Porsche Six-Stroke Engine

Ξεκινώντας από «μόνο» 4 χρόνους…

Πριν πιάσουμε τον εξάχρονο κινητήρα, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τα θεμέλια πάνω στα οποία είναι χτισμένος: τον κλασικό τετράχρονο κινητήρα. Αυτός, κατά τα γνωστά, εφευρέθηκε από τον Nikolaus Otto, το 1876 και λειτουργεί σε έναν συνολικό θερμοδυναμικό κύκλο τεσσάρων διακριτών φάσεων, γνωστό και με το πολύ ωραίο και σεξουλιάρικο «Suck, Squeeze, Bang, Blow»: εισαγωγή, συμπίεση, καύση-εκτόνωση και εξαγωγή. Αυτός ο σχεδιασμός είναι ο ακρογωνιαίος λίθος της αυτοκίνησης για ενάμιση αιώνα τώρα, προσφέροντας μία ισορροπία ισχύος, απόδοσης και αξιοπιστίας.

Παρά την ευρεία υιοθέτησή του φυσικά, ο τετράχρονος κινητήρας, όπως και κάθε μηχανή στο τέλος της ημέρας, δεν υπήρχε ποτέ χωρίς περιορισμούς και όρια: η θερμική του απόδοση, δηλαδή ο λόγος της ενέργειας που μετατρέπεται σε ωφέλιμο έργο έναντι της συνολικής εισροής ενέργειας, είναι από ενεργειακής πλευράς η πιο σημαντική πρόκληση. Οι παραδοσιακοί τετράχρονοι κινητήρες λειτουργούν συνήθως με θερμική απόδοση περίπου 25-30%, που σημαίνει ότι το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του καυσίμου χάνεται ως απορριπτόμενη θερμική ενέργεια. Καθώς οι περιβαλλοντικές …ανησυχίες (για να το πω κομψά χωρίς να βρίζω!) και οι τιμές των καυσίμων έχουν αυξηθεί, η ανάγκη για πιο αποδοτικούς κινητήρες γίνεται όλο και πιο επιτακτική ιδιαίτερα τις δύο τελευταίες δεκαετίες.

Η αυτοκινητοβιομηχανία έχει εξερευνήσει πολλούς και διάφορους τρόπους για να βελτιώσει τον βαθμό απόδοσης του κινητήρα και αν και αυτές οι τεχνολογίες έχουν αποφέρει σημαντικές βελτιώσεις, δεν έχουν αλλάξει ουσιαστικά-δομικά τον κύκλο-αρχή λειτουργίας των τετράχρονων μοτέρ. Ο εξάχρονος κινητήρας ως ιδέα, είτε εδώ στην περίπτωση της Porsche είτε παλιότερα από ανάλογες προσπάθειες, αντιπροσωπεύει μια δομική-θεμελιώδη-βαρβάτη μεταβολή στην τεχνολογία εσωτερικής καύσης, προσφέροντας τη θεωρητική, τουλάχιστον, δυνατότητα για σημαντικά κέρδη στην αύξηση της απόδοσης.

Βάλε άλλους δύο χρόνους έτσι για να έχουμε…

Προσθέτοντας δύο επιπλέον διαδρομές στον παραδοσιακό τετράχρονο κύκλο, λοιπόν, στοχεύουμε να αξιοποιήσουμε τη «σπατάλη» θερμότητας και να τη μετατρέψουμε σε πρόσθετη ισχύ, βελτιώνοντας έτσι τη συνολική απόδοση. Η ιδέα ενός εξάχρονου κινητήρα δεν είναι εντελώς νέα, με διάφορα πρωτότυπα και θεωρητικά μοντέλα στην ιστορία, ωστόσο, η είσοδος της Porsche σε αυτήν την αρένα σηματοδοτεί ένα σημαντικό ορόσημο, δεδομένης της φήμης της εταιρείας ανέκαθεν για εφαρμογές που «δουλεύουν» και δεν μένουν απλά στο ράφι του εφευρέτη.

Η Porsche έχει κατοχυρώσει λοιπόν από τις 12/9/2024 με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας (το 12 σελίδων «US20240301817A1») έναν νέο εξάχρονο κινητήρα με δύο πρόσθετους χρόνους έναντι ενός τυπικού τετράχρονου κινητήρα και αυτό που είναι το «POWER» της υπόθεσης είναι ότι ένας από αυτούς τους δύο πρόσθετους χρόνους είναι χρόνος εκτόνωσης, δηλαδή χρόνος ισχύος, οπότε έχουμε τώρα δύο χρόνους εκτόνωσης/ισχύος! Για να ακολουθήσετε το κείμενο συνιστώ να ρίχνετε και ματιά στις συνοδευτικές φωτογραφίες, αλλά σε κάθε περίπτωση ο ευκολότερος τρόπος να σκεφτεί κάποιος αυτόν τον κινητήρα είναι ότι συνδυάζει έναν τετράχρονο και έναν δίχρονο κινητήρα μαζί πακέτο.

