DIESEL PART Ι

Rudolf Θεέ, πάρε την ΠΑΕ

Με βάση την ε­σω­τε­ρι­κή τους λει­τουρ­γί­α οι εμ­βο­λο­φό­ροι κι­νη­τή­ρες ε­σω­τε­ρι­κής καύ­σης χω­ρί­ζο­νται σε δύ­ο κύριες κα­τη­γορί­ες, τόσο ως προς την «θερμοδυναμική» ονοματολογία τους, όσο και ως προς το καύσιμο που χρησιμοποιούν: τους κι­νη­τή­ρες «κύκλου Otto» ή «βενζινοκινητήρες» και τους κινητήρες «κύκλου diesel» ή «πετρελαιοκινητήρες». Η πρώτη κατηγορία είναι αυτή που μονοπωλούσε το ενδιαφέρον της στήλης για... δεκαετίας, ενώ για την δεύτερη και για λόγους που θα δούμε τόσο σήμερα όσο και σε επόμενες συνέχειες, είμασταν ολίγον τι σνομπ: άδικα όμως, αφού πλέον η εφεύρεση του Γερμανού εφευρέτη Rudolf Diesel από το έτος 1893, έχει κάνει τεχνολογικά άλματα στην αυτοκινητοβιομηχανία.  Κόντρα ίσως σε ότι θα περιμένε ο ευκαιριακός αναγνώστης της μηχανολογίας «εμπειρικά», ο κινητήρας diesel διαθέτει τον υψηλότερο συντελεστή θερμοδυναμικής απόδοσης από όλα τα είδη των μηχανών εσωτερικής (ή εξωτερικής) καύσης: αυτό, όπως θα δούμε και αναλυτικότερα, οφείλεται στον πανύψηλο λόγο γεωμετρικής του συμπίεσης. Για να πάρετε μία ιδέα, οι τεράστιοι σε μέγεθος και χαμηλόστροφοι σε προσανατολισμό κινητήρες diesel εφαρμογών πέραν του αυτοκινήτου, πετυχαίνουν συντελεστή απόδοσης που ξεπερνά το 50%. Αν αυτό δεν σας λέει κάτι, θυμίζω πως ένας τυπικός βενζινοκινητήρας πασχίζει να περάσει το 30%... Οι κινητήρες diesel, όπως και οι βενζινοκινητήρες, μπορούν να είναι δίχρονοι ή τετράχρονοι, και αρχικά προορίζονταν ως απλή αντικατάσταση των στατικών ατμομηχανών: στις αρχές του 20^ου αιώνα βρήκαν κυρίως ναυτικές εφαρμογές σε πλοία και υποβρύχια, ενώ λίγο αργότερα περάσαν στη στεριά, είτε σε τρένα και φορτηγά, είτε σε στατικές εφαρμογές όπως είναι οι γεννήτριες. Πρέπει να φτάσουμε στην δεκαετία του ’30 για να δούμε τις πρώτες δειλές εφαρμογές του πετρελαιοκινητήρα στο αυτοκίνητο και στην δεκαετία του ’70 για να ξεκινήσει το «μπαμ» των κινητήρων αυτών στο παγκόσμιο στερέωμα: έτσι φτάσαμε σήμερα το ένα στα δύο αυτοκίνητα που πωλούνται στην Ευρώπη να είναι πετρελαιοκίνητο (σε χώρες όπως η Γαλλία, το ποσοστό των diesel φτάνει ακόμα και το 70%), ενώ η περσινή χρονιά και στην παρακμάζουσα ελληνική αγορά, δείχνει πως και εδώ οδεύουμε σαν τάση προς τέτοιες αναλογίες. Και για όσους ακόμα δεν κουνήθηκε διόλου το ενδιαφέρον τους για τους diesel, να κάτι που μπορεί να τους ταρακουνήσει: ο μεγαλύτερος κινητήρας diesel στο κόσμο είναι ο δίχρονος ναυτικός Wartsila-Sulzer RTA96-C ισχύος 113.210 ίππων (στις 102rpm!). Σεβασμός λοιπόν..!

Μία πρώτη γενική ματιά στους diesel

H βα­σι­κή διά­κρι­ση μεταξύ των δύο προαναφερθέντων κύριων τύπων κι­νη­τή­ρων, α­φο­ρά τον τρό­πο α­νά­φλε­ξης (έ­ναυσης της καύσης) του εκάστοτε καύ­σι­μου μίγ­μα­τος. Στους βεν­ζι­νο­κι­νη­τή­ρες η «έ­κρη­ξη» πραγ­μα­το­ποιεί­ται με τη βο­ή­θεια ε­ξω­τε­ρι­κού μέ­σου, που δεν είναι άλλο από τον η­λε­κτρι­κό σπιν­θή­ρα που παράγεται στο μπου­ζί (βλ. αντίστοιχη σειρά Know How λίγους μήνες πριν). Στους κι­νη­τή­ρες diesel από την άλλη, το μίγ­μα αυ­τα­να­φλέ­γε­ται διό­τι το καύ­σι­μο εισέρ­χε­ται στον κύ­λιν­δρο τη στιγ­μή κα­τά την ο­ποί­α ο πε­ριε­χό­με­νος α­έ­ρας έ­χει α­πο­κτή­σει υ­ψη­λή θερ­μο­κρα­σί­α. Πώς έγινε αυτό? Αφενός μέσω ισχυ­ρής συ­μπί­ε­σης κα­τά την ά­νο­δο του εμ­βό­λου (ως γνωστόν ένα αέριο θερμαίνεται καθώς αυξάνεται η πίεση του) και αφετέρου μέσω κα­τάλ­λη­λης δια­μόρ­φω­σης του θα­λά­μου καύ­σης σε γεωμετρικό επίπεδο.

