Ιστορίες Γνώσης και Πάθους
Οι τρεις καθρέπτεςΣτην εποχή του αλουμινίου
Μια φορά κι έναν καιρό... αν κάποιος γνώριζε από μεταλλουργία, ήξερε
ταυτόχρονα και τα περισσότερα υλικά από τα οποία ήταν φτιαγμένο ένα
αυτοκίνητο. Σήμερα όμως;
Του L.J.K. Setright
απόδοση: Σέφης Μακρής
ΣΗΜΕΡΑ δε φτάνει κανείς να μιλάει για τη «μεταλλευτική» του αυτοκινήτου.
Στη σύγχρονη αυτοκινητιστική ορολογία μιλάμε πια για «τεχνολογία υλικών»:
τμήματα όπου τα ανθρακονήματα ή οι ενισχύσεις συγκεκριμένων μερών
«δανείζουν» τις ιδιότητες τους στην ευρύτερη διάταξη στην οποία ανήκουν
παίζουν σήμερα σημαντικό ρόλο και θεωρούνται καινοτομίες ?έστω κι αν τις
ιδιότητές τους τις γνωρίζουμε από την εποχή που οι μηχανικοί πρωτοπαρήγαγαν
το έτοιμο τσιμέντο κι αν δε με απατά η μνήμη μου αυτό συνέβη περίπου 100
χρόνια πριν.
Αλλωστε η ίδια η φύση έχει τα δικά της σύνθετα υλικά, ένα από τα οποία
είναι πολύ κοινό και μας συντροφεύει από την αρχή της ύπαρξης μας: το ξύλο.
Υπήρχε μια εποχή όπου σχεδόν όλα τα μπλοκ των κινητήρων φτιάχνονταν από
χυτοσίδηρο. Τα πιστόνια κατασκευάζονταν ?ανάλογα με την εποχή και τη μόδα?
από σίδηρο, ατσάλι ή αλουμίνιο. H επαφή τους με τα τοιχώματα των κυλίνδρων
ήταν σχετικά χαλαρή και το απαραίτητο σφράγισμα γινόταν με τη βοήθεια
δακτυλιδιών από ελαστικό σίδηρο.
H χρήση πιστονιών από κράματα σιδήρου, μολονότι ήταν ευκολότερη η
πιστοποίηση τους στις διαστάσεις του κυλίνδρου, καθίστατο απαγορευτική για
τους σύγχρονους κινητήρες εξαιτίας του μεγάλου βάρους τους. Οι αντίστοιχες
αλουμινοκατασκευές ήταν αρκετά ελαφριές και είχαν θερμομονωτικές ιδιότητες
αλλά από την άλλη διαστέλλονταν τόσο πολύ στο εσωτερικό του κυλίνδρου, ώστε
έπρεπε να τοποθετούνται σε χαλαρότερη επαφή με τα τοιχώματα του κυλίνδρου.
Αλλά και αυτή η λύση δεν ήταν χωρίς προβλήματα, καθώς εξαιτίας των υψηλών
θερμοκρασιών και πιέσεων επιδρούσε αφενός στο λιπαντικό αφετέρου
λειτουργούσε ως... σμυριδόπανο στο εσωτερικό του κυλίνδρου.
Τα προβλήματα ήταν εντονότερα στην κορυφή της διαδρομής του εμβόλου ?όπου
και το θερμότερο σημείο του κύκλου και όπου η διάβρωση του θαλάμου ήταν
εντονότερη.
Αλλά το εγγενές πρόβλημα των εμβόλων ήταν πάντα το μεγάλο βάρος τους.
Πραγματικά τίποτα δεν εμποδίζει την ομαλή λειτουργία του κινητήρα όσο μια
σειρά από δονήσεις που προκύπτουν από όσα εξαρτήματα αντί να κινούνται
κυκλικά, παλινδρομούν.
