Τα ευρωπαϊκά χρηματιστήρια μπορεί να μην διανύουν την καλύτερη περίοδο που έχουν γνωρίσει ποτέ σε αντίθεση με την πετρελαιοκίνηση που ανθίζει και στην χώρα μας μιας και 6/10 αυτοκίνητα είναι πλέον ντίζελ…
Με την έναρξη της παραγωγής των πρώτων αυτοκινήτων ο μοναδικός τρόπος λειτουργίας μιας μηχανής εσωτερικής καύσης ήταν με ανάφλεξη σπινθήρα ( Otto cycle). Η πρώτη χρήση πετρελαιοκινητήρα σε τετράτροχο όχημα έγινε το 1927, σε ένα φορτηγό κατασκευασμένο από την MAN και την Daimler. Τα επιβατηγά έπρεπε να περιμένουν μια δεκαετία περίπου ώστε το 1936 να τοποθετηθεί για πρώτη φορά σε ένα Mercedes 260D καθώς η πρώτη προσπάθεια τοποθέτησης σε ένα Citroen (του 1933, αγγλικής κατασκευής κινητήρας σχεδιασμένος από το Sir Harry Ricardo) σταμάτησε λόγω της νομοθεσίας που δεν επέτρεπε πετρελαιοκίνητο αυτοκίνητο.
Ο πετρελαιοκινητήρας έκανε ισχυρή πρόοδο στο τομέα των φορτηγών λόγω της οικονομίας καυσίμου που προσφέρει και της μεγάλης διάρκειας ζωής του. Αντίθετα, στο τομέα των επιβατηγών υποβιβάστηκε και μπήκε στο περιθώριο. Έπρεπε να περάσουν αρκετά χρόνια έως ότου αναπτυχθεί ο έμμεσος ψεκασμός με υπερτροφοδότηση (το 1977 λανσαρίστηκε η Mercedes-Benz 300 SD Turbo Diesel) και να καταφέρει ο πετρελαιοκινητήρας να κερδίσει το χαμένο έδαφος και να φτάσει στις μέρες μας να ξεπερνάει το 50% των ταξινομήσεων.
Πώς όμως κατάφερε να κερδίσει όλους αυτούς τους υποστηρικτές και τι κέρδος έχει ο οδηγός από ένα αυτοκίνητο με καύσιμο το πετρέλαιο; Η απάντηση στο ερώτημα είναι η οικονομία στην κατανάλωση καυσίμου, η ροπή από τις χαμηλές rpm και οι μειωμένες εκπομπές καυσαερίων. Αυτοί οι παράγοντες κατάφεραν να κάνουν τον οδηγό να στραφεί στο πετρέλαιο σαν καύσιμη ύλη και να ταξινομούνται καθημερινά περισσότερα πετρελαιοκίνητα παρά βενζινοκίνητα αυτοκίνητα.
Ντίζελ και τεχνολογία.
Ο κινητήρας Diesel δεν φτάνει σε τόσο υψηλούς αριθμούς στροφών όπως ένας συγκρίσιμος βενζινοκινητήρας. Ένας turbo diesel προσφέρει υψηλή ροπή ήδη από την περιοχή χαμηλών στροφών. Μέχρι πρότινος οι κινητήρες Diesel κατά κανόνα δεν λειτουργούσαν τόσο ήσυχα όσον αφορά στους κραδασμούς όπως οι βενζινοκινητήρες. Παρά τα βήματα προόδου στον τομέα της τεχνολογίας κινητήρων, οι βενζινοκινητήρες θεωρούνταν ανώτεροι από πλευράς ήρεμης λειτουργίας και φιλοσοφίας λειτουργίας. Ωστόσο, οι υψηλές πιέσεις ψεκασμού έχουν βελτιώσει σημαντικά το εν λόγω ζήτημα με μοντέρνα πιεζοηλεκτρικά ακροφύσια ψεκασμού που φτάνουν έως και 2.500 bar και εξασφαλίζουν πολύ λεπτή διασπορά του καυσίμου ντίζελ ενώ τα υψηλής απόδοσης ηλεκτρονικά συστήματα διαχείρισης κινητήρα κάνουν το μοντέρνο πετρελαιοκινητήρα «κατάλληλο και για σαλόνι» (αν θυμάστε την καπνίλα που έβγαζαν τις προηγούμενες δεκαετίες).
