Tech Corner: Κινητήρες Volkswagen 1.0TSI

Tech Corner: Κινητήρες Volkswagen 1.0TSI

Στην κορυφή της τεχνολογίας Εδώ και αρκετά χρόνια, το όνομα TSI είναι συνώνυμο του downsizing. Οι κινητήρες αυτής της σειράς έχουν σαν κύριο χαρακτηριστικό την υψηλή απόδοση που μέχρι πρότινος μπορούσαμε να πάρουμε μόνο από κινητήρες μεγαλύτερης χωρητικότητας, αλλά παράλληλα συνδυάζουν την εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση καυσίμου και το χαμηλό βάρος. Το μικρότερο -σε κυβισμό- μέλος σε αυτήν τη νέα οικογένεια κινητήρων, με την κωδική ονομασία ΕΑ211, είναι ο τρικύλινδρος TSI 1.0lt, ο οποίος στο VW UP! GTi απέσπασε τον τίτλο του κινητήρα της χρονιάς, το 2018 που παρουσιάστηκε. Στο διαγωνισμό ψηφίζουν κορυφαίοι δημοσιογράφοι απ’ όλον τον κόσμο και ο 1.0lt TSI κέρδισε τον τίτλο επάξια, αφού με τα 115Ps, που αποδίδει, καταφέρνει να χαρίσει εξαιρετικές επιδόσεις στο μικρό UP!, διατηρώντας μια εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση καυσίμου, ενώ ταυτόχρονα καλύπτει τις τελευταίες και αυστηρότατες προδιαγραφές ρύπων EU 6AG (Euro 6d-TEMP). Διαθέτει υπερσυμπιεστή με ηλεκτρικό wastegate actuator, πολλαπλή εισαγωγής με ενσωματωμένο chargecooler και πολλαπλή εξαγωγής ενσωματωμένη στην κυλινδροκεφαλή για να μπορεί να είναι υδρόψυκτη, μειώνοντας τη θερμοκρασία των καυσαερίων και αυξάνοντας τη διάρκεια ζωής του υπερσυμπιεστή. Η τροφοδοσία γίνεται φυσικά με άμεσο ψεκασμό με ένα μπεκ σε κάθε κύλινδρο και πίεση που φτάνει μέχρι τα 250bar. Χάρη σε αυτές τις προδιαγραφές αποδίδει 85 και 95Ps στις Low Power εκδόσεις και 115Ps στις High Power εκδόσεις, μεταξύ 5.000 και 5.500rpm, με πολύ υψηλή ροπή των 20,4kgm από τις 2,000rpm μέχρι τις 3.500rpm, νούμερα που σε τρικύλινδρο κινητήρα 999cc πριν μερικά χρόνια θα συνοδεύονταν από τιμές εκπομπών καυσαερίων αντίστοιχες ενός ατμοσφαιρικού δίλιτρου. Στην περίπτωση του 1.0TSI, όμως, ο πρωταρχικός στόχος της Volkswagen ήταν η χαμηλή κατανάλωση και οι χαμηλές εκπομπές ρύπων. Αυτό ήταν ένα δύσκολο εγχείρημα και για να επιτευχθεί χρειάστηκαν αρκετές μηχανικές και τεχνολογικές λύσεις, όπως τα πιεζοηλεκτρικά μπεκ των πέντε οπών, η αντλία βενζίνης υπέρ-υψηλής πίεσης, ο νέος υπερσυμπιεστής, η «ψαγμένη» κατασκευή του κινητήρα και φυσικά ο έλεγχος και το φιλτράρισμα των καυσαερίων στην εξάτμιση. Ας τις δούμε όμως πιο αναλυτικά, γιατί πραγματικά αξίζει σαν γνώση για το που κινούνται πλέον οι σύγχρονοι βενζινοκινητήρες.

Πρωτοποριακός!

