ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ AYTOKINHTOY TO ΜΕΛΛΟΝ ΤΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ To αυτοκίνητο, σε όλες τις γνωστές εκδοχές του, είναι και θα είναι για πολλά ακόμα χρόνια αναπόσπαστο στοιχείο της καθημερινής μας ζωής. Τίποτα δεν δείχνει ότι τ_ άλλα γνωστά μέσα μεταφοράς μπορούν να αναπτυχθούν, τουλάχιστον στις αμέσως επόμενες δεκαετίες, σε τέτοιο βαθμό ώστε να γίνουν ικανά να το αντικαταστήσουν. Το ερώτημα λοιπόν δεν είναι το αν θα υπάρχουν αυτοκίνητα τον επόμενο αιώνα, αλλά το ποιά θα είναι η μορφή τους, κάτι που σε σημαντικό βαθμό εξαρτάται από τη μορφή των κινητήρων που θα τα κινούν. Του Νίκου Λουπάκη H ανάπτυξη του αυτοκινήτου σημαδεύτηκε από την εμφάνιση και εξέλιξη του κινητήρα εσωτερικής καύσης. Τα πλεονεκτήματά του, του έδωσαν τη δυνατότητα να _εκτοπίσει_ τους άλλους τύπους κινητήρων (εξωτερικής καύσης, ηλεκτροκινητήρες) και ν_ αποτελεί εδώ και έναν αιώνα τον κυρίαρχο τύπο κινητήρα αυτοκινήτων, βρίσκοντας παράλληλα και μια σειρά άλλες εφαρμογές. Τίποτα όμως σ_ αυτόν τον κόσμο δεν είναι τέλειο και ο κινητήρας εσωτερικής καύσης δεν αποτελεί την εξαίρεση στον κανόνα αυτόν. Και μπορεί το 1900 οι άνθρωποι να ενδιαφέρονταν πρώτα απ_ όλα για το πώς θα εξασφαλίσουν ένα μεταφορικό μέσον και να μην ενδιαφέρονταν για την ποσότητα και την ποιότητα των καυσαερίων που σκορπούσε στο πέρασμά του το αυτοκίνητο, όπως δεν ενδιαφέρονταν ιδιαίτερα ούτε και για την ποσότητα του καυσίμου που κατανάλωναν οι κινητήρες των αυτοκινήτων. Σήμερα όμως τα πράγματα έχουν αλλάξει. Τα γνωστά παγκόσμια αποθέματα σε πετρέλαιο αρκούν με βάση την τωρινή ετήσια κατανάλωση, για να καλύψουν τις ανάγκες της ανθρωπότητας για 44,4 χρόνια. Υπάρχουν βέβαια και πιο αισιόδοξες προβλέψεις σύμφωνα με τις οποίες τα αποθέματα επαρκούν με ένα λογικό περιορισμό της κατανάλωσης, για περισσότερα χρόνια (μέχρι το 2050), ή και υπεραισιόδοξες, που προβλέπουν ότι η ανακάλυψη νέων άγνωστων σήμερα κοιτασμάτων πετρελαίου θα αυξήσει ακόμα περισσότερο την επάρκεια αυτή. Όμως κανείς δεν ξέρει πόσο θα κοστίζει μετά από πενήντα χρόνια η άντληση των νέων αποθεμάτων του πετρελαίου και κανείς επίσης (ούτε οι πιο αισιόδοξοι) δεν ισχυρίζεται ότι τα αποθέματα αυτά είναι ανεξάντλητα. Αν σ_ όλα αυτά προσθέσει κανείς και τις πολιτικές σκοπιμότητες που επανειλημμένα οδήγησαν σε πετρελαϊκές κρίσεις και που κανείς δεν μπορεί να εγγυηθεί ότι ανάλογες σκοπιμότητες δεν θα οδηγήσουν σε ενεργειακές κρίσεις στο μέλλον, γίνεται κατανοητή η προσπάθεια που καταβάλλεται σε παγκόσμιο επίπεδο για την αποδέσμευση από τη συγκεκριμένη πηγή ενέργειας. Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης είναι ένας σημαντικότατος καταναλωτής των προϊόντων της κλασματικής απόσταξης του πετρέλαιου, οπότε είναι απόλυτα φυσικό ένα μέρος των προσπαθειών εξοικονόμησης των υπαρχουσών και εξεύρεσης νέων πηγών ενέργειας, να αφορά τους κινητήρες αυτούς. Οι κλασικοί τετράχρονοι εμβολοφόροι κινητήρες εσωτερικής καύσης δεν έπαψαν ποτέ να εξελίσσονται. Αρχικά στόχος των μηχανικών ήταν η αύξηση της ισχύος και της αξιοπιστίας των κινητήρων, σήμερα όμως που είναι γνωστοί πάρα πολλοί τρόποι αύξησης της ισχύος και πρόβλημα αξιοπιστίας πλέον δεν τίθεται, οι προσπάθειες των μηχανικών είναι προσανατολισμένες στη μείωση της κατανάλωσης και στον περιορισμό των εκπομπών βλαβερών για τον άνθρωπο ουσιών, στην ατμόσφαιρα. Δίχρονοι κινητήρες Όταν ένας συγκεκριμένος τύπος κινητήρα έχει εγκαταλειφθεί από το σύνολο της αυτοκινητοβιομηχανίας, φαίνεται παράξενο να μαθαίνουμε ότι ο κινητήρας αυτός επανέρχεται στο προσκήνιο και ότι πολλές εταιρίες έχουν σε εξέλιξη σχετικά ερευνητικά προγράμματα οι οποίες μάλιστα έχουν ήδη παρουσιάσει τα πρώτα αποτέλεσματα της δουλειάς τους στον τομέα αυτόν. Αναφερόμαστε στους δίχρονους κινητήρες οι οποίοι εδώ και πάρα πολλά χρόνια απουσιάζουν από τα αυτοκίνητα που βλέπουμε στους δρόμους (με ελάχιστες εξαιρέσεις π.