Στους σύγχρονους ντίζελ, στην πλευρά εισόδου υπάρχει συχνά ένας στροβιλοσυμπιεστής καυσαερίων ο οποίος βελτιώνει την απόδοση της αυτανάφλεξης και τη συμπεριφορά της κατά την εκκίνηση του κινητήρα. Επιπλέον, με τη βοήθεια της ανακύκλωσης καυσαερίων επηρεάζεται θετικά η παραγωγή οξειδίου του αζώτου στον κινητήρα Diesel. Ωστόσο εδώ θα πρέπει να γίνει ένας συμβιβασμός μεταξύ αντιπροσωπευτικών τιμών οξειδίου του αζώτου και τιμών σωματιδίων, γιατί σε μεγάλα ποσοστά ανακύκλωσης καυσαερίων, ναι μεν, μειώνονται οι τιμές οξειδίου του αζώτου αλλά από την άλλη αυξάνονται τα σωματίδια αιθάλης σε μη ανεκτό βαθμό.
Η κρουστική καύση (χτύποι από τον κινητήρα) που προκύπτει στην κρύα εκκίνηση αντιμετωπίζεται πλέον από τα συστήματα Common Rail με διανομή της ποσότητας ψεκασμού σε περισσότερες διαδρομές ψεκασμού. Λόγω της ρυπαρότητας του αέρα και της καρκινογόνου αιθάλης, οι κινητήρες Diesel έχουν αποκτήσει κακή φήμη σε κάποιο βαθμό. Στα οχήματα με φίλτρο σωματιδίων τα μόρια της αιθάλης συγκρατούνται σε ένα φίλτρο σωματιδίων, το οποίο θα πρέπει από καιρό σε καιρό να ανανεώνεται. Σε σύγκριση με τους σύγχρονους βενζινοκινητήρες, οι οποίοι εξοπλίζονται με 3-οδικό καταλύτη, η εκπομπή οξειδίων του αζώτου είναι ξεκάθαρα υψηλότερη στον κινητήρα Diesel.
Ντίζελ και common rail.
Η ανάγκη για μειωμένες εκπομπές καυσαερίων, μειωμένη κατανάλωση καυσίμου και ακόμα χαμηλότερα ποσοστά θορύβου αναγκάζουν τους κατασκευαστές συστημάτων diesel να βελτιώνουν συνεχώς τα συστήματα διαχείρισης. Για να καταφέρει ο κινητήρας να φτάσει σε αυτά τα επίπεδα λειτουργίας θα πρέπει το καύσιμο να ψεκάζεται με μεγάλη πίεση στο θάλαμο καύσης και η διασπορά να είναι τόσο λεπτή ώστε η αυτανάφλεξη να επιτυγχάνεται στο μέγιστο δυνατό. Παράλληλα θα πρέπει το καύσιμο να μετριέται με μεγάλη ακρίβεια, η καμπύλη εκφόρτισης πρέπει να έχει συγκεκριμένη μορφή ενώ οι χρόνοι προψεκασμού και κυρίως ψεκασμού να είναι όσο το δυνατό πιο μεταβαλλόμενοι ανάλογα τις ανάγκες του συστήματος. Το μοναδικό σύστημα ψεκασμού που μπορεί να ανταπεξέλθει σε όλες αυτές τις δυσκολίες είναι το common rail.