Ξεκινώντας από τη δομή του, που αποτελείται από ένα μπλοκ κατασκευασμένο από die-cast αλουμίνιο με βάρος μόλις 15kg, ο τρικύλινδρος TSI, στα 89kg συνολικού βάρους, είναι 10kg ελαφρύτερος από έναν αντίστοιχο τετρακύλινδρο! Αυτή η διαφορά δεν οφείλεται μόνο στην έλλειψη ενός κυλίνδρου, αλλά σε μια εκτεταμένη «δίαιτα» σε όλα τα μέρη από τα οποία αποτελείται ο κινητήρας. Για παράδειγμα, ο στρόφαλος, οι  σφυρήλατες μπιέλες και τα αλουμινένια έμβολα έχουν ζυγιστεί έτσι ώστε να μην είναι απαραίτητη η χρήση αντικραδασμικού άξονα και το ζύγισμα επιτυγχάνεται με τέσσερα μικρά αντίβαρα στο στρόφαλο, τα οποία φροντίζουν και για τη μείωση του φορτίου που δέχονται τα κουζινέτα, αυξάνοντας τη διάρκεια ζωής τους, αλλά και μειώνοντας τις τριβές προς όφελος της κατανάλωσης. Τα χιτώνια των κυλίνδρων είναι κατασκευασμένα από χυτοσίδηρο για μεγαλύτερη αντοχή στους κραδασμούς και την παραμόρφωση, επιτρέποντας την open deck κατασκευή στο πάνω μέρος του μπλοκ, που είναι η ιδανική για τον έλεγχο της θερμοκρασίας. Σε ένα σύγχρονο κινητήρα, όπως ο 1,0lt TSI, ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι παραπάνω από κρίσιμος για τις εκπομπές ρύπων και εδώ οι μηχανικοί έρχονται αντιμέτωποι με ένα δύσκολο γρίφο. Πρέπει να συνδυάσουν το γρήγορο ζέσταμα για την όσο το δυνατόν ταχύτερη θέρμανση του καταλύτη και την ομαλοποίηση της καύσης με την αποτελεσματική ψύξη. Θέλουν δηλαδή έναν κινητήρα που να ζεσταίνεται αμέσως το πρωί, χωρίς να είναι μετά δύσκολο να διατηρήσει τη θερμοκρασία λειτουργίας σε ασφαλή επίπεδα. Εδώ λοιπόν η λύση είναι κάπως πολύπλοκη. Για το γρήγορο ζέσταμα του κινητήρα, η πολλαπλή εξαγωγής είναι ενσωματωμένη στην κυλινδροκεφαλή και έχει δική της, ξεχωριστή παροχή ψυκτικού υγρού, το οποίο φτάνει γρήγορα σε υψηλή θερμοκρασία κατά την εκκίνηση, ενώ παράλληλα μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία των καυσαερίων όταν θα απαιτηθεί. Για να γίνει αυτό, όπως καταλαβαίνετε, χρειάζεται διπλό κύκλωμα ψύξης και δύο θερμοστάτες, οι οποίοι, όταν ο κινητήρας έρθει σε κανονική θερμοκρασία λειτουργίας, διατηρούν την κεφαλή πιο δροσερή από το μπλοκ. Αυτά τα δύο κυκλώματα διαθέτουν μία κανονική μηχανική αντλία νερού, ενώ υπάρχει και τρίτο κύκλωμα ψύξης, χαμηλής πίεσης, με ηλεκτρική αντλία νερού για την ψύξη του υδρόψυκτου intercooler (chargecooler) και του κελύφους του συμπιεστή. Το καλοριφέρ βρίσκεται στο κύκλωμα