Το έμβολο είναι ένα από τα χειρότερα παραδείγματα μιας τέτοιας
?εγκληματικής? παλινδρόμησης: εξαιτίας αυτής της κίνησής του ο
στροφαλοφόρος καλείται να παίξει ουσιαστικότερο ρόλο ?και αυτό προσθέτει
βάρος, ενώ και ο εκκεντροφόρος πρέπει να γίνει περισσότερο συμπαγής, ενώ
χρειάζεται και μεγαλύτερο βάρος αντιστάθμισης, για να λειτουργεί όσο το
δυνατό ομαλότερα.
Σε κάθε περίπτωση τα έμβολα πρέπει να είναι αρκετά συμπαγή για να αντέξουν
όχι μόνο τις πιέσεις κατά τη διάρκεια της ανάφλεξης αλλά και τις
?περιστασιακές είναι αλήθεια? πιέσεις που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια
σύντομων προαναφλέξεων αλλά και όταν (το έμβολο) βρίσκεται στη μέγιστη
ταχύτητα λειτουργίας. Παράλληλα θα πρέπει να έχουν και αρκετά μεγάλο όγκο,
ώστε να παίζουν το ρόλο μιας πρωτογενούς θερμοχωρητικής αποθήκης αλλά και
τέτοιες αναλογίες, ώστε να διευκολύνεται η διαφυγή της θερμότητας προς και
διαμέσου των δακτυλίων των εμβόλων.
Οι πρώτες προσπάθειες κατασκευής αλουμινένιων εμβόλων αναφέρονται το 1911
με την Aquila Italiana, αλλά ήταν οι προσπάθειες του W.O.Bentley που
επέτρεψαν στο αλουμίνιο να είναι το συνηθέστερο υλικό κατασκευής που
χρησιμοποιείται σήμερα. Το μαγνήσιο θα μπορούσε επίσης ?λόγω χαμηλότερης
πυκνότητας από το αλουμίνιο? να είναι μια θελκτική λύση αλλά είναι λιγότερο
αξιόπιστο σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. H BMW πειραματίστηκε με
ανθρακονήματα υψηλής ελαστικότητας τα οποία επιπλέον είναι σχεδόν τόσο
ελαφριά όσο και οι κατασκευές από μαγνήσιο.
H διαδικασία κατασκευής είναι πραγματικά ελκυστική. Αρχικά παράγεται το
σχήμα του πιστονιού: τα ανθρακονήματα τοποθετούνται με τυχαίο τρόπο σε μια
μάζα μετάλλου. Μια τέτοια διάταξη, όσο κι αν μοιάζει πυκνή, αφήνει κατ?
ουσία πολύ περισσότερα κενά από την αντίστοιχη νηματική. Τα κενά αυτά
γεμίζονται κατόπιν με μαγνήσιο το οποίο εισάγεται υπό πίεση και σε ενέσιμη
μορφή σε όλα τα κενά διαστήματα. Το παραγόμενο προϊόν αποτελείται κατά το
1/5 του όγκου του από ανθρακονήματα και που σε υψηλές θερμοκρασίες
παρουσιάζει συμπεριφορά όμοια με εκείνη των ελαφρών κραμάτων αλουμινίου.
Αλλά οποιαδήποτε άλλη σύγκριση λειτουργεί υπέρ του. Διαστέλλεται λιγότερο
και έτσι επιτρέπει στους μηχανικούς να ελέγξουν την απόσταση από το τοίχωμα
του κυλίνδρου ως το έμβολο, κι αυτό ελαττώνει τον παραγόμενο θόρυβο και την
κατανάλωση του καυσίμου.
Και πάνω από όλα το πιστόνι ανθρακομαγνησίου είναι ελαφρύτερο κατά 25% από
το αντίστοιχο αλουμινίου. H δε μείωση της παλινδρομούμενης μάζας
εξοικονομεί την αντίστοιχη αντισταθμιστική μάζα και επιτρέπει την
ελαφρύτερη και λειτουργικότερη κατασκευή του εκκεντροφόρου.