Το πε­τρέ­λαιο που χρη­σι­μο­ποιεί­ται στους κινητήρες diesel ως καύ­σι­μη ύ­λη και πα­ρά­γε­ται στα διυ­λι­στή­ρια, από πλευράς «βάρους» (βλ. κλασματική απόσταξη), βρίσκεται κάπου στη μέση μεταξύ των «ελαφρύτερων» κλασμάτων (βενζίνη και κηροζίνη) και των περισσότερο ακατέργαστων όπως το μαζούτ και οι διάφορες παραφίνες. Για το σχη­μα­τι­σμό του καύ­σι­μου μίγ­μα­τος, το πε­τρέλαιο ει­σά­γε­ται στον κύ­λιν­δρο, δια­σκορ­πι­σμέ­νο στη μά­ζα του συ­μπιε­σμέ­νου αέ­ρα. Ο ψε­κα­σμός γί­νε­ται με τη βο­ή­θεια μπεκ όπως και στους Όττο, αλ­λά με πο­λύ υ­ψη­λότερη πίε­ση: ε­άν σε έ­να βεν­ζι­νο­κι­νη­τή­ρα έμμεσου ψεκασμού μια τυ­πι­κή τι­μή πί­ε­σης του καυ­σί­μου εί­ναι 3 με 5bar, οι πε­τρε­λαιο­κι­νη­τή­ρες έχουν προ πολλού πετύχει πί­ε­σεις της τά­ξης των 200+bar. Ακόμα και σε σχέση με τους βενζινοκινητήρες άμεσου ψεκασμού όμως, που μετά κόπων και βασάνων έχουν φτάσει με το ζόρι τα 150+ bar σήμερα, οι κινητήρες diesel είναι ακόμα πιο μπροστά σε τάξη μεγέθους, αφού τα τελευταία συστήματα, όπως θα δούμε και σε επόμενες συνέχειες, παίζουν σε πιέσεις 2000+ bar (η πολύ υ­ψη­λή πί­ε­ση καυ­σί­μου εί­ναι α­να­γκαί­α ε­πει­δή, όπως θα δούμε και αργότερα. το πε­τρέ­λαιο πρέ­πει να πε­ρά­σει σε α­έ­ρια φά­ση μέσα σε πο­λύ μι­κρό χρο­νι­κό διά­στη­μα)! Όταν μιλάς για πιέσεις τέτοιου μεγέθους οι η­λε­κτρι­κές α­ντλί­ες καυ­σί­μου δεν φτάνουν ούτε «για ζήτω», και τα ηνία αναλαμβάνουν εδώ πλέον μη­χα­νι­κές α­ντλί­ες (όπως και στους βενζινοκινητήρες άμεσου ψεκασμού) που παίρ­νουν κί­νη­ση είτε α­πό το στρο­φα­λο­φό­ρο, εί­τε α­πό τον εκ­κε­ντρο­φό­ρο ά­ξο­να. Μιλάμε πάντα για την κύρια αντλία αύξησης πίεσης στο κύκλωμα και όχι για τον ρόλο του «κυκλοφορήτη» της μικρότερης αντλίας στο ντεπόζιτο.

Ένα δεύτερο βα­σι­κό ση­μεί­ο δια­φο­ράς με­τα­ξύ των κι­νη­τή­ρων βεν­ζί­νης και πε­τρε­λαί­ου εί­ναι η μέθοδος και η φύση της ρύθ­μι­σης της επιθυμητής ι­σχύ­ος που αποδίδεται. Στους κι­νη­τή­ρες βενζίνης, το μίγ­μα αέ­ρα-καυ­σί­μου είναι σχετικά ομοιογενές (περισσότερο στους παραδοσιακούς εκπροσώπους του είδους, λιγότερο στους νέας σοδειάς στρωματοποιημένης καύσης, τύπου FSI). Εδώ ό­ταν θέ­λου­με πε­ρισ­σό­τε­ρη ισχύ, επιθυμία εκφραζόμενη σε ποσοστό πατήματος γκαζιού, ναι μεν καί­με φυσικά πε­ρισ­σό­τε­ρη ποσό­τη­τα μίγ­μα­τος, αλ­λά στην ί­δια χοντρικά α­να­λο­γί­α, αυ­ξά­νο­ντας τις πο­σότη­τες α­έ­ρα και βεν­ζί­νης α­νά­λο­γα. Στον κι­νη­τή­ρα diesel αντίθετα όπως θα δούμε, το υ­γρό καύ­σι­μο δεν ει­σέρ­χε­ται ταυ­τό­χρο­να με τον α­έρα στον κύ­λιν­δρο, αλλά ψε­κά­ζε­ται κα­τά τη φά­ση της συ­μπί­ε­σης μέ­σα στο θά­λα­μο α­πό τα μπεκ: η ι­σχύς του κι­νη­τή­ρα ε­ξαρ­τά­ται κυρί­ως α­πό την σύνθεση ποιοτικά του μίγ­μα­τος, δη­λα­δή η αυ­ξο­μεί­ω­ση της ι­σχύ­ος ε­πι­τυγ­χά­νε­ται καθαρά α­πό τη με­τα­βο­λή της α­να­λο­γί­ας του μίγ­μα­τος σε πλού­σιο ή φτω­χό. Ο χα­ρα­κτη­ρι­σμός “πλού­σιο” ό­ταν α­να­φε­ρό­μα­στε σε πε­τρε­λαιο­κι­νητή­ρες έ­χει διαφορετική ση­μα­σί­α από την αντίστοιχη έννοια σε έναν Otto. Ε­πει­δή ο δια­θέ­σι­μος χρό­νος για το σχη­ματι­σμό του καύ­σι­μου μίγ­μα­τος εί­ναι σχε­τι­κά μι­κρός (σε σχέση με όλη την πολυτέλεια που έχει ένας βενζινοκινητήρας και δη έμμεσου ψεκασμού), εί­ναι α­να­γκαί­α μια πε­ρίσ­σεια α­έ­ρα για την ε­πί­τευ­ξη τέ­λειας καύ­σης: για αυτό το λόγο μίγ­μα­τα με α­να­λο­γί­α 20+:1 εί­ναι λογικά για κι­νη­τή­ρες diesel, ενώ στους παραδοσιακούς Otto το 14-15:1 (και για λόγους θερμοκρασίας) δεν ξεπερνιέται.

