Κινητήρες ¶μεσαου Ψεκασμού
«?μεση δράση» για το περιβάλλονΤα τελευταία δεκαπέντε χρόνια, η διεθνής αυτοκινητοβιομηχανία έχει κάνει σημαντικά βήματα
προόδου στον περιορισμό των άμεσα επιβλαβών, για την υγεία, ρύπων που εκπέμπουν τα
αυτοκίνητα, κάτω από την πίεση των ολοένα αυστηρότερων κυβερνητικών περιορισμών.
ΤA τελευταία χρόνια, η ανθρωπότητα έχει συνειδητοποιήσει ένα νέο κίνδυνο για το
περιβάλλον, το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Το πρόβλημα ξεκινά από το διοξείδιο του άνθρακα
―το αέριο προϊόν κάθε τέλειας καύσης― και ο περιορισμός αυτού ακριβώς είναι ο στόχος κάθε
γνωστής, μέχρι σήμερα, αντιρυπαντικής τεχνολογίας.
Έτσι, λίγο πριν το τέλος του 20ού αιώνα, έκαναν την εμφάνισή τους και οι πρώτες
νομοθεσίες για τον περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα. Και ενώ τα
ηλεκτρικά και τα υβριδικά αυτοκίνητα και οι ενεργειακές κυψέλες δεν έχουν ακόμα πείσει
ότι μπορούν να αντικαταστήσουν τον κινητήρα εσωτερικής καύσης, ο τελευταίος είναι και
πάλι ο πρωταγωνιστής της άμεσης λύσης στο δύσκολο πρόβλημα ― λύση, η οποία έρχεται από
την Ιαπωνία.
Μιλάμε, βέβαια, για την τεχνολογία άμεσου ψεκασμού βενζίνης. Πρωτοπόρος σε αυτή την
τεχνολογία είναι η Μιτσουμπίσι, που έκανε τις πρώτες ανακοινώσεις πριν από τρία χρόνια,
και από τότε έχει χρησιμοποιήσει βενζινοκινητήρες άμεσου ψεκασμού σε πολλά, μαζικά
παραγόμενα μοντέλα της (Καρίσμα, Παχέρο, κ.ά.).
Τη Μιτσουμπίσι ακολούθησαν γρήγορα και άλλοι Ιάπωνες κατασκευαστές, όπως η Νισάν και η
Τογιότα, ενώ, κάθε μέρα που περνάει, όλο και περισσότεροι κατασκευαστές ανά τον κόσμο
εκδηλώνουν ενδιαφέρον γι' αυτή την τεχνολογία. Πάντως, σύμφωνα με τη Μιτσουμπίσι, οι
κινητήρες άμεσου ψεκασμού πλεονεκτούν έναντι όχι μόνο των συμβατικών κινητήρων, αλλά και
άλλων νέων και πιο εξωτικών τεχνολογιών. Ο λόγος είναι ότι, σε σχέση με τους συμβατικούς
κινητήρες, εκπέμπουν λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα κατά τη λειτουργία τους. Κατά τα
άλλα, οι μέθοδοι παραγωγής και ανακύκλωσης είναι ακριβώς οι ίδιες με τις μέχρι σήμερα
γνωστές, οπότε, από αυτή την άποψη, δεν υπάρχει διαφοροποίηση. Σε σύγκριση με τις άλλες
νέες τεχνολογίες που συζητιούνται αυτό τον καιρό, οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού εκπέμπουν
περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα κατά τη λειτουργία τους. Οι νέες τεχνολογίες, όμως,
επιβαρύνουν πολύ περισσότερο το περιβάλλον κατά τη φάση παραγωγής και ανακύκλωσής τους,
στο τέλος της ζωής τους. Έτσι, συνολικά, επιβαρύνουν περισσότερο το περιβάλλον από τους
κινητήρες άμεσου ψεκασμού.
Ένα άλλο πολύ βασικό πλεονέκτημα είναι ότι η τιμή ενός αυτοκινήτου με κινητήρα άμεσου
ψεκασμού βρίσκεται στα ίδια επίπεδα με την τιμή ενός συμβατικού. Έτσι, ο μέσος
καταναλωτής δεν συναντά κανένα εμπόδιο στο να το αγοράσει.