χ. Βάρτμπουργκ και Τράμπαντ). H απουσία αυτή είναι απόλυτα φυσιολογική, αφού οι δίχρονοι κινητήρες υστερούν ως προς τη μακροζωία και την αξιοπιστία σε σχέση με τους τετράχρονους ανταγωνιστές τους, από τους οποίους καταναλώνουν μεγαλύτερη ποσότητα καυσίμου, ενώ εκπέμπουν και σαφώς περισσότερους ρύπους στην ατμόσφαιρα. Τέλος είναι πιο θορυβώδεις και απολίτιστοι, ενώ για τη σταθεροποίηση της λειτουργίας τους στο ρελαντί απαιτείται η λήψη μέτρων. Υπάρχει όμως και η θετική πλευρά. Έτσι οι δίχρονοι κινητήρες είναι μικρότεροι, ελαφρύτεροι και απλούστεροι στην κατασκευή τους (και κατά συνέπεια φθηνότεροι) από τους τετράχρονους. Ένας δίχρονος κινητήρας αναπτύσσει διπλάσια σχεδόν ισχύ από έναν τετράχρονο του ίδιου κυλινδρισμού, ενώ η λίπανσή του δεν επηρεάζεται από τον τρόπο τοποθέτησής του. Τα πλεονεκτήματα αυτά από μόνα τους δεν ήταν αρκετά για να κάνουν τις αυτοκινητοβιομηχανίες να ασχοληθούν και πάλι με τους δίχρονους κινητήρες. H ανάπτυξη όμως της μικροηλεκτρονικής και η εξέλιξη των συστημάτων τροφοδοσίας καθώς και η εμπειρία από τη χρησιμοποίηση νέων υλικών στους τετράχρονους κινητήρες, έδωσαν ελπίδες για την εξάλειψη των γνωστών μειονεκτημάτων των δίχρονων κινητήρων. Ιδιαίτερο ρόλο στην εξέλιξη των δίχρονων κινητήρων _τελευταίας γενιάς_ έχει διαδραματίσει η ελάχιστα γνωστή Αυστραλιανή εταιρία Orbital Engine Company (Όρμπιταλ), με την οποία συνεργάζονται αρκετές μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες (Τζένεραλ Μότορς, Φορντ) H Τζένεραλ Μότορς παρουσίασε πέρυσι τον CDS2, έναν τρικύλινδρο δίχρονο κινητήρα 1.5 λίτρου που αποδίδει ισχύ 115HP στις 5500 σ.α.λ., ενώ η μέγιστη ροπή του 18 Kg.m εμφανίζεται στις 2500 σ.α.λ. Το καύσιμο ψεκάζεται σε έναν προθάλαμο στον οποίο εισάγεται και αέρας με μεγάλη πίεση. O προθάλαμος επικοινωνεί με το θάλαμο καύσης με μία βαλβίδα η οποία ανοίγει την κατάλληλη στιγμή και το μίγμα πλέον λόγω της μεγάλης πίεσης _ξεχύνεται_ στον τελευταίο. Αυτό το ιδιόμορφο σύστημα ψεκασμού στρωματοποιεί το μίγμα μέσα στο θάλαμο καύσης (πλουσιότερο μίγμα κοντά στον _εγχυτήρα_ φτωχότερο όσο απομακρυνόμαστε από αυτόν) γεγονός που μειώνει τις εκπομπές ρυπαντών και την κατανάλωση καυσίμου. Για τη λίπανση του κινητήρα φροντίζει ένα σύστημα ψεκασμού που αναμιγνύει το λάδι με τον αέρα της εισαγωγής. Για την ικανοποίηση των προδιαγραφών εκπομπής καυσαερίων (τη μείωση των εκπομπών των άκαυτων υδρογονανθράκων), φροντίζει ένας οξειδωτικός καταλύτης. Κάπως διαφορετικό δρόμο ακολούθησε η Τογιότα, η οποία στη φετινή έκθεση αυτοκινήτου της Φρανκφούρτης παρουσίασε ένα πειραματικό όχημα, το AXV-IV, το οποίο κινείται από έναν αρκετά πολύπλοκο δικύλινδρο δίχρονο κινητήρα 804 κ.ε. με ισχύ 64HP που αποδίδεται στις 4000 στρ./λεπτό και ροπή 118 Nm στις 2800 στρ./λεπτό. Για να περιορίσουν τόσο την κατανάλωση όσο και τις εκπομπές καυσαερίων στα επιθυμητά επίπεδα, οι Ιάπωνες μηχανικοί χρησιμοποίησαν ένα συνδυασμό γνωστών από τους τετράχρονους κινητήρες τεχνολογικών λύσεων, κάνοντας τον κινητήρα αρκετά πολύπλοκο. Υπάρχουν 2 βαλβίδες εισαγωγής και 3 εξαγωγής σε κάθε κύλινδρο, ενώ το κύκλωμα της εισαγωγής του αέρα είναι ανεξάρτητο από το κύκλωμα λίπανσης (για να μην καίγεται το λάδι και να μην δημιουργείται το χαρακτηριστικό για τους δίχρονους κινητήρες σύννεφο). H τροφοδοσία γίνεται με ψεκασμό, υπάρχουν μάλιστα δύο μπεκ σε κάθε κύλινδρο, ενώ για την αύξηση της ιπποδύναμης υπάρχει μηχανικός υπερσυμπιεστής. Μπορεί με τα παραπάνω να επιτυγχάνεται ο στόχος για μείωση της κατανάλωσης δεν συμβαίνει όμως το ίδιο και με τις εκπομπές καυσαερίων. O οξειδωτικός καταλύτης μειώνει τις εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογονανθράκων, δεν μειώνει όμως τις εκπομπές των οξειδίων του αζώτου. Πρέπει επίσης να λυθούν προβλήματα που έχουν σχέση με την αντοχή των βαλβίδων και οφείλονται στη μεγάλη συχνότητα με την οποία αυτές ανοίγουν και κλείνουν. Οι μηχανικοί της Τζένεραλ Μότορς είναι αρκετά αισιόδοξοι για το μέλλον, αφού δηλώνουν ότι στα μέσα της δεκαετίας του _90 η εταιρία θα διαθέσει στην αγορά το πρώτο αυτοκίνητο με δίχρονο κινητήρα νέας τεχνολογίας. Οι Ιάπωνες μηχανικοί είναι λιγότερο αισιόδοξοι και βλέπουν τα πρώτα δίχρονα Τογιότα να κυκλοφορούν στις αρχές του 21ου αιώνα. Όπως και νά _χει το πράγμα το σίγουρο είναι ότι οι δίχρονοι κινητήρες έχουν ακόμα πολλά περιθώρια βελτίωσης, αφού για πολλά χρόνια ελάχιστοι ασχολήθηκαν μαζί τους, οι οποίοι μάλιστα είχαν στη διάθεσή τους πολύ λιγότερα μέσα από αυτά που υπάρχουν σήμερα. Δεν αποκλείεται λοιπόν να δούμε δίχρονους κινητήρες, καθαρότερους και οικονομικότερους από τους τετράχρονους, να κινούν στο μέλλον τα αυτοκίνητά μας. Κινητήρες Βάνκελ Οι ρίζες των κινητήρων περιστρεφομένου εμβόλου ξεκινούν από πολύ παλιότερα από ότι θα περίμενε κανείς (17ος αι.). Όμως η κατασκευή του πρώτου κινητήρα του τύπου αυτού που λειτουργούσε κανονικά και μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κινήσει κάποιο όχημα έγινε κατορθωτή σχετικά πρόσφατα (1954) από το Γερμανό μηχανικό Φέλιξ Βάνκελ, με το όνομα του οποίου είναι περισσότερο γνωστοί οι κινητήρες αυτοί. Εκείνο που προσέφερε ο Βάνκελ εκτός από το όνομά του είναι ότι κατάφερε να λύσει το πρόβλημα της στεγανότητας των χώρων που ορίζει το τριγωνικό περιστρεφόμενο έμβολο, πρόβλημα που ακόμα και σήμερα αποτελεί το αδύνατο σημείο των κινητήρων του τύπου αυτού και ταλαιπωρεί τους ελάχιστους κατασκευαστές τους. Ας δούμε όμως κατ_ αρχήν τα σημεία στα οποία υπερέχουν έναντι των εμβολοφόρων ανταγωνιστών τους. Οι κινητήρες Βάνκελ είναι απλούστεροι στην κατασκευή τους, (αποτελούνται από πολύ λιγότερα εξαρτήματα), είναι μικρότεροι σε μέγεθος, τα κινούμενα μέρη τους και λιγότερα είναι και δεν κινούνται παλινδρομικά, με αποτέλεσμα και λιγότερο θόρυβο να κάνουν και προβλήματα ζυγοστάθμισης να μην έχουν. Γι_ αυτόν το λόγο λειτουργούν πολύ πιο ομαλά και σε πολύ ψηλότερες στροφές από τους εμβολοφόρους. Από την άλλη μεριά έχουν και σημαντικά μειονεκτήματα που θα μπορούσαμε να τα χωρίσουμε σε δύο κατηγορίες: κατασκευαστικά και _οικολογικά_. Στην πρώτη κατηγορία ανήκει και το ότι τα ελατήρια στεγανότητας υφίστανται εξαιρετικά μεγάλες καταπονήσεις, γεγονός που απαιτεί τη χρησιμοποίηση για την κατασκευή τους υλικών μεγάλης αντοχής, προκειμένου να μην υπάρχουν προβλήματα μακροζωίας και αξιοπιστίας του κινητήρα. Ακολουθούν προβλήματα οργάνωσης της ψύξης του εμβόλου, τοποθέτησης του σπινθηριστή κ.ά. Αυτού του τύπου τα προβλήματα (συνδυασμένα βέβαια με οικονομικές σκοπιμότητες) ήταν που έκαναν τους κατασκευαστές να βάλουν στο _χρονοντούλαπο της ιστορίας_ τον κινητήρα Βάνκελ. Στη δεύτερη ανήκει το πρόβλήμα των αυξημένων εκπομπών ρυπαντών, κυρίως μονοξειδίου του άνθρακα και άκαυτων υδρογονανθράκων. O κινητήρας περιστρεφόμενου εμβόλου χρειάζεται καταλύτη για να επιτύχει ίδια επίπεδα εκπομπής καυσαερίων με έναν εμβολοφόρο χωρίς καταλύτη. Γιατί λοιπόν γίνεται λόγος πάλι για τον Βάνκελ; Γιατί στη χώρα του Ανατέλλοντος Ηλίου ζουν κάποιοι άνθρωποι που μπορεί να μην φημίζονται