Ας εξετάσουμε λοιπόν τους έξι διακριτούς χρόνους αυτού του περίεργου κινητήρα των Γερμανών, όπου επιγραμματικά οι τρεις πρώτοι χρόνοι έχουν εισαγωγή-συμπίεση-εκτόνωση, όπως ένας τετράχρονος κινητήρας, μετά μεταβαίνουμε ουσιαστικά σε κύκλο δίχρονου κινητήρα όπου έχουμε πάλι δεύτερη συμπίεση και τη δεύτερη εκτόνωση και στη συνέχεια τελειώνουμε με τον χρόνο της εξαγωγής, ολοκληρώνοντας τόσο τον «4-χρόνο» κύκλο που ανοίξαμε και του έλειπε ο τέταρτος χρόνος όσο και τον εν λόγω 6-χρονο κύκλο συνολικά του κινητήρα.

Αφού λοιπόν έχουμε ουσιαστικά έναν τετράχρονο κινητήρα συν έναν δίχρονο, που μαζί φτιάχνουν αυτόν τον εξάχρονο κινητήρα, σίγουρα θα πει κανείς «αφού έχουμε μόνο έναν χρόνο εισαγωγής, πού στο καλό θα βρούμε τον αέρα για τη δεύτερη εκτόνωση;;;».

Πάμε λοιπόν να δούμε αυτούς τους έξι χρόνους με περισσότερες λεπτομέρειες τώρα. Μία από τις κρίσιμες διαφορές που πρέπει να καταλάβουμε είναι ότι ενώ με έναν τυπικό τετράχρονο κινητήρα έχουμε ένα μόνο Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) στο οποίο φτάνει το έμβολο στη κορυφή της διαδρομής του και μετά έχουμε ένα μόνο Κάτω Νεκρό Σημείο (ΚΝΣ) στο οποίο φτάνει το έμβολο στο χαμηλότερο σημείο της διαδρομής του, με το έμβολο να μπορεί να ταξιδεύει μεταξύ ΑΝΣ και ΚΝΣ, εδώ έχουμε ΔΥΟ ΑΝΣ και ΔΥΟ ΚΝΣ.

Στη πρώτη φάση, την φάση της εισαγωγής, ξεκινάμε από το πιο χαμηλό από τα δύο ΑΝΣ και τραβάμε τον καθαρό αέρα και το καύσιμο και στη συνέχεια κατεβαίνει το έμβολο μόνο μέχρι το πρώτο κατά σειρά (το πιο ψηλά στη διαδρομή) ΚΝΣ όπου εξακολουθεί το έμβολο να μπλοκάρει τη θυρίδα (γουστάρω δίχρονη ορολογία-διάταξη!) στο κάτω μέρος του κυλίνδρου και στη συνέχεια ανεβαίνοντας πάλι προς τα πάνω το έμβολο συμπιέζει τον αέρα και το καύσιμο μέχρι το πιο πάνω-ψηλό από τα δύο ΑΝΣ. Ο χρόνος της εκτόνωσης τώρα μετά τον σπινθήρα του μπουζί ξεκινά με το έμβολο να κατεβαίνει μέχρι και το δεύτερο (πιο χαμηλό) ΚΝΣ: μόλις το έμβολο φτάσει σε αυτό το δεύτερο ΚΝΣ, έχουμε τώρα την εισαγωγή φρέσκου ​​αέρα που εισέρχεται από τις «δίχρονες» θυρίδες στο πλάι του κάτω μέρος του θαλάμου καύσης.

Η μικρή απόσταση/υψομετρική διαφορά μεταξύ των δύο ΚΝΣ είναι αυτή που επιτρέπει στον φρέσκο αέρα να μπει στον κύλινδρο, ώστε κατά την δεύτερη συμπίεση που ακολουθεί (τέταρτος από τους έξι συνολικά χρόνους) και αφού έχει ανοίξει η βαλβίδα εξαγωγής, να επιτρέπονται στα καυσαέρια της πρώτης εκτόνωσης (τρίτος από τους έξι συνολικά χρόνους) να διαφύγουν προς την εξάτμιση (scavenging κυλίνδρου, δηλαδή, αγαπητοί μου δίχρονοι φίλοι). Στο δεύτερο χρόνο εκτόνωσης τώρα (πέμπτος από τους έξι συνολικά χρόνους) το έμβολο κατεβαίνει μέχρι το πρώτο ΚΝΣ, οπότε όχι μέχρι τέρμα κάτω και έτσι δεν αποκαλύπτονται οι θυρίδες. Στη συνέχεια φυσικά σπρώχνονται όλα τα καυσαέρια έξω από τη βαλβίδα εξαγωγής (έκτος από τους έξι συνολικά χρόνους).

