Tech Stories: Κινητήρες Diesel

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ ποιος είναι ο λόγος που ένας κινητήρας diesel, είναι πιο οικονομικός από έναν αντίστοιχο βενζίνης; Γιατί οι κινητήρες diesel αποδίδουν τεράστια νούμερα ροπής; Πώς λειτουργούν τα σύγχρονά συστήματα άμεσου ψεκασμού και ελέγχου των καυσαερίων;

 

Εν λειτουργία

Στους κλασικούς κινητήρες βενζίνης που υπακούν στον κύκλο Otto η ανάφλεξη του μίγματος γίνεται από το σπινθήρα που παράγεται από τα μπουζί. Αντίθετα στους τετράχρονους diesel, η ανάφλεξη του μίγματος γίνεται από την υψηλή θερμοκρασία του είδη συμπιεσμένου αέρα με την ανάμιξη του με το πετρέλαιο (λιγότερο πτητικό από τη βενζίνη) να λαμβάνει χώρα μέσα στο θάλαμο καύσης του κυλίνδρου. Στις παλαιότερες περιπτώσεις κινητήρων diesel χωρίς turbo ο αέρας –στην φάση της συμπίεσης- συμπιέζεται από 30 έως 55 bar. Στα σημερινά σύνολα που πάνε πάντα πακέτο με turbo μεταβλητής γεωμετρίας –δουλεύει πιο αποτελεσματικά σε χαμηλούς ρυθμούς περιστροφής- η πίεση κατά τη φάση της συμπίεσης μπορεί να φτάσει μέχρι και τα 200 bar με αποτέλεσμα η θερμοκρασία να ανεβαίνει μέχρι περίπου τους 1250 ^οC. Η θερμοκρασία αυτή είναι ο λόγος της αυτόματης ανάφλεξης με το πετρέλαιο που ψεκάζεται στους κυλίνδρους. Εκεί κρύβεται και το μεγάλο μυστικό των diesel, που εκμεταλλεύεται το υψηλά συμπιεσμένο καύσιμο μίγμα, το οποίο μεταφράζεται σε μεγαλύτερη πίεση των καυσαερίων, δίνοντας μεγαλύτερη πίεση στο κατέβασμα του πιστονιού, στοιχείο που προκαλεί την δεδομένη οικονομία καυσίμου.

 

Το δώρο της ροπής!

Πονοκέφαλος για τους σχεδιαστές των κινητήρων diesel είναι η ταχύτητα ανάμιξης του αέρα-καυσίμου (επηρεάζει την ταχυστροφία τους) που έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ταχύτητας ολοκλήρωσης της καύσης. Η δυσκαμψία που διαθέτουν τα diesel σύνολα στο ανέβασμα του ρυθμού περιστροφής (για λόγους και μηχανικής αντοχής), λύνεται εν μέρει από τα υψηλά νούμερα ροπής.

Η λύση του turbo το οποίο γνωρίζει δόξες στις μέρες, έχει ξαναγεννήσει επί της ουσίας τους diesel κινητήρες εδώ και χρόνια. Η ανάγκη των diesel για πλούσιο σε αέρα μίγμα και οι περιορισμένες αναπνευστικές δυνατότητές τους (μικρό βύθισμα βαλβίδων) βρίσκουν κατά μεγάλο ποσοστό τη λύση τους με το turbo, το οποίο επιτρέπει να δεχτούν περισσότερο καύσιμο, ώστε να βελτιώσουν την απόδοση τους. Επιπλέον η υιοθέτηση του turbo δεν μεταφράζεται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, καθώς τα καυσαέρια των diesel είναι εν γένει πιο δροσερά από αυτά των κινητήρων βενζίνης. Η χρήση intercooler αυξάνει την μάζα του αέρα (πυκνότητα), με την απόδοση ανά λίτρο να ακουμπά κάποιες φορές μέχρι και μοντέρνα σύνολα βενζίνης.

Η λειτουργία των diesel με φτωχό μίγμα τους δίνει την δυνατότητα, η αποδιδόμενη ισχύς να ελέγχεται (πεντάλ γκαζιού) ανάλογα με την ποσότητα καυσίμου και της αναλογίας του με τον αέρα, παρακάμπτοντας τη χρήση πεταλούδας. Επίσης σημαντικό ρόλο στους diesel παίζει η θερμοκρασία εκκίνησης (χρησιμοποιούνται προθερμαντήρες), ενώ η υψηλή ως επί το πλείστον σχέση συμπίεσης  επιβάλλει τη χρήση πιο ισχυρής μίζας και μεγαλύτερης μπαταρίας.