για την ικανότητά τους να εφευρίσκουν, φημίζονται όμως για την ικανότητά τους να χρησιμοποιούν και να εξελίσσουν τις εφευρέσεις άλλων, καλύτερα από τους τελευταίους. Κάπως έτσι έχουν τα πράγματα και με τον Βάνκελ, αφού η Μάζντα συνεχίζοντας τις προσπάθειες για την εξέλιξή του όταν, ο πρωτεργάτης, η NSU, παραιτήθηκε από αυτές, κατάφερε όχι μόνο να λύσει σε σημαντικό βαθμό βασικά προβλήματα που τον συνόδευαν και να διαθέτει στο εμπόριο αυτοκίνητα με τέτοιους κινητήρες, αλλά και να κάνει προτάσεις βασισμένες σ_ αυτόν που πιθανόν να συμβάλλουν στη λύση τόσο του ενεργειακού, όσο και του προβλήματος της μόλυνσης του περιβάλλοντος. Στην τελευταία έκθεση αυτοκινήτου του Τόκιο η εταιρία αυτή παρουσίασε ένα όχημα με κινητήρα Βάνκελ 898 κ.ε. (με δύο ρότορες) ισχύος 100 PS, ο οποίος χρησιμοποιεί σαν καύσιμο υδρογόνο. Το όχημα στο οποίο ήταν τοποθετημενος ο κινητήρας ήταν εφοδιασμένο με ειδική δεξαμενή καυσίμου από ανυδρίτη μετάλλου, ο οποίος δεσμεύει το υδρογόνο (αποτρέποντας τον κίνδυνο έκρηξής του) και το απελευθερώνει σταδιακά όταν θερμαίνεται. Το υδρογόνο εισάγεται (ψεκάζεται) στο θάλαμο καύσης στη φάση της συμπίεσης και αφού έχει ολοκληρωθεί η εισαγωγή του αέρα, για την αποφυγή της προανάφλεξης, ενώ για την ανάφλεξη του μίγματος χρησιμοποιούνται δύο σπινθηριστές (μπουζί). Όμως οι _νεωτερισμοί_ δεν σταματούν εδώ, αφού ο κινητήρας αφενός χρησιμοποιεί κεραμικά υλικά παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιήθηκαν και στον κινητήρα-νικητή του Λε-Μάν (κεραμικά ελατήρια στεγανότητας και κεραμική επικάλυψη του εσωτερικού του _σώματος_ του κινητήρα) και αφετέρου συνεργάζεται με έναν ηλεκτροκινητήρα, δίνοντας στο όχημα _υβριδικό_ χαρακτήρα, ο οποίος εκτός από την υποβοήθηση της κίνησης του οχήματος χρησιμεύει επίσης σαν μίζα και σαν εναλλακτήρας. O κινητήρας είναι βέβαια σε πειραματικό στάδιο, όμως η πολύχρονη, επίμονη και επιτυχημένη προσπάθεια των Ιαπώνων για την εξέλιξη του Βάνκελ μας κάνει αισιόδοξους για το μέλλον. Κινητήρες εναλλακτικών καυσίμων Εκτεταμένες έρευνες διεξάγονται σε παγκόσμιο επίπεδο για να διαπιστωθεί η δυνατότητα χρησιμοποίησης στους κινητήρες εσωτερικής καύσης εναλλακτικών καυσίμων. Πρώτες στον κατάλογο των εναλλακτικών καυσίμων φιγουράρουν οι αλκοόλες και συγκεκριμένα η μεθανόλη και η αιθανόλη, όχι γιατί είναι οι καλύτεροι αντικαταστάτες της βενζίνης και του πετρελαίου, αλλά γιατί ήδη χρησιμοποιούνται ευρύτατα (σε ορισμένες χώρες), είτε αυτούσιες, είτε σε μίγματα με πετρέλαιο ή βενζίνη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα χρησιμοποίησης αλκοολών και συγκεκριμένα αιθανόλης αποτελεί η Βραζιλία. Μεγάλα ερευνητικά προγράμματα σε εξέλιξη έχουν οι ΗΠΑ και η Γερμανία. H αιθανόλη και η μεθανόλη έχουν συγκεκριμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα όταν χρησιμοποιούνται σαν καύσιμα στους κινητήρες εσωτερικής καύσης. Ορισμένα από αυτά είναι κοινά και για τους πετρελαιοκινητήρες και για τους βενζινοκινητήρες. Σημαντικό μειονέκτημά τους είναι η μικρότερη θερμική ικανότητα, πράγμα που σημαίνει ότι για να παραχθεί από έναν κινητήρα η ίδια ποσότητα ενέργειας, χρειάζεται να καταναλωθεί μεγαλύτερη ποσότητα αιθανόλης και ακόμα μεγαλύτερη ποσότητα μεθανόλης. H χρησιμοποίησή τους λοιπόν, πέρα από τις οικονομικές επιπτώσεις που είναι συνάρτηση του τρόπου και των συνθηκών παραγωγής τους, συνεπάγεται και την ανάλογη ρύθμιση του συστήματος τροφοδοσίας και την αύξηση της χωρητικότητας της δεξαμενής καυσίμων προκειμένου να μην μειωθεί η αυτονομία του _αλκοολοκίνητου_ οχήματος. Σε μερικές περιπτώσεις χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν δύο δεξαμενές καυσίμων. H χρησιμοποίηση αλκοολών δημιουργεί επίσης προβλήματα στο σύστημα τροφοδοσίας και στο ρεζερβουάρ, όπου παρατηρούνται φαινόμενα διάβρωσης ιδιαίτερα αν ο κινητήρας _καίει_ αποκλειστικά κάποια από τις δύο αλκοόλες. Για την αποφυγή τέτοιου είδους προβλημάτων στους κινητήρες αυτούς χρησιμοποιούνται διαφορετικά υλικά για την κατασκευή των εξαρτημάτων που _καταπονούνται_ ιδιαίτερα. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται στη στεγανότητα των ρεζερβουάρ που περιέχουν μεθανόλη ή αιθανόλη γιατί πέρα από το ότι οι αναθυμιάσεις της πρώτης είναι επικίνδυνες για τον άνθρωπο, τόσο η πρώτη όσο και η δεύτερη είναι υγροσκοπικές. Οι αλκοόλες έχουν μία ιδιότητα η οποία είναι επιθυμητή στους βενζινοκινητήρες αλλά ανεπιθύμητη στους ντίζελ: αναφλέγονται δύσκολα. Αυτό επιτρέπει τη χρησιμοποίηση υψηλών σχέσεων συμπίεσης στους πρώτους, αλλά επιβάλλει ειδικές διατάξεις ώστε να εξασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία των δεύτερων. Οι κινητήρες που _καίνε_ αλκοόλες αποδίδουν περισσότερη ισχύ (και ροπή), σε σύγκριση με τους συμβατικούς κινητήρες από τους οποίους προέρχονται. Ένα άλλο πλεονέκτημα των αλκοολών είναι η επίδρασή τους στις εκπομπές καυσαερίων. Τα οξείδια του Αζώτου μειώνονται τόσο στους βενζινοκινητήρες όσο και στους ντίζελ, γεγονός που οφείλεται στη μείωση των μέγιστων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στο εσωτερικό των κυλίνδρων. Οι εκπομπές άκαυτων υδρογονανθράκων και μονοξειδίου του άνθρακα παρουσιάζουν διακυμάνσεις (τα αποτελέσματα των ερευνών δεν επιτρέπουν να εξαχθεί γενικό συμπέρασμα), χωρίς όμως να έχουμε σημαντικές μεταβολές. Θεαματική είναι τέλος η μείωση της εκπομπής στερεών σωματιδίων, του χαρακτηριστικού μαύρου καπνού, στους κινητήρες ντίζελ, που φτάνει μέχρι και το μηδενισμό εφ_ όσον ο κινητήρας χρησιμοποιεί αποκλειστικά αιθανόλη ή μεθανόλη. H μεθανόλη και η αιθανόλη μπορούν να παραχθούν με διάφορους τρόπους και από διάφορες πρώτες ύλες (βιομάζα, φυσικό αέριο, γαιάνθρακα) που σε πολλές περιπτώσεις πετιούνται σαν άχρηστα υλικά (γεωργικά απόβλητα), όμως μέχρι σήμερα δεν έχει γίνει γνωστός κάποιος τρόπος παραγωγής τους που να κατεβάζει το κόστος τους σε επίπεδα χαμηλότερα από αυτά της βενζίνης και του πετρελαίου. H χρησιμοποίησή τους ωστόσο μπορεί σε ειδικές περιπτώσεις να αποβεί συμφέρουσα αν συνδυάζεται με μεγάλες γεωργικές καλλιέργειες, όπως στη Βραζιλία όπου μεγάλες εκτάσεις καλλιεργούνται προκειμένου να παραχθεί αιθανόλη. Τα αέρια καύσιμα Αποτελούν μιά άλλη μεγάλη κατηγορία εναλλακτικών καυσίμων. Σ_ αυτά συμπεριλαμβάνονται τo φυσικό αέριο, το οποίο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο και το αποθηκεύουμε είτε σαν συμπιεσμένο φυσικό αέριο (CNG), είτε σαν υγροποιημένο φυσικό αέριο (LNG), το υγραέριο (LPG) και το συνθετικό φυσικό αέριο που μπορεί να παραχθεί από διάφορα απόβλητα, βιόμαζα, γαιάνθρακα κ.α. Τα αέρια καύσιμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο στους βενζινοκινητήρες όσο και στους κινητήρες ντίζελ. Στους κινητήρες ντίζελ η εισαγωγή τους στους κυλίνδρους γίνεται με τρόπο παρόμοιο με αυτόν που γίνεται και στους βενζινοκινητήρες, αλλά χρειάζεται και μια μικρή ποσότητα πετρελαίου (η οποία ψεκάζεται στον κύλινδρο με τους γνωστούς για τους ντίζελ εγχυτήρες) για να εξασφαλιστεί η ανάφλεξη του αερίου. O βαθμός απόδοσης των κινητήρων που χρησιμοποιούν αέρια καύσιμα και είναι ρυθμισμένοι ώστε τόσο η απόδοσή τους, όσο και οι εκπομπές καυσαερίων να βρίσκονται μέσα σε αποδεκτά πλαίσια, είναι περίπου ίδιος με το βαθμό απόδοσης των βενζινοκινητήρων. Όμως οι κινητήρες αυτοί υπερτερούν και ως προς την απόδοση και ως προς τις