Η εκκίνηση και η ταχύτητα καύ­σης ε­λέγ­χο­νται κα­τά κύ­ριο λό­γο α­πό το ρυθμό έγ­χυ­σης και α­πό τη χρο­νι­κή στιγ­μή που αυ­τή πραγ­μα­το­ποιεί­ται, παράγοντες που με την σειρά τους εξαρτώνται άμεσα από την πί­ε­ση στη γραμ­μή τρο­φο­δο­σί­ας του κυκλώματος του πε­τρε­λαί­ου. Θέλουμε λοι­πόν οι α­ντλί­ες του πετρελαίου να συμβαδίζουν στην αύξηση της πίεσης ως προς την αύξηση των στροφών, σε υ­ψη­λές στρο­φές να ε­ξα­σφα­λί­ζουν αρ­κε­τά με­γα­λύ­τε­ρη πί­ε­ση, γεγονός που τεκμηριώνει την αναφορά μας σε μηχανικές αντλίες πιο πάνω που παίρνουν απ’ ευθείας κίνηση από τον κινητήρα, α­φού η α­πό­δο­σή τους ε­ξαρ­τά­ται ά­με­σα α­πό το ρυθ­μό περι­στρο­φής του κι­νη­τή­ρα (περισσότερα μιλώντας για common rail αργοτερα). Ιδιαίτερες είναι και οι κεφαλές των κινητήρων diesel, αφού ένας βασικός παράγοντας απόδοσής τους είναι και η σωστή ανάμειξη του μίγματος μέσω βοήθειας τυρβώδους ροής: τόσο οι αυλοί εισαγωγής, όσο και το σχήμα του ίδιου του θαλάμου καύσης, επικουρούν τον στροβιλισμό του αέρα, ενώ συναντώνται και διατάξεις με ειδικές για το σκοπό αυτό βαλβίδες (κατ’ αντιστοιχία των tumble valves που βλέπουμε και σε βενζινοκινητήρες).

Σε κάθε περίπτωση όμως, αναφερόμαστε σε «πυροδότηση» και καύση χωρίς ανάλογη πρώτη πηγή, χωρίς δηλαδή μπουζί. Χωρίς αυτό λοιπόν, κάπως άλλιως πρέπει να ξεκινάει η όλη διαδικασία, και εδώ αρχίζουμε και συζητάμε για τις ιδιότητες του συγκεκριμένου καυσίμου-κύκλου ως προς την «αυτόβουλη ανάφλεξη». Και εδώ υπεισέρχεται ο χαρακτηριστικός όρος-μέγεθος, η «θερ­μο­κρα­σί­α αυ­τα­νά­φλε­ξης», που είναι η ε­λά­χι­στη θερ­μο­κρα­σί­α κα­τά την ο­ποί­α ε­πι­τυγ­χά­νε­ται τα­χύ­τη­τα α­ντί­δρα­σης τέτοια ώ­στε να πα­ρα­τη­ρεί­ται γρή­γο­ρη αύ­ξη­ση της θερ­μο­κρασί­ας και η σχετική καύ­ση. Έ­να δεύτερο χα­ρα­κτη­ρι­στι­κό μέ­γε­θος είναι ο χρόνος καθυστέρησης της ανάφλεξης ή αλλιώς η «ταχύτητα αυτανάφλεξης», που φανερώνει το χρο­νι­κό διά­στη­μα που περ­νά μέ­χρι να πα­ρα­τη­ρη­θεί η καύ­ση α­πό τη στιγ­μή που το καύ­σι­μο έχει φτά­σει στη θερ­μο­κρα­σί­α αυ­τα­νά­φλε­ξης. Πόσο είναι αυτή η θερμοκρασία περίπου? Για το πετρέλαιο κυμαίνεται στους 340⁰C, τη στιγμή που η αντίστοιχη τιμή για την βενζίνη είναι στους 200⁰C υψηλότερα. Όσο μικρότερη είναι η θερμοκρασία αυτανάφλεξης, τόσο πιο εύκολα ξεκινάει η καύση κατά την συμπίεση του αέρα με την άνοδο του εμβόλου και μάλιστα με το μέτωπο της φλόγας να αναπτύσσεται ομαλά προς τα έξω και όχι άναρχα και με τάσεις αυτονόμησης (βλ. κρουστική καύση, γιατί ναι μεν ο diesel κινητήρας δουλεύει με «φυσικά πειράκια», άλλα πάντα ελεγχόμενα και όχι ταυτόχρονα σε όλη τη μάζα του μίγματος).

