Iστορίες Γνώσης και Πάθους
Οι τρεις καθρέπτες
Στην 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;
ΣΗΜΕΡΑ δε φτάνει κανείς να μιλάει για μεταλλουργία στο αυτοκίνητο.
Στη σύγχρονη αυτοκινητιστική ορολογία μιλάμε πια για «τεχνολογία υλικών»:
τμήματα που τα ανθρακονήματα ή οι ενισχύσεις συγκεκριμένων μερών παίζουν
σήμερα σημαντικό ρόλο και θεωρούνται καινοτομίες ?έστω κι αν τις ιδιότητές
τους τις γνωρίζουμε από την εποχή που οι μηχανικοί πρωτοπαρήγαγαν το
«μπετόν αρμέ»? αν δε με απατά η μνήμη μου αυτό συνέβη περίπου 100 χρόνια
πριν.
Αλλωστε η ίδια η φύση έχει τα δικά της σύνθετα υλικά, και ένα από τα οποία
είναι πολύ κοινό και μας συντροφεύει από την αρχή της ύπαρξής μας: το ξύλο.
Υπήρχε μια εποχή που 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
χαλύβδινων δακτυλιδιών.
H χρήση εμβόλων από κράματα σιδήρου, μολονότι ήταν ευκολότερη η κατεργασία
τους στις διαστάσεις του κυλίνδρου, καθίστατο απαγορευτική για τους
σύγχρονους κινητήρες εξαιτίας του μεγάλου βάρους τους. Οι αντίστοιχες
αλουμινοκατασκευές ήταν αρκετά ελαφρές 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, αφενός αντιμετώπιζαν προβλήματα τα λιπαντικά, και
αφετέρου το έμβολο 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. Από την άλλη, ο στροφαλοφόρος πρέπει να γίνει περισσότερο συμπαγής
ενώ χρειάζεται και μεγαλύτερα αντίβαρα 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? 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 θερμοχωρητικής αποθήκης αλλά και τέτοιες αναλογίες ώστε να
διευκολύνεται η απαγωγή 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 ελαφρά όσο και οι κατασκευές από μαγνήσιο.
H διαδικασία κατασκευής είναι πραγματικά ενδιαφέρουσα. Αρχικά παράγεται το
σχήμα του εμβόλου: 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.
Οποιαδήποτε άλλη σύγκριση όμως λειτουργεί υπέρ του. Διαστέλλεται λιγότερο
κι έτσι επιτρέπει στους μηχανικούς να ελέγξουν το διάκενο από το τοίχωμα
του κυλίνδρου, κάτι που επιπλέον ελαττώνει τον παραγόμενο θόρυβο και την
κατανάλωση του καυσίμου.
Και πάνω από όλα το έμβολο 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 στροφαλοφόρου.
H BMW βρίσκεται ακόμα στο πειραματικό στάδιο με κυριότερο πρόβλημα τη
μορφοποίηση 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 πρόγραμμα, αυτό της ενίσχυσης ελαφρών κραμάτων από
ανθρακονήματα για την κατασκευή του κορμού (μπλοκ) του κινητήρα, βρίσκεται
σε εξέλιξη. Εδώ όμως η BMW έπεται της Χόντα που έχει ήδη βγάλει στην
παραγωγή τη δική 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 ακόμη και σήμερα
χρησιμοποιείται ο σίδηρος ως βάση για το μπλοκ των κυλίνδρων. H σύνδεση
σιδήρου και αλουμινίου σπάνια υπήρξε επιτυχής όσον αφορά τα φορτία
θερμότητας που μπορεί να αντέξει. Αν οι συνδέσεις ήταν τέτοιες ώστε να
εξασφαλίζεται η επαφή με το ψυκτικό υγρό σε ένα μεγάλο μέρος της
επιφανείας, αυτό άφηνε το πάνω μέρος χωρίς ικανοποιητική λίπανση και τα
προβλήματα γίνονταν περισσότερα. Αν πάλι οι συνδέσεις ανοίγουν όταν
θερμαίνονται, τότε η πιθανότητα καταστροφής είναι μεγάλη και ένα τέτοιο
ενδεχόμενο δε θα άρεσε φυσικά σε κανέναν.
H ανάπτυξη των ατμοσφαιρικών κινητήρων προσέφερε 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 έμβολα 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 απαιτούνταν για την αντικατάσταση των κυλίνδρων (400.000
αντί για τις 40-60.000 χιλιόμετρα που ήταν τότε το 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 έμβολο μέσα σε έναν αλουμινένιο κύλινδρο, ώστε να μειωθούν οι
φθορές 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 έμβολα κρατώντας τα μακριά από
την εσωτερική επιφάνεια του κυλίνδρου: η όλη όμως σχεδίαση του σύγχρονου
εμβόλου αποδείχτηκε πολύ βίαιη γι? αυτή τη διευθέτηση.
Κάποιος από τους ιάπωνες κατασκευαστές είχε προσπαθήσει ?και μάλιστα σε
έναν αγωνιστικό κινητήρα μικρής χωρητικότητας? να κατασκευάσει ένα θάλαμο
με ανοδιωμένο αλουμίνιο αλλά με μάλλον μέτρια επιτυχία, κάτι που δεν
ευνοούσε το ρίσκο της μαζικής παραγωγής.
H αμερικανική 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 κληροδότησε στις μετέπειτα απόπειρες τους σπουδαίους
κινητήρες (όπως αυτός της GM που σήμερα είναι γνωστός και σαν? Rover V8)
αλλά και την αναγνώριση της αξίας των ελαφρών κραμάτων στους κινητήρες και
το κίνητρο να επιδιώξουν έναν κύλινδρο χωρίς ξεχωριστό χιτώνιο.
