο τρίλιτρος της νέας BMW 523i, λειτουργεί με σχέση 12:1.
Στον GoEngine της Gomescys η μεταβολή της σχέσης συμπίεσης επιτυγχάνεται με την χρήση ενός ηλεκτρικού μοτέρ που μεταβάλει την θέση των εμβόλων μέσω ενός επικυκλικού μηχανισμού
Όσο υψηλότερη σχέση συμπίεσης έχω τόσο καλύτερα; Αν σε έναν κινητήρα προσπαθούσαμε να αυξήσουμε την σχέση συμπίεσης πέρα από το προδιαγραφόμενο όριο, εκτός από την καταπόνηση των μηχανικών μερών, θα πρέπει να υπάρξουν σημαντικές αλλαγές όπως η μείωση της προπορείας (αβάνς) για να αποφύγουμε συμπτώματα προανάφλεξης· τα πειράκια που λέγαμε. Ωστόσο, η μείωση του αβάνς επιφέρει ανάλογη μείωση της απόδοσης και ένα άλλο σκασμό προβλήματα με τα ζεματιστά καυσαέρια και την ποιότητα της καύσης. Στους VCR το ζητούμενο δεν είναι να λειτουργούν με την ίδια σχέση συμπίεσης όπως σε ένα συμβατικό αλλά με αρκετά μεγαλύτερη όταν κάθε φορά που απαιτείται.
Στον κινητήρα της Envera υπάρχει ένας μηχανισμός σαν κρεμαγιέρα που ρυθμίζει ένα υδραυλικό έμβολο που με την σειρά του μεταβάλλει την διαδρομή του εμβόλου παραπέμποντας στον κινητήρα της MCE-5. Στην ίδια λογική κινούνται και οι μηχανικοί της Honda.
Tip: Όταν ένας κινητήρας έχει σχέση συμπίεσης 10:1 σημαίνει πως ο θάλαμος καύσης αποτελεί το 1/10 του συνολικού κυλίνδρου.
Ερώτηση: Σε έναν κινητήρα VCR πως καθορίζεται ο κυβισμός του κινητήρα που θα φορολογείται; Από ποια διαδρομή του εμβόλου θα υπολογίζεται, την μικρή ή την μεγάλη; Από την ανώτερη ή από την κατώτερη;
VCR… υπό κατασκευή
Στην παραγωγή δεν έχει βγει ποτέ κανένας κινητήρας VCR αν και διάφορες εταιρίες (Honda, Nissan, Toyota, PSA, Mercedes-Benz, Lotus, Ford κ.α.) εξελίσσουν ανάλογα project. Υπάρχουν δύο βασικές τεχνικές για να μεταβληθεί η σχέση συμπίεσης ενός κινητήρα. Μία από αυτές μας είχε δείξει η Saab την άνοιξη του 2000 (πρεμιέρα στη Γενεύη στις 28 Φεβρουαρίου) μεταβάλλοντας κατά 4 μοίρες το πάνω “διαιρούμενο” μέρος του μπλοκ του πεντακύλινδρου κινητήρα με εύρος συμπίεσης 14:1 έως 8:1. O SVC (Saab Variable Compression) ήταν ο πρώτος κινητήρας του είδους που λειτουργούσε στην πράξη και μάλιστα υπερτροφοδοτούμενος 1,6 λίτρου με απόδοση 220 ίππους και 305 Nm ροπής και μέγιστη πίεση υπερπλήρωσης 2,8 bar. Πρόσφερε έως και 30% μικρότερη κατανάλωση καυσίμου από έναν αντίστοιχο συμβατικό κινητήρα με εφάμιλλα χαρακτηριστικά. Υπήρχαν όμως διάφορα προβλήματα που έπρεπε να ξεπεραστούν με το βασικότερο στην στεγανότητα μεταξύ κεφαλής και μπλοκ. Ας ελπίσουμε η… περίοδος εμμηνόπαυσης με την GM να πέρασε και οι Σουηδοί να ξαναθυμηθούν τον SVC.
Στον SVC της Saab το ΑΝΣ μεταβάλλεται με την αλλαγή θέσης της κυλινδροκεφαλής ως προς το μπλοκ
Η γερμανό-αμερικάνικη FEV Motorentechnik είχε παρουσιάσει έναν VCR χωρητικότητας 1,8 λίτρου που τοποθετήθηκε σε ένα Audi A6 προηγούμενης γενιάς. Όπως και στον SVC, και εδώ έχουμε μεταβολή του θαλάμου καύσης η οποία οφειλόταν στην μεταβολή του στροφαλοφόρου. Τα κομβία συνεργάζονται με εκκεντρικούς δίσκους και το βήμα το δίνει ένας μικρός ηλεκτροκινητήρας. Ανάλογα με την κίνησή των δίσκων ο στροφαλοφόρος ανυψώνεται κατά 4 χιλιοστά αυξάνοντας την συμπίεση από 8,5:1 έως 16:1. Η Ford έχει πατεντάρει εδώ και μία δεκαετία μία -εξαιρετικά πολύπλοκη- μέθοδο όπου μία μικρή βαλβίδα στο κέντρο της κυλινδροκεφαλής μεταβάλλει τον θάλαμο καύσης ενώ τα έμβολα ανεβαίνουν μέσω ενός έκκεντρου. Η Honda έχει ανακοινώσει πως εξελίσσει κινητήρες VCR με διπλά έμβολα, όπως είναι περίπου ο κινητήρας MCE-5, ωστόσο πληροφορίες μας λένε πως ο ιαπωνικός VCR θα είναι πιο απλός κατασκευαστικά και θα τον δούμε στην παραγωγή καλώς εχόντων σε περίπου 2-3 χρόνια.