Στους βεν­ζι­νο­κι­νη­τή­ρες τώρα, το «φορ­τί­ο» καθο­ρί­ζε­ται ως έννοια α­πό το ά­νοιγ­μα της πε­τα­λού­δας του γκα­ζιού και κατ’ επέκταση από την ακόλουθη πλήρωση του κυλίνδρου. Στους diesel και δεδομένης της απουσίας αντίστοιχης ρυθμιστικής-στραγγαλιστικής διάταξης, τι γίνεται? Εδώ το μέ­γι­στο φορτί­ο κα­θο­ρί­ζε­ται α­πό την συγκέντρωση (σύσταση) του μίγματος σε πετρέλαιο (ποιό­τη­τα καύ­σης), κάτι το οποίο φυσικά έχει όριο, α­φού α­πό κά­ποιο ση­μείο εμπλουτισμού και μετά έ­χου­με την εμ­φά­νι­ση του γνωστού σύννεφου κάπνας (αιθάλης) στην ε­ξα­γω­γή και προς την έξοδο της εξάτμισης. Αυτή είναι μια κλασική εικόνα που μπορεί να έχουμε στο μυαλό μας από παλιούς diesel (ή νέους με βλάβη στα μπεκ που τα αφήνει ανοιχτά υπέρ του δέοντος χρονικά, το λεγόμενο «κατούρημα» των μπεκ), εικόνα ωστόσο η οποία μέσω τεχνολογιών που θα δούμε σε επόμενη συνέχεια τείνει να κλειστεί στο χρονοντούλαπο της ιστορίας: με τον υψηλό βαθμό απόδοσης του κύκλου diesel να αποτελεί «λίρα εκατό» για την μείωση της κατανάλωσης και των εκπομπών διοξειδίου, οι κα­τα­σκευα­στές πι­στεύ­ουν (και άρα επενδύουν) όλο και πο­λύ στο πε­τρέ­λαιο ως καύ­σι­μο και έ­χουν ε­ξε­λί­ξει ση­μα­ντι­κά τους κινη­τή­ρες αυτούς. Αναλογικά δεν υπάρχει αμφιβολία πως η α­νά­πτυ­ξη που έ­χει ση­μειω­θεί στην τε­χνο­λο­γί­α τους τα τε­λευ­ταί­α χρό­νια εί­ναι πο­λύ με­γα­λύ­τε­ρη α­πό την α­ντί­στοι­χη στους βεν­ζι­νοκι­νη­τή­ρες. Μην ξε­χνά­με ό­τι ο ά­με­σος ψε­κα­σμός για χρό­νια προϋ­πήρ­χε χρονικά στους πετρε­λαιο­κι­νη­τή­ρες πριν χρη­σι­μο­ποι­η­θεί (αρχικά σε περιορισμένη κλίμακα και τα τελευταία χρόνια με πολύ μεγάλη ε­πι­τυ­χί­α) στους κι­νη­τή­ρες βεν­ζί­νης. Ας ξεκινήσουμε όμως να τα δούμε όλα αυτα πιο αναλυτικά, ένα προς ένα, μετά από αυτήν την απαραίτητη «περίληψη» που μας έβαλε στο νόημα συνολικά.

Αυτό το παρεξηγημένο, «φτηνό» και «βρωμερό» καύ­σι­μο

Όπως προ είπαμε, βασικό και ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του πετρελαίου είναι πως α­να­φλέ­γε­ται πολύ εύ­κο­λα, και έτσι «επιβιώνει» χωρίς μπου­ζί μιας και δεν χρειά­ζε­ται αρ­χι­κός σπιν­θή­ρας για την έ­ναρ­ξη της καύ­σης. Με άλλα λόγια, η σε σχέση με την βενζίνη χα­μη­λή θερ­μοκρα­σί­α αυ­τα­νά­φλε­ξης ε­πι­τρέ­πει στο καύ­σι­μο να α­να­φλε­χθεί μόνο του, ό­ταν η θερ­μο­κρα­σί­α και η πί­ε­ση μέ­σα στο θά­λα­μο καύ­σης ξε­πε­ρά­σουν κά­ποιες συ­γκε­κρι­μέ­νες τι­μές. Αν το εν­δει­κτι­κό μέ­γε­θος για την ποιό­τη­τα της βεν­ζί­νης εί­ναι ο πολύ γνωστός μας α­ριθ­μός ο­κτα­νίου, που φα­νε­ρώ­νει την α­ντι­κρο­τι­κό­τη­τά της, για το πε­τρέ­λαιο το α­ντί­στοι­χο μέ­γε­θος εί­ναι ο α­ριθ­μός κε­τα­νί­ου που εκ­φρά­ζει την ποιό­τη­τα του καυ­σίμου, δη­λα­δή πό­σο γρή­γο­ρα και εύ­κο­λα καί­γε­ται αυ­τό στην πρά­ξη. Ο ρυθ­μός αυτός (ταχύτητα) καύ­σης έ­χει τεράστια ση­μα­σί­α α­φού είναι βασική αιτία συσχετιζόμενη με την α­δυ­να­μί­α των πε­τρε­λαιο­κι­νη­τή­ρων να πε­ρι­στρα­φούν τό­σο ψη­λά στο φάσμα του στροφομέτρου ό­σο οι βεν­ζι­νο­κι­νη­τή­ρες: όπως θα γνωρίζετε, το «κόκκινο» στο στρο­φό­με­τρό ενός diesel αυτοκινήτου δεν ξε­περ­νά τις 4500-5000rpm στην καλύτερη περίπτωση.