Το μεγάλο “ουάου” με αυτόν τον κινητήρα της Porsche είναι ότι μεταβάλλεται το πόσο το έμβολο ταξιδεύει πάνω-κάτω, έχουμε δηλαδή μεταβλητή διαδρομή. Καλά, θα ρωτήσετε, ωραία όλα αυτά με τα τέσσερα νεκρά σημεία, αλλά αυτή η ιστορία δεν αλλάζει την σχέση συμπίεσης κατά τις δύο φάσεις συμπίεσης αφού το έμβολο δεν έχει σταθερό μήκος διαδρομής στο πάνω-κάτω..;;; Η Porsche εδώ έχει προσπαθήσει ο όλος μηχανισμός να διατηρεί την ίδια δυναμική συμπίεση και στις δύο περιπτώσεις-χρόνους, μέσω επιλογής συγκεκριμένης θέσης στις θυρίδες και τον χρονισμό της βαλβίδας εξαγωγής ακριβώς γι’ αυτόν τον λόγο.

Ακριβώς πώς αυτό θα λειτουργεί δεν είναι 100% σαφές στο κείμενο της πατέντας που αναφέραμε: μακάρι να το δούμε στη παραγωγή για να μάθουμε επακριβώς όλες τις λεπτομέρειες…

Το σίγουρο είναι ότι η πατέντα της Porsche επιτρέπει σε αυτόν τον κινητήρα να είναι βενζίνης ή ντίζελ και να υπάρχουν πολλές διαφορετικές μέθοδοι ψεκασμού καυσίμου. Κι ενώ η Porsche προτείνει ότι ο αριθμός κυλίνδρων θα πρέπει να είναι πολλαπλάσιο του τρία, ένα τέτοιο μοτέρ θα μπορούσε κάλλιστα να είναι με τους κυλίνδρους σε σειρά, σε V ή ακόμα και σε W, ενώ φυσικά μιας και μιλάμε για Porsche, επίπεδος 6κύλινδρος ή ακόμα και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε έναν μικρότερο τρικύλινδρο π.χ. σε συνοδευτικό θερμικό κινητήρα υβριδικού συστήματος. Ποτέ μην λες ποτέ…

Πώς μηχανικά πετυχαίνουμε τα τέσσερα ΑΝΣ/ΚΝΣ

Το μεγάλο ερώτημα είναι πώς πραγματικά δημιουργούνται αυτά τα δύο διαφορετικά ΑΝΣ και δύο διαφορετικά ΚΝΣ. Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας αυτό που ονομάζεται «υποκυκλοειδές συγκρότημα στροφάλου», όπου μέσα στο συγκρότημα στροφάλου έχουμε ένα εξωτερικό γρανάζι και περιστρεφόμενο μέσα του είναι ένα εσωτερικό γρανάζι. Καθώς αυτό το εσωτερικό γρανάζι περιστρέφεται με κυκλική κίνηση, το κέντρο του κινεί τον στροφαλοφόρο άξονα ακριβώς όπως θα γινόταν σε οποιονδήποτε άλλο εμβολοφόρο κινητήρα, ωστόσο εκεί που διαφέρει αυτή η σχεδίαση της Porsche είναι ότι η μπιέλα συνδέεται με έναν άλλο δεύτερο εσωτερικό κύκλο στη διάταξη που μετατοπίζεται από το κέντρο του εσωτερικού γραναζιού, έτσι ενώ η περιστροφή του στρόφαλου είναι κυκλική, η μπιέλα ακολουθεί μονοπάτι που ονομάζεται “υποκυκλοειδές”. To συνολικό σχήμα της τροχιάς αυτής μοιάζει σε κάτι μεταξύ ηλεκτρονίων ατόμου και λουλουδιού, όποτε για να χαρείτε σας παραπέμπω στο σχετικό συνοδευτικό σχήμα για να πάρετε μία ιδέα περί τίνος πρόκειται!

