Κινητήρες Μεταβλητής Συμπίεσης

[Λakedaimonas]

Πηγή Καθημερινή

Mε το 98% των αυτοκινήτων που κυκλοφορούν στους δρόμους του 21ου αιώνα να «καίνε» βενζίνη ή πετρέλαιο, η επικράτηση του κινητήρα εσωτερικής καύσης στον τομέα της αυτοκίνησης είναι δεδομένη. Οι σημερινοί εξελιγμένοι κινητήρες καταναλώνουν λιγότερο, αποδίδουν περισσότερο, αλλά δεν παύουν να αποτελούν εκδοχές του ίδιου βασικού θέματος των αρχών του 20ού αιώνα. Αξιοπιστία, βαθμός απόδοσης και οικολογικά χαρακτηριστικά (σε σχέση με άλλες, προηγούμενες μορφές κινητήρων) τους καθιέρωσαν.

Από την άλλη, το πετρέλαιο δεν είναι ανεξάντλητο, ενώ η υπερθέρμανση του πλανήτη είναι φαινόμενο που βρίσκεται σε εξέλιξη, και μάλιστα με ρυθμό αυξανόμενο.

Η ηλεκτροκίνηση, το πολλά υποσχόμενο υδρογόνο και οι ενεργειακές κυψέλες έχουν ακόμα πολύ δρόμο να διανύσουν, αφού το κόστος τους είναι προς το παρόν απαγορευτικό, οπότε η εμφάνιση στην αγορά υβριδικών αυτοκινήτων φαίνεται πολύ λογική ενδιάμεση λύση. Μόνο που αυτή κοστίζει και, χωρίς τα κατά τόπους κίνητρα, η διάδοσή τους θα ήταν αισθητά πιο περιορισμένη... Κάπως έτσι επιστρέφουμε και πάλι στον κινητήρα εσωτερικής καύσης, με το ερώτημα αν μπορούμε να έχουμε μια θεαματική βελτίωση των οικολογικών-οικονομικών δεικτών του.

Η νέα προσέγγιση

Η ιδέα της μεταβλητής σχέσης συμπίεσης (Variable Compression Ratio - VCR) δεν είναι κάτι καινούργιο. Οι πρώτοι πειραματισμοί προέκυψαν λίγο μετά την εμφάνιση του κινητήρα εσωτερικής καύσης, καθώς το όφελος από την αύξηση της σχέσης συμπίεσης (οικονομία καυσίμου) ήταν ήδη γνωστό από τη θεωρία. Το πρόβλημα ήταν πώς μπορεί κανείς να κάνει ένα βενζινοκινητήρα να δουλέψει με μεγάλη συμπίεση χωρίς να «χτυπάει πιράκια» (προανάφλεξη). Εταιρείες όπως η PSA, η Saab, η Nissan και η Volkswagen δημιούργησαν τις δικές τους εκδοχές, αλλά ποτέ μέχρι σήμερα δεν μπήκε κινητήρας μεταβλητής συμπίεσης στην παραγωγή. Το μεγάλο μέγεθος, ο αυξημένος θόρυβος και η περιορισμένη διάρκεια ζωής δεν επέτρεψαν κάτι τέτοιο.

Τη λύση στα παραπάνω προβλήματα υπόσχεται να δώσει κινητήρας MCE-5, που επινοήθηκε το 1997 από τον Vianney Rabhi και που μέχρι το 2000 αποτέλεσε αντικείμενο έρευνας και συνεργασίας των εταιρειών PSA Peugeot-Citroen, CERTAM και Danielson Engineering.

Από κατασκευαστική άποψη, όπως βλέπουμε στις σχετικές εικόνες, μοιάζει σαν να έχουμε ενώσει δύο τετρακύλινδρους -εν σειρά- κινητήρες, αλλά δεν είναι έτσι. Η δεύτερη σειρά κυλίνδρων δεν συμμετέχει στην καύση, αλλά παίζει ρυθμιστικό ρόλο, καθώς με τη βοήθειά της μεταβάλλεται η σχέση συμπίεσης. Οσο χαμηλότερα βρίσκονται τα ρυθμιστικά έμβολα τόσο πιο ψηλά φτάνουν κατά την παλινδρομική κίνησή τους τα βασικά έμβολα του κινητήρα, οπότε τόσο μικρότερος είναι ο όγκος των θαλάμων καύσης και τόσο μεγαλύτερη είναι και η σχέση συμπίεσης. Σύμφωνα με τους ανθρώπους της εταιρείας που εξέλιξε τον κινητήρα, ο συγκεκριμένος μηχανισμός εξασφαλίζει τη ρύθμιση της σχέσης συμπίεσης αλλά και της κίνησης των εμβόλων με μεγάλη ακρίβεια, κάτι που έχει άμεση επίδραση στην πλήρωση των κυλίνδρων, το στροβιλισμό του μείγματος και την αποβολή της θερμότητας, στοιχεία που, με τη σειρά τους, επηρεάζουν τη μέγιστη ροπή, την ταχύτητα καύσης, τις αντικροτικές ιδιότητες και την απόδοση. Τα ειδικά σχεδιασμένα κυρίως έμβολα εκτελούν μια καθοδηγούμενη παλινδρομική κίνηση, σπρώχνοντας όχι απευθείας την μπιέλα που κινεί τον στροφαλοφόρο, αλλά το ειδικό γρανάζι. Ετσι, τα έμβολα δέχονται μόνο διαμήκη φορτία, οπότε μειώνονται οι απώλειες τριβών στα τοιχώματα των κυλίνδρων.