Πώς λειτουργεί;
Ένα ερώτημα που, ήδη, θα πρέπει να σας έχει δημιουργηθεί, μέχρι τώρα, είναι πώς
μειώνονται οι εκπομπές σε διοξείδιο του άνθρακα. Η απάντηση είναι απλούστερη απ' όσο
μπορείτε να φανταστείτε: μειώνοντας την κατανάλωση του καυσίμου! Το διοξείδιο του άνθρακα
είναι το προϊόν τέλειας καύσης και η εκπεμπόμενη ποσότητά του είναι ευθέως ανάλογη με το
καύσιμο που καίγεται. Αν καταφέρουμε να παραγάγουμε το ίδιο αποτέλεσμα καταναλώνοντας
λιγότερο καύσιμο, τότε έχουμε αυτόματα μειώσει και το εκπεμπόμενο διοξείδιο του άνθρακα.
Αυτό, βέβαια, σημαίνει αύξηση της θερμοδυναμικής απόδοσης. Είναι είδηση αυτό; Όσοι
απαντήσατε ναι, βιαστήκατε και κάνατε λάθος. Γιατί αυτό είναι γνωστό, εδώ και μερικές
δεκαετίες, με τους κινητήρες ντίζελ, στους οποίους ο ψεκασμός ανέκαθεν ήταν άμεσος (ακόμα
και με προθάλαμο καύσης, το καύσιμο ψεκάζεται απευθείας στον κύλινδρο). Τότε, θα
αναρωτηθείτε γιατί δεν κάναμε το ίδιο και με τη βενζίνη πιο πριν. Η απάντηση βρίσκεται
στο πόσο εύκολα αναφλέγεται το κάθε καύσιμο. Το πετρέλαιο κίνησης αναφλέγεται αμέσως
μόλις η θερμοκρασία ξεπεράσει ένα συγκεκριμένο όριο, ανεξάρτητα από την αναλογία
αέρα-καυσίμου. Γι' αυτό και η τεχνολογία ντίζελ προχώρησε πολύ πριν η μικροηλεκτρονική
επιτρέψει τον ακριβή έλεγχο του μίγματος. Αντίθετα, η αυτοανάφλεξη της βενζίνης είναι
σχεδόν αδύνατη. Χρειάζεται ηλεκτρικός σπινθήρας από μπουζί στη σωστή χρονική στιγμή, αλλά
και στοιχειομετρική αναλογία αέρα καυσίμου και μεγάλη ακρίβεια στο χρόνο και στη θέση
σχηματισμού του μίγματος, ώστε, σε συνδυασμό με το σπινθήρα, να έχουμε μια καλή έκρηξη
και μια ομοιόμορφη καύση. Χρειάστηκε πρώτα η πλήρης κατανόηση των φυσικών παραμέτρων της
καύσης του μίγματος και η εξέλιξη της μικροηλεκτρονικής για τον ακριβέστερο έλεγχο αυτών
των παραμέτρων, ώστε να επιτευχθεί το αυτονόητο: ένας κινητήρας με τη θερμοδυναμική
απόδοση ενός ντίζελ και τις επιδόσεις ενός βενζινοκινητήρα.
Το μυστικό για την πραγματοποίηση όλων των παραπάνω βρίσκεται στη δυνατότητα του κινητήρα
άμεσου ψεκασμού βενζίνης να λειτουργεί με δύο διαφορετικά προγράμματα ψεκασμού, ανάλογα
με τις συνθήκες οδήγησης.
Το πρώτο πρόγραμμα είναι το «Πρόγραμμα Φτωχού Μίγματος». Χρησιμοποιείται στο ρελαντί κάτω
από κανονικές συνθήκες οδήγησης, με σταθερή ταχύτητα και χωρίς ξαφνικές επιταχύνσεις. Το
καύσιμο ψεκάζεται σε μικρή ποσότητα μέσα στον κύλινδρο, στα τελευταία στάδια του χρόνου
συμπίεσης πριν την ανάφλεξη. Έτσι, σχηματίζεται πολύ κοντά στο μπουζί ένα ομοιογενές,
πολύ φτωχό μίγμα (αναλογία 40:1, όταν το στοιχειομετρικό είναι 14,7:1 και ένας συμβατικός
κινητήρας δεν μπορεί να λειτουργήσει με μίγμα φτωχότερο από 22:1), κατάλληλο για καύση.
