T.E.I. ANATOΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ & ΘΡΑΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ Φ.Α. Τ.Ε. - ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε.

Transcript

1 T.E.I. ANATOΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ & ΘΡΑΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ Φ.Α. Τ.Ε. - ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: Nέες τεχνολογίες κινητήρων αυτοκινήτων TSI και FSI ΣΠΟΥΔΑΣΤEΣ: AΡΤΕΜΙΟΥ ΑΡΤΕΜΗΣ (Α.Ε.Μ:m5157) ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΙΔΗΣ ΓΙΑΝΝΗΣ (Α.Ε.Μ:m4966) ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΙΩΑΝΝΗΣ Θ. ΑΡΑΜΠΑΤΖΗΣ ΚΑΒΑΛΑ ΜΑΡΤΙΟΣ 2014

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1 Γενικά. Ε.2 Συμβατικό σύστημα τροφοδοσίας. Ε.2.1 Εξαερωτήρας Ε Λειτουργία Ε Περιγραφή εξαερωτή Ε.2.2 Φίλτρο αέρα Ε.2.3 Υποβοήθηση της ροής καυσίμου Ε Μέσω του σιγαστήρα Ε Απ ευθείας απ το κάρτερ Ε Αντλίες Ε.3 Έμμεσος Ψεκασμός Ε.3.1 Γενικά. Ε.3.2 Ψεκασμός μονού σημείου (Single Point Injection) Ε.3.3 Ψεκασμός πολλαπλού σημείου (MPI : multi point injection) Ε.3.4 Τα Βασικότερα συστήματα Έμμεσου ψεκασμού καυσίμου E.4 Άμεσος Ψεκασμός Ε.4.1 Γενικά Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 1

3 Ε Λειτουργία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ FSI (FUEL STRATIFIED INJECTION) 1.1 Γενικά 1.2 Περιγραφή του συστήματος άμεσου ψεκασμού FSI Κλάδος χαμηλής πίεσης Κλάδος υψηλής πίεση 1.3 Μονάδα Ελέγχου Κινητήρα (Engine Control Unit / ΕCU) Γενικά Λειτουργικά μέρη εγκεφάλου Μνήμες εγκεφάλου CAN Bus 1.4 Περιγραφή Λειτουργίας FSI 1.5 Λειτουργικά χαρακτηριστικά του FSI 1.6 Τρόποι αντιμετώπισης υψηλών επιπέδων εκπομπής οξειδίων του αζώτου Επανακυκλοφορία Καυσαερίων Εξαγωγής (EGR) Γενικά Λειτουργία του συστήματος (EGR) Σύστημα Επιλεκτικής Καταλυτικής Αναγωγής SCR (Selective Catalytic Reduction) Γενικά Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 2

4 Τεχνική Ανάλυση Λειτουργία συστήματος SCR Πλεονεκτήματα τεχνολογίας SCR (AdBlue) έναντι ΕGR Ανάλυση του Adblue Πλεονεκτήματα Χρήσης AdBlue 1.7 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα συστήματος FSI 1.8 Άμεσος ψεκασμός της Mitsubishi 1.9 Άμεσος ψεκασμός από τη Nissan 1.10 Άμεσος ψεκασμός της Toyota 1.11 Άμεσος ψεκασμός FSI της Audi 1.12 Εξέλιξη του FSI από το Group VW. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤFSI 2.1 Γενικά 2.2 Περιγραφή κινητήρα TFSI Γενικά Χαρακτηριστικά εξαρτήματα TFSI 2.3 Περιγραφή Λειτουργίας TFSI Καταλυτικός Μετατροπέας 2.4 Υπερπληρωτές Γενικά Φιλοσοφία υπερσυμπιεστών Είδη υπερσυμπιεστών Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 3

5 2.5 Πλεονεκτήματα - μειονεκτήματα κινητήρα TFSI 2.6 Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 TΕΧΝΟΛΟΓΙΑ TSI (TWIN SUPERCHARGING INJECTION) 3.1 Γενικά Τα κυριότερα συστήματα υπερπλήρωσης που έχουν αναπτυχθεί έως σήμερα. 3.2 Στροβιλοσυμπιεστής (turbo) Λειτουγρία Τουρμπίνα Μεταβλητής Γεωμετρίας Δίδυμοι Υπερσυμπιεστές (Twin Turbo) 3.3 Μηνανικός Συμπιεστής ( Kompressor) Γενικά Τα είδη των μηχανικών υπερσυμπιεστών είναι : 3.4 Ανάλυση Μηχανικών Mερών TSI 3.5 Μονάδα του υπερσυμπιεστή καυσαερίων 3.6 Λειτουργία Συστήματος TSI 3.7 VW Golf GT 3.8 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα συστήματος TSI 3.9 Προβλήματα και Λύσεις ΕΠΙΛΟΓΟΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 4

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΚΟΝΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εικόνα Ε.1 Εξαερωτήρας Εικόνα Ε.2 Βασικά μέρη εξαερωτήρα Εικόνα Ε.3 Λειτουργία εξαερωτήρα Εικόνα Ε.4 Βελόνα Εικόνα Ε.5 Μπάρα ψεκασμού με μία τρύπα Εικόνα Ε.6 Μπάρα ψεκασμού με δύο τρύπες Εικόνα Ε.7 Τοποθέτηση μπάρας Εικόνα Ε.8 Διατομές χωνιού Εικόνα Ε.9 Φίλτρο εξαερωτήρα Εικόνα Ε.10 Σύνδεση σιγαστήρα με δεξαμενή Εικόνα Ε.11 Άντληση καυσίμου μέσω δεξαμενής Εικόνα Ε.12 Ψεκασμός μονού σημείου Εικόνα Ε.13 Ψεκασμός πολλαπλών σημείων Εικόνα Ε.14 Ταχύτητα ψεκασμού Εικόνα Ε.15 Διπλός ψεκασμός Εικόνα Ε.16 Σχηματική διάταξη του συστήματος Κ- Jetronic Εικόνα E.17 Σχηματική διάταξη του συστήματος KΕ-Jetronic Εικόνα E.18 Το ηλεκτρονικό σύστημα ψεκασμού L-Jetronic Εικόνα Ε.19 Το ηλεκτρονικό σύστημα ψεκασμού Motronic Εικόνα Ε.20 Κινητήρας Mitsubishi V6 Εικόνα Ε.21 Διαστρωμάτωση μίγματος αέρα βενζίνης Εικόνα Ε.22 Ψεκασμός κατά την κάθοδο του εμβόλου Εικόνα Ε.23 Διπλός ψεκασμός για ψύξη θαλάμου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εικόνα 1.1 Σύστημα άμεσου ψεκασμού βενζινοκινητήρα. Εικόνα 1.2 Σύστημα χαμηλής πίεσης Εικόνα 1.3 Μονάδα ελέγχου της αντλίας καυσίμου Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 5