εκπομπές καυσαερίων όταν λειτουργούν διακοπτόμενα και/ή με συχνές εκκινήσεις εν _ψυχρώ_ (με κρύα μηχανή). Αυτό οφείλεται στο ότι τα αέρια καύσιμα σχηματίζουν με τον αέρα αναφλέξιμο μίγμα πολύ πιο εύκολα από ότι η βενζίνη και έτσι δεν χρειάζεται εμπλουτισμός του μίγματος μέχρι ο κινητήρας να ζεσταθεί. Σοβαρό πλεονέκτημα των αερίων καυσίμων είναι ο υψηλός βαθμός οκτανίου που επιτρέπει τη χρησιμοποίησή τους σε κινητήρες με μεγάλη σχέση συμπίεσης, χωρίς το πρόβλημα της εκρηκτικής ανάφλεξης. Όμως το γεγονός ότι απαιτείται ειδικό δίκτυο διανομής των καυσίμων αυτών, επιβάλλει προς το παρόν, το να υπάρχει η δυνατότητα χρησιμοποίησης βενζίνης σαν εφεδρικό καύσιμο. Αυτό σημαίνει από τη μιά ότι δεν μπορούμε να αυξήσουμε αρκετά τη σχέση συμπίεσης ώστε να εκμεταλλευθούμε τον υψηλό αριθμό οκτανίου του αερίου και από την άλλη ότι το βάρος του οχήματος που θα έχει τη δυνατότητα να καίει και βενζίνη και αέριο, θα αυξηθεί λόγω της ύπαρξης της επιπλέον δεξαμενής καυσίμου. H αύξηση του βάρους έχει βέβαια αρνητική επίδραση στην κατανάλωση. Θετική επίδραση έχει η χρησιμοποίηση αερίων καυσίμων τόσο στη διάρκεια ζωής των σπινθηριστών όσο και στη διάρκεια _ζωής_ του λιπαντικού λαδιού (μεγαλώνουν τα διαστήματα ανάμεσα στις αλλαγές λαδιών). H θερμική ικανότητα των αερίων καυσίμων είναι κατά κανόνα μεγαλύτερη από της βενζίνης. Όμως η ενεργειακή πυκνότητά τους, όταν αυτά αποθηκεύονται με τους γνωστούς σήμερα τρόπους, είναι σαφώς μικρότερη. Αυτό οφείλεται στο ότι η πυκνότητα των αερίων, ακόμα και όταν αυτά είναι συμπιεσμένα και/ή υγροποιημένα είναι μικρότερη από την πυκνότητα της βενζίνης. Με χονδρικούς υπολογισμούς λοιπόν ένα αυτοκίνητο με κινητήρα που _καίει_ συμπιεσμένο φυσικό αέριο (CNG) έχει έξι φορές μικρότερη αυτονομία από ένα βενζινοκίνητο όχημα με ίδια σε μέγεθος δεξαμενή καυσίμου. Τα πράγματα είναι αρκετά καλύτερα στην περίπτωση που ο κινητήρας του ίδιου αυτοκινήτου χρησιμοποιεί υγροποιημένο φυσικό αέριο (LNG) οπότε η αυτονομία ανεβαίνει στα 2/3 της αυτονομίας του αντίστοιχου βενζινοκίνητου οχήματος. Επίλογος Οι σημερινοί κινητήρες μπορεί να βασίζονται στις ίδιες αρχές λειτουργίας που βασίζονταν και οι πρόγονοί τους μερικές δεκαετίες πριν, όμως οι διαφορές που έχουν με αυτούς είναι παραπάνω από φανερές. Ίσως τελικά οι _κλασικοί_ κινητήρες παρά τις βελτιώσεις που συνεχώς υφίστανται, να μην μπορέσουν να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις του 21ου αιώνα. Μια τέτοια απαίτηση μπορεί να είναι νέα αυστηρότερα όρια εκπομπής καυσαερίων (αξίζει να σημειωθεί ότι τα σημερινά όρια δεν θα μπορούσαν να καλυφθούν χωρίς τους καταλύτες). Όμως όποια και αν είναι η τύχη των κινητήρων που κινούν σήμερα τα αυτοκίνητά μας, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι η συμβολή τους στην ανάπτυξη του ανθρώπινου πολιτισμού υπήρξε τεράστια, η πείρα δε που αποκτήθηκε από την εξέλιξή τους είναι πολύτιμη και ήδη αξιοποιείται για τη διαμόρφωση άλλων τύπων κινητήρων. _ ΠΛΑΙΣΙΟ 1 NEO ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ Οι τεχνικοί της 'ουντι προτίμησαν μια λύση λιγότερο πολύπλοκη από αυτή των πολλών βαλβίδων για να εξασφαλίσουν την καλύτερη πλήρωση του νέου εξακύλινδρου σε V κινητήρα της εταιρίας. Τοποθέτησαν λοιπόν στον κινητήρα ένα νέο σύστημα εισαγωγής το οποίο είναι έτσι διαμορφωμένο ώστε ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας ο αέρας να περνά από διαφορετική σε μήκος και σε πλάτος _οδό_. Στις χαμηλές στροφές η εικονιζόμενη στο σχήμα πεταλούδα κλείνει και ο αέρας καταλήγει στον κύλινδρο ακολουθώντας τη διαδρομή που δείχνουν τα άσπρα βέλη. Αυτό γίνεται για να αποκτήσει αυτός μεγαλύτερη ταχύτητα και να επιτευχθεί έτσι καλύτερη πλήρωση του κυλίνδρου. Στις ψηλές στροφές (πάνω από τις 4100 σ.