της κυλινδροκεφαλής που ζεσταίνεται πρώτο για άμεση παροχή ζεστού αέρα τον χειμώνα. Η χρήση του υδρόψυκτου intercooler -που είναι ενσωματωμένο στην πολλαπλή εισαγωγής- δίνει το πλεονέκτημα της ελάχιστης δυνατής διαδρομής του εισερχόμενου αέρα από το turbo στην πεταλούδα, μειώνοντας την καθυστέρηση στην απόκριση. Σε αυτό φυσικά συμβάλλει και ο μικρός -σε μέγεθος- υπερσυμπιεστής, που χάρη στον έξυπνο σχεδιασμό της πολλαπλής εξαγωγής μέσα στην κυλινδροκεφαλή και της χρήσης του ηλεκτρικού wastegate, μπορεί να έχει άμεση απόκριση από χαμηλές στροφές, όταν αυτό είναι εντελώς κλειστό, παράλληλα με την ελεύθερη αναπνοή του κινητήρα, όταν είναι εντελώς ανοιχτό. Αυτό βέβαια κάνουν όλα τα wastegates που γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, μόνο που το ηλεκτρικό έχει μεγαλύτερη αμεσότητα, ταχύτητα απόκρισης και ακρίβεια στον έλεγχο της πίεσης σε όλο το φάσμα των στροφών κι έτσι διατηρεί σταθερή πίεση μέχρι και 1,6bar, από τις χαμηλές στροφές μέχρι τον κόφτη. Η κυλινδροκεφαλή είναι και αυτή αλουμινένια και  κατασκευασμένη με τη μέθοδο του pressure casting και μάλιστα είναι «κλεισμένη» μαζί με τους εκκεντροφόρους, κάτι που σημαίνει ότι οι εκκεντροφόροι δεν βγαίνουν από την κεφαλή, αποτελώντας μέρος του συνολικού πρωτοποριακού σχεδιασμού του κινητήρα για τη μείωση των τριβών. Οι εκκεντροφόροι διαθέτουν και οι δύο μεταβλητό χρονισμό, με 50 μοίρες για την εισαγωγή και 40 μοίρες για την εξαγωγή, κάτι που έχει σαν αποτέλεσμα ένα μεγάλο εύρος ρυθμίσεων για ροπή στις χαμηλές στροφές λειτουργίας και τη μέγιστη απόδοση στις υψηλές. Κίνηση παίρνουν από έναν οδοντωτό ιμάντα που δεν χρειάζεται ποτέ αλλαγή και δίνει το πλεονέκτημα της χαμηλής τριβής και των ελάχιστων απωλειών σε σχέση με την -μεταλλική- καδένα. Μεγάλη μείωση των απωλειών επιτυγχάνεται και με τη χρήση αντλίας λαδιού συνεχούς μεταβαλλόμενης πίεσης. Η αντλία αυτή μπορεί να αλλάζει συνεχώς την παροχή και την πίεση του λαδιού αναλόγως με τις στροφές και το φορτίο του κινητήρα, παρέχοντας την απαιτούμενη ποσότητα λιπαντικού, χωρίς να δίνει ούτε περισσότερο απ’ όσο χρειάζεται ούτε φυσικά λιγότερο. Αυτό, εκτός από το πλεονέκτημα των μειωμένων απωλειών σε ενέργεια που απαιτείται για την περιστροφή της, δίνει και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής στο λιπαντικό, που δεν κυκλοφορεί άσκοπα μέσα στον κινητήρα, αυξάνοντας τη διάρκεια ζωής του.   

