Crossroads
Κι όμως, λειτουργεί!Aνακεφαλαιώνουμε: οι βενζινοκινητήρες διαθέτουν ως κύριο προσόν τη χαμηλή εκπομπή ρύπων -κυρίως οξειδίων του αζώτου και σωματιδίων-, ενώ οι ντίζελ το μεγάλο βαθμό απόδοσης και, κατά συνέπεια, τη χαμηλή κατανάλωση. Πώς μπορούμε, όμως, να έχουμε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης που να συνδυάζει και τα δύο; Πολύ απλά, επινοώντας και κατασκευάζοντας ένα σύνολο που να συνδυάζει την αρχή λειτουργίας και των δύο! Δεν είναι λίγες οι φορές που υπάρχει ανταλλαγή τεχνολογίας μεταξύ κινητήρων ντίζελ και βενζίνης. Σκεφτείτε τα παραδείγματα των τούρμπο μεταβλητής γεωμετρίας ή του άμεσου, ηλεκτρονικού ψεκασμού. Όμως, πλέον δε μιλάμε για μεταφορά τεχνολογίας από το ένα είδος στο άλλο, αλλά για συγχώνευση δύο μέχρι πρότινος τελείως διαφορετικών κόσμων!
Στο βενζινοκινητήρα άμεσου ψεκασμού, το καύσιμο ψεκάζεται κατά το χρόνο της εισαγωγής, όταν το έμβολο κινείται ακόμη προς τα κάτω. Μόλις αναστραφεί η κίνησή του, στο χρόνο συμπίεσης, το καύσιμο μίγμα αέρα/βενζίνης συμπιέζεται και θερμαίνεται, ενώ, φτάνοντας το άνω νεκρό σημείο της διαδρομής του, το καύσιμο έχει εξατμιστεί και διασκορπιστεί ομοιογενώς στο θάλαμο καύσης. Λίγο αργότερα, o σπινθήρας του μπουζί θα αναφλέξει το -αέριο πλέον- μίγμα.
Αντίθετα, η διαδικασία καύσης στον κινητήρα ντίζελ είναι εντελώς διαφορετική. Εδώ, ο ψεκασμός γίνεται λίγο πριν το έμβολο φτάσει στο άνω νεκρό σημείο, ενώ ο αέρας έχει φτάσει στο επιθυμητό επίπεδο συμπίεσης και θερμοκρασίας, έτσι ώστε το καύσιμο να αυταναφλεγεί. Ο ελάχιστος χρόνος που απομένει αποτελεί και το κύριο πρόβλημα για την ολοκληρωτική καύση του μίγματος. Όπως εξηγήσαμε και σε προηγούμενο τεύχος, συχνά σε σύγχρονους ντίζελ η καύση γίνεται μετά το άνω νεκρό σημείο της διαδρομής του εμβόλου, μια μέθοδος που μειώνει την εκπομπή NOx, αυξάνει, όμως, ταυτόχρονα την κατανάλωση.
Η αρχή λειτουργίας του συνόλου που θα συνδυάζει τα προτερήματα και των δύο βρίσκεται κάπου στη μέση, έχοντας ως κύριο χαρακτηριστικό την καύση φτωχού (λ<1), ομογενοποιημένου μίγματος, μέσω αυτανάφλεξης. Πώς επιτυγχάνεται αυτό; Στον κινητήρα που η VW αποκαλεί CCS (Combined Combustion System) και η Mercedes DiesOtto, ο ψεκασμός γίνεται καθώς το έμβολο ανεβαίνει προς το άνω νεκρό σημείο, έχοντας αρχίσει να συμπιέζει τον αέρα. Με τη βοήθεια μπεκ που προέρχονται από συστήματα common rail, ο ψεκασμός είναι εύκολο να καταμεριστεί με μεγάλη ακρίβεια τόσο ποσοτικά όσο και χρονικά. Καύσιμο και αέρας συμπιέζονται, το καύσιμο εξατμίζεται έχοντας όλο το διαθέσιμο χρόνο ώστε να δημιουργήσει ένα ομοιογενές μίγμα, συγκρίσιμο με αυτό ενός βενζινοκινητήρα, και κατόπιν αναφλέγεται, ιδανικά λίγο μετά το άνω νεκρό σημείο, χωρίς να απαιτείται εξωτερικός σπινθήρας. Θεωρητικά, η αυτανάφλεξη γίνεται σε άπειρα σημεία εντός του θαλάμου καύσης, και μάλιστα ταυτόχρονα (!), εξασφαλίζοντας ιδανικές συνθήκες καύσης, που, με τη σειρά τους, μεταφράζονται σε χαμηλή εκπομπή ρύπων (-60% NOx σε σχέση με τον ντίζελ) και αυξημένο βαθμό απόδοσης (+20% συγκριτικά με το βενζινοκινητήρα).