Ο προσ­διο­ρι­σμός του α­ριθ­μού κε­τα­νί­ου γί­νε­ται με αντίστοιχη δια­δι­κα­σί­α με τον αριθμό οκτανίου στις βεν­ζί­νες: σε πρό­τυ­πο κι­νη­τή­ρα (CFR -Cooperative Fuel Research Cetane Engine) αντιπαραβάλλεται η συ­μπε­ριφο­ρά του ε­κά­στο­τε καυ­σί­μου ως προς τα χαρακτηριστικά του με ε­κεί­νη του πρότυπου καυ­σί­μου α­να­φο­ράς, το ο­ποί­ο είναι έ­να προκα­θο­ρι­σμέ­νο μίγ­μα δυο συ­στα­τι­κών. Η εν λόγω δια­δι­κα­σί­α δεν εί­ναι α­πλή και α­παι­τεί τον κα­τάλ­λη­λο ερ­γα­στη­ρια­κό ε­ξο­πλι­σμό, ο ο­ποί­ος φυσικά είναι πανάκριβος και απευθύνεται μόνο σε πολύ εξειδικευμένα ερευνητικά κέντρα. Υπάρχει όμως και ε­μπει­ρι­κός τύ­πος, αρ­κε­τά πιο α­πλός, που πα­ρέ­χει τον «Υ­πο­λο­γι­ζό­με­νο Δεί­κτη Κε­τα­νί­ου» και δί­νει με α­πλούς υ­πο­λο­γι­σμούς μια προ­σεγ­γι­στική τι­μή για τον έμ­με­σο, γρή­γο­ρο και φθη­νό προσ­διο­ρι­σμό της ποιό­τη­τας του προς εξέταση καυ­σί­μου.

Στις βεν­ζί­νες ο α­ριθ­μός ο­κτα­νί­ου κυ­μαί­νε­ται α­πό 95 ως 100 (τουλάχιστον όσον αφορά τα πρατήρια της Ευρώπης, στις ΗΠΑ το κάτω όριο είναι πολύ πιο χαμηλά ενώ στην Ιαπωνία το άνω ακόμα ψηλότερα...), ανά­λο­γα με το εί­δος της βεν­ζί­νης. Για το πε­τρέ­λαιο ένας δεί­κτης κε­τα­νίου γύ­ρω στο 50 εί­ναι μία τυπική, α­πο­δε­κτή και κα­τάλ­λη­λη τιμή για χρή­ση. Η νο­μο­θε­σί­α βέ­βαια για το πε­τρέ­λαιο, όπως και στην περίπτωση της βεν­ζί­νης, συ­νε­χώς γί­νεται όλο και πιο α­παι­τητική προς ολοένα και κα­θα­ρό­τε­ρα καύ­σι­μα, λι­γό­τε­ρες εκ­πο­μπές ρύ­πων και οι­κο­νο­μί­α: ειδικά η περιεκτικότητα σε θείο είναι ένα χαρακτηριστικό στο οποίο έχει δοθεί τεράστια βαρύτητα τα τελευταία χρόνια από τις ε­ται­ρεί­ες πε­τρε­λαιο­ει­δών. Ένα άλλο χα­ρα­κτη­ρι­στι­κό του πε­τρε­λαί­ου, λιγότερο γνω­στό από τον α­ριθ­μό κε­τα­νί­ου, εί­ναι το ση­μεί­ο α­νι­λί­νης, μια θερ­μο­κρα­σί­α που προσ­διο­ρί­ζε­ται ε­πί­σης ερ­γα­στη­ρια­κά, αλ­λά με πο­λύ α­πλό και γρή­γο­ρο τρό­πο, α­φού ό­σο υ­ψη­λό­τε­ρη είναι, τό­σο πιο κα­λής ποιό­τη­τας εί­ναι το καύ­σι­μο. Φύσικα, επίσης ό­πως στη βεν­ζί­νη έ­τσι και στο πε­τρέ­λαιο, χρη­σι­μο­ποιού­νται κα­τά την πα­ραγω­γή διά­φο­ρα πρό­σθε­τα που στό­χο έ­χουν να αυ­ξή­σουν τον α­ριθ­μό κε­τα­νί­ου και εν­δε­χο­μέ­νως να προσ­δώ­σουν κα­θα­ρι­στι­κές ι­διό­τη­τες στο καύ­σι­μο, μειώ­νοντας ταυ­τό­χρο­να τους ρύ­πους.