 

Τα μυστικά του ψεκασμού

Οι πρώτοι κινητήρες diesel χρησιμοποιούσαν ένα σύστημα έμμεσου ψεκασμού, με προθάλαμο καύσης που βρισκόταν στην κεφαλή του κινητήρα. Αυτό το σύστημα χρησιμοποιήθηκε μέχρι και τη δεκαετία του 60΄ με αρκετά οφέλη όσον αφορά την οικονομία καυσίμου για τα δεδομένα της εποχής. Η επόμενη μέρα στους κινητήρες diesel, ήταν ο πραγματικός άμεσος ψεκασμός απευθείας στο θάλαμο καύσης.

Σε αντίθεση με τους κινητήρες βενζίνης που η συγκέντρωση της δέσμης γίνεται γύρω από το μπουζί, στους diesel η συγκέντρωση της δέσμης γίνεται γύρω από τον εαυτό της. Σε αυτό βοηθά και ο σχεδιασμός του θαλάμου καύσης, με την κωνική μύτη σχήματος «ω» των εμβόλων που βοηθά στην ομαλή διασπορά. Για να επιτευχθεί η σωστή ανάμιξη με τον αέρα, πρέπει το πετρέλαιο να ψεκαστεί στο θάλαμο με πίεση που φτάνει μέχρι από τα 1400 έως τα 2100 bar ανάλογα με την εφαρμογή. Στους σύγχρονους κινητήρες η ανάγκη για επιδόσεις και η ύπαρξη turbo που τροφοδοτεί πλουσιοπάροχα με αέρα το θάλαμο καύσης, κάνουν την ανάγκη για καύσιμο μεγαλύτερη σε κάθε κύκλο. Επίσης σημαντικό ρόλο στη απόδοση ενός κινητήρα diesel, την κατανάλωση και την εκπομπή ρύπων παίζει η ακρίβεια της χρονικής στιγμής ψεκασμού, δημιουργώντας μια ολόκληρη επιστήμη γύρω από το χρονισμό και τις φάσεις του ψεκασμού.

 

Ο κοινός συλλέκτης (Common Rail)

O βασικός τρόπος ψεκασμού ο οποίος έχει πλέον επικρατήσει στις περισσότερες σημερινές εφαρμογές των περισσότερων κατασκευαστών, είναι τα συστήματα Common Rail. Αποτελούνται από μια αντλία υψηλής πίεσης, η οποία διατηρεί σταθερή την πίεση σε έναν κεντρικό συλλέκτη (αγωγό), ο οποίος συνδέεται με το μπεκ κάθε κυλίνδρου. Τα ηλεκτρονικά φροντίζουν στη συνέχεια να δώσουν εντολή σε κάθε μπεκ ξεχωριστά, για να ψεκάσουν όσο χρειάζεται από το υπό πίεση καύσιμο που βρίσκεται στον κοινό συλλέκτη. Στην ουσία σε αυτήν την εφαρμογή, ο έλεγχος ασκείται στους ψεκαστήρες και όχι στην αντλία. Το σημαντικότερο είναι ότι τα προηγμένα ηλεκτρονικά μπορούν να επιτύχουν πολλαπλά σενάρια ψεκασμού (παλμικός ψεκασμός) ανάλογα με το φορτίο και τις εκάστοτε συνθήκες. Κατά συνέπεια έχουμε αυστηρό και ακριβή έλεγχο της διαδικασίας καύσης ολόκληρης της λειτουργίας του κινητήρα, όσον αφορά τις επιδόσεις και τα καυσαέρια. Παράλληλα τα μπεκ τώρα πλέον γίνονται πιο πολύπλοκα και ακριβά, ενώ η πίεση που μπορούν να ψεκάσουν αναμένεται να φθάσει τα 2.200 bar.

 

Ο βραχνάς των καυσαερίων

Οι κινητήρες diesel όπως έχουμε αναφέρει λειτουργούν κυρίως με περίσσεια αέρα. Στο φτωχό μίγμα οφείλεται κατά βάση η παραγωγή οξειδίων αζώτου, αποτέλεσμα του περισσευούμενου αέρα κάτω από υψηλή πίεση.Σημαντικό στοιχείο στη σχεδίαση ενός diesel είναι η ταχύτητα έναρξης της ανάφλεξης, στην οποία συμβάλλει και η υψηλή σχέση συμπίεσης. Μια μοίρα καθυστέρηση της έναρξης ψεκασμού, μπορεί να δημιουργήσει αρκετά παραπάνω καυσαέρια . Βέβαια ο εξελιγμένος ηλεκτρονικό έλεγχος, η αύξηση της πίεσης ψεκασμού, ο καλύτερος σχεδιασμός του μπεκ ψεκασμού και η συγκράτηση της στοιχειομετρίας του μίγματος στο λ=1,2,  μειώνει αρκετά τους άκαυστους υδρογονάνθρακες και τα σωματίδια αιθάλης.