Ειδικές τεχνικές χρησιμοποιούνται για τον καλύτερο σχηματισμό του μίγματος. Η κεφαλή του
εμβόλου έχει καμπύλη διαμόρφωση, που προκαλεί το στροβιλισμό του μίγματος γύρω από άξονα
κάθετο στον άξονα του κυλίνδρου. Οι αυλοί εισαγωγής είναι σχεδόν κατακόρυφοι και
ευθύγραμμοι ενισχύοντας το ρεύμα του αέρα εισαγωγής. Το καύσιμο ψεκάζεται από ειδικά μπεκ
υψηλής πίεσης και στροβιλισμού, μέσα στον κύλινδρο, και σε μεγάλη απόσταση από το μπουζί.
Στη συνέχεια, αναμιγνύεται με τον αέρα που στροβιλίζεται με τον τρόπο που είπαμε
προηγουμένως, χάρη στην ειδική διαμόρφωση της κεφαλής του εμβόλου. Με όλα αυτά γίνεται
δυνατή η λειτουργία του κινητήρα με πολύ φτωχό μίγμα επιτυγχάνοντας θερμοδυναμική απόδοση
στα επίπεδα υπερτροφοδοτούμενου κινητήρα ντίζελ.
Το άλλο πρόγραμμα λειτουργίας του κινητήρα άμεσου ψεκασμού είναι το «Πρόγραμμα Υψηλής
Απόδοσης». Χρησιμοποιείται κατά την επιτάχυνση και σε συνθήκες πλήρους φορτίου (π.χ.
οδήγηση σε ανηφόρα με φορτωμένο αυτοκίνητο ή με τέρμα γκάζι και ταχύτητα που πλησιάζει
την τελική). Σε αυτό το πρόγραμμα, το καύσιμο ψεκάζεται όταν το έμβολο κινείται ακόμα
προς τα κάτω, κατά το χρόνο εισαγωγής. Έτσι, σχηματίζεται ένα ομοιογενές στοιχειομετρικό
ή και πλούσιο μίγμα, όπως και στους συμβατικούς κινητήρες ― μόνο που εδώ η απόδοση είναι
καλύτερη, χάρη στα ειδικά σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του κινητήρα άμεσου ψεκασμού που
αναφέραμε παραπάνω, αλλά και στους λόγους που εξηγούνται στη συνέχεια. Το καύσιμο
ψεκάζεται απευθείας μέσα στον κύλινδρο κατά το χρόνο εισαγωγής και εξατμίζεται ψύχοντας,
έτσι, τον εισερχόμενο αέρα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη συστολή του εισερχόμενου αέρα και
τη δημιουργία χώρου για να εισέλθει και άλλος αέρας στον κύλινδρο. Έχουμε, δηλαδή,
καλύτερη πλήρωση του κυλίνδρου με αέρα. Η ψύξη του αέρα εισαγωγής περιορίζει, επίσης, το
φαινόμενο της προανάφλεξης, που επίσης μειώνει την απόδοση των συμβατικών κινητήρων,
στους οποίους το φαινόμενο είναι έντονο κατά την επιτάχυνση, κυρίως λόγω της συγκέντρωσης
υγρού καυσίμου στα τοιχώματα των θυρίδων εισαγωγής. Κάτι τέτοιο δεν μπορεί να συμβεί στον
κινητήρα άμεσου ψεκασμού, αφού το καύσιμο ψεκάζεται απευθείας μέσα στον κύλινδρο, ενώ η
ψύξη του αέρα εισαγωγής μειώνει, όπως εξηγήσαμε πριν, ακόμα περισσότερο τον κίνδυνο
προανάφλεξης. Τέλος, ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά που αυξάνουν την απόδοση σε
συνθήκες πλήρους φορτίου είναι ο ψεκασμός σε δύο στάδια. Μόνο το 25% του καυσίμου
ψεκάζεται κατά το χρόνο εισαγωγής, ενώ το υπόλοιπο ψεκάζεται στα τελευταία στάδια του
χρόνου συμπίεσης, όπως συμβαίνει και στο «Πρόγραμμα Φτωχού Μίγματος». Έτσι, το μίγμα στην
αρχή της συμπίεσης είναι πολύ φτωχό και στο τέλος είναι πλούσιο. Η προανάφλεξη
εμφανίζεται συνήθως με στοιχειομετρικό μίγμα. Επιπλέον, ο ψεκασμός σε δύο στάδια μειώνει
την εκπομπή άκαυστων υδρογονανθράκων. Στο τελευταίο στάδιο της συμπίεσης, ο θάλαμος
καύσης είναι χωρισμένος σε δύο μέρη, λόγω της ειδικής διαμόρφωσης της κεφαλής του
εμβόλου. Στη μια πλευρά βρίσκεται το πολύ φτωχό μίγμα, που σχηματίστηκε κατά το χρόνο