7 Εικόνα 1.4 Ηλεκτρική αντλία καυσίμου Εικόνα 1.5 Ρυθμιστική βαλβίδα πίεσης συστήματος χαμηλής πίεσης (σημείο 1) Εικόνα 1.6 Σύστημα υψηλής πίεσης Εικόνα 1.7 Αντλία καυσίμου υψηλής πίεσης 1.4 ltr 66 kw και 1.6 ltr 85 Kw Εικόνα 1.8 Αντλία καυσίμου υψηλής πίεσης 2.0 ltr 110 kw και 2.0 ltr 147 kw Εικόνα 1.9 Ρυθμιστική βαλβίδα πίεσης συστήματος υψηλής πίεσης (σημείο 1) Εικόνα 1.10 Εγχυτήρες καυσίμου υψηλής πίεσης (σημείο 1) Εικόνα 1.11 Εγχυτήρας υψηλής πίεσης Εικόνα 1.12 Μονάδα Ελέγχου Κινητήρα (ECU) Εικόνα 1.13 Μετατροπέας CANbus Εικόνα 1.14 Μεταβλητός Αυλός Εισαγωγής Δύο Σταδίων Εικόνα 1.15 Διασκορπισμός του καυσίμου Εικόνα 1.16 Στρωματοποιημένη καύση Εικόνα 1.17 Προανάφλεξη (πυράκια) Εικόνα 1.18 Καταλύτης DeNOx Εικόνα 1.19 Σύστημα επανακυκλοφορίας καυσαερίων εξαγωγής (EGR) Εικόνα 1.20 Τεχνολογία SCR της Mercedes Εικόνα 1.21 Λειτουργία του συστήματος SCR Εικόνα 1.22 Μέρη συστήματος SCR Εικόνα 1.23 Δεξαμενή AdBlue κάτω από το πλαίσιο Εικόνα 1.24 Σύστημα SCR στην E-200 Εικόνα 1.25 Σύστημα Άμεσου Ψεκασμού Mitsubishi Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 6

8 Εικόνα 1.26 Κινιτήρας Nissan Maxima άμεσου ψεκασμού Εικόνα 1.27 Κινητήρας D4 της Toyota Εικόνα 1.28 Βενζινοκινητήρας Audi R8 V10 Εικόνα 1.29 Ειδική γεωμετρία θαλάμου καύσης GDI Εικόνα 1.30 Ομογενοποιημένο μείγμα Εικόνα 1.31 Στρωματοποιημένο μείγμα Εικόνα 1.32 FSI VW Εικόνα 1.33 Διάγραμμα ελέγχου εκπομπής ρύπων σε κινητήρα FSI. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Εικόνα 2.1 Κινητήρας TFSI V6 Εικόνα 2.2 Τομή κινητήρα TFSI 2.0cc Εικόνα 2.3 Στροφαλοφόρος Άξονας με Φλάντζες ρουλεμάν Εικόνα 2.4 (α) Κορμός Κινητήρα (β) Έμβολο Eικόνα 2.5 Κινητήρας TFSI V6 Εικόνα 2.6 Πολλαπλή εξαγωγή TFSI Εικόνα 2.7 Σύστημα Χαμηλής Πίεσης Εικόνα 2.8 Μονάδα Ελέγχου της Αντλίας Καυσίμου J538 Εικόνα 2.9 Σύστημα Υψηλής Πίεσης Εικόνα 2.10 Αντλία Υψηλής Πίεσης Εικόνα 2.11Κίνηση Αντλίας από Εκκεντροφόρο Εικόνα 2.12 Αντλία Υψηλής Πίεσης 2.0cc TFSI Εικόνα 2.13 Γραναζωτή Αντλία Χαμηλής Πίεσης Εικόνα 2.14 Καταλυτικός μετατροπέας Εικόνα 2.15 Στροβιλοσυμπιεστής Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 7

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Εικόνα 3.1 Ροή του αέρα στον TSI Εικόνα 3.2 Στροβiλοσυμπιεστής (turbo) Εικόνα 3.3 Λειτουργία συστήματος τούρμπο Εικόνα 3.4 Τουρμπίνα Μεταβλητής Γεωμετρίας Εικόνα 3.5 Σύνδεση Twin Turbo σε σειρά Εικόνα 3.6 Παράλληλη Twin Turbo σύνδεση Εικόνα 3.7 Μηχανικός Συμπιεστής ( Kompressor) Εικόνα 3.8 Υπερσυμπιεστής με λοβούς (Roots) Εικόνα 3.9 Υπερσυμπιεστής TVS Εικόνα 3.10 Μηχανικός υπερσυμπιεστής Comprex Εικόνα 3.11 Κυλινδροκεφαλή TSI Εικόνα 3.12 Εκκεντροφόροι και περίβλημα εκκεντροφόρων Εικόνα 3.13 Βαλβίδα Εκτόνωσης (Wastegate) Εικόνα 3.14 Βασικά μέρη κινητήρα TSI Εικόνα 3.15 Διάγραμμα κυκλοφορίας αέρα στο ψυγείο Εικόνα 3.16 Αερόψυκτο ψυγείo Εικόνα 3.17 Διάγραμμα Σύστημα ψύξεως Εικόνα 3.18 Μονάδα του υπερσυμπιεστή καυσαερίων Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 8

10 Εικόνα 3.19 Πολλαπλή εισαγωγής σε τομή Εικόνα 3.20 Διάγραμμα λειτουργίας του TSI Εικόνα 3.21Μπλε : Περιοχή λειτουργίας μηχανικού υπερσυμπιεστή, Γαλάζιο: Μεταβατική περιοχή, Πράσινο: Περιοχή λειτουργίας turbo Εικόνα 3.22 Τμήματα του βενζινοκινητήρα TSI Εικόνα 3.23 Ο πρώτος κινητήρας της Porsche Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 9