Όσον αφορά τους καταλυτικούς μετατροπείς, χρησιμοποιούνται κυρίως μέθοδοι που υπάρχουν και στους βενζινοκινητήρες άμεσου ψεκασμού. Τα οξείδια του αζώτου δεσμεύονται σε ένα υπόστρωμα και με ψεκασμό μια μικρής ποσότητας καυσίμου απορροφάται το οξυγόνο και απελευθερώνεται σκέτο άζωτο. Με τη χρήση intercooler σχεδόν σε όλες τις εφαρμογές turbo-diesel και την ανακύκλωση των καυσαερίων  (βαλβίδα E.G.R) επιτυγχάνουμε τη μείωση των οξειδίων του αζώτου. Η διαδικασία της ανακύκλωσης καυσαερίων μειώνει τα οξείδια του αζώτου, αλλά παράλληλα παράγονται περισσότερα σωματίδια αιθάλης

Τα σωματίδια αιθάλης καταπολεμούνται κυρίως με κάποιο ειδικό φίλτρο στο σύστημα εξαγωγής (αιθαλοπαγίδα), το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο της αναγέννησης, ώστε να μειώσει ή να εξαλείψει τις περιόδους αντικατάστασης του. Τα περισσότερα φίλτρα έχουν ιδιότητες αυτό-καθαρισμού. Περιοδικά η ECU του κινητήρα, τροφοδοτεί με πλουσιότερο μίγμα κάθε θάλαμο καύσης, με σκοπό να αυξήσει την θερμοκρασία των καυσαερίων. Η αυξημένη θερμοκρασία καθαρίζει (εξαέρωση) από τα κατάλοιπα το φίλτρο. Σε άλλες περιπτώσεις για την αύξηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων χρησιμοποιούνται μέχρι και προθερμαντήρες οι οποίοι είναι τοποθετημένοι στην εισαγωγή του δοχείου της αιθαλοπαγίδας.

 

Αμμωνία & Diesel

Μια διαφορετική μέθοδος για την μείωση των οξειδίων του αζώτου είναι η χρήση του υδατικού διαλύματος της ουρίας (AdBlue).  Ακολουθώντας την πορεία των καυσαερίων από το θάλαμο καύσης, αυτά εισέρχονται στον οξειδωτικό καταλύτη. Στον οξειδωτικό καταλύτη τα προϊόντα της ατελούς καύσης, το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και οι υδρογονάνθρακες (HC), μετατρέπονται σε αβλαβές διοξείδιο του άνθρακα (CO₂). Το μονοξείδιο του αζώτου (NO) μετατρέπεται με τη σειρά του σε διοξείδιο (ΝΟ₂) με τη προσθήκη ενός ατόμου οξυγόνου που το προσλαμβάνει από τον ατμοσφαιρικό αέρα που αφθονεί, λόγω φτωχού μίγματος στους κινητήρες diesel. To (ΝΟ₂) αν και εξαιρετικά επικίνδυνο για το περιβάλλον, βοηθά την καύση της αιθάλης στην αιθαλοπαγίδα που υπάρχει μετά τον οξειδωτικό καταλύτη. Κάπου εδώ φαίνεται η χρησιμότητα της ουρίας, που ως σκοπό έχει την αναγωγή των οξειδίων του αζώτου ΝΟx σε αδρανές άζωτο και οξυγόνο. Καρδιά του συστήματος λοιπόν είναι η μονάδα «επιλεκτικής κατάλυσης» SCR (Selective Catalytic Reduction), που στην ουσία πρόκειται για έναν τύπο καταλύτη, όπου λίγο πριν την είσοδο των καυσαερίων σε αυτόν, μέσω ενός σύγχρονου συστήματος ψεκασμού, ψεκάζεται το υδατικό διάλυμα της ουρίας (AdBlue). Η επαφή της ουρίας με τα καυσαέρια έχει σαν αποτέλεσμα τη θερμική της διάσπαση σε αμμωνία (NH3) και διοξείδιο του άνθρακα (CO₂). Το 80% της αμμωνίας, ευρισκόμενο σε αέρια μορφή, αντιδρά με τα οξείδια του αζώτου, στη μονάδα SCR, με παράγωγα άζωτο και νερό. Η περίσσεια της αμμωνίας εξέρχεται από τα καυσαέρια της εξάτμισης.