node/42224

Entry ignition: Μία φρούδα ελπίδα για τους συμβατικούς κινητήρες

Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης οδεύουν προς το τέλος τους καθώς κρίνονται περιβαλλοντικά επιβλαβείς. Τι θα γινόταν όμως αν βρίσκαμε τον τρόπο να τους κάνουμε πιο αποδοτικούς και καθαρούς;

Η φιλοσοφία του Entry Ignition, θα μπορούσε να αναπτυχθεί σε ένα αμιγώς τεχνικό άρθρο. Νιώθουμε όμως πως αν το περιορίζαμε εκεί, θα ήταν ημιτελές. Και αυτό γιατί θα μιλήσουμε για μία τεχνολογία που ξεκίνησε πολλά υποσχόμενη. Ικανή να μεταμορφώσει τους Βενζινοκινητήρες από τετράχρονους σε δίχρονους και να αυξήσει τη θερμική τους απόδοση σε ποσοστό πάνω από 20%! Γίνεται όμως να ανατραπεί η πορεία προς τον εξηλεκτρισμό ή είναι πολύ αργά για κάτι τέτοιο;

Μία τέτοια κουβέντα σηκώνει τεράστια ανάλυση και θέλει προσοχή. Αφενός γιατί εξάπτει τα πάθη πολλών και αφετέρου γιατί, ανάλογα με το βαθμό κατανόησης του θέματος, μπορεί κανείς να καταλήξει σε διαφορετικά συμπεράσματα. Παρόλα αυτά θα πρέπει κατά καιρούς να γίνεται, με την ελπίδα να πέφτει φως σε πτυχές που συνήθως μένουν στην αφάνεια. 
 
Από τα όσα καταλαβαίνουμε, όχι, δεν μπορεί να γίνει αυτό. Τόσο οι κυβερνήσεις (τουλάχιστον του δυτικού κόσμου…) όσο και οι κατασκευαστές το έχουν πάρει απόφαση πως κάποια στιγμή θα αφήσουν πίσω τους τα υγρά καύσιμα για χάρη της ηλεκτροκίνησης. Και έτσι ρίχνουν όλη τους την ενέργεια στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που θα μπορέσουν να αυξήσουν την αυτονομία, να βελτιώσουν τους χρόνους φόρτισης και παράλληλα να λύσουν τα όποια προβλήματα προκύπτουν από την έλλειψη πρώτων υλών και τη διαχείριση τέλους ζωής των συσσωρευτών.

Για όσους τώρα πιστεύουν πως οι κινητήρες εσωτερικής καύσης θα παραμείνουν, έχουμε να παραθέσουμε τα εξής. Καταρχήν, από τη δεκαετία του ’50 πολλοί θεωρούσαν πως μέχρι το 1990 θα έχουν εξαντληθεί τα υγρά καύσιμα, με την πραγματικότητα να τους διαψεύδει. Πολλώ δε μάλλον, το peak oil μετακυλίεται συνεχώς προς τα πίσω. Ο κόσμος, από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, περίμενε να αρχίσει να ελαττώνεται η ζήτηση του πετρελαίου, πράγμα που δεν έχει συμβεί ακόμα, εν έτει 2021. Και βέβαια, μία τέτοια κοσμογονική μετάβαση είναι ανθρωπίνως αδύνατο να επιτευχθεί σε διάστημα μόλις 1-2 δεκαετιών. 

Έχοντας αναφέρει αυτά, θα συμφωνήσουμε όλοι πως είτε μιλάμε για βενζινοκινητήρες, είτε για πετρελαιοκινητήρες, πρόκειται για αρκετά ώριμες τεχνολογίες, με μικρά περιθώρια εξέλιξης. Τι θα γινόταν όμως εάν αυτό το ταβάνι στο βαθμό θερμοδυναμικής τους απόδοσης μπορούσε με κάποιο τρόπο να αλλάξει; 

entry ignition

Για κάτι τέτοιο χρειάζεται ουσιαστικά μία επανάσταση. Και ως τέτοια θα μπορούσε να λογίζεται η έλευση του entry ignition. Μιλάμε για μία πρωτοποριακή ιδέα, που αναρτήθηκε ως paper τον Απρίλιο του 2020 στο site της SAE (Society of Automotive Engineers), με τίτλο «A New Efficient Combustion Method for ICEs».