Στον VCR της Cartepillar ο στροφαλοφόρος περιστρέφεται σε έκκεντρα καβαλέτα μεταβάλλοντας την σχέση συμπίεσης
Η Nissan ακολουθεί διαφορετική οδό με ένα πιο πολύπλοκο μηχανισμό που μεταβάλλει την σχετική θέση των εμβόλων χωρίς όμως να αλλάζει η διαδρομή τους. Εδώ το μπλοκ με την κεφαλή είναι σταθερά μεταξύ τους και μεταβάλλεται το ΑΝΣ αλλάζοντας την θέση ως προς τον στροφαλοφόρο. Παρόμοιες πατέντες έχουν δείξει οι Peugeot, Ford και FEV ενώ μία πιο εξωτική λύση είναι αυτή της Mayflower την οποία είχε προτείνει ο Dr Joe Ehrlich, γνωστός από τους αγώνες μοτοσικλέτας. Η Caterpillar, όπως και οι υπόλοιποι κατασκευαστές, θεωρούν πως οι κινητήρες VCR συνεργάζονται ιδανικά με την τεχνολογία HCCI. Στις φωτογραφίες βλέπουμε ένα πρωτότυπο κινητήρα 1,5 λίτρου (είχε παρουσιαστεί το 2006) όπου ο στροφαλοφόρος αρθρώνεται πάνω σε έκκεντρα καβαλέτα μεταβάλλοντας την σχέση συμπίεσης σε εύρος 8:1-15:1. Την θέση του έκκεντρου καβαλέτου μεταβάλλουν πάνω-κάτω υδραυλικά πιστόνια.
Στον VCR της Nissan ένα μοχλικό σύστημα μεταβάλει την σχετική θέση των εμβόλων με σταθερή την διαδρομή τους
Καλησπέρα. Θεωρώ ότι αυτός που έχει σχέση συμπίεσης 15:1 είναι πετρελαιοκινητήρας και αυτός με σχέση συμπίεσης 9:1 βενζινοκινητήρας. Οπότε δεν μπορούμε να συγκρίνουμε άμεσα τα δεδομένα.
Αν δεχτούμε ότι οι κινητήρες έχουν τον ίδιο κυλινδρισμό, εκ φύσεως έχουν διαφορετική απόδοση. Και σίγουρα έχουν διαφορετική κατανάλωση.
Καταρχας ευχαριστώ για την απάντηση…τα νούμερα ήταν τυχαία(απλώς διάβασα για τις καινούριες τεχνολογίες στους βενζινοκινητήρες που επιτρέπουν μεγάλη σχέση συμπίεσης).Προφανώς συγκρίνω κινητήρες που λειτουργούν με το ίδιο καύσιμο.Αυτό που θέλω να ρωτήσω είναι γιατί να είναι περισσότερο αποδοτικός ένας κινητήρας μεταβλητής συμπίεσης από έναν υπερτροφοδοτούμενο κινητήρα(βλεπε TSI ,TCE) που μπορεί να ελέγχει κάθε στιγμή ,ανάλογα το φορτίο κτλπ,την μάζα του αέρα που θα εισέλθει στον κύλινδρο,αντί του όγκου του αέρα που ελέγχει ένας κινητήρας μεταβλητής συμπίεσης .
Από τα βασική που γνωρίζω νομίζω πως οι τούρμπο έχουν χαμηλή σχέση συμπίεσης λόγω της κρουστηκής καύσης και της πρόωρης ανάφλεξης του καυσίμου. Το να σπρώχνεις συνεχώς αέρα με το ζόρι έχει και ένα όριο να υποθέσω. Απλά στους μεταβλητής συμπίεσης έχει τη δυνατότητα ο θάλαμος καύσης να μεταβάλλει τον όγκο του ενώ στους τούρμπο μένει σταθερός. Αυτό που καταλαβαίνω είναι πως μάλλον είναι αποδοτικότερο να γίνεται καύση σε μικρότερο θάλαμο καύσης (στουςVCR) και ανάλογα με τις συνθήκης από το να σπρώχνεις αέρα σε ένα σταθερό θάλαμο όπως στο τούρμπο.
Υποθέτω πως το μεγαλύτερο ατού δεν είναι στην απόδοση αλλά στην οικονομία καυσίμου και στους ρύπους. Κάτι που στους τούρμπο δεν ισχύει γιατί αν το πατήσεις το γκάζι καίνε τα άντερά τους!!! Αυξάνοντας την ποσότητα αέρα στους κυλίνδρους στο τούρμπο δεν αυξάνεται και η ποσότητα καυσίμου ώστε το μίγμα να είναι αναφλέξιμο; Για αυτό νομίζω πως έχουν υψηλή κατανάλωση, ε;
Αν έχουμε ένα κινητήρα που λειτουργεί με σχέση συμπίεσης πχ 15:1 και ένα άλλον με τα ίδια γεωμετρικά χαρακτηριστικα αλλα με σχέση συμπίεσης 9:1 αλλα με κατάλληλη πίεση υπερπλήρωσης έτσι ώστε κατα την καύση να έχουμε την ίδια μάζα αέρα ,τι αλλάζει στην απόδοση?