11 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ξεκινώντας την αναφορά μας στα συστήματα άμεσου ψεκασμού και των νέων τεχνολογιών, κάνουμε στην εισαγωγή μια ιστορική αναδρομή στο παλιό σύστημα εισαγωγής αέρα (εξαερωτήρας), αναλύοντάς το. Αμέσως μετά αναφερόμαστε στον έμμεσο ψεκασμό, στους τρόπους με τους οποίους επιτυγχάνεται, στη λειτουργία του και στα βασικότερα συστήματα έμμεσου ψεκασμού (K-jetronic, KE-jetronic, L-jetronic, Motronic). Τελειώνοντας κάνουμε μια μικρή εισαγωγή στον άμεσο ψεκασμό, στην φιλοσοφία του και την λειτουργία του. Στο 1 ο κεφάλαιο περιγράφουμε την τεχνολογική εξέλιξη έγχυσης καυσίμου (FSI Fuel Stratified Injection) στους σύγχρονους κινητήρες. Έτσι, παραθέτουμε τα διάφορα μηχανικά και ηλεκτρονικά μέρη από τα οποία αποτελείται και στο τέλος σημειώνουμε τα πλεονεκτήματα μειονεκτήματα του συστήματος αυτού, παρουσιάζοντας επίσης μερικούς κινητήρες διάφορων εταιριών άμεσου ψεκασμού. Στο 2 ο κεφάλαιο μιλάμε για την εξέλιξη του συστήματος άμεσου ψεκασμού FSI στο νέο κινητήρα TFSI (Turbo Fuel Stratified Injection). Η αναφορά μας αυτή περιλαμβάνει την ανάλυση του συστήματος αυτού, την περιγραφή της λειτουργίας του, την ενσωμάτωση του turbo η οποία είναι και η βασική διαφορά. Στο τελευταίο κεφάλαιο της πτυχιακής μας εργασίας θα παρουσιάσουμε την τελευταία εξέλιξη του άμεσου ψεκασμού που είναι η τεχνολογία TSI (Twin Supercharger Injection). Η σκέψη και φιλοσοφία της τεχνολογικής ανάπτυξης αυτής είναι η υψηλή απόδοση της ισχύος σε συνδυασμό με την χαμηλή κατανάλωση και τους χαμηλούς ρύπους και τις δυνατότητες που παρέχει. Αυτό επετεύχθη με το πάντρεμα του στροβιλοσυμπιεστή και του μηχανικού υπερσυμπιεστή. Όλα τα παραπάνω εξηγούνται αναλυτικά στις επόμενες σελίδες του κεφαλαίου. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 10

12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1 Γενικά Ο κύριος σκοπός του συστήματος ψεκασμού είναι να τροφοδοτήσουμε τη μηχανή όπως και στο καρμπυρατέρ μ ένα μίγμα αέρα και βενζίνης. Η αναλογία καυσίμου-αέρα πρέπει να είναι η κατάλληλη, ώστε η καύση που πραγματοποιείται να καλύπτει όλες τις φάσεις λειτουργίας του κινητήρα. Οι βασικές απαιτήσεις από ένα τέτοιο σύστημα είναι: Η χαμηλή κατανάλωση καυσίμου. Η ελαχιστοποίηση των εκπεμπόμενων ρύπων. Η δυνατότητα αύξησης της απόδοσης του κινητήρα σε όλες τις φάσεις λειτουργίας του. Ε.2 Συμβατικό σύστημα τροφοδοσίας Ε.2.1 Εξαερωτήρας Λέγεται και καρμπυρατέρ (εικόνα Ε.1). Από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 άρχισε σταδιακά να αντικαθίσταται από τα ηλεκτρονικά συστήματα ψεκασμού (injection) και πλέον έχει εκτοπιστεί εντελώς από τους σύγχρονους κινητήρες, κυρίως εξαιτίας της αδυναμίας του να ρυθμίζει με ακρίβεια το συντελεστή «λ», του λόγου της χρησιμοποιούμενης ποσότητας αέρα προς τη θεωρητικά ελάχιστη απαιτούμενη, για την πλήρη καύση μιας συγκεκριμένης ποσότητας καυσίμου. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 11

13 Εικόνα Ε.1 Εξαερωτήρας Για ν αναφλεγούν τα υγρά καύσιμα πρέπει να φτάσουν στο θάλαμο καύσης σε πολύ μικρά σταγονίδια (σαν ατμός) και μάλιστα αναμεμιγμένα με τον αέρα σ' ορισμένη αναλογία. Οι δύο αυτές λειτουργίες, η εξαέρωση και η μίξη, γίνονται απ τον εξαερωτή. Το απλούστερο καρμπυρατέρ αποτελείται απ τον αγωγό Venturi (1), την μπάρα ψεκασμού (3) και την βελόνα (4). Η είσοδος του υγρού καύσιμου γίνεται από την άκρη της μπάρας (2) (εικόνα Ε.2). Εικόνα Ε.2 Βασικά μέρη εξαερωτήρα Ε Λειτουργία Με ανοικτή τη θυρίδα εισαγωγής, η υποπίεση του κάρτερ (7) αναρροφά αέρα. Στο στενό σημείο του Venturi ο αέρας (5) επιταχύνεται και η πίεση πέφτει. Η διαφορά πίεσης μεταξύ δεξαμενής και χωνιού "σπρώχνει" το καύσιμο από την τρύπα της μπάρας, που στην συνέχεια "αναμιγνύεται" με τον αέρα (6) (εικόνα Ε.3). Στους δίχρονους κινητήρες η αδράνεια του ταχύτατα εισερχόμενου αέρα σταθεροποιεί την ροή και στον υπόλοιπο χρόνο που η θυρίδα εισαγωγής Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 12