Στις 11 σελίδες του κειμένου αυτού, ο Peter C. Cheeseman καταφέρνει να συνδυάσει τη λογική του compression ignition με αυτή του «expanding expansion». Σε αντίθεση με τους συμβατικούς εμβολοφόρους βενζινοκινητήρες, όπου ο κάθε θάλαμος καύσης πραγματοποιεί έναν πλήρη κύκλο σε τέσσερις χρόνους, ένα μοτέρ entry ignition διαθέτει μία διαφορετική αρχιτεκτονική, λειτουργίας των κυλίνδρων σε σειρά. Θεωρητικά μπορεί να αποτελείται από τρεις ή τέσσερις κυλίνδρους, με τον καθένα να επιτελεί διαφορετικό ρόλο στην όλη διαδικασία. 

Ο πρώτος κύλινδρος είναι σχετικά μεγάλης διατομής και έχει ως αποστολή να δέχεται τον ατμοσφαιρικό αέρα από το σύστημα εισαγωγής και να τον συμπιέζει. Κατόπιν, αυτός εισέρχεται στο δεύτερο κύλινδρο όπου, έχοντας μικρότερη διατομή, για λόγους απόδοσης, αυξάνει περαιτέρω τη συμπίεση. 

Εξερχόμενος από το δεύτερο κύλινδρο και έχοντας αποκτήσει την επιθυμητή πίεση, ο ατμοσφαιρικός αέρας περνάει σε ένα θάλαμο συμπίεσης, τοποθετημένο ουσιαστικά στην κυλινδροκεφαλή του κινητήρα. Σκεφτείτε κάτι σαν ένα κομπρεσέρ αέρα. Μόνο που η δεξαμενή αυτού χωρίζεται στα δύο. Το πρώτο μέρος αποτελείται μόνο από αέρα ενώ το δεύτερο περιλαμβάνει τα μπεκ ψεκασμού, όπου γίνεται η μίξη με το καύσιμο. Θεωρητικά, εδώ συναντάμε συνθήκες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας, όχι όμως τέτοιες που να προκαλούν αυτανάφλεξη. 

entry ignition

Το μίγμα είναι πλέον έτοιμο να περάσει στον τρίτο κύλινδρο, μέσω μίας ειδικά σχεδιασμένης βαλβίδας με μεγάλη διατομή, όπου οι γρίλιες της μπορούν να ανοίγουν και να κλείνουν πολύ πιο γρήγορα από ότι μία συμβατική βαλβίδα. Εδώ η έναυση της καύσης δεν γίνεται μέσω μπουζί αλλά με τη χρήση μίας μικρής ποσότητας καυσαερίων, που παραμένουν από τον προηγούμενο κύκλο καύσης. Σχεδιαστικά, η εισαγωγή του καύσιμου μίγματος πραγματοποιείται με το έμβολο στο επάνω νεκρό σημείο. Στη θεωρία η ανάφλεξη γίνεται ακαριαία, εξασφαλίζοντας καλύτερη καύση και αυξημένη συμπίεση, σε στοιχειομετρική αναλογία.

Η ονομασία entry ignition προκύπτει από αυτήν ακριβώς την ιδιαιτερότητα της έναυσης κατά την είσοδο του μείγματος. Όσο για τον τέταρτο κύλινδρο -που μπορεί και να απαλειφθεί- είναι μεγαλύτερης χωρητικότητας και λαμβάνει τα υπέρθερμα καυσαέρια, εκμεταλλευόμενος την πίεση αυτών, ώστε να αυξήσει κατά ένα 10% περίπου τη θερμοδυναμική απόδοση σου συνόλου. Ειδικά για τον τελευταίο και το κομμάτι της αξιοποίησης των καυσαερίων, ανάλογες μελέτες γίνονται και από τη General Motors, σε μοντέλα συμβατικών κινητήρων, όπως φαίνεται και στο σχέδιο που ακολουθεί. 