Τα καλά…

Ένα από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του εξάχρονου κινητήρα είναι η βελτιωμένη θερμική του απόδοση. Αξιοποιώντας την απορριπτόμενη θερμότητα για να δημιουργήσει έναν πρόσθετο χρόνο ισχύος, ο κινητήρας μπορεί να μετατρέψει περισσότερη από την ενέργεια του καυσίμου σε ωφέλιμο έργο.

Η ικανότητα ενός κινητήρα να εξάγει περισσότερη ενέργεια από τη διαδικασία καύσης μεταφράζεται επίσης σε μειωμένες εκπομπές ρύπων. Με την πιο ολοκληρωμένη και αποτελεσματική καύση του καυσίμου, ο κινητήρας παράγει λιγότερα επιβλαβή υποπροϊόντα, όπως μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και άκαυστους υδρογονάνθρακες (HC). Επιπλέον, σε συνδυασμό με την χρήση water-injection, όπως είχαν κάνει άλλες πατέντες εξάχρονων κινητήρων (αλλά στις οποίες η Porsche δεν κάνει κάποια αναφορά), θα μπορούσε να επιτευχθεί και μείωση των εκπομπών οξειδίου του αζώτου (NOx), που συμβάλλει σημαντικά στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Η διαδικασία έγχυσης νερού ψύχει τον θάλαμο καύσης, μειώνοντας το σχηματισμό NOx, το οποίο παράγεται σε υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, ο δεύτερος χρόνος εκτόνωσης διασφαλίζει ότι καίγεται περισσότερο καύσιμο, μειώνοντας την ποσότητα των άκαυστων υδρογονανθράκων και των σωματιδίων στα καυσαέρια.

Ο δεύτερος χρόνος εκτόνωσης-ισχύος παρέχει φυσικά μια πρόσθετη ώθηση στην μέγιστη ισχύ του κινητήρα: υπολογίζεται ότι μπορεί να έχουμε περίπου 23% αύξηση ισχύος έναντι ενός αντίστοιχου τετράχρονου.

Αυτό σημαίνει ότι ένας εξάχρονος κινητήρας μπορεί να προσφέρει περισσότερη ισχύ από έναν δεδομένου κυβισμού παραδοσιακό τετράχρονο κινητήρα και για οχήματα υψηλών επιδόσεων, όπως αυτά που παράγει η Porsche, αυτό είναι κομβικό αφού υπάρχει δυναμική για περισσότερη ισχύ χωρίς να αυξάνει το φυσικό μέγεθος του κινητήρα τόσο σε κυλινδρισμό όσο και σε εξωτερικές διαστάσεις χωροταξικά. Αυτό είναι ιδιαίτερα ωφέλιμο σε εφαρμογές σπορ αυτοκινήτων, όπου ο χώρος και το βάρος είναι κρίσιμα ζητήματα.

Σε ένα υβριδικό σύστημα, επίσης, ο εξάχρονος κινητήρας θα μπορούσε να λειτουργεί παράλληλα με έναν ηλεκτροκινητήρα: ο συνδυασμός του εξάχρονου κινητήρα και ενός ηλεκτροκινητήρα θα μπορούσε να προσφέρει την αυτονομία ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης με την απόδοση και τα περιβαλλοντικά οφέλη ενός ηλεκτρικού οχήματος.

Και τώρα τα (μάλλον…) κακά…

Μία από τις κύριες προκλήσεις που σχετίζονται με τον εξάχρονο κινητήρα είναι η σημαντικά αυξημένη πολυπλοκότητά του. Η προσθήκη δύο επιπλέον χρόνων-διαδρομών, μαζί με τα απαραίτητα εξαρτήματα, όπως το σύστημα στροφάλου που περιγράψαμε και οι προηγμένοι μηχανισμοί χρονισμού βαλβίδων, κάνουν τον κινητήρα πιο περίπλοκο στη σχεδίαση, την κατασκευή και φυσικά τη συντήρηση. Αυτή η πολυπλοκότητα μεταφράζεται σε υψηλότερο κόστος παραγωγής, περιορίζοντας ενδεχομένως την υιοθέτηση του κινητήρα σε οχήματα μαζικής παραγωγής. Η πολυπλοκότητα του εξάχρονου κινητήρα παρουσιάζει επίσης προκλήσεις όσον αφορά την κατασκευή και τη συναρμολόγηση.

Η χρήση υλικών υψηλής αντοχής και προηγμένων συστημάτων θερμικής διαχείρισης από την Porsche είναι δεδομένη, αλλά σίγουρα για να πάμε από την πατέντα αυτή που συζητάμε σε μαζική παραγωγή με λογικά κόστη, θα απαιτηθούν περαιτέρω δοκιμές και ανάπτυξη για την αντιμετώπιση των «ανησυχιών». Οι υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις που σχετίζονται με τον εξάχρονο κύκλο επίσης θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε αυξημένη φθορά στα εξαρτήματα του κινητήρα, ιδιαίτερα στο έμβολο, στα τοιχώματα του κυλίνδρου και στις βαλβίδες.