Καύ­ση του πε­τρε­λαί­ου

Ποιος είναι όμως ο συγκεκριμένος μηχανισμός που εμποδίζει τους κι­νη­τή­ρες diesel να πε­ρι­στρέ­φο­νται σε υ­ψη­λούς ρυθ­μούς πε­ρι­στρο­φής? Όσοι αγαπάνε το στροφάρισμα, παραδοσιακά δεν θέλουν ούτε καν να ακούνε για diesel και για πετρέλαια, και τύφλα να ‘χουν οι... τόνοι ροπής τους! Δυ­στυ­χώς, όντως στους κι­νη­τή­ρες dieselη διαδι­κα­σί­α στροφαρίσματος στο κόκκινο εί­ναι ολίγον τι α­πο­γο­η­τευ­τι­κή, α­φού ού­τε να πε­ρι­στρα­φούν ψη­λά μπο­ρούν σε απόλυτα μέγιστα νούμερα, ού­τε είναι ι­διαί­τε­ρα ευ­τυ­χείς όταν ο δείκτης έχει ρυθμό προς τα πάνω. Ο λό­γος για τον ο­ποί­ο συμ­βαί­νει αυ­το, εί­ναι ο δια­φο­ρε­τι­κός τρό­πος που καί­γε­ται το καύ­σι­μο μίγ­μα σε σχέση με την βενζίνη. Σε έ­ναν τυ­πι­κό κι­νη­τή­ρα diesel ό­λα τα στά­δια της καύ­σης έχουν ο­λο­κλη­ρω­θεί σε έ­να χρο­νι­κό διά­στη­μα που α­ντι­στοι­χεί σε 40-60 μοί­ρες στρο­φά­λου, και η αρ­χή της καύ­σης ξε­κι­νά λί­γο πριν το ΑΝ­Σ του εμ­βό­λου  με την μέ­γι­στη πί­ε­ση μέ­σα στο θά­λα­μο να α­να­πτύσ­σε­ται λί­γο με­τά α­πό αυ­τό. Το «πρόβλη­μα» εί­ναι ό­τι η καύ­ση δεν ξε­κι­νά ε­λεγ­χό­με­να, όπως με την ανάφλεξη στον βενζινοκινητήρα, α­φού δεν υφίσταται μπου­ζί. Επο­μέ­νως κυνηγάμε να ε­ξα­σφα­λί­σου­με ό­τι η καύ­ση θα συμ­βεί ακριβώς τη στιγ­μή που ε­πι­θυμού­με και μά­λι­στα να διαρ­κέ­σει τό­σο, ώ­στε να έ­χου­με ό­σο το δυ­να­τόν πε­ρισ­σό­τε­ρο ω­φέ­λι­μο έρ­γο. Τρί­α είναι τα στά­δια στην καύ­ση του μίγ­μα­τος: το πρώ­το εί­ναι το χρο­νι­κό διά­στη­μα που α­παι­τεί­ται μέ­χρι να α­να­φλε­χθεί το μίγ­μα, όπου η πί­ε­ση αυ­ξά­νε­ται ο­μοιό­μορ­φα κα­θώς το έμ­βο­λο α­νε­βαίνει, αλ­λά δεν συμ­βαί­νει α­νά­φλε­ξη. Α­νά­λο­γα με τον κάθε κι­νη­τή­ρα, το χρο­νι­κό διά­στη­μα που διαρ­κεί αυ­τό το στά­διο κυ­μαί­νε­ται με­ταξύ 1 και 4msec. Το πρό­βλη­μα που έχουμε και μας τσακίζει το στροφάρισμα εί­ναι ακριβώς ό­τι αυ­τό το χρο­νι­κό διά­στη­μα εί­ναι σχε­δόν στα­θερό και α­νε­ξάρ­τη­το α­πό την τα­χύ­τη­τα πε­ρι­στρο­φής του κι­νη­τή­ρα: ό­σο αυ­ξά­νο­νται οι στρο­φές του κι­νη­τή­ρα δηλαδή, το πρώ­το στά­διο της καύ­σης θα κα­τα­λαμ­βά­νει ο­λοέ­να και πε­ρισ­σό­τερο μέ­ρος α­πό την ά­νο­δο του εμ­βό­λου, δη­λα­δή πε­ρισ­σό­τε­ρες μοί­ρες του στροφά­λου. Με άλλα λόγια ενώ ο βενζινοκινητήρας απαιτεί δεδομένες μοίρες ανεξαρτήτως του χρόνου που αυτές «καταλαμβάνουν», ο πετρελαιοκινητήρας απαιτεί συγκεκριμένο χρόνο ανεξαρτήτως των μοιρών. Ε­πο­μέ­νως έ­χου­με ή­δη έ­ναν πο­λύ ση­μα­ντι­κό πε­ριο­ρι­σμό: το πρώ­το στάδιο α­να­γκα­στι­κά δεν γί­νε­ται να α­παι­τεί χρο­νι­κό διά­στη­μα που να α­ντι­στοιχεί σε πολ­λές μοί­ρες στρο­φά­λου κα­θα­ρά ε­ξαι­τί­ας πρα­κτι­κών λό­γων λει­τουρ­γί­ας του κι­νη­τή­ρα. Ε­πο­μέ­νως εί­ναι ε­πι­θυ­μη­τό στους κι­νη­τή­ρες diesel να πε­τύ­χου­με μεί­ω­ση του αρ­χι­κού στα­δί­ου προ­ε­τοι­μα­σί­ας του μίγ­μα­τος για την καύ­ση. Στους κι­νη­τή­ρες βεν­ζί­νης συναντάμε και εκεί το φαι­νό­με­νο, α­φού και ε­κεί το πρώ­το στά­διο της καύ­σης διαρ­κεί χρο­νι­κό διά­στη­μα πε­ρί­που στα­θε­ρό και α­νε­ξάρ­τη­το α­πό την τα­χύ­τη­τα πε­ρι­στρο­φής του κι­νη­τή­ρα: με την βενζίνη ό­μως το χρονι­κό διά­στη­μα εί­ναι ε­ξαι­ρε­τι­κά μι­κρό (0,5msec ή και ακό­μα μι­κρό­τε­ρο), ο­πό­τε τελικά δεν δη­μιουρ­γού­νται πε­ριο­ρι­σμοί στο ρυθ­μό πε­ρι­στρο­φής κα­τά την λει­τουρ­γί­α του κι­νη­τή­ρα.