H BMW βρίσκεται ακόμα στο πειραματικό στάδιο με κυριότερο πρόβλημα τη
«σμίλευση» του άνθρακα, ώστε να αποκτήσει κατάλληλη φόρμα, αλλά ελπίζουν
ότι μέχρι τα μέσα του 1997 θα είναι έτοιμοι να προχωρήσουν σε παραγωγή. Ένα
πολύ μεγαλύτερο πρότζεκτ, αυτό της ενίσχυσης ελαφρών κραμάτων από
ανθρακονήματα για την κατασκευή του μπλοκ του κινητήρα, βρίσκεται σε
εξέλιξη. Εδώ όμως η BMW έπεται της Χόντα που έχει ήδη βγάλει στην παραγωγή
τη δικιά της πατέντα.
Το μικρότερο βάρος και η καλύτερη ψύξη ήταν που έκαναν πολλούς
κατασκευαστές ήδη από πολλά χρόνια πριν να υιοθετήσουν τα κράματα
αλουμινίου για το μπλοκ των κυλίνδρων. Αλλά ακόμα και σήμερα
χρησιμοποιείται ο σίδηρος ως βάση για το μπλοκ των κυλίνδρων. H μίξη
σιδήρου και αλουμινίου σπάνια υπήρξε ευτυχής όσον αφορά τα φορτία
θερμότητας που επιτρέπει. Αν οι συνδέσεις ήταν τέτοιες ώστε να
εξασφαλίζεται η επαφή με το ψυκτικό υγρό σε ένα μεγάλο μέρος της επιφανείας
του αυτό άφηνε το πάνω μέρος χωρίς ικανοποιητική λίπανση και τα προβλήμα
γίνονταν περισσότερα. Αν πάλι οι συνδέσεις μπορούσαν να αποσύρονται, όταν
θερμαίνονται, τότε η πιθανότητα ότι θα καταστρέφονταν ήταν μεγάλη και ένα
τέτοιο ενδεχόμενο δε θα άρεσε φυσικά σε κανέναν.
H ανάπτυξη των ατμοσφαιρικών κινητήρων πρόσφερε μια διέξοδο στο πρόβλημα. O
μονός οδηγός βαλβίδας που προτάθηκε από τους Burt και McCullum και
εξελίχθηκε από τους Bristol και Napier απαίτησε και επέφερε μια τεράστια
εξέλιξη στα κράματα που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή βαλβίδων. H Bristol
που τους κατασκεύαζε αρχικά για τη Napier και στη συνέχεια και για τους
δικούς της κινητήρες (τα Bristol Κένταυρος είναι πιστόνια με τη μεγαλύτερη
διάρκεια ζωής στην ιστορία της αεροναυπηγικής) εξέλιξε ένα κράμα το οποίο
έγινε γνωστό ως Brivadium και όταν μετά τον πόλεμο άρχισαν να παράγουν
αυτοκίνητα κατασκεύασαν τα μπλοκ από αυτό το υλικό. Το Brivadium
αποδείχτηκε εξαιρετικής αντοχής πετυχαίνοντας να δεκαπλασιάσει τα
χιλιόμετρα που απιτούνταν για την αντικατάσταση των κυλίνδρων ( 400.000
αντί για τις 40-60000 χιλιόμετρα που ήταν τότε συνηθισμένο) αλλά το κόστος
παραγωγής ήταν εξαιρετικά υψηλό για να τοποθετηθεί σε αυτοκίνητα μαζικής
παραγωγής.
Την ίδια περίπου εποχή η Ρολς Ρόις πειραματιζόταν με τους χρωμιωμένους
κυλίνδρους: μόνο όμως το πάνω μέρος, όπου η σκληρότητα της επιφάνειας είναι
πολύ σημαντική, ήταν χρωμιωμένο. Κι αν μια τέτοια λύση δημιουργούσε κάποια
προβλήματα, η ιδέα να ανέχονται το λάδι να παραμένει στη γυαλιστερή
επιφάνεια δημιουργούσε πολλά περισσότερα.