Πολλαπλό όφελος

Το ενδιαφέρον είναι ότι η τεχνολογία MCE-5 μπορεί να δουλέψει παράλληλα με τις υπάρχουσες στους «συμβατικούς» κινητήρες τεχνολογίες: τον μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων, τον άμεσο ψεκασμό του καυσίμου και την υπερτροφοδότηση (Turbo). Ετσι, σε μικρά αυτοκίνητα μπορεί να προκύψει μείωση της κατανάλωσης της τάξης του 20%, με επιβάρυνση της τιμής του αυτοκινήτου κατά 500 ευρώ, ποσό που μπορεί να αποσβεστεί σε 60.000 χλμ., δηλαδή πιο γρήγορα από το επιπλέον κόστος ενός πετρελαιοκίνητου οχήματος σε σχέση με το αντίστοιχο βενζινοκίνητο. Σε μεγαλύτερα αυτοκίνητα, η μείωση μπορεί να φτάσει μέχρι και 30 - 35% (ανάλογα με την ισχύ), ενώ το επιπλέον κόστος δεν ξεπερνά τα 800 ευρώ, σε σύγκριση πάντα με «συμβατικούς» κινητήρες ίδιας ισχύος.

Ολα αυτά προκύπτουν με την παράλληλη βελτίωση βασικών δεικτών του κινητήρα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ο κινητήρας 1,5 λίτρου MCE-5, που διαθέτει ροπή κατά 30% μεγαλύτερη σε σχέση με τη ροπή ενός V6 βενζινοκινητήρα 3,0 λίτρων (300 Nm), την εμφανίζει δε στις 1.800 στροφές και όχι στις 3.500, όπως ο V6. Αντίστοιχη εικόνα και στον τομέα της ισχύος, όπου τα ονομαστικά μεγέθη είναι ίσα (της τάξης των 220 ίππων), αλλά η ισχύς του MCE-5 εμφανίζεται 1.000 στροφές χαμηλότερα (στις 5.000 αντί των 6.000 του V6). Ετσι, δίνεται η δυνατότητα μείωσης του κυβισμού αλλά και των στροφών λειτουργίας του κινητήρα, γεγονός που οδηγεί στη μείωση της κατανάλωσης.

Το μεγάλο και... φανερό μυστικό βέβαια είναι η συνεχής μεταβολή της σχέσης συμπίεσης και συγκεκριμένα η διατήρηση της σχέσης συμπίεσης σε ασυνήθιστα για βενζινοκινητήρες υψηλά επίπεδα, κατά το μεγαλύτερο μέρος της διάρκειας της λειτουργίας του. Η σχέση συμπίεσης, λοιπόν, κυμαίνεται μεταξύ 7:1 και 18:1, με τη μέση τιμή της να «παίζει» μεταξύ 14:1 και 15:1 κατά τη διάρκεια του τυποποιημένου ευρωπαϊκού κύκλου δοκιμών NEDC (New European Driving Cycle). Αυτό, τη στιγμή που οι συνηθισμένοι βενζινοκινητήρες έχουν σταθερή σχέση συμπίεσης της τάξης του 10:1.

Η εταιρεία MCE-5 Development, η οποία κατασκεύασε και εξέλιξε τον κινητήρα, πιστεύει ότι μέσα στο 2009 θα μπορέσει να προχωρήσει σε μια σειρά βελτιώσεων που θα κριθούν αναγκαίες με βάση τα αποτελέσματα των δοκιμών σε αυτοκίνητα όπου τοποθετήθηκε ο εν λόγω κινητήρας. Τα επόμενα 3 χρόνια (2010-2012), ο κινητήρας θα τελειοποιηθεί για να τοποθετηθεί σε συγκεκριμένο πλέον μοντέλο, που θα παραχθεί σε περιορισμένο αριθμό κατά το 2013. Ενώ το 2015, σύμφωνα πάντα με τα σχέδια της εταιρείας, μία ή περισσότερες αυτοκινητοβιομηχανίες θα μπορέσουν να προχωρήσουν στη μαζική παραγωγή μοντέλων εφοδιασμένων με τον κινητήρα μεταβλητής συμπίεσης.