Το δεύ­τε­ρο στά­διο της καύ­σης ξε­κι­νά με την α­νά­φλε­ξη του μίγμα­τος. Εδώ η πί­ε­ση αυ­ξά­νε­ται α­πό­το­μα λό­γω της μη ε­λεγ­χό­με­νης καύ­σης, με την μέ­γι­στη τι­μή της πί­ε­σης μέ­σα στον κύ­λιν­δρο να ε­πιτυγ­χά­νε­ται σε αυ­τό ακριβώς το στά­διο, συ­νή­θως λί­γες μοί­ρες με­τά το ΑΝ­Σ κα­θώς το έμβο­λο κα­τε­βαί­νει.

Στο τρί­το στά­διο η φλό­γα έ­χει ήδη δια­δο­θεί στον κύ­λιν­δρο και έτσι η α­νά­φλε­ξη του καυ­σί­μου εί­ναι πλέ­ον εύ­κο­λη. Πρέπει να σημειωθεί πως το ε­πι­πλέ­ον καύ­σι­μο που ψε­κάζε­ται μέ­σα στον κύ­λιν­δρο, α­κό­μα και ό­ταν έ­χει α­να­πτυ­χθεί φλό­γα, καί­γε­ται πο­λύ γρή­γο­ρα, με τα­χύ­τη­τα α­νά­λο­γη του ρυθ­μού έγ­χυ­σης του πε­τρε­λαί­ου. Όπως αναφέραμε πεταχτά και πιο πάνω, η ποσό­τη­τα του καυ­σί­μου εί­ναι α­νά­λο­γη του φορ­τί­ου του κι­νη­τή­ρα και κα­θο­ρί­ζεται α­νά­λο­γα με τις α­νά­γκες κί­νη­σης του ο­χή­μα­τος κά­θε στιγ­μή. Αντίθετα με το πρώ­το στά­διο της καύ­σης, αυτά τα ακόλουθα στά­δια στους κινη­τή­ρες diesel διαρ­κούν πε­ρί­που στα­θε­ρή διάρ­κεια καύ­σης σε μοί­ρες στρο­φά­λου. Αυ­τό ση­μαί­νει ό­τι η χρο­νι­κή τους διάρ­κεια μι­κραί­νει ό­σο αυξά­νει ο ρυθ­μός πε­ρι­στρο­φής του κι­νη­τή­ρα. Ε­πο­μέ­νως οι πε­ριο­ρι­σμοί στο α­νώ­τα­το ό­ριο πε­ρι­στρο­φής των diesel ο­φεί­λο­νται κυ­ρί­ως στην κα­θυ­στέ­ρη­ση που πα­ρα­τη­ρεί­ται κα­τά τη διάρ­κεια της πρώτης φάσης καύ­σης που περιγράψαμε, δηλαδή μέ­χρι να δη­μιουρ­γη­θεί η φλό­γα μέ­σα στον κύ­λιν­δρο.

Η ακριβής ρύθ­μι­ση της ι­σχύ­ος του diesel

Πώς όμως εί­ναι δυ­να­τόν να ψε­κά­ζε­ται καύ­σι­μο κα­τά τη διάρ­κεια της καύ­σης και αυ­τό να ει­σέρ­χε­ται κανονικά στον κύ­λιν­δρο, δε­δο­μέ­νου πως οι βαλ­βί­δες ει­σα­γω­γής πρέ­πει εί­ναι κλει­στές κατά την συμπίεση του μίγ­ματος? Η απάντηση είναι φυσικά ο «άμεσος ψεκασμός», τεχνολογία που μέχρι σχετικά πρόσφατα ήταν προνόμιο μόνο των diesel, αλλά όσο πάει εξαπλώνεται και στους βενζινοκινητήρες: η θέ­ση του μπεκ δεν είναι αυτή ενός παραδοσιακού βενζινοκινητήρα έμμεσου ψεκασμού (πί­σω α­πό τις βαλ­βί­δες, στον αυ­λό ει­σα­γω­γής) αλ­λά εδώ εί­ναι τοπο­θε­τη­μέ­νο μέ­σα στον κύ­λιν­δρο, ψε­κά­ζοντας α­πευ­θεί­ας καύ­σι­μο α­κό­μα και ό­ταν το προ­ϋ­πάρ­χον μίγ­μα έ­χει αρ­χί­σει να καί­γε­ται. Στην πρά­ξη η καύ­ση του μίγ­μα­τος γί­νε­ται με αυ­τόν ακριβώς τον τρό­πο: ο αέ­ρας που έ­χει ει­σέλ­θει στον κύ­λινδρο α­να­μι­γνύ­ε­ται με το καύ­σι­μο που διο­χε­τεύει το μπεκ, αυ­τα­να­φλέ­γε­ται και το καύ­σι­μο που συ­νε­χί­ζει να ψε­κά­ζε­ται α­πό το μπεκ καί­γε­ται πο­λύ γρή­γο­ρα α­φού βρί­σκει εύκαιρο μπροστά του μέ­τω­πο φλό­γας.