14 είναι κλειστή κι έτσι έχουμε συνεχή ψεκασμό και σταθερό μίγμα σ' όλο τον κύκλο. Στους τετράχρονους υπάρχει μία μικρή υστέρηση ανάμεσα σε δύο διαδοχικές φάσεις αναρρόφησης, αλλά αυτή δεν επηρεάζει την ομαλή τροφοδοσία. Εικόνα Ε.3 Λειτουργία εξαερωτήρα Ε Περιγραφή εξαερωτή Βελόνα Η βελόνα ρυθμίζει την ποσότητα του καυσίμου(εικόνα Ε.4). Βιδώνοντας (κλείνοντας) τη βελόνα περιορίζεται το άνοιγμα της μπάρας και διέρχεται λιγότερο καύσιμο.το μίγμα γίνεται "πτωχότερο". Ξεβιδώνοντας (ανοίγοντας) τη βελόνα, αυξάνεται η ποσότητα του καύσιμου. Εικόνα Ε.4 Βελόνα Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 13

15 Το μίγμα γίνεται "πλουσιότερο". Όλα αυτά αναφέρονται σε μία σταθερή ποσότητα εισερχόμενου αέρα. Η βελόνα πρέπει να είναι μυτερή και ίσια, να εφαρμόζει καλά για στεγανότητα και να έχει λεπτό σπείρωμα για ευκολία ρυθμίσεων (εικόνα Ε.4). Μπάρα ψεκασμού Μπάρα με μια τρύπα (εικόνα Ε.5) : Εικόνα Ε.5 Μπάρα ψεκασμού με μία τρύπα 1. Η τρύπα ακριβώς στην κάτω θέση = καλύτερη ροή. 2. Η τρύπα στην άνω θέση = χειρότερη ροή. 3. Η τρύπα στο πλάι = μέση ροή Μπάρα με δύο τρύπες (εικόνα Ε.6) : Εικόνα Ε.6 Μπάρα ψεκασμού με δύο τρύπες 4. Οι τρύπες σε οριζόντια θέση (καλύτερη θέση). 5. Οι τρύπες σε κατακόρυφη θέση. Από την επάνω τρύπα δεν εξέρχεται καύσιμο. 6. Οι τρύπες σε τυχαία θέση. Και στις τρείς θέσεις η συνολική ροή είναι πολύ καλή. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 14

16 Αγωγός Venturi Η ποσότητα του αέρα που εισρέει στο κάρτερ εξαρτάται από την ικανότητα άντλησης του κινητήρα κι από τη διατομή του χωνιού. Στο στενό Αγωγό Venturi ο αέρας επιταχύνεται περισσότερο κι αυξάνεται η αναρροφητική ικανότητα. Η ποσότητα εξαρτάται και σε μικρότερο βαθμό από το σχήμα. Αλλά από το στενότερο Venturi θα περάσει μικρότερη ποσότητα αέρα και κατ' ακολουθία και μικρότερη ποσότητα καυσίμου, αν θέλουμε να διατηρήσουμε την ίδια αναλογία μίγματος. Η ισχύς του κινητήρα θα μειωθεί. Στον ίδιο κινητήρα λοιπόν έχουμε δύο δυνατότητες: Να μεγαλώσουμε τη διατομή του Venturi για ν αυξήσουμε την ποσότητα του μίγματος (την ισχύ), με μειονέκτημα την αδυναμία ταχείας ροής και ικανοποιητικής αναρροφήσεως του καύσιμου, ή Να μικρύνουμε τη διατομή για οικονομία και βελτιωμένη ροή - αναρρόφηση - με ταυτόχρονη μείωση της ισχύος. Η γωνία της εισόδου του αγωγού Venturi ως προς την τροχιά ψεκασμού πρέπει να είναι τέτοια, ώστε να μην μεταβάλλεται η ποσότητα του εισερχόμενου αέρα από την μεταβολή της ταχύτητας πτήσης. Ευτυχώς οι κατασκευαστές έχουν βρει την ιδανική αυτή γωνία. Εικόνα Ε.7 Τοποθέτηση μπάρας A: Η μπάρα ψεκασμού διαπερνά όλο τον αγωγό Venturi. B: Η μπάρα ψεκασμού δεν διαπερνά τον αγωγό Venturi. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 15

17 Ανάλογα με την ύπαρξη (ή το πάχος) της μπάρας μεταβάλλεται και η ωφέλιμη διατομή του χωνιού (εικόνα Ε.8). Εικόνα Ε.8 Διατομές χωνιού 1. Χωνί με παράλληλες πλευρές 2. Χωνί με καμπύλες πλευρές (σχήμα κανονικού venturi) 3. Χωνί με πρόσθετο στραγγαλιστή σε σχήμα κανονικού venturi Ε.2.2 Φίλτρο αέρα Οι κινητήρες μας δεν φθείρονται περισσότερο απ τη λειτουργία, αλλά απ τη σκόνη που μπαίνει και καταστρέφει τα πάντα. Υπάρχουν ειδικά φίλτρα (εικόνα Ε.9) που προστατεύουν την είσοδο του καρμπυρατέρ και συνιστώνται κυρίως σε όσους περνούν από χωμάτινους διαδρόμους. Εικόνα Ε.9 Φίλτρο εξαερωτήρα Μόνο μειονέκτημα του φίλτρου είναι ότι κόβει και την ταχύτητα και την ποσότητα του αέρα, μειώνοντας την ισχύ. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 16

18 Ε.2.3 Υποβοήθηση της ροής καυσίμου Η ικανότητα άντλησης καύσιμου ενός κινητήρα είναι ορισμένη. Είναι λογικό ότι όταν το μοντέλο εκτελεί άνοδο, η στάθμη του καύσιμου θα είναι πολύ χαμηλότερα απ το καρμπυρατέρ και η διαφορά πίεσης ίσως να μην είναι αρκετή ν αντισταθμίσει την υψομετρική διαφορά. Επίσης, όταν το μοντέλο εκτελεί ακροβατικούς ελιγμούς, η φυγόκεντρος δυσκολεύει τη σωστή τροφοδοσία. Και στις δύο αυτές περιπτώσεις η ποσότητα του καύσιμου που θα φθάσει στο καρμπυρατέρ θα είναι μικρότερη απ τη ζητούμενη. Πρέπει να βρεθεί τρόπος να υποβοηθείται η ροή του καυσίμου. Εδώ πρέπει να ξεκαθαρίσουμε μία πλάνη: Η πίεση και η άντληση δεν αυξάνουν άμεσα την ισχύ του κινητήρα. Δίνουν όμως τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε ένα φαρδύτερο καρμπυρατέρ απ το οποίο περνάει μεγαλύτερη ποσότητα μίγματος, το οποίο είναι τελικά υπεύθυνο για την αύξηση της ισχύος. Ε Μέσω του σιγαστήρα Ο συνηθέστερος τρόπος είναι να συνδέσουμε το σιγαστήρα (ή την πίπα) και τη δεξαμενή, μ ένα σωληνάκι (2) (εικόνα Ε.10). Εικόνα Ε.10 Σύνδεση σιγαστήρα με δεξαμενή Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 17