Όπως βλέπουμε στο γράφημα, για τους κινητήρες του μέλλοντος, η μεγάλη πρόκληση δεν είναι η συμμόρφωση με τις προδιαγραφές εκπομπών ρύπων. Αυτό είναι κάτι που έχει ήδη επιτευχθεί. Το ζητούμενο είναι η μείωση των ρύπων με ταυτόχρονο περιορισμό των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Στο σχήμα, με τον όρο «μείωση κυβισμού» εννοούμε την απόδοση της ίδιας ισχύος από κινητήρες μικρότερου κυβισμού (κατά κανόνα turbo). Οι δυνατότητες των κινητήρων μεταβλητής συμπίεσης προφανείς.



Ο μηχανισμός ελέγχου της σχέσης συμπίεσης είναι τοποθετημένος κάτω από τα ρυθμιστικά έμβολα και περιλαμβάνει έναν εκκεντροφόρο άξονα που κινείται από έναν ηλεκτροκινητήρα του συστήματος Valvetronic της ΒΜW. Τα έκκεντρα κινούν τα αντίστοιχα ζύγωθρα τα οποία, με τη σειρά τους, ωθούν τα αντίστοιχα ρυθμιστικά ωστήρια. Η αλλαγή της σχέσης συμπίεσης πραγματοποιείται ταχύτατα: για τη μετάβαση από τη μικρότερη (7:1) μέχρι τη μεγαλύτερη (18:1) σχέση (και αντιστρόφως) απαιτούνται λιγότερα από 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου



1. Ο κινητήρας MCE-5, με χωρητικότητα 1,5 λίτρο, είναι τετρακύλινδρος, με διάμετρο x διαδρομή 75 χ 84 mm. Η δεύτερη σειρά κυλίνδρων (δεξιά) δεν συμμετέχει στην καύση, αλλά παίζει ρυθμιστικό ρόλο, καθώς με τη βοήθειά της μεταβάλλεται η σχέση συμπίεσης. Οσο χαμηλότερα βρίσκονται τα ρυθμιστικά έμβολα τόσο πιο ψηλά φτάνουν κατά την παλινδρομική κίνησή τους τα βασικά έμβολα του κινητήρα (αριστερά), οπότε τόσο μικρότερος είναι ο όγκος των θαλάμων καύσης και τόσο μεγαλύτερη είναι και η σχέση συμπίεσης.
2. Το μπλοκ του κινητήρα αποτελείται από δύο τμήματα (με το κατώτερο από αυτά να περιλαμβάνει και τα έδρανα του στροφαλοφόρου), διαθέτει δε αυξημένη ακαμψία λόγω του σχετικά μεγάλου πλάτους του. Η κυλινδροκεφαλή βιδώνεται πάνω του με 15 βίδες, ενώ χρειάζεται μόνο μία φλάντζα. Ο χώρος που καταλαμβάνει το μπλοκ είναι μόνο κατά 3 εκατοστά φαρδύτερος από το χώρο που καταλαμβάνει το μπλοκ ενός δίλιτρου «συμβατικού» κινητήρα.



Α) Υπερτροφοδοτούμενος κινητήρας VCR (μεταβλητής σχέσης συμπίεσης) Otto-Atkinson: απόδοση σε σχέση με το φορτίο
Β) Μείωση κατανάλωσης καυσίμου κινητήρων μεταβλητής συμπίεσης VCR



Διατάξεις κινητήρων μεταβλητής σχέσης συμπίεσης
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κινητήρων VCR σε σχέση με τους συμβατικούς κινητήρες



1) Τα κινούμενα μέρη του κινητήρα MCE-5. Προσέξτε ότι η μπιέλα είναι αισθητά μικρότερη από αυτές που συναντάμε στους συμβατικούς κινητήρες
2) Σε συνδυασμό με στροβιλοσυμπιεστή (turbo) δύο σταδίων, o MCE-5 προσφέρει τη διπλάσια ισχύ (160 kW/218 hp) και την τριπλάσια ροπή (300 Nm) σε σχέση με έναν αντίστοιχου κυβισμού «συμβατικό» κινητήρα εσωτερικής καύσης.