Στους βεν­ζι­νο­κι­νη­τή­ρες, ό­ταν οι α­νά­γκες για ι­σχύ εί­ναι με­γά­λες, αυ­τό που αλλά­ζει εί­ναι η πο­σό­τη­τα του μίγ­μα­τος μέ­σα στον κύ­λιν­δρο μέσω της πεταλούδας, σχεδόν πάντα με α­να­λο­γί­α αέ­ρα καυ­σί­μου γύρω α­πό την στοι­χειο­με­τρι­κή α­να­λο­γί­α (14,7:1), ώ­στε να έ­χου­με λιγότερο ή περισσότερο πλού­σιο μίγμα. Η ι­σχύς του κι­νη­τή­ρα δηλαδή ε­ξαρ­τά­ται ά­με­σα α­πό την ό­σο το δυ­να­τόν κα­λύ­τε­ρη πλή­ρω­ση του κυ­λίν­δρου α­πό καύ­σι­μο μίγ­μα πολύ ο­ρι­σμέ­νης σύν­θε­σης. Στον κι­νητή­ρα diesel ό­μως, αυ­τό που αλ­λά­ζει εί­ναι κυ­ρί­ως η ποιοτική α­να­λο­γί­α του μίγμα­τος α­φού υ­πάρ­χει πά­ντα πε­ρίσ­σεια αέ­ρα διαθέσιμη. Αυ­τό είναι που κάνει α­χρεί­α­στη την ύ­παρξη πε­τα­λού­δας γκα­ζιού, την ο­ποί­α δεν πρό­κει­ται να συ­να­ντή­σε­τε που­θε­νά στην ει­σα­γω­γή (μιλάμε για πεταλούδα έλεγχου ροής ανάλογη των βενζινοκινητήρων, πεταλούδα ή πεταλούδες, γνωστά και ως «κλαπέτα», βρίσκουμε σε πολλούς diesel αλλά με άλλο σκοπό: την δημιουργία υποπίεσης και τύρβης κατά την εκκίνηση). Όταν λοιπόν σε έναν πετρελαιοκινητήρα δεν υ­πάρ­χει α­παί­τη­ση για με­γά­λη ι­σχύ το μίγ­μα εί­ναι ιδιαιτέρως φτω­χό, α­φού ψε­κά­ζε­ται μό­νο μι­κρή πο­σό­τη­τα καυ­σί­μου μέ­σα στον κύλιν­δρο ο ο­ποί­ος έ­χει ή­δη πλη­ρω­θεί με αέ­ρα, χωρίς τα αντίστοιχα θέματα που θα είχαμε με την βενζίνη (άνοδος θερμοκρασίας). Σε πε­ρι­πτώ­σεις ό­που α­παι­τεί­ται με­γά­λη ι­σχύς, το μίγ­μα γί­νε­ται πιο πλού­σιο και η α­πό­δο­ση του κι­νη­τή­ρα ε­ξαρτά­ται ά­με­σα α­πό την πο­σό­τη­τα καυ­σί­μου που μπο­ρεί να κα­εί μέ­σα στον θά­λαμο, χωρίς ομοίως να φοβόμαστε τα μειονεκτήματα ενός πολύ πλουσίου μίγματος όπως με την βενζίνη. Ωστόσο δεν ισχεί ό­τι ό­σο καύ­σι­μο ει­σέλ­θει στον κύ­λιν­δρο θα κα­εί ο­πωσ­δή­πο­τε: προ­κει­μέ­νου να έ­χου­με έ­ναν ανάλογα ι­σχυ­ρό κι­νη­τή­ρα diesel, πρέ­πει να μπορούμε και να ε­ξα­σφα­λί­σου­με τέ­τοιες συν­θή­κες καύ­σης ώ­στε να μπο­ρεί να κα­εί ό­σο το δυ­να­τόν πε­ρισ­σό­τε­ρο πε­τρέ­λαιο σε κά­θε κύ­κλο λει­τουρ­γί­ας.

Δώστε του μια ευκαιρία!

Ο κινητήρας diesel δεν είναι πλέον επουδενί ο παραδοσιακός «επαγγελματικός» οικονομικός κινητήρας περιορισμένης ισχύος που ξέραμε. Όλο και περισσότερα σπορ μοντέλα παρουσιάζονται και σε diesel έκδοση, ενώ η ειδική ισχύ τους, έστω και με βαριά υπερτροφοδότηση ενός, δύο ή και... τριών turbo (βλ. BMW), μπορεί να κάνει να χάσουν τον ύπνο τους και βενζινοκινητήρες από κούνια. Με τα diesel να αυξάνονται ραγδαία και στους ελληνικούς πλέον δρόμους (και φυσικά να βελτιώνονται), μην είστε σίγουροι πως αργεί η εποχή που στο φανάρι το κροτάλισμα στο ρελαντί μπορεί να προμηνύει  ένα βαρβάτο τσάι... Μέχρι τον επόμενο μήνα λοιπόν αγαπήστε τους λίγο περισσότερο, γιατί έχουμε πολλά ακόμα να πούμε για πάρτη τους!