19 Τα αέρια της καύσης, στραγγαλιζόμενα στο θάλαμο της εξάτμισης παρέχουν μία συνεχή πίεση στη δεξαμενή, ελαφρώς μεγαλύτερη απ την ατμοσφαιρική, που σπρώχνει το καύσιμο προς το καρμπυρατέρ. Αυτό δεν είναι εφικτό, αν ο σιγαστήρας είναι ανοικτός και από μπροστά (διαμπερής). Η θέση απ' όπου παίρνουμε πίεση απ τον κοινό σιγαστήρα έχει ορισθεί απ τον κατασκευαστή, ενώ στην περίπτωση της πίπας, υπάρχουν περισσότερες επιλογές. Είναι ευνόητο ότι το σύστημα δεξαμενής και σωλήνων δεν πρέπει να έχει άλλο άνοιγμα. Αν υπάρχει και σωληνάκι υπερχείλισης (3), αυτό πρέπει να σφραγίζεται για την πτήση μ ένα ξυλαράκι ή βίδα. Ε Απ ευθείας απ το κάρτερ Το κάρτερ παρέχει μεγάλη πίεση. Πολλοί κινητήρες δεσμών ταχύτητας (speed) και αερομαχιών (combat), εκμεταλλεύονται αυτή τη δυνατότητα συνδέοντας το κάρτερ με τη δεξαμενή μ ένα απλό σωληνάκι. Το μειονέκτημα όμως είναι ότι η μεγάλη αυτή πίεση είναι ανεξέλεγκτη, δηλαδή δεν μπορούμε να τη μετριάσουμε και η ρύθμιση της βελόνας είναι πολύ κρίσιμη. Ο κινητήρας πρέπει να λειτουργεί αναγκαστικά σε μια ταχύτητα, όπως συμβαίνει αναγκαστικά στα control line. Ε Αντλίες Μπορούμε επίσης να τραβήξουμε καύσιμο απ τη δεξαμενή με μια απ τις πολλές αντλίες που υπάρχουν γι' αυτό το σκοπό (εικόνα Ε.11). Εικόνα Ε.11 Άντληση καυσίμου μέσω δεξαμενής Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 18

20 Οι διαφραγματικές αντλίες έχουν ρύθμιση με την οποία θεωρητικά μπορούμε να ελέγξουμε την πίεση που φθάνει στην δεξαμενή. Άλλες αντλίες και αντλούν και σπρώχνουν το καύσιμο. Πιο σύνθετες αντλίες ρυθμίζουν αυτόματα την παροχή πίεσης - καύσιμου, ανάλογα με την περιοχή των στροφών που λειτουργεί ο κινητήρας, ιδίως στο ρελαντί. Ε.3 Έμμεσος Ψεκασμός Ε.3.1 Γενικά Έμμεσο ψεκασμό ονομάζουμε τη διαδικασία την οποία το καύσιμο ψεκάζεται σ ένα ή περισσότερα σημεία στην πολλαπλή εισαγωγής αέρα, λειτουργεί σε χαμηλότερες πιέσεις και οι ψεκαστήρες - injectors μπορούν να ενεργοποιούνται ταυτόχρονα και χωρίς συγχρονισμό με τον κύκλο του κινητήρα. Η Bosch έχει αναμφισβήτητα χαράξει το δρόμο στον ψεκασμό καυσίμων και αρχικά στις μοτοσικλέτες το σύστημα ψεκασμού ήταν σε ανεξάρτητη μονάδα απ το σύστημα ανάφλεξης. Όπως θα δούμε αργότερα, όταν ενσωματώθηκαν μεταξύ τους τα δυο συστήματα, ο όρος για τον έλεγχο έγινε: Διαχείριση κινητήρα (engine management). Μερικά από τα συστήματα που θ αναπτύξουμε έχουν σχέση με ξεχωριστές μονάδες (ανάφλεξη από ψεκασμό) και μερικά είναι τμήματα ψεκασμού καυσίμου μιας ολοκληρωμένης μονάδας διαχείρισης κινητήρα. Ε.3.2 Ψεκασμός μονού σημείου (Single Point Injection) Τα συστήματα ψεκασμού ενός σημείου (εικόνα Ε.12) χρησιμοποιούν μια μονάδα κεντρικής ανάμιξης καυσίμου, όπως τα καρμπυρατέρ, μαζί με μια βαλβίδα ψεκαστήρα η οποία ελέγχεται με ηλεκτρονικό τρόπο. Μερικά Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 19

21 συστήματα SPI έχουν μόνο ένα ψεκαστήρα (σε μικρούς εξακύλινδρους και οκτακύλινδρους κινητήρες, χρειάζονται δυο ψεκαστήρες). Ο ψεκαστήρας ή οι ψεκαστήρες, οι οποίοι βρίσκονται μέσα σ ένα κουτί που αντιστοιχεί με το σώμα του καρμπυρατέρ, μ εντολή απ τον υπολογιστή ψεκάζουν το καύσιμο, μέσα σε μια ουσιαστικά συμβατική πολλαπλή εισαγωγή. Το πλεονέκτημα του SPI σε σχέση με το συμβατικό καρμπυρατέρ είναι ότι δεν υπάρχει σύστημα πλωτήρα (φλοτέρ), και συστήματα ρελαντί, επιτάχυνσης και κύριας μέτρησης καυσίμου, καθώς και το σύστημα απορρόφησης (τσοκ). Τα συστήματα αυτά έχουν αντικατασταθεί μ ένα ακριβές σύστημα μέτρησης καυσίμου μέσω του ψεκαστήρα ή (ψεκαστήρων). Ο χρόνος λειτουργίας (ή πλάτος παλμού) στον ψεκαστήρα είναι η χρονική διάρκεια (που μετριέται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου) στην οποία ο εγχυτήρας ψεκάζει καύσιμο ή παραμένει ανοικτός. Ο χρόνος λειτουργίας του ψεκαστήρα καθορίζεται απ τον μικροϋπολογιστή. Εικόνα Ε.12 Ψεκασμός μονού σημείου Ο μικροϋπολογιστής δέχεται ηλεκτρικά σήματα από αισθητήρες οι οποίοι εποπτεύουν τις διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Αποτιμά τις πληροφορίες απ τους αισθητήρες και με βάση αυτές στέλνει σήματα στους ψεκαστήρες καυσίμου, ελέγχοντας τους παλμούς λειτουργίας και διακοπής λειτουργίας. Όταν ο κινητήρας είναι κρύος, κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης και με μεγάλο Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 20