Το μεγάλο πλεονέκτημα του συστήματος είναι η δυνατότητα του να μεταβάλει τους χρόνους ψεκασμού και την πίεση ψεκασμού ανάλογα τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. Αυτό επιτυγχάνεται με την διαφοροποίηση του συστήματος παραγωγής πίεσης ( αντλία υψηλής πίεσης ) και του συστήματος ψεκασμού καυσίμου ( ψεκαστήρες). Το common rail χρησιμοποιείται τόσο σε επιβατηγά όσο και σε φορτηγά οχήματα. Η μονάδα διαχείρισης κινητήρα λαμβάνει τα δεδομένα από μια ομάδα αισθητήρων, τα επεξεργάζεται και δημιουργεί τις ιδανικές συνθήκες καύσης με σκοπό πάντα την ιδανική καύση του μίγματος αέρα καυσίμου που έχει δημιουργηθεί στο θάλαμο καύσης.
Στον κινητήρα με σύστημα ψεκασμού Common rail εφαρμόζεται η μέθοδος άμεσου ψεκασμού στο θάλαμο καύσης. Επιλέγοντας έναν σχετικά μεγάλο ρυθμό παροχής, το καύσιμο ψεκάζεται απευθείας στον κύριο χώρο καύσης με αποτέλεσμα την καλή δημιουργία μίγματος και την πολύ γρήγορη καύση του μίγματος. Τελικό αποτέλεσμα είναι ένα μεγάλος βαθμός απόδοσης.
Το σύστημα common rail διαχωρίζεται σε τρία βασικά μέρη.
1. Το τμήμα χαμηλής πίεσης που αποτελείται από το σύστημα παροχής καυσίμου
2. Το τμήμα υψηλής πίεσης που αποτελείται από την αντλία υψηλής πίεσης, τους ψεκαστήρες, το rail και τις σωληνώσεις υψηλής πίεσης
3. Το τμήμα ηλεκτρονικών του συστήματος που αποτελείται από την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (εγκέφαλος), τους αισθητήρες και τις διατάξεις ενεργοποίησης.
Ο παράγοντας που κάνει τη διαφορά είναι ο ψεκαστήρας ο οποίος εφοδιάζεται με ηλεκτρομαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές διατάξεις οι οποίες ανοίγουν και κλείνουν το ακροφύσιο. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται ο σωστός έλεγχος του ψεκασμού σε κάθε κύλινδρο ξεχωριστά. Όλοι οι ψεκαστήρες τροφοδοτούνται από έναν κοινό αυλό καυσίμου (rail) οπότε προκύπτει και το όνομα Common rail.
Αρχή λειτουργίας: στο σύστημα common rail οι λειτουργίες της παραγωγής πίεσης και του ψεκασμού έχουν διαχωριστεί. Η πίεση πίεσης παράγεται ανεξάρτητα από τις στροφές του κινητήρα και την ποσότητα ψεκασμού. Υπεύθυνη για το έλεγχο της παραγωγής πίεσης και του ψεκασμού είναι η μονάδα ελέγχου.
Δημιουργία πίεσης: η δημιουργία πίεσης και ο ψεκασμός διαχωρίζονται με την ύπαρξη ενός συσσωρευτή. Το καύσιμο υπό πίεση προωθείται στο συσσωρευτή έτοιμο προς ψεκασμό. Για την δημιουργία της πίεσης χρησιμοποιείται μια αντλία υψηλής πίεσης η οποία κινείται συνεχώς από τον κινητήρα. Η πίεση στο συσσωρευτή διατηρείται ανεξάρτητα από τις στροφές του κινητήρα ή από την ποσότητα ψεκασμού.
Έλεγχος ( ρύθμιση) της πίεσης: ο έλεγχος της πίεσης εξαρτάται από το σύστημα και χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες( σχήμα):
Α: Έλεγχος στο τμήμα της υψηλής πίεσης: Για την ρύθμιση της πίεσης χρησιμοποιείται μια Βαλβίδα Ρύθμισης Πίεσης. Το καύσιμο που δεν χρειάζεται για τον ψεκασμό επιστρέφει πίσω στο κύκλωμα χαμηλής πίεσης μέσω της βαλβίδας( 3a ,4) και έτσι επιτυγχάνεται η ρύθμιση της πίεσης. Αυτού του είδους η ρύθμιση επιτρέπει στο σύστημα να αντιδρά πολύ γρήγορα στις μεταβαλλόμενες απαιτήσεις ( π.χ αυξημένο φορτίο κινητήρα). Η βαλβίδα ρύθμισης πίεσης βρίσκεται τις περισσότερες φορές τοποθετημένη στο συσσωρευτή πίεσης (rail) αλλά μπορεί και να τοποθετηθεί επάνω και στην αντλία.