εισαγωγής, και στην άλλη το πλούσιο μίγμα, που σχηματίζεται στο τελευταίο στάδιο της
συμπίεσης. Το φτωχό μίγμα δεν μπορεί να αναφλεγεί, ενώ το πλούσιο δεν μπορεί να καεί
πλήρως, λόγω έλλειψης αέρα. Όμως, λόγω της εξέλιξης της καύσης στην πλευρά του πλούσιου
μίγματος, το άκαυστο καύσιμο εκτοπίζεται προς την πλευρά του φτωχού, το οποίο έτσι
εμπλουτίζεται και αναφλέγεται και αυτό. Το αποτέλεσμα είναι η πλήρης καύση του μίγματος.
Η εξάλειψη της προανάφλεξης, για όλους τους λόγους που εξηγήσαμε, επιτρέπει την αύξηση
της συμπίεσης μέχρι και 12,5:1, που, σε συνδυασμό με την πλήρη καύση του μίγματος,
αποτελούν παράγοντες σημαντικής αύξησης της απόδοσης του κινητήρα και σε συνθήκες υψηλών
απαιτήσεων.
Το τελικό αποτέλεσμα των δύο προγραμμάτων λειτουργίας είναι μείωση της κατανάλωσης
καυσίμου, που ξεκινάει από 20% και φτάνει το 33%, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας.
Και, βέβαια, αυτό μεταφράζεται σε αντίστοιχα ποσοστά μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του
άνθρακα.
Τί άλλο κάνει;
Εκτός από τη μείωση της κατανάλωσης και των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, η
τεχνολογία άμεσου ψεκασμού επιτρέπει την παραπέρα μείωση και των υπόλοιπων ρύπων. Οι
υδρογονάνθρακες μειώνονται χάρη στη γρηγορότερη προθέρμανση του καταλύτη μετά την
εκκίνηση. Μετά από αυτήν, ο κινητήρας λειτουργεί στο ρελαντί με το Πρόγραμμα Φτωχού
Μίγματος. Το καύσιμο ψεκάζεται λίγο πριν από το ΑΝΣ στο χρόνο συμπίεσης και αμέσως μετά
ακολουθούν η έκρηξη και η εκτόνωση. Στα πρώτα λεπτά της λειτουργίας στο ρελαντί, τα μπεκ
ψεκάζουν, για δεύτερη φορά, καύσιμο στη διάρκεια του χρόνου εκτόνωσης. Έτσι, το μίγμα
καίγεται για δεύτερη φορά και η θερμοκρασία των καυσαερίων τετραπλασιάζεται μειώνοντας
στο μισό το χρόνο προθέρμανσης του καταλύτη και, κατά συνέπεια, την εκπομπή
υδρογονανθράκων μετά την εκκίνηση. Κάτι τέτοιο δεν θα ήταν δυνατό σε ένα συμβατικό
κινητήρα, αφού ψεκασμός σε χρόνο συμπίεσης και εκτόνωσης, δηλαδή με κλειστές τις
βαλβίδες, δεν μπορεί να γίνει. Επίσης, με τον άμεσο ψεκασμό μπορεί να επιτευχθεί και
μείωση της εκπομπής των οξειδίων του αζώτου, του κύριου υπευθύνου για το νέφος. Ο τρόπος
μείωσης των οξειδίων του αζώτου είναι η επανακυκλοφορία των καυσαερίων, η επανεισαγωγή
τους, δηλαδή, στο θάλαμο καύσης. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε στην πρώτη γενιά
συστημάτων ηλεκτρονικού ελέγχου κινητήρων βενζίνης, για να εγκαταλειφθεί, στη συνέχεια,
λόγω της εξέλιξης των προγραμμάτων ελέγχου και της τεχνολογίας των καταλυτών. Ο λόγος
αυτής της εγκατάλειψης ήταν ότι η επανακυκλοφορία των καυσαερίων εμπόδιζε την καύση και
μείωνε την απόδοση. Με την τεχνολογία του άμεσου ψεκασμού, η πυκνότητα του μίγματος στο
θάλαμο καύσης είναι τέτοια, που επιτρέπει την επανακυκλοφορία των καυσαερίων, χωρίς να
επηρεάζεται η απόδοση του κινητήρα, με αποτέλεσμα τη μείωση των εκπομπών των οξειδίων του
αζώτου, σε ποσοστό μέχρι και 70%, σε σχέση με τους συμβατικούς κινητήρες. Σε αυτό το
εντυπωσιακό ποσοστό συμβάλλει και μια νέα γενιά καταλυτών, ειδικά σχεδιασμένη για τις
αυξημένες εκπομπές οξειδίων του αζώτου που συνεπάγεται η χρήση φτωχού μίγματος.