22 φορτίο και το γκάζι πατημένο, αυξάνει το πλάτος του παλμού. Στο ρελαντί και με σταθερό γκάζι (κίνηση με μεγάλη σταθερή ταχύτητα) με θερμό κινητήρα, το πλάτος παλμού στον ψεκαστήρα ελαττώνεται. Η βασική διαφορά ανάμεσα στο μονό ψεκασμό και στον πολλαπλό είναι ότι ο μονός ψεκάζει πριν απ την πεταλούδα γκαζιού γι αυτό και χαρακτηρίζεται σαν έμμεσος ψεκασμός, ενώ στον πολλαπλό ψεκασμό τα μπέκ ψεκάζουν μετά την πεταλούδα, στην πολλαπλή εισαγωγής και μάλιστα κοντά στην βαλβίδα εισαγωγής. Όπως ακριβώς ο ψεκασμός ενός σημείου βελτίωσε την παροχή καυσίμου σε σύγκριση με τα καρμπυρατέρ, έτσι και ο ψεκασμός πολλών σημείων βελτίωσε την παροχή ενός σημείου παρέχοντας ακριβή ποσότητα καυσίμου σε κάθε κύλινδρο, με αποτέλεσμα να ελαττωθούν τα προβλήματα που προκαλούνται απ το σχήμα της πολλαπλής εισαγωγής. Η διαφορά σε σχέση με τον ψεκασμό μονού σημείου είναι ότι το μίγμα προετοιμάζεται έξω από τον χώρο καύσης και είναι αναγκαστικά ομοιογενές. Το σύστημα πολλαπλού σημείου αποτελείται από ψεκαστήρες οι οποίοι βρίσκονται στο πλάι της εισαγωγής του κάθε κυλίνδρου (εικόνα Ε.13). Εικόνα Ε.13 Ψεκασμός πολλαπλών σημείων Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 21

23 Το καύσιμο ψεκάζεται κατά διαστήματα που διαρκούν λιγότερο από χιλιοστά του δευτερολέπτου και υπό πίεση που δεν ξεπερνά τα 3 με 4 bar. (εικόνα Ε.14). Εικόνα Ε.14 Ταχύτητα ψεκασμού Οι ψεκαστήρες σε σύστημα ψεκασμού πολλών σημείων μπορεί να λειτουργήσουν με παλμούς διέγερσης με αρκετούς διαφορετικούς τρόπους : Με ταυτόχρονο (διπλό) ψεκασμό (Dual Injector System) : Το σύστημα αυτό διαθέτει δύο μπεκ ανά κύλινδρο που ψεκάζουν καύσιμο σε δύο ανεξάρτητους αυλούς πριν από κάθε βαλβίδα εισαγωγής οι οποίοι λαμβάνουν παλμούς λειτουργίας όλοι μαζί (εικόνα Ε.15). Εικόνα Ε.15 Διπλός ψεκασμός Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 22

24 Με ψεκασμό σε ομάδες ή εναλλασσόμενο (μονό ή διπλό) ψεκασμός ή ψεκασμό σε δύο γκρουπ: Στο σύστημα αυτό, αρκετοί, αλλά όχι όλοι, ψεκαστήρες λαμβάνουν παλμούς λειτουργίας και διακοπής λειτουργίας μαζί. Για παράδειγμα, ένας κινητήρας V-6 λαμβάνει εναλλάξ παλμούς για κάθε πλευρά του V. Στον εναλλασσόμενο διπλό ψεκασμό τα μπεκ ενεργοποιούνται και ψεκάζουν σε γκρουπ (ψεκασμός δύο γκρουπ), μια φορά για κάθε περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα ή δυο φορές σ έναv πλήρη κύκλο λειτουργίας (720 μοίρες). Με διαδοχικό (μονός σε σειρά ) ψεκασμός ή ανεξάρτητος: Στο σύστημα αυτό κάθε ψεκαστήρας λαμβάνει παλμούς με την ίδια σειρά όπως και η ανάφλεξη στα μπουζί. Ο ψεκαστήρας ψεκάζει καύσιμο στον κινητήρα λίγο πριν ή μόλις ανοίγει η βαλβίδα εισαγωγής. Αυτό το είδος ψεκασμού γίνεται όλο και περισσότερο δημοφιλές, επειδή βελτιώνει την απόδοση του κινητήρα. Επίσης το κάθε μπεκ ψεκάζει όλη την απαιτούμενη ποσότητα μια μόνο φορά σε κάθε κύκλο λειτουργίας και μάλιστα πριν ανοίξει η βαλβίδα εισαγωγής (δηλαδή στο χρόνο εξαγωγής). Η σειρά με την οποία πραγματοποιείται ο διαδοχικός ψεκασμός είναι ίδια με την σειρά ανάφλεξης του συγκεκριμένου κινητήρα ( ). Από την ιδιότητα αυτή προκύπτει και η ονομασία σε σειρά ψεκασμός. Ε.3.4 Τα Βασικότερα συστήματα Έμμεσου ψεκασμού καυσίμου Αναφερόμαστε στα γνωστότερα έμμεσα συστήματα έγχυσης καυσίμου (INJECTION) με βάση τη μέθοδο ελέγχου της δόσης καυσίμου στους εγχυτήρες. Συγκεκριμένα αναλύονται περιληπτικά τα συστήματα K-Jetronic, KE-Jetronic, L-Jetronic και Motronic. Κ- Jetronic Το K-Jetronic (εικόνα Ε.16) είναι μια έμμεση και συνεχής διαδικασία κατά την οποία ο ψεκασμός πραγματοποιείται στην είσοδο του κάθε κυλίνδρου. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 23