Β: Έλεγχος στο τμήμα της αναρρόφησης: Ένας άλλος τρόπος ελέγχου της πίεσης είναι ό έλεγχος της ποσότητας στην παροχή της αντλίας υψηλής πίεσης. Η μετρητική μονάδα (10) που είναι τοποθετημένη πάνω στην αντλία περιορίζει την ποσότητα εισόδου καυσίμου στην απόλυτα απαραίτητη ποσότητα που χρειάζεται η αντλία για να τροφοδοτήσει το rail με την πίεση που απαιτεί το σύστημα. Σε περίπτωση βλάβης, έχει τοποθετηθεί μια ανακουφιστική βαλβίδα (9) ώστε να αποφευχθεί η υπερπίεση του συστήματος.
Γ: Σύστημα με διπλό έλεγχο: Το σύστημα με διπλό έλεγχο (3c) συνδυάζει τον έλεγχο στη παροχή και τον έλεγχο στην πλευρά της υψηλής πίεσης. Με τον τρόπο αυτό έχουμε συνδυασμό των πλεονεκτημάτων και των δύο τρόπων ελέγχου
 1. Αντλία υψηλής πίεσης2. Είσοδος καυσίμου3. Επιστροφές καυσίμου4. Βαλβίδα ρύθμισης πίεσης5. Συσσωρευτής πίεσης (rail)6. Αισθητήρας πίεσης rail7. Σύνδεση με ψεκαστήρες8. Σύνδεση επιστρεφομένων
9. Βαλβίδα ανακούφισης 10. Μετρητική μονάδα 11. Βαλβίδα ελέγχου πίεσης |
Ψεκασμός καυσίμου: o ψεκαστήρας ψεκάζει καύσιμο απευθείας στο θάλαμο καύσης. Η μονάδα ελέγχου του κινητήρα ελέγχει τη διάρκεια του ψεκασμού ανάλογα τις συνθήκες λειτουργίας με την τροφοδοσία ρεύματος σε μια βαλβίδα που βρίσκεται στο ψεκαστήρα. Ο χρόνος ανοίγματος και η πίεση καυσίμου καθορίζουν την ποσότητα του καυσίμου που ψεκάζεται. Με σταθερή πίεση, η ποσότητα που ψεκάζεται είναι ανάλογη του χρόνου ελέγχου της βαλβίδας του ψεκαστήρα και είναι ανεξάρτητη από τις στροφές της αντλίας ή του κινητήρα
Το σύστημα Common rail δίνει τη δυνατότητα για επιπλέον μείωση στις εκπομπές καυσαερίων εισάγοντας τους προ-ψεκασμούς και τους μετά-ψεκασμούς. Με τη χρήση πολλαπλών ψεκασμών μειώνεται επίσης και ο θόρυβος της ανάφλεξης.
Έλεγχος και ρύθμιση
Λειτουργία: Η μονάδα ελέγχου του κινητήρα αναγνωρίζει τη θέση του πεντάλ γκαζιού και τις τρέχουσες καταστάσεις λειτουργίας του κινητήρα και του οχήματος από τους αισθητήρες που διαθέτει:
- Ταχύτητα στροφάλου και γωνία
- Πίεση συσσωρευτή (rail)
- Πίεση αέρα πλήρωσης
- Θερμοκρασία αέρα εισαγωγής, θερμοκρασία ψυκτικού και θερμοκρασία καυσίμου
- Μάζα εισερχόμενου αέρα
- Ταχύτητα οχήματος κ.λ.π
Η μονάδα ελέγχου διαχειρίζεται τα σήματα από τους αισθητήρες και υπολογίζει τις εντολές που πρέπει να δώσει στις διατάξεις ενεργοποίησης όπως είναι η μονάδα ρύθμισης πίεσης, οι ψεκαστήρες, η βαλβίδα EGR κ.α. Οι χρόνοι ενεργοποίησης των ψεκαστήρων που πρέπει να είναι μικροί, επιτυγχάνονται με τη χρήση των ηλεκτρομαγνητικών βαλβίδων και με ένα ειδικό ηλεκτρικό κύκλωμα.