α.λ.) χρειάζεται να διευκολυνθεί η είσοδος μεγαλύτερης ποσότητας αέρα στον κύλινδρο και γι_ αυτό η πεταλούδα ανοίγει και το μίγμα ακολουθεί το σύντομο δρόμο που δείχνουν τα μαύρα βέλη. Από τον κινητήρα που έχοντας κυβισμό 2771 κ.ε. αποδίδει172 HP στις 5500 σ.α.λ., δεν λείπουν οι ανιχνευτές εκρηκτικής ανάφλεξης και οι αισθητήρες οξυγόνου που χρειάζονται για τη ρύθμιση των παραμέτρων της τροφοδοσίας του κινητήρα. ΠΛΑΙΣΙΟ 2 ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΣ ΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΛΒΙΔΩΝ Οι νέοι κινητήρες της Χόντα κινούνται στη γνωστή για την Ιαπωνική εταιρία κατεύθυνση. Οι κινητήρες αυτοί είναι τετρακύλινδροι σε σειρά, δεκαεξαβάλβιδοι και διαθέτουν σύστημα με το οποίο μεταβάλλεται όχι μόνο ο χρονισμός, αλλά και το βύθισμα των βαλβίδων ανάλογα με τις στροφές του κινητήρα. Στο σχήμα βλέπουμε το _απλό_ σύστημα μεταβλητού χρονισμού του κινητήρα των 1493 κ.ε. με το μονό εκκεντροφόρο. Οι βαλβίδες κινούνται με _κοκοράκια_. Μέχρι τις 2500 σ.α.λ. οι δύο βαλβίδες εισαγωγής κινούνται ανεξάρτητα η μία από την άλλη και η μία από τις δύο ανοίγει ελάχιστα έτσι που να αυξάνεται η ταχύτητα εισαγωγής του αέρα στον κύλινδρο. Στις ψηλότερες στροφές τα κοκοράκια των δύο βαλβίδων μπλοκάρουν μεταξύ τους, οπότε αυτές ανοιγοκλείνουν ταυτόχρονα έχοντας και το ίδιο βύθισμα. Οι Ιάπωνες τεχνικοί συνεδύασαν το μεταβλητό χρονισμό με το φτωχό μίγμα και κατάφεραν να εξασφαλίσουν την ομαλή λειτουργία του κινητήρα με λόγο αέρα/καυσίμου 25:1 (όταν η συνηθισμένη τιμή του λόγου αυτού είναι 15:1), ψεκάζοντας με τέτοιον τρόπο το καύσιμο ώστε να δημιουργείται μιά ζώνη με πλούσιο μίγμα γύρω από το σπινθηριστή. Το αποτέλεσμα όλων αυτών είναι οι νέοι κινητήρες της Χόντα να αποδίδουν ισχύ που θα ζήλευαν πολλοί, μεγαλύτεροι σε κυβισμό κινητήρες (90, 125 και 160 HP αντίστοιχα για τους κινητήρες των 1493, 1590 και 1595 κ.ε.) έχοντας όμως (κι αυτό είναι το σημαντικότερο) εξαιρετικά μικρή κατανάλωση. ΥποΒΟΧ 3 ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΦΤΩΧΟΥ ΜΙΓΜΑΤΟΣ O κινητήρας περιφερειακής καύσης φτωχού μίγματος της Μάζντα είναι τετρακύλινδρος, υδρόψυκτος, δεκαεξαβάλβιδος με δύο εκκεντροφόρους επικεφαλής. Για την ανάφλεξη του φτωχού μίγματος φροντίζουν τρεις σπινθηριστές (μπουζί) σε κάθε κύλινδρο που βρίσκονται κοντά στα τοιχώματα του κυλίνδρου. Έτσι επιτυγχάνεται ομοιόμορφη καύση και μείωση των εκπομπών τόσο των οξειδίων του αζώτου όσο και των άκαυτων υδρογονανθράκων. ΠΛΑΙΣΙΟ 4 ΜΕΘΑΝΟΛΗ Ένας από τους κατασκευαστές που θεωρούν τη μεθανόλη σαν τον καλύτερο αντικαταστάτη της βενζίνης (ή του πετρελαίου) είναι και η ιαπωνική Μάζντα που παρουσίασε στην τελευταία έκθεση αυτοκινήτου του Τόκιο δύο κινητήρες (ένα βενζινοκινητήρα και έναν ντίζελ, που χρησιμοποιούν σαν καύσιμο μίγμα βενζίνης και μεθανόλης ο πρώτος και καθαρή μεθανόλη ο δεύτερος). O πρώτος κινητήρας (βλ. φωτογραφία) μπορεί να καίει μίγμα βενζίνης-μεθανόλης με περιεκτικότητα σε μεθανόλη μέχρι 85%. Ένας ειδικός αισθητήρας ανιχνεύει τη μεθανόλη στο μίγμα και δίνει το ανάλογο σήμα στη μονάδα ελέγχου η οποία στη συνέχεια ρυθμίζει ανάλογα την τροφοδοσία, που γίνεται με ψεκασμό. Για τη μείωση των εκπομπών Αλδεϋδών και άκαυτης μεθανόλης, που αποτελούν το αδύνατο σημείο των _μεθυσμένων_ κινητήρων (όσον αφορά τις εκπομπές καυσαερίων), ο κινητήρας συνοδεύεται από τον αντίστοιχο καταλύτη. Κατά τ_ άλλα ο κινητήρας είναι _συνηθισμένος_, δηλαδή είναι τετρακύλινδρος σε σειρά, υδρόψυκτος, έχει κυβισμό 1839 κ.