Αυτό που ζητούσε η αυτοκινητοβιομηχανία ήταν ένας τρόπος να υπάρξει ένα
αλουμινένιο πιστόνι μέσα σε έναν αλουμινένιο κύλινδρο, ώστε να μειωθούν οι
φύρες κατά την επαφή τους. Ήταν τότε που ο Roland Cross (ένας ταλαντούχος
μηχανικός γνωστός για τα περιστροφικές βαλβίδες του) δημιούργησε μια ζώνη
από ατσάλινα δακτυλίδια για τα αλουμινένια πιστόνια κρατώντάς τα μακριά από
την εσωτερική επιφάνεια του κυλίνδρου: η όλη όμως σχεδίαση του σύγχρονου
εμβόλου αποδείχτηκε πολύ βίαιη για αυτή τη διευθέτηση. Κάποιος από τους
ιάπωνες κατασκευαστές είχε προσπαθήσει ?και μάλιστα σε ένα αγωνιστικό
κινητήρα μικρής χωρητικότητας? τη λύση ενός θαλάμου από ισχυρά
ηλεκτρολυμένο αλουμίνιο αλλά με μάλλον μέτρια επιτυχία, κάτι που δεν
ευνοούσε το ρίσκο της μαζικής παραγωγής.
H αμερικάνικη αυτοκινητοβιομηχανία φλέρταρε με την ιδέα των αλουμινένιων
κινητήρων στο τέλος της δεκαετίας του ?50 (αρχές δεκαετίας του ?60) αν και
πολύ σύντομα η επέμβαση της πολύ ισχυρής βιομηχανίας σιδήρου την επανέφερε
στην... τάξη. Αυτό το διάστημα κληρονόμησε στις μετέπειτα απόπειρες τους
σπουδαίους κινητήρες (όπως αυτός της GM που σήμερα είναι γνωστός και σα
...Rover V8) αλλά και την αναγνώριση της αξίας των ελαφρών κραμάτων στους
κινητήρες και το κίνητρο να επιδιώξουν ένα unlined bore. Με πρωτοπόρο τη
Reynolds Aluminium η οποία ανέπτυξε ένα εξαιρετικά ειδικό, υπερ-εύτηκτο
κράμα πλούσιο σε σιλικόνη και μια εξίσου ειδική τεχνική δημιουργίας του
κατάφεραν να πετύχουν το unlined bore σε περιορισμένο αριθμό κινητήρων
παραγωγής.
Το πείραμα πέτυχε. Σύντομα η Πόρσε το υιοθέτησε για την τότε καινούρια 928.
Αμέσως μετά ακολούθησε η Daimler Benz με τον 5λιτρο V8 κινητήρα που
πρωτοχρησιμοποιήθηκε στην τελευταία και καλύτερη από τις 450 SLC. Και καθώς
μιλάμε για ακριβά αυτοκίνητα ?υψηλού κόστους επένδυσης? μπορούσαν ως εκ
τούτου να σηκώσουν τα επιπλέον κόστη παραγωγής, η οποία όχι σπάνια δεν είχε
επιτυχή αποτελέσματα: αυτό σήμαινε υψηλό ποσοστό κακέκτυπων το οποίο
καθήλωνε αναγκαστικά την παραγωγή σε μικρές ποσότητες. Είναι εξαιρετικά
δύσκολο να ελέγξεις την κρυσταλλοποίηση της σιλικόνης κατά τη διάρκεια της
τήξης, η οποία από μόνη της είναι αρκετά αργή. Έτσι αυτό που προκύπτει μετά
είναι δύσκολο να κινητοποιηθεί. Αυτή η καταστροφική διαβρωτική διαδικασία
είναι το τελικό χτύπημα, ό,τι κάνει την παραγωγή αργή, απρόβλεπτη και
οικονομικά ασύμφορη. Και έπειτα απ? όλα αυτά το τελικό προϊόν είναι πολλή
φασαρία για το τίποτα.