25 Εικόνα Ε.16 Σχηματική διάταξη του συστήματος Κ- Jetronic 1. Δεξαμενή καυσίμων 14. Ρυθμιστής πίεσης 2. Ηλεκτρική αντλία βενζίνης 15. Πεταλούδα γκαζιού 3. Ρελέ ηλεκτρικής αντλίας βενζίνης 16. Σωλήνα διόδου για άφορτη 4. Κλειδί ανάφλεξης Λειτουργία 5. Συσσωρευτής 17. Ρυθμιστής στροφών ρελαντί 6. Φίλτρο 18. Ρυθμιστής CO 7. Κατανεμητής 19. Μπεκ ψυχρής εκκίνησης 8. Σωλήνας καυσίμων προς στο μπεκ 20. Σωλήνας βενζίνης για το μπεκ 9. Εγχυτήρας (μπεκ) Ψυχρής εκκίνησης 10. Μοχλός διαφράγματος 21. Θερμικός χρονοδιακόπτης 11. Διάφραγμα 22. Θερμότητα σωλήνα διόδου 12. Πολλαπλή εισαγωγή 23. Βηματικό μοτέρ 13. Σημείο στο οποίο ο μοχλός 24. Βαλβίδα πρόσθετου αέρα Διαφράγματος ταλαντώνεται 25. Ρυθμιστής θερμής λειτουργίας Η μέτρηση του καυσίμου γίνεται με μηχανικό τρόπο και το καύσιμο ψεκάζεται από τους εγχυτήρες που ανοίγουν ανάλογα με την επικρατούσα πίεση στη γραμμή διανομής καυσίμου. KΕ- Jetronic Το KΕ-Jetronic (εικόνα Ε.17) στηρίζεται στο μηχανικό K-Jetronic. Η διαφορά του είναι ότι το KΕ-Jetronic διαθέτει ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, που συλλέγει και επεξεργάζεται ένα πλήθος δεδομένων, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα ελέγχου της ποσότητας έγχυσης. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 24

26 Εικόνα E.17 Σχηματική διάταξη του συστήματος KΕ-Jetronic 1. Ρεζερβουάρ 9. Πολλαπλή εισαγωγής 2. Ηλεκτραντλία 10. Ψυχρό μπέκ. 3. Αποταμιευτής καυσίμου 11. Θερμοχρονοδιακόπτης 4. Φίλτρο καυσίμου 12. Πεταλούδα γκαζιού 5. Ρυθμιστής πίεσης συστήματος 13. Διακόπτης πεταλούδας γκαζιού 6. Μετρητής ποσότητας αέρα 14. Κλαπέ πρόσθετου αέρα 6a. Δίσκος μέτρησης αέρα 15. Αισθητήρας θερμοκρασίας κινητήρα 6b. Ποτενσιόμετρο 16. Κεντρική μονάδα ελέγχου 7. Κατανεμητής καυσίμου 17. Ηλεκτροϋδραυλικός ρυθμιστής πίεσης 7a. Ρυθμιστικό έμβολο 18. Αισθητήρας (Lambda) 7b. Ρυθμιστική. ακμή 19. Διανομέας 7c. Άνω θάλαμος 20. Ρελέ 7d. Κάτω θάλαμος 21. Διακόπτης εκκίνησης έγχυσης 8. Βαλβίδα έγχυσης (μπέκ) 22. Μπαταρία L-Jetronic Το L-Jetronic (εικόνα Ε.18) είναι μια έμμεση διαδικασία κατά την οποία ο ψεκασμός πραγματοποιείται στην είσοδο του κάθε κυλίνδρου. Ο υπολογισμός του καυσίμου γίνεται από ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου με βάση τις πληροφορίες που συλλέγονται σ αυτή, σχετικά με τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. Επίσης οι εγχυτήρες δεν ανοίγουν με βάση την πίεση στον αγωγό διανομής, αλλά με βάση τους παλμούς ανάφλεξης, εξασφαλίζοντας έτσι μια διακοπτόμενη έγχυση. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 25

27 Εικόνα E.18 Το ηλεκτρονικό σύστημα ψεκασμού L-Jetronic 1. Ρεζερβουάρ 12. Μετρητής ποσότητας αέρα 2. Ηλεκτραντλία καυσίμου 13. Ρελέ 3. Φίλτρο καυσίμου 14. Αισθητήρας Lambda 4. Αγωγοί διανομής καύσιμου 15. Αισθητήρας θερμοκρασίας κινητήρα 5. Ρυθμιστής πίεσης συστήματος 16. Θερμοχρονοδιακόπτης 6. Μονάδα ελέγχου 17. Ντιστριμπιτέρ 7. Εγχυτήρες (μπέκ) 18. Βαλβίδα (κλαπέ) πρόσθετου αέρα 8. Βαλβίδα ψυχρής εκκίνησης 19. Κοχλίας ρύθμισης μίγματος ρελαντί 9. Κοχλίας ρύθμισης στροφών ρελαντί 20. Μπαταρία 10. Διακόπτης πεταλούδας γκαζιού 21. Διακόπτης εκκίνησης 11. Πεταλούδα επιταχυντή Motronic Το Motronic (εικόνα Ε.19) στηρίζεται στο μηχανικό L-Jetronic. Η διαφορά του είναι ότι το Motronic είναι ένας συνδυασμός της ηλεκτρονικής έγχυσης με την ηλεκτρονική ανάφλεξη. Η επιφόρτιση της μονάδας ελέγχου ψεκασμού με το χρονισμό της ανάφλεξης βελτιώνει τις συνθήκες καύσης, προσαρμόζοντας τους χρόνους ανάφλεξης στις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 26