ε. αποδίδει ισχύ 145 PS και ροπή 17 Kg.m (τιμές ιδιαίτερα καλές) και διαθέτει δύο εκκεντροφόρους επικεφαλής και 4 βαλβίδες στον κύλινδρο. O δεύτερος κινητήρας χρησιμοποιεί _μπουζί_ πυρακτώσεως για να αναφλέγεται ομαλά η μεθανόλη.Το μεγάλο του προτέρημα είναι η απουσία του μαύρου καπνού που είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα και μειονέκτημα των συμβατικών πετρελαιοκινητήρων. 'λλοι τρόποι για να εξασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία των ντίζελ που χρησιμοποιούν μεθανόλη (ή αιθανόλη) είναι η χρησιμοποίηση δύο μπουζί από τα οποία το ένα εισάγει στον κύλινδρο μια μικρή ποσότητα πετρελαίου η οποία αναφλέγεται πρώτη για να διευκολύνει στη συνέχεια την ανάφλεξη της αλκοόλης. BOX 5 KEPAMIKA ΥΛΙΚΑ Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας (πάνω από τα 2/3) που παράγεται μέσα στους κυλίνδρους ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης χάνεται, είτε στο σύστημα ψύξης, είτε αποβάλλεται με τα καυσαέρια, είτε διατίθεται για την κίνηση επιμέρους μηχανισμών του κινητήρα, ενώ ένα άλλο μέρος της απορροφούν οι τριβές. Ένας τρόπος για να μειωθούν σημαντικά οι απώλειες αυτές και να αυξηθεί αντίστοιχα η απόδοση του κινήτηρα είναι η χρησιμοποίηση κεραμικών υλικών για την κατασκευή, είτε μερών, είτε ολόκληρου του κινητήρα. Τα κεραμικά υλικά είναι θερμομονωτικά, αντέχουν στις θερμικές καταπονήσεις περισσότερο από τα μέταλλα, ενώ έχουν υψηλή σκληρότητα και μικρότερο από τα μέταλλα βάρος. Το γεγονός ότι τα κατασκευασμένα από τέτοια υλικά εξαρτήματα παρουσίαζαν προβλήματα αξιοπιστίας (ρωγμές μετά από κάποιες ώρες λειτουργίας) δεν επέτρεψε μέχρι σήμερα την ευρεία χρησιμοποίησή τους στους κινητήρες των αυτοκινήτων, παρά μόνο για την κατασκευή ορισμένων εξαρτημάτων που δεν υποβάλλονταν σε μηχανικές καταπονήσεις κατά τη λειτουργία του κινητήρα. Όμως τα τελευταία χρόνια άρχισαν να αποδίδουν καρπούς οι προσπάθειες των επιστημόνων και ίσως να μην είναι μακριά η μέρα που θα τοποθετηθεί για πρώτη φορά σε αυτοκίνητο παραγωγής κινητήρας εξ ολοκλήρου κατασκευασμένος από κεραμικά υλικά. Στη φωτογραφία βλέπουμε έναν από τους κεραμικούς κινητήρες της Ισούζου η οποία έχει αναπτύξει ιδιαίτερη δραστηριότητα στον τομέα αυτόν. O κινητήρας είναι κατά 30% οικονομικότερος και κατά επίσης 30% ισχυρότερος από τον αντίστοιχο μεταλλικό, ενώ είναι και ελαφρύτερος και μικρότερος σε διαστάσεις, αφού όχι μόνο είναι κατασκευασμένος από ελαφρά υλικά αλλά και δεν διαθέτει σύστημα ψύξης. H ενέργεια των καυσαερίων τέλος δεν πηγαίνει χαμένη, αλλά χρησιμοποιείται για την κίνηση μιάς ηλεκτρογεννήτριας, μέσω ενός στροβίλου με τον οποίο αυτή είναι συνδεδεμένη. ΛΕΖΑΝΤΕΣ Το Φορντ της φωτογραφίας έχει υποστεί τις απαραίτητες μετατροπές ώστε να _καίει_ αποκλειστικά υγραέριο (LPG). H δεξαμενή βενζίνης αντικαταστάθηκε από μια δεξαμενή υγραερίου χωρητικότητας 95 λίτρων, η οποία πρόσθεσε στο αυτοκίνητο 54 κιλά βάρος, αλλά έδωσε τη δυνατότητα να μην μειωθεί η αυτονομία του οχήματος. H συμπίεση του κινητήρα αυξήθηκε στο 10.5:1 για να αξιοποιηθεί ο υψηλός αριθμός οκτανίου του υγραερίου. H δεξαμενή υγροποιημένου φυσικού αερίου που βλέπουμε στο χώρο αποσκευών ενός άλλου Φορντ που έχει τη δυνατότητα να καίει και βενζίνη, μπορεί να διατηρήσει το αέριο σε υγρή μορφή, κρατώντας τη θερμοκρασία του σε χαμηλά επίπεδα. H χωρητικότητά της ανέρχεται σε 68 λίτρα - μια ποσότητα που δίνει αυτονομία 320 χλμ. O δίχρονος κινητήρας CD S2 προϊόν της συνεργασίας της Τζένεραλ Μότορς με την Όρμπιταλ. O δίχρονος και δικύλινδρος κινητήρας 804 κ.ε. της σειράς S2 της Toyota που τοποθετήθηκε στο πειραματικό AXV-IV. O κινητήρας μεταβλητού καυσίμου της Μάζντα. O Βάνκελ υδρογόνου της Μάζντα.