H πρόκληση της κατασκευής ενός ελαφρού όσο και συμπαγούς μπλοκ κυλίνδρων
που να επιτυγχάνεται με εφικτούς οικονομικούς όρους, δηλαδή να είναι δυνατή
η μαζική παραγωγή και φυσικά, τουλάχιστον, να μην είναι κατώτερο από όσα
κατασκευάζονται με συμβατικές μεθόδους, δεν ήταν δυνατό να αφήσει αδιάφορη
την ?ίσως καλύτερη? εταιρία κατασκευής κινητήρων: τη Χόντα. Και ήταν εξίσου
φυσικό να εκμεταλλευτεί την παράδοση των Ιαπώνων στα κεραμικά, μια περιοχή
της τεχνολογίας υλικών στην οποία οι Ιάπωνες έχουν επιδείξει πρωτοφανή
ζήλο, περιέργεια και φαντασία.
H Χόντα γνώριζε ότι τα συμβατικά εύτηκτα και υπερ-εύτηκτα κράματα
αλουμινίου ήταν τα περισσότερο δημοφιλή υλικά κατασκευής του μπλοκ των
κυλίνδρων, υπό την αίρεση ότι ο κατασκευαστής ήξερε να το λειτουργήσει. H
Χόντα ήταν μάλλον ικανοποιημένη από την απόδοση και την κυριαρχία στη
βιομηχανία του κράματος ACD12. H ιαπωνική νομοθεσία προβλέπει μάλιστα
συγκεκριμένη... δοσολογία των υλικών που χρησιμοποιούνται! Το πρόβλημα ήταν
οι ιδιότητες επαφής μεταξύ των πιστονιών και των δακτυλίων μέσα στο θάλαμο.
Το πρόβλημα εντοπίστηκε στο θάλαμο.
H λύση που προκρίθηκε ήταν η χρησιμοποίηση ινών ενσωματωμένων στο κράμα των
μπλοκ στην επιφάνεια του θαλάμου, ώστε να ενισχυθεί η περιοχή αυτή από
άποψη αντοχής, λιπαντικότητας αλλά και θερμικής αγωγής και αντίστασης στη
διάβρωση. Στη Χόντα σύντομα ανακάλυψαν ότι το καλό είναι ακριβό: κι αυτό
ίσχυε για τα νήματα αλουμινίου αλλά ακόμα περισσότερο για τα ανθρακονήματα
τα οποία αποδείχτηκαν πολύ χρήσιμη προσθήκη. H πειραματική διαδικασία
ανέδειξε τις ιδιότητες ολίσθησης που είχαν τα ανθρακονήματα, ακόμα και όταν
στέγνωναν από λιπαντικά όπως και την αξιοπιστία τους απέναντι στη σκληρή
χρήση, όπως κατέδειξαν προσημειωμένες περιοχές όπου θα μπορούσε να
εμφανιστεί διάβρωση του μετάλλου.
O συνδυασμός της αλουμίνας και του άνθρακα σε ινώδη μορφή (και με παράλληλη
επικάλυψη του πιστονιού με ένα πολύ λεπτό στρώμα σιδήρου) αποδείχτηκε
συνδυασμός? νίκης. O άνθρακας απέτρεψε τη δημιουργία γραμμώσεων και παρείχε
την απαραίτητη ελαστικότητα, ενώ η αλουμίνα έδωσε τη σκληρότητα που ο
άνθρακας δεν μπορεί να διατηρήσει. Ένα εντυπωσιακό στοιχείο του πειράματος
ήταν ότι η σκληρότητα διατηρούνταν καλύτερα όταν το μήκος των
ανθρακονημάτων ήταν 15 φορές το πλάτος τους!... Περισσότερα πειράματα
έδειξαν ότι οι ιδανικές αναλογίες στο κράμα ήταν 12% αλουμίνα και 9%
άνθρακας περίπου.