28 Εικόνα Ε.19 Το ηλεκτρονικό σύστημα ψεκασμού Motronic Ε.4 Άμεσος Ψεκασμός Ε.4.1 Γενικά Λίγο πριν το τέλος του 20ού αιώνα, έκαναν την εμφάνισή τους και οι πρώτες νομοθεσίες για τον περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα. Κι 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 για την τεχνολογία άμεσου ψεκασμού βενζίνης. Πρωτοπόρος σ αυτή την τεχνολογία είναι η Mitsubishi, η οποία έχει χρησιμοποιήσει βενζινοκινητήρες άμεσου ψεκασμού σε πολλά, μαζικά παραγόμενα, μοντέλα της (Carisma, Paxero, κ.ά.). Τη Mitsubishi ακολούθησαν γρήγορα κι άλλοι Ιάπωνες κατασκευαστές, όπως η Nissan και η Toyota. Πάντως, σύμφωνα με τη Mitsubishi, οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού πλεονεκτούν έναντι όχι μόνο των συμβατικών κινητήρων, αλλά κι άλλων νέων και πιο εξωτικών τεχνολογιών (εικόνα Ε.20). Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 27

29 Εικόνα Ε.20 Κινητήρας Mitsubishi V6 Ο λόγος είναι ότι, σε σχέση με τους συμβατικούς κινητήρες, εκπέμπουν λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα κατά τη λειτουργία τους. 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 σημαίνει αύξηση της θερμοδυναμικής απόδοσης. Κατά τα άλλα, οι μέθοδοι παραγωγής και ανακύκλωσης είναι ακριβώς οι ίδιες με τις μέχρι σήμερα γνωστές. Ένα άλλο πολύ βασικό πλεονέκτημα είναι ότι η τιμή ενός αυτοκινήτου με κινητήρα άμεσου ψεκασμού βρίσκεται στα ίδια επίπεδα με την τιμή ενός συμβατικού. Ωστόσο υπάρχουν τεχνικά προβλήματα, που η αντιμετώπιση τους είναι ακόμη σε εξελισσόμενη έρευνα. Οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού στις χαμηλές στροφές ρυπαίνουν με τα ΝΟχ. Τα NOx σχηματίζονται στις περιοχές υψηλής θερμοκρασίας εντός της καιόμενης ζώνης, με την προυπόθεση ότι υπάρχει και η απαραίτητη ποσότητα οξυγόνου. Στη συνέχεια, κατά τη φάση της αποτόνωσης, ορισμένες αντιδράσεις που συμμετέχουν στο σχηματισμό των NOx παγώνουν λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα το καυσαέριο της εξαγωγής να περιέχει συγκεντρώσεις NOx αρκετά μεγαλύτερες από ότι θα περιέχει στη χημική ισορροπία. Ένα ακόμα πρόβλημα που παρατηρείται και είναι εξίσου σημαντικό είναι η κακή λίπανση και κακή ψύξη των βαλβίδων εισαγωγής. Στους κινητήρες FSI οι βαλβίδες εισαγωγής και κυρίως το πίσω μέρος τους κρατάνε κατάλοιπα της Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 28

30 καύσης, διότι το μείγμα ψεκάζεται απευθείας στον κύλινδρο. Δηλαδή από τις βαλβίδες εισαγωγής διέρχεται μόνο ξηρός αέρας με αποτέλεσμα να έχουμε αύξηση θερμοκρασίας. Ε Λειτουργία Το μυστικό για την πραγματοποίηση των παραπάνω βρίσκεται στη δυνατότητα του κινητήρα άμεσου ψεκασμού βενζίνης να λειτουργεί με δύο διαφορετικά προγράμματα ψεκασμού, ανάλογα με τις συνθήκες οδήγησης. «Πρόγραμμα Φτωχού Μίγματος» (Ultra-Lean Combustion Mode). 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 μίγμα, δηλαδή το ιδανικό μίγμα αέρα/βενζίνης προκειμένου η καύση σε ένα μοτέρ βενζίνης να είναι τέλεια, είναι 14,7:1 κι ένας συμβατικός κινητήρας δεν μπορεί να λειτουργήσει με μίγμα φτωχότερο από 22:1), κατάλληλο για καύση. Ειδικές τεχνικές όπως μια ελικοειδή περιστρεφόμενη ριπή καυσίμου χρησιμοποιούνται για τον καλύτερο σχηματισμό του μίγματος. Η κεφαλή του εμβόλου έχει καμπύλη διαμόρφωσης, που προκαλεί το στροβιλισμό του μίγματος γύρω από άξονα κάθετο στον άξονα του κυλίνδρου (εικόνα Ε.21). Οι αυλοί εισαγωγής είναι σχεδόν κατακόρυφοι κι 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. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 29

31 Εικόνα Ε.21 Διαστρωμάτωση μίγματος αέρα βενζίνης 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. «Πρόγραμμα Υψηλής Απόδοσης» (Superior Output Mode). 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). Σ αυτό το πρόγραμμα, το καύσιμο ψεκάζεται όταν το έμβολο κινείται ακόμα προς τα κάτω, κατά το χρόνο εισαγωγής (εικόνα Ε.22) Εικόνα Ε.22 Ψεκασμός κατά την κάθοδο του εμβόλου 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 Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 30

32 ψεκασμού που αναφέραμε παραπάνω, αλλά και στους λόγους που εξηγούνται στη συνέχεια. Το καύσιμο ψεκάζεται απευθείας μέσα στον κύλινδρο κατά το χρόνο εισαγωγής κι εξατμίζεται, ψύχοντας έτσι τον εισερχόμενο αέρα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη συστολή του εισερχόμενου αέρα και τη δημιουργία χώρου για να εισέλθει κι άλλος αέρας στον κύλινδρο (εικόνα Ε.23). Εικόνα Ε.23 Διπλός ψεκασμός για ψύξη θαλάμου Έχουμε, δηλαδή, καλύτερη πλήρωση του κυλίνδρου με αέρα. Η ψύξη του αέρα εισαγωγής περιορίζει 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. Στο επόμενο κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε αναλυτικά τα τρία κύρια συστήματα της τεχνολογίας του άμεσου ψεκασμού, τα οποία είναι το σύστημα FSI, TSI και το Multi air της Fiat. Aρτεμίου Αρτέμης Κωνσταντινίδης Γιάννης Σελίδα 31