entry ignition

Αναφορικά με το κέρδος, ο συγγραφέας του εν λόγω paper σημειώνει πως αν ένας συμβατικός κινητήρας που λειτουργεί στον κύκλο του Otto μπορεί θεωρητικά να επιτύχει απόδοση της τάξης του 49%, το νέο μοντέλο του entry ignition είναι σε θέση να αγγίξει το 63%! Αυτό, όπως καταλαβαίνετε, δεν είναι λίγο. Και, ως εκ τούτου, συγκέντρωσε επάνω του πολλά βλέμματα. Μέχρι που πριν από δύο περίπου μήνες, στον ιστότοπο της SAE ανέβηκε ένα ακόμα τεχνικό paper, με τίτλο «Determination of Efficiency Losses in Entry Ignition Engines». 

Οι συντάκτες του, Vikram Mittal και Brian Novoselich, μελετώντας την αρχική ιδέα, κατέληξαν στο παρακάτω συμπέρασμα. «Η αρχική προτεινόμενη ιδέα για έναν κινητήρα, διαχωρίζει τις διαδικασίες συμπίεσης και επέκτασης, επιτρέποντάς του να μοντελοποιηθεί ως κύκλος Brayton 2-χρόνων. Θεωρητικά, ένας κινητήρας EI (Entry Ignition) επιτρέπει υψηλότερες αναλογίες συμπίεσης από τους κινητήρες SI (Spark Ignition) με λιγότερες εκπομπές από τους κινητήρες CI (Compression Ignition). Ωστόσο, η αρχική ανάλυση του κινητήρα EI έκανε διάφορες παραδοχές που αξίζουν περαιτέρω έρευνα. Πρώτον, η αρχική ανάλυση δεν εξέτασε τις θερμοκρασίες και τις πιέσεις στον θάλαμο ανάμιξης αέρα/ καυσίμου για να διασφαλίσει ότι δεν θα αυτοαναφλεγόταν πριν από την είσοδο στον κύλινδρο. Δεύτερον, η ανάλυση δεν έλαβε υπόψη τη μεγάλη ποσότητα μεταφοράς θερμότητας που σχετίζεται με τη διατήρηση του μισού τελικού αερίου στον κύλινδρο. Τρίτον, η ανάλυση αγνόησε τις απώλειες που προκαλούνται από διόδους εισαγωγής και πρόσθετα μέρη.

Η ανάλυσή μας διορθώνει το θερμοδυναμικό μοντέλο του Cheeseman ώστε να λαμβάνει υπόψη αυτές τις αλλαγές για τον καλύτερο προσδιορισμό της θερμικής απόδοσης για τον κύκλο EI. Οι αναλύσεις μας προσδιορίζουν περαιτέρω άλλα ζητήματα με τη διαδικασία EI για να συμπεριλάβουν απώλειες τριβής, λειτουργία σε μερικό φορτίο και εκπομπές ρύπων. Με αυτές τις διορθώσεις, ο κινητήρας EI βρέθηκε να λειτουργεί με παρόμοια ή λιγότερη απόδοση από τους κινητήρες SI. Επιπλέον, ενώ έχει τη δυνατότητα να μειώσει τις εκπομπές NOx, η μεγάλη ποσότητα υπολειμμάτων μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση των εκπομπών CO».

Πολύ καλό για να είναι αληθινό; Κανένας δεν γνωρίζει. Ίσως με περαιτέρω έρευνα να μπορέσει τελικά κάτι τέτοιο να λειτουργήσει. Ίσως πάλι η ανάλυση του τελευταίου paper να μην αφήνει περιθώρια για αμφιβολίες. Και πάντα θα υπάρχει το ενδεχόμενο η οποιαδήποτε εξέλιξη στο κομμάτι των ΜΕΚ να είναι «too little too late». Εσείς, τι πιστεύετε για τους κινητήρες εσωτερικής καύσης; Πόσο μέλλον έχουν ακόμα μπροστά τους, μέχρι να περάσουν στη λήθη της νέας, ηλεκτροκίνητης εποχής;