H τεχνική που τελικά υιοθετήθηκε για την κατασκευή του εμβόλου συνίστατο
στη δημιουργία μιας αρχικής φόρμας των ινών η οποία τοποθετήθηκε σε μια
κυλινδρική μήτρα και μετά συμπιέστηκε από μία υδραυλική πρέσα. Αυτή η
αρχική φόρμα εισέρχεται κατόπιν σε σωλήνες ελεγχόμενης θερμοκρασίας όπου
καλουπώνεται ο κορμός (μπλοκ). Σε αυτό το στάδιο ακολουθείται μία
διαδικασία που είναι επινόηση της Χόντα και έχει εφαρμοστεί στην κατασκευή
του κινητήρα του Πρελιούντ και του Ακόρντ.
H υπόλοιπη διαχείριση του μπλοκ των κυλίνδρων είναι καθαρά συμβατική με
μόνη εξαίρεση τη χρήση εργαλείων που προσομοιάζουν από άποψη σκληρότητας
αυτή του διαμαντιού για την τελική επεξεργασία του αλουμινένιου θαλάμου.
O ποιοτικός έλεγχος περιλαμβάνει όλες τις τρέχουσες τεχνικές, ώστε να
διαπιστωθεί αν η κατανομή των ινών είναι η κατάλληλη. (Πρόκειται για μη
καταστροφικές τεχνικές κατάλληλες για έρευνα σε γραμμές παραγωγές: κανένα
από τα ελεγχόμενα κομμάτια δεν καταστρέφεται).
Το αποτέλεσμα είναι ένας κύλινδρος σαφώς ανθεκτικότερος στη διάβρωση από
τον αντίστοιχο σιδερένιο και τρεις φορές ανθεκτικότερος από έναν
αλουμινίου-σιλικόνης όπως αυτοί που χρησιμοποιούν οι Πόρσε, Μερτσέντες και
GM. H θερμοκρασία που μετρήθηκε στο θερμότερο σημείο του μπλοκ ήταν η ίδια
με ένα μπλοκ αλουμινίου-σιλικόνης και 10 βαθμούς Κελσίου από το αντίστοιχο
συμβατικό.
Αλλά το κρίσιμο χαρακτηριστικό της νέας σχεδίασης είναι η εξοικονόμηση
μήκους: το μήκος αποφασίζεται από την ελάχιστη επιτρεπόμενη απόσταση
ανάμεσα στα κέντρα των κυλίνδρων. Για ένα πολύ μεγάλο διάστημα αυτό το
εμπειρικό ελάχιστο ήταν 1,1 φορές τη διάμετρο του κυλίνδρου (κι αυτό σε
υδρόψυκτες μηχανές: 1,25 σε αερόψυκτες). H Χόντα κατάφερε να το μειώσει σε
1,05 στην περίπτωση των FRM κυλίνδρων.
H αύξηση της διαμέτρου ήταν πάντα ένας τρόπος να μεγαλώσει η χωρητικότητα
του κινητήρα. Δοκιμάζοντας τη νέα τεχνολογία σε περιορισμένη κλίμακα η
Χόντα κατασκεύασε 3.000 κινητήρες 2,1 λίτρων για το Πρελιούντ (στο προ 1991
μοντέλο).
Στην επόμενη γενιά Πρελιούντ η χωρητικότητα ανέβηκε στα 2258 κ.εκ. όπου και
ξαναχρησιμοποιήθηκε η νέα τεχνολογία όπως επίσης και στη short stroke VTEC
έκδοση του κινητήρα η οποία αυξήθηκε στα 2156 κ.εκ.
Αυτός ο VTEC κινητήρας δε μου δημιούργησε κανένα πρόβλημα στο τετρακίνητο
Πρελιούντ που οδηγούσα ?κι ήταν πραγματική ευτυχία να το οδηγώ τα τελευταία
τέσσερα χρόνια.
Φέτος στο Παρίσι αναμένεται ο αντικαταστάτης αυτού του Πρελιούντ. O VTEC
παραμένει (ονομαστικά) 2,2 λίτρα. Μόνο που τώρα, χωρίς το top deck του
μπλοκ των κυλίνδρων είναι ακόμα ελαφρύτερος ενώ επιτρέπει στο ψυκτικό υγρό
να καλύπτει όλη την ενεργή επιφάνεια των κυλίνδρων.