Μικρός, αλλά θαυματουργός

Όλες αυτές οι τεχνολογίες, που προαναφέραμε, μαζί με αρκετές ακόμα, μικρότερες, σε κάθε τομέα του κινητήρα συνθέτουν ένα αποτέλεσμα ιδιαίτερα εντυπωσιακό. Έναν κινητήρα μικρό σε μέγεθος και βάρος, αλλά από τους πιο αποδοτικούς που υπάρχουν. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της σωστής εκμετάλλευσης χώρου είναι και η έξυπνη τοποθέτηση των περιφερειακών του εξαρτημάτων, όπως η αντλία νερού, ο συμπιεστής του κλιματισμού και το alternator, που είναι βιδωμένα απευθείας στο μπλοκ και το κάρτερ, χωρίς επιπρόσθετες βάσεις. Όλα αυτά, σε συνδυασμό με την εξαιρετικά αποδοτική διαχείριση καυσίμου από το σύστημα ψεκασμού με την πίεση των 250bar, τους αυλούς εισαγωγής, που επιταχύνουν τον εισερχόμενο αέρα και τον κατευθύνουν με τέτοιον τρόπο στο θάλαμο καύσης, ώστε να επιτυγχάνεται η ιδανική ανάμειξη του αέρα με το καύσιμο και τα μπεκ, που μπορούν να κάνουν ακόμα και τρεις φάσεις ψεκασμού σε κάθε κύκλο, δίνουν τη δυνατότητα για εξαιρετικά αυξημένη θερμοδυναμική απόδοση σε όλο το φάσμα λειτουργίας του κινητήρα, που έχει ως αντίκτυπο την υψηλή εκμετάλλευση των θερμίδων του καυσίμου προς όφελος της απόδοσης και της κατανάλωσης. Μαζί με τα παραπάνω αναλογικά ακολουθούν και οι χαμηλές εκπομπές καυσαερίων, αποτέλεσμα της ιδανικής καύσης, με τα σωματίδια να φιλτράρονται επιπροσθέτως και στο σύστημα εξαγωγής από έναν τετραοδικό καταλύτη, με ενσωματωμένο φίλτρο μικροσωματιδίων OPF (Otto Particle Filter) σαν αυτό που έχουν οι diesel, αλλά για βενζινοκινητήρες, που συγκρατεί το 95% των σωματιδίων που παράγονται κατά την καύση, καθώς και από ένα δεύτερο, τριοδικό καταλύτη μετά από αυτόν, λίγο πιο κάτω στην εξάτμιση. Έτσι, ακόμα και στα πιο υψηλά φορτία, ο 1.0lt TSI υπερκαλύπτει τις προδιαγραφές ρύπων  Euro 6d-TEMP, αλλά και τις απαιτήσεις των δοκιμών σε κανονικές συνθήκες οδήγησης του αυστηρού πλέον WLTP. Για όλα υπάρχουν λοιπόν λύσεις και αυτό είναι καλό για εμάς τους φίλους της τεχνολογίας και των κινητήρων εσωτερικής καύσης, γιατί οι μάχες που έχουν να δώσουν στο άμεσο μέλλον για να αποδείξουν ότι μπορούν να ανταγωνιστούν σε ενεργειακό αποτύπωμα τους ηλεκτροκινητήρες θα είναι σκληρές.

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 1.0TSI

ΤΥΠΟΣ Τρικύλινδρος σε σειρά, με μπλοκ και κυλινδροκεφαλή από αλουμίνιο, 4 βαλβίδες ανά κύλινδρο και μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής

ΚΥΒΙΣΜΟΣ (cc) 999

ΔΙΑΜΕΤΡΟΣ x ΔΙΑΔΡΟΜΗ (mm) 74,5 x 76,4

ΣΧΕΣΗ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ 10,5:1

ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ Άμεσος ψεκασμός καυσίμου με πίεση μέχρι 250bar, υπερτροφοδότης καυσαερίων με chargecooler και ηλεκτρονικά ελεγχόμενη wastegate

ΛΙΠΑΝΣΗ Ηλεκτρονικά ελεγχόμενη αντλία λαδιού μεταβλητής ροής με πίεση μέχρι 3,3bar

ECU Bosch Motronic ME17.5.21

ΒΑΡΟΣ 89kg

ΙΠΠΟΔΥΝΑΜΗ (Ps/rpm) 85-115/5.000-5.500

ΡΟΠΗ (Kgm/rpm) 17,8-20,4/2.000-3.500 

 

Αρθρογράφος