Στο ψεκαστήρα CR της 1ης γενιάς, ο ηλεκτρομαγνητικός οπλισμός της μαγνητικής βαλβίδας συνδέεται μηχανικά με τη βελόνα του ακροφυσίου. Το ελατήριο της βαλβίδας εμποδίζει το άνοιγμα του ψεκαστήρα αν δεν υπάρχει ακόμα πίεση καυσίμου. Με την τροφοδότηση της μαγνητικής βαλβίδας με ρεύμα( περίπου 20Α ), η μαγνητική δύναμη που επιδρά στον οπλισμό της βαλβίδας υπερβαίνει τη δύναμη κλεισίματος του ελατηρίου της βαλβίδας και η βελόνα του ακροφυσίου ανοίγει.
 Το καύσιμο που έρχεται από το Rail φτάνει στη σύνδεση υψηλής πίεσης και πέρα από το στραγγαλιστικό προσροής και πλημμυρίζει τον όγκο ελέγχου και συσσώρευσης. Στους δύο όγκους δημιουργείται η πίεση Rail. Η πρόσθετη δύναμη του ελατηρίου του ακροφυσίου (50N) εμποδίζει το άνοιγμα του εκχυτήρα αν δεν έχει δημιουργηθεί πίεση. Με την τροφοδότηση της μαγνητικής βαλβίδας με ρεύμα ( 20A) η μαγνητική δύναμη που επιδρά στην βάση της βαλβίδας υπερβαίνει τη δύναμη κλεισίματος του ελατηρίου της βαλβίδας. Το υψηλό ρεύμα των 20A εξυπηρετεί στο γρήγορο άνοιγμα της μαγνητικής βαλβίδας. Ως αποτέλεσμα, η μαγνητική βαλβίδα ανοίγει την οπή εκροής (0.26mm) και η πίεση καυσίμου στο χώρο ελέγχου της βαλβίδας μειώνεται. Όταν η διαδρομή φτάσει τη μέγιστη τιμή (περίπου 50mm), 0,3ms μετά την έναρξη της ενεργοποίησης το ρεύμα περιορίζεται σε ρεύμα διατήρησης περίπου 12A. |
Στον ψεκαστήρα της 2ης γενιάς, ο οπλισμός του ηλεκτρομαγνήτη δεν συνδέεται πλέον με τη βελόνα του ακροφυσίου, η οποία κινείται μόνο με τη δύναμη του ελατηρίου και υδραυλικές δυνάμεις. Εκτός αυτού, η μονάδα ελέγχου του κινητήρα αναγνωρίζει πότε επιδεινώνεται ένας ψεκαστήρας με την πάροδο του χρόνου και τροποποιεί ανάλογα την ποσότητα ανακύκλωσης καυσαερίων και την ποσότητα προψεκασμού.
Πιεζοηλεκτρικός ψεκαστήρας
Λειτουργία πιεζο-εγχυτήρα
Αν παραμορφωθεί ένας κρύσταλλος που έχει σχηματιστεί από ιόντα (τουρμαλίνη, χαλαζίας, τρυγικό κάλιο-νάτριο), προκύπτει μία ηλεκτρική τάση (1). Το πιεζο-ηλεκτρικό φαινόμενο μπορεί να αντιστραφεί με τη σύνδεση μίας τάσης (3). Εδώ ο κρύσταλλος επιμηκύνεται.