Ο κυρίαρχος του παιχνιδιού
Η τεχνολογία του άμεσου ψεκασμού δείχνει ότι τα περιθώρια εξέλιξης των κινητήρων
εσωτερικής καύσης δεν έχουν ακόμα εξαντληθεί. Παρά τις αλλεπάλληλες αναπροσαρμογές των
ορίων ρύπων από τις ολοένα και αυστηρότερες νομοθεσίες, σε όλα τα μήκη και πλάτη της γης,
ο υπεραιωνόβιος κινητήρας Ότο καταφέρνει να ξαναγεννιέται, συνεχώς, από τις στάχτες του,
αρνούμενος πεισματικά να δώσει τη θέση του σε άλλα συστήματα κίνησης και αποδεικνύοντας
ότι είναι πολύ σκληρός για να πεθάνει. Από τη στιγμή που είναι νόμιμος και φθηνότερος από
κάθε άλλο ανταγωνιστή του, θα εξακολουθεί να είναι ο κυρίαρχος του παιχνιδιού._ Π. Γ.
Ο άμεσος ψεκασμός εξασφαλίζει τις χαμηλότερες εκπομπές διοιξειδίου του άνθρακα στο σύνολο
του κύκλου ζωής ενός αυτοκινήτου.
Το κυριότερα σημεία στα οποία ένας κινητήρας άμεσου ψεκασμού διαφέρει από έναν συμβατικό.
Η γεωμετρία του θαλάμου καύσης ενός κινητήρα άμεσου ψεκασμού.
Η ειδική, καμπύλη διαμόρφωση της κεφαλής του εμβόλου προκαλεί το στροβιλισμό του μίγματος
σε διεύθυνση κάθετη στον άξονα του κυλίνδρου.
Ο ευθύγραμμος, κατακόρυφος αυλός εισαγωγής επιταχύνει το ρεύμα αέρα εισαγωγής,
διευκολύνοντας το στροβιλισμό του κάθετα στον άξονα του κυλίνδρου, όταν το ρεύμα
προσκρούσει στην ειδικά διαμορφωμένη επιφάνεια της κεφαλής του εμβόλου.
Αντίθετα απ' ότι συμβαίνει στους υπόλοιπους κινητήρες, στους κινητήρες βενζίνης άμεσου
ψεκασμού το μίγμα στροβιλίζεται με διεύθυνση κάθετη στον άξονα του εμβόλου. Έτσι,
εξασφαλίζεται η πλήρης και τέλεια καύση του μίγματος.
Από πλευράς κατασκευής και εξωτερικής εμφάνισης, οι κινητήρες βενζίνης άμεσου ψεκασμού
δύσκολα ξεχωρίζουν από τους συμβατικούς.
«τα ηλεκτρικά και τα υβριδικά αυτοκίνητα και οι ενεργειακές κυψέλες δεν έχουν ακόμα
πείσει ότι μπορούν να αντικαταστήσουν τον κινητήρα εσωτερικής καύσης. O τελευταίος είναι
και πάλι ο πρωταγωνιστής της άμεσης λύσης στο δύσκολο πρόβλημα».