Μια μεγάλη διαφορά του νέου κινητήρα σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες κατασκευές είναι ότι δεν υπάρχει κάποιο συγκεκριμένο και εύκολα ελεγχόμενο έναυσμα ανάφλεξης, όπως ο σπινθήρας στους βενζινοκινητήρες ή ο ψεκασμός στον ντιζελοκινητήρα. Το μίγμα αναφλέγεται όταν επιτευχθούν οι απαιτούμενες συνθήκες. Φυσικά, ο κινητήρας μπορεί να σχεδιαστεί έτσι, ώστε αυτό να προκύπτει σε συγκεκριμένο σημείο λειτουργίας, πράγμα το οποίο, όμως, θα συνεπαγόταν παραγωγή συγκεκριμένου έργου και θα ήταν πρακτικά εφαρμόσιμο μόνο σε συνδυασμό με ηλεκτροκινητήρες, σε υβριδικές διατάξεις. Η δυναμική λειτουργία του κινητήρα πρέπει να ελεγχθεί, λοιπόν, μέσω των δευτερογενών παραγόντων που επηρεάζουν την ανάφλεξη, όπως είναι η συμπίεση, η θερμοκρασία και πίεση αέρα εισαγωγής, η αναλογία καύσιμου/αέρα και η ποσότητα ανακυκλούμενων καυσαερίων. Σύμφωνα με τα όσα έχουν ανακοινωθεί μέχρι σήμερα για την έρευνα κι εξέλιξη των κατασκευαστών, η VW χρησιμοποιεί εκτενώς την ανακύκλωση καυσαερίων, καθώς, πέραν του ελέγχου της ανάφλεξης, προσφέρει οφέλη στον περιορισμό δημιουργίας περιοχών υψηλής θερμοκρασίας, η οποία στους κινητήρες ντίζελ αποτελεί την κύρια αιτία εκπομπής οξειδίων του αζώτου.
Μιλώντας περί καύσης, δε θα πρέπει να αφήσουμε ασχολίαστο το θέμα της ισχύος, το οποίο στους συμβατικούς κινητήρες ελέγχεται με την αύξηση του όγκου μίγματος (βενζίνη) ή ψεκαζόμενου καυσίμου (ντίζελ), γεγονός που θα προκαλούσε στη συγκεκριμένη περίπτωση τιμές πίεσης και έκλυσης θερμότητας ακόμα μεγαλύτερες από τις ήδη υπάρχουσες (λόγω ταυτόχρονης ανάφλεξης ολόκληρης της ποσότητας μίγματος). Αυτός είναι, άλλωστε, και ο λόγος που ο νέος κινητήρας λειτουργεί πάντοτε σε συνθήκες φτωχού μίγματος. Ο εύκολος τρόπος θα ήταν ο περιορισμός του εύρους λειτουργίας του CCS ή DiesΟtto σε συνθήκες μερικού φορτίου και η λειτουργία του ως συμβατικού ντίζελ ή βενζινοκινητήρα σε πλήρες φορτίο. Η άλλη λύση είναι λίγο πιο σύνθετη... Και μας οδηγεί στο καίριο ερώτημα: τι καύσιμο καίει ο κινητήρας μας; Μα, συνθετικά καύσιμα, ασφαλώς!
Η κύρια προϋπόθεση για το μεγάλο βήμα από το εργαστήριο στην πράξη δεν είναι άλλη από την ύπαρξη συνθετικών καυσίμων παραγόμενων από φυσικό αέριο (GTL-Gas To Liquid) ή βιομάζα (BTL-Biomass To Liquid). Απαλλαγμένα από θείο και αρωματικές ενώσεις, οικολογικά ουδέτερα και, προπάντων, εξελιγμένα κατά παραγγελίαν όσον αφορά το σημείο ζέσης και τον αριθμό κετανίων τους, αποτελούν το μοναδικό είδος καυσίμων με το οποίο μπορεί να υπολογιστεί με μαθηματική ακρίβεια και, βέβαια, να λειτουργήσει ιδανικά ο νέας γενιάς κινητήρας. Ήδη το GTL διατίθεται ως πρόσθετο στο συμβατικό ντίζελ σε αναλογία έως και 5% στην Ευρώπη και υπολογίζεται ότι από το 2012 θα παράγεται σε ποσότητες αρκετές ώστε να ικανοποιήσει το 20% της ευρωπαϊκής αγοράς, ενώ κάτι αντίστοιχο προβλέπεται και για το BTL.
Έτσι κι αλλιώς, οι ειδικοί προβλέπουν πως, παρόλο που τα πρώτα πρωτότυπα των εν λόγω κινητήρων ήδη δοκιμάζονται από διάφορους κατασκευαστές, για τη μαζική παραγωγή θα χρειαστούν τουλάχιστον 5-10 έτη περαιτέρω έρευνας κι εξέλιξης. Πάντως, ο CCS, ή DiesΟtto, ή όπως θέλετε πείτε τον κατέχει ήδη μια εντυπωσιακή πρωτιά: είναι ο πρώτος κινητήρας εσωτερικής καύσης που εξελίσσεται παράλληλα με το καύσιμό του!_ Ν. Κ.