Η αύξηση του μήκους της μονάδας ενεργοποιητή μετατρέπεται από έναν υδραυλικό μετατροπέα (μονάδα σύζευξης) σε υδραυλική πίεση και διαδρομή, οι οποίες επιδρούν στη βαλβίδα ζεύξης. Η μονάδα σύζευξης δρα όπως ένας υδραυλικός κύλινδρος. Τροφοδοτείται συνεχώς με πίεση καυσίμου 10bar μέσω μίας βαλβίδας ρύθμισης πίεσης στην επιστροφή.
Το καύσιμο εξυπηρετεί ως μαξιλάρι πίεσης ανάμεσα στο έμβολο σύζευξης και το έμβολο της βαλβίδας στη μονάδα σύζευξης. Αν ένας ψεκαστήρας κλείσει άδειος (αέρας στο σύστημα), γίνεται εξαέρωση του ψεκαστήρα με εκκίνηση με αριθμό στροφών εκκίνησης. Επιπλέον, με τη βοήθεια της αντλίας που είναι εσωτερική στο ρεζερβουάρ και μέσω της βαλβίδας διατήρησης πίεσης, ο ψεκαστήτήρας γεμίζει αντίθετα από τη φορά ροής του καυσίμου.
Η βαλβίδα ζεύξης αποτελείται από την πλάκα, τον πείρο και το ελατήριο βαλβίδας, καθώς και την πλάκα στραγγαλισμού. Το καύσιμο ρέει με την ισχύουσα πίεση Rail μέσα από το στραγγαλιστικό προσροής και την πλάκα στραγγαλισμού προς τη βελόνα του ακροφυσίου και το χώρο πάνω από αυτή. Έτσι δημιουργείται μία εξισορρόπηση πίεσης πάνω και κάτω από τη βελόνα του ακροφυσίου. Η βελόνα του ακροφυσίου παραμένει κλειστή κυρίως λόγω της δύναμης του ελατηρίου του ακροφυσίου. Με την ενεργοποίηση του πείρου της βαλβίδας η επιστροφή ανοίγει και η πίεση Rail διοχετεύεται πρώτα μέσω ενός μεγαλύτερου στραγγαλιστικού εκροής πάνω από τη βελόνα του ακροφυσίου. Η πίεση Rail ανασηκώνει τη βελόνα του ακροφυσίου από την έδρα της και πραγματοποιείται ο ψεκασμός. Χάρη στους γρήγορους παλμούς ζεύξης του πιεζο-στοιχείου υπάρχει δυνατότητα πολλαπλών διαδοχικών ψεκασμών ανά χρονισμό λειτουργίας.
Προψεκασμοί και μεταψεκασμοί: Με κρύο κινητήρα και στην περιοχή κοντά στο ρελαντί, η οδήγηση γίνεται με δύο προψεκασμούς. Όσο αυξάνεται το φορτίο, οι προψεκασμοί υποχωρούν μέχρι η οδήγηση με πλήρες φορτίο να γίνεται μόνο με τον κύριο ψεκασμό. Οι δύο μεταψεκασμοί χρησιμεύουν στην ανανέωση του φίλτρου σωματιδίων.
Στον πιεζο-εκχυτήρα είναι απαραίτητη μία βαλβίδα διατήρησης πίεσης στην επιστροφή. Πρόκειται για μία καθαρά μηχανική βαλβίδα. Βρίσκεται ανάμεσα στους αγωγούς επιστροφής των μπεκ και την επιστροφή καυσίμου του συστήματος καυσίμου. Στη λειτουργία του κινητήρα, το καύσιμο φτάνει από τα μπεκ στη βαλβίδα διατήρησης πίεσης μέσω των αγωγών επιστροφής. Με πίεση καυσίμου πάνω από 10bar η σφαίρα ανυψώνεται από την έδρα της ενάντια στη δύναμη του ελατηρίου πίεσης. Το καύσιμο ρέει μέσα από την ανοιχτή βαλβίδα στην επιστροφή καυσίμου προς το δοχείο καυσίμου. Αυτή η πίεση καυσίμου απαιτείται για τη λειτουργία των ψεκαστήρων.