Το Μάρτιο του 2000, η Saab παρουσίαζε τη δική της εκδοχή (1) κινητήρα μεταβλητής σχέσης συμπίεσης (Saab Variable Compression) τοποθετημένο στο αντίστοιχο πρωτότυπο όχημα. Επρόκειτο για έναν υπερτροφοδοτούμενο (turbo) κινητήρα 1,6 λίτρων, ισχύος 168 kW (220 hp), με ροπή που έφτανε τα 305 Nm και κατανάλωση κατά 30% χαμηλότερη από αυτήν ενός αντίστοιχης ισχύος ατμοσφαιρικού κινητήρα. Το μπλοκ του κινητήρα ήταν «διαιρούμενο» και η μεταβολή της σχέσης συμπίεσης μεταξύ των τιμών 14:1 και 8:1 πραγματοποιούνταν με την περιστροφή του ανώτερου τμήματός του κατά 4 μοίρες (3). Για το σκοπό αυτό, ο κινητήρας διέθετε ειδικό μηχανισμό με 5 διωστήρες (2). Μερικούς μήνες αργότερα, η FEV Motorentechnik τοποθετούσε σε ένα Audi A6 τον δικό της κινητήρα μεταβλητής συμπίεσης που είχε κυβισμό 1,8 λίτρα και απέδιδε τόση ισχύ όση και ένας «συμβατικός» κινητήρας 3,0 λίτρων, αλλά με κατανάλωση κατά 27% χαμηλότερη.Η μεταβολή της σχέσης συμπίεσης είναι κάτι που συναντάμε και στον κινητήρα diesotto της Mercedes (4) Ωστόσο, οι Γερμανοί δεν έχουν αποκαλύψει ακόμα τον τρόπο με τον οποίο αυτή

Ήθελα να το ποστάρω καιρό αυτό αλλά όλο το ξέχναγα. Τέλος πάντων ορίστε μια λύση που έχει να κάνει τόσο με την απόδοση του κινητήρα του αυτοκινήτου όσο και με την κατανάλωση αλλά και τις εκπομπές ρύπων. Άντε γιατί πολύ μας τα έχουν πρήξει με τα ξενέρωτα τα υβριδικά τύπου prius.

[Spyrοs]

Αυτή η εικόνα με ερεθίζει

[ShadowMech]

Πολυ καλο! Και με εντυπωσιακα αποτελεσματα, αν σκεφτει κανεις οτι οι σχεδιαστες παλευουν για μεταβολες 2-3% γενικα...
Βαζω και το link της wiki: http://en.wikipedia.org/wiki/Variable_compression_ratio

Δε λεει κατι σημαντικο επιλεον, αλλα ριξτε του μια ματια.

[King]

Saab Variable Compression Concept



MCE-5 VCR-i

[Λakedaimonas]

Ωραία videos!

[Doublecore]

Θεμα διπλωματικης για δυνατους λυτες!!

[Don Molina]

Έχει φτιάξει κάτι αρθρωτές μπιέλες η Nissan, που έτσι και τις δείτε λερώνετε πανταλόνι


Πάντως σας βλέπω δυνατούς με τα τεχνολογικά/μηχανολογικά.

Θα αρχίσω να γράφω τίποτα για FSAE κλπ αφού υπάρχουν αναγνώσεις στα threads και γενικότερο ενδιαφέρον

[ShadowMech]

Εγω βασικα εμεινα με το ποσοστο βελτιωσης που πετυχαινε!

Ειχα στο μυαλο μου οτι το θεμα των κινητηρων εχει σχετικα κορεστει πλεον (μετα απο τον αμεσο ψεκασμο και τα τοσα αλλα) και οτι δαπανονται μεγαλα ποσα για βελτιωσεις 2-3%. Και ξαφνικα σκαει μια νεα τεχνολογια που σου λεει κυριε σου μειωνω την καταναλωση 30%, σου κατεβαζω τη μεγιστη ροπη στις ~2000 στροφες , σου αυξανω τη ροπη και παρε και ενα χαρτομαντηλο να σκουπησεις τη μαπα σου τωρα!

[kopanosAE]

Έχει φτιάξει κάτι αρθρωτές μπιέλες η Nissan, που έτσι και τις δείτε λερώνετε πανταλόνι


Πάντως σας βλέπω δυνατούς με τα τεχνολογικά/μηχανολογικά.

Θα αρχίσω να γράφω τίποτα για FSAE κλπ αφού υπάρχουν αναγνώσεις στα threads και γενικότερο ενδιαφέρον

Θα ήταν ΠΟΛΥ ενδιαφέρον να μάθουμε την μέχρι τώρα πορεία του FSAE aka: τα προβλήματα/τις δυσκολίες που αντιμετωπίσατε, πως τα λύσατε, φωτογραφίες από το μηχανουργείο, αναλυτικά σχέδια του μονοθεσίου αλλά ΚΑΙ των διάφορων στοιχείων κλπ. ίσως και με λινκς σε σελίδες που τα λένε πιο αναλυτικά.
Γενικά όρεξη να 'χεις να γράφεις, γιατί υπάρχει πολύ ενδιαφέρον

[dpunis]

Ενδιαφέρουσα τεχνολογία, αλλά τί κερδίζει σε σχέση με ένα κινητήρα που λειτουργεί μόνιμα στο 18:1 για παράδειγμα? Μόνο σε κατανάλωση?