Με πρωτοπόρο τη Reynolds Aluminium η οποία ανέπτυξε ένα εξαιρετικά ειδικό,
υπερ-εύτηκτο κράμα πλούσιο σε πυρίτιο και μια εξίσου ειδική τεχνική
δημιουργίας του κατάφεραν να πετύχουν το ζητούμενο σε κύλινδρο χωρίς
ξεχωριστό χιτώνιο, σε ένα περιορισμένο αριθμό κινητήρων παραγωγής.
Το πείραμα πέτυχε. Σύντομα η Πόρσε το υιοθέτησε για την τότε καινούρια 928.
Αμέσως μετά ακολούθησε η Ντάιμλερ-Μπενζ με τον 5λιτρο V8 κινητήρα που
πρωτοχρησιμοποιήθηκε στην τελευταία (και καλύτερη) από τις 450 SLC. Και
φυσικά μιλάμε για ακριβά αυτοκίνητα που μπορούσαν ως εκ τούτου να σηκώσουν
το επιπλέον κόστος παραγωγής, η οποία, όχι σπάνια, δεν είχε επιτυχή
αποτελέσματα: αυτό σήμαινε υψηλό ποσοστό απορρίψεων στον ποιοτικό έλεγχο,
κάτι που καθήλωνε αναγκαστικά την παραγωγή σε μικρές ποσότητες.
Είναι εξαιρετικά δύσκολο να ελέγξεις την κρυσταλλοποίηση του πυριτίου κατά
τη διάρκεια της τήξης ?η οποία από μόνη της είναι αρκετά αργή, και τελικά
αυτό κάνει την παραγωγή αργή, απρόβλεπτη και οικονομικά ασύμφορη.
Και ύστερα από όλα αυτά το τελικό προϊόν είναι απλά «πολλή φασαρία για το
τίποτα».
H πρόκληση της κατασκευής ενός ελαφρού όσο και συμπαγούς μπλοκ κυλίνδρων
που να επιτυγχάνεται με λογικό κόστος, 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 κράματα αλουμινίου ήταν τα
περισσότερο δημοφιλή υλικά κατασκευής του μπλοκ των κυλίνδρων αρκεί ο
κατασκευαστής να γνώριζε τα μυστικά της διαδικασίας.
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
εμβόλων και των δακτυλίων με τον κύλινδρο.
H λύση που προκρίθηκε ήταν η χρησιμοποίηση ινών ενσωματωμένων στο κράμα των
μπλοκ, τόσο στην επιφάνεια του κυλίνδρου, ώστε να ενισχυθεί η περιοχή αυτή
από άποψη αντοχής, λιπαντικότητας όσο και θερμικής αγωγής και αντίστασης
στη διάβρωση.
Στη Χόντα σύντομα ανακάλυψαν ότι το καλό είναι ακριβό: κι αυτό ίσχυε για τα
κράματα αλουμινίου αλλά ακόμα περισσότερο για τα ανθρακονήματα τα οποία
αποδείχτηκαν μια πολύ χρήσιμη προσθήκη. H πειραματική διαδικασία ανέδειξε
τις ιδιότητες αυτολίπανσης που είχαν τα ανθρακονήματα ακόμα και όταν
στέγνωναν από λιπαντικά όπως και την αξιοπιστία τους απέναντι στη σκληρή
χρήση όπως φάνηκε σε προσημειωμένες περιοχές όπου θα μπορούσε να εμφανιστεί
διάβρωση του μετάλλου.
O συνδυασμός αλουμίνας και άνθρακα σε ινώδη μορφή (και με παράλληλη
επικάλυψη του πιστονιού με ένα πολύ λεπτό στρώμα σιδήρου) αποδείχτηκε
συνδυασμός επιτυχίας. O άνθρακας απέτρεψε τη δημιουργία γραμμώσεων και
παρείχε την απαραίτητη ελαστικότητα ενώ η αλουμίνα έδωσε τη σκληρότητα που
ο άνθρακας δε μπορεί να διατηρήσει. Ένα εντυπωσιακό στοιχείο του πειράματος
ήταν ότι η σκληρότητα διατηρούνταν καλύτερα όταν το μήκος των
ανθρακονημάτων ήταν μόλις15 φορές το πλάτος τους. Περισσότερα πειράματα
έδειξαν ότι οι ιδανικές αναλογίες στο κράμα ήταν 12% αλουμίνα και 9%
άνθρακας ?πάνω κάτω.
H τεχνική που τελικά υιοθετήθηκε για την κατασκευή του εμβόλου συνίστατο
στη δημιουργία μιας αρχικής φόρμας των ινών η οποία τοποθετείται σε μια
κυλινδρική μήτρα και μετά συμπιέζεται από μία υδραυλική πρέσα. Αυτή η
αρχική φόρμα εισέρχεται κατόπιν σε σωλήνες ελεγχόμενης θερμοκρασίας όπου
καλουπώνεται το 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 κατασκευή του μπλοκ των κυλίνδρων είναι καθαρά συμβατική με μόνη
εξαίρεση τη χρήση εργαλείων σκληρότητας παρόμοιας με 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 παραγωγής: 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-πυριτίου 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-πυριτίου και 10? Κελσίου από το αντίστοιχο
συμβατικό.
Αλλά το κρίσιμο χαρακτηριστικό της νέας σχεδίασης είναι η εξοικονόμηση
μήκους: το μήκος ορίζεται από την ελάχιστη επιτρεπόμενη απόσταση ανάμεσα
στα κέντρα των κυλίνδρων. Για ένα πολύ μεγάλο διάστημα αυτό το εμπειρικό
ελάχιστο ήταν 1.1 φορές η διάμετρος 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. Έτσι, 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 VTEC έκδοση του
κινητήρα η οποία αυξήθηκε στα 2156 κ.εκ.