Ένα άλλο θέμα που δεν ξέρουμε ακριβώς πώς θα εξελιχτεί είναι οι εκπομπές ρύπων όσον αφορά συγκεκριμένα το «δίχρονο» μέρος του όλου κύκλου όπου κατά τα γνωστά οι εκπομπές είναι «δύσκολες» για τους δίχρονους κινητήρες. Ένα από τα πλεονεκτήματα του κινητήρα της Porsche είναι ότι εδώ φυσικά δεν ψεκάζουμε λάδι μαζί με το καύσιμο για να λιπαίνουμε τα τοιχώματα του κυλίνδρου, όπως κάνουμε σε έναν κλασικό δίχρονο κινητήρα, ωστόσο έχουμε ακόμα πολλά από τα στοιχεία του δίχρονου κινητήρα, οπότε οι εκπομπές ρύπων θα πρέπει να μπορούν να εξαλειφθούν μέσω της καθαρής και πλήρους καύσης του μείγματος καυσίμου.

Άλλη μία πρόκληση είναι η κραδασμοί-συντονισμοί και επομένως το ζύγισμα-balancing του στροφάλου και όλου του κινητήρα. Η Porsche αναφέρει ότι ο κινητήρας πρέπει να έχει πλήθος κυλίνδρων ως πολλαπλάσιο των τριών και αυτό σίγουρα έχει να κάνει και με αυτό το ζήτημα.

Ένας τετράχρονος κινητήρας δίνει 720 διά τέσσερα = ανάφλεξη κάθε 180 μοίρες περιστροφής του στροφαλοφόρου, κι έτσι έχουμε πολύ ομοιόμορφο-ομαλό διάστημα πυροδότησης των κυλίνδρων. Ένα από τα θέματα με αυτόν τον κινητήρα της Porsche είναι ότι η ισχύς στα ΑΝΣ εδώ δεν είναι στην πραγματικότητα ευθυγραμμισμένα με τις «στρογγυλές» 360° και 720° του στρόφαλου όπως είδαμε. Αν για παράδειγμα πούμε ότι έχουμε έναν τρικύλινδρο κινητήρα, έχουμε συνολικά 360 επί τρία = 1080 μοίρες περιστροφή του στρόφαλου και πρέπει να έχουμε έξι χρόνους εκτόνωσης μέσα σε αυτές, έτσι ώστε κάθε 1080 / 6 = 180 μοίρες να έχουμε ανάφλεξη: ούτε εδώ όμως θα είναι ακριβώς 180 μοίρες για τους λόγους που εξηγήσαμε πάνω σχετικά με τα διαφορετικά ΑΝΣ/ΚΝΣ. Το σίγουρο είναι ότι ένα τέτοιο μοτέρ θα έχει μοναδικό ήχο που δεν έχουμε ποτέ μας φανταστεί από τα «απλά» τετράχρονα!

Επιπλέον, το ενδεχόμενο επιπλέον σύστημα water-injection αν επιλεχθεί θα μπορούσε να δημιουργήσει νέες προκλήσεις, όπως η διάβρωση. Η Porsche σίγουρα θα χρειαστεί να πραγματοποιήσει εκτεταμένες δοκιμές για να διασφαλίσει ότι ο εξάχρονος κινητήρας μπορεί να αντέξει υπό όλες τις συνθήκες και να προσφέρει αξιόπιστη απόδοση κατά τη διάρκεια ζωής του οχήματος, οπότε μην ορκίζεστε ότι από την θεωρία στην πράξη θα περάσουμε «αύριο το πρωί».

Θα βγει στο μέλλον..;;

Ο εξάχρονος κινητήρας της Porsche έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση όχι μόνο στην αυτοκινητοβιομηχανία αλλά και σε άλλους τομείς που βασίζονται σε κινητήρες εσωτερικής καύσης. Δεδομένης της εστίασης της Porsche σε οχήματα υψηλών επιδόσεων, ο εξάχρονος κινητήρας θα μπορούσε να γίνει σήμα κατατεθέν των μελλοντικών μοντέλων της μάρκας: ας δούμε αν τελικά θα καταλήξει στην παραγωγή και αν ναι, με ποια ακριβώς μορφή. Σε κάθε περίπτωση εμείς εδώ θα είμαστε να σας τα κάνουμε πιο λιανά…