DIESEL PART ΙI

Πως στο καλό καίγεται το diesel?

Ως γνωστόν από τους πιο «κοντινούς» μας κινητήρες, τους βενζινοκινητήρες («Ottomotor» που λένε και οι Γερμαναράδες εδώ), δεν είναι ποτέ σίγουρο πως θα καταφέρει να καεί ολόκληρη η ποσότητα καυσίμου που σπρώχνουμε στους κυλίνδρους, δημιουργώντας έτσι μία «ακούσια περίσσια». Αν λοιπόν αυτό αποτελεί «θέμα» όταν έχεις μπουζί για να σου ξεκινήσει την καύση, καταλαβαίνει κανείς πόσο σοβαρότερη γίνεται η κατάσταση όταν το καύσιμο πρέπει να αυταναφλεγεί: για να υπάρξει η επιθυμητή ποιότητα καύσης απαιτούνται συγκεκριμένα χαρακτριστικά μείγματος. Σε πρώτη φάση, θα πρέπει το μείγμα να είναι όσο το δυνατό πιο ομογενοποιημένο σε όλη τη μάζα του και ο καλύτερος τρόπος για να λάβει αυτό χώρα ακούει στο όνομα «τυρβώδης ροή» (στροβιλισμός). Μέσω αυτού επηρεάζεται αισθητά ο χρόνος που απαιτεί το πρώτο στάδιο καύσης, που όπως είδαμε τον προηγούμενο μήνα επηρεάζει κυρίως το στροφάρισμα ενός diesel. Πως πετυχαίνουμε κατά βάση τον στροβιλισμό των συστατικών μείγματος? Πρώτον με την ειδική σχεδίαση των αυλών εισαγωγής του αέρα στην κεφαλή και δεύτερον με την ρύθμιση της «βεντάλιας» ψεκασμού των μπεκ, δηλαδή τον σχεδιασμό των οπών ψεκασμού καυσίμου ως προς της διατάξη και το μέγεθος τους. Οι «ειδικές» για καύση πετρελαίου κεφαλές και μπεκ βοηθούν αφενός στην εκκίνηση του μετώπου της φλόγας και αφετέρου στην σωστή διάδοση της. Και αν όλα αυτά δεν πάνε καλά και έχουμε «κακή» καύση? Σε αυτό το σενάριο ενώ στους βενζινοκινητήρες τρέμουμε την εμφάνιση των γνωστών πειρακίων η παρουσία των οποίων δηλώνεται ευθαρσώς από το αντίστοιχο μεταλλικό κροτάλισμα, στους diesel η αντίστοιχη κατάσταση, παρόλο που και πάλι κρουστική καύση αφορά, δεν έχει ίδια «βαρύτητα». Έτσι, αν το πρώτο στάδιο της καύσης αργήσει περισσότερο επειδή δεν καταφέραμε να έχουμε ανάφλεξη, στον κύλινδρο θα μαζευτεί άκαυστο μείγμα αυξανόμενης ποσότητας μιας και το μπεκ όπως είδαμε θα συνεχίσει κανονικά τον ψεκασμό. Τελικά όμως σε κάποια φάση η συσσώρευση αυτή μείγματος θα είναι ικανή να δώσει ανάφλεξη, αυξάνοντας απότομα την πίεση στο εσωτερικό και καταπονώντας τα εντόσθια του μοτέρ. Η καθυστέρηση αυτής της ανάφλεξης λοιπόν πρέπει να εξαλειφθεί όσον το δυνατόν, είτε μέσω «θερμοδυναμικών τακτικών» (αύξηση της πίεσης και της θερμοκρασίας που θα διεγείρουν την αυτανάφλεξη) είτε μέσω «ρευστομηχανικών όπλων» όπως είναι μία περισσότερη δόση στροβιλισμού του μείγματος. Ο υψηλός αριθμός κετανίου που είδαμε στο Part I, είναι ένας τρόπος επίτευξης αυτανάφλεξης πιο νωρίς (σε μικρότερη θερμοκρασία) αλλά από μόνος του δεν αρκεί: ο προαναφερθής σχεδιασμός του θαλάμου καύσης είναι εν τέλει ο ακρογωνιαίος λίθος.

Ο παραδοσιακός τρόπος: έμμεσος ψεκασμός και «διπλός» θά­λά­μος καύ­σης

Μπορεί οι πετρελαιοκινητήρες να απέκτησαν τον άμεσο ψεκασμό που θα δούμε λίγο πιο μετά πολύ νωρίτερα από τους βενζινοκινητήρες, όμως δεν ήταν πάντα έτσι τα πράγματα. Κάποτε, και περισσότερο σε επαγγελματικά οχήματα, οι έμμεσα ψεκαστοί diesel ήταν ο κανόνας, ενώ ακόμα και σήμερα έτσι λειτουργούν οι μικρότεροι και “low badget“ εκπρόσωποι του είδους (π.χ. κινητήρες σε ATV). Αλλά ας τα πάρουμε από την αρχή τα πράγματα όσον αφορά την γενικώς «δύσκολη» καύση του πετρελαίου και τους δύο βασικούς τρόπους «αντιμετώπισης» της. Οι πετρελαιοκινητήρες έμμεσου ψεκασμού (έμμεσης έκχυσης καυσίμου εκτός κύριου θαλάμου καύσης) συνήθως διαθέτουν και δεύτερο θάλαμο εκτός του κυρίου, τον «προθάλαμο» (ή «αντιθάλαμο» σε άλλες βιβλιογραφίες). Λεωφορεία, φορτηγά και λοιπά τέρατα των δρόμων για δεκαετίες έκαναν χρήση κινητήρων με διπλό θάλαμο / προθάλαμο και για να σας προλάβω, μην συνδέεται την ύπαρξη προθαλάμου με τα ντουμάκια κάπνας: αν το υπουργείο ή ο φορτηγατζής τη λέξη «σέρβις» την λένε μόνο στο σερβιτόρο του σουβλατζίδικου, δεν φταίει ο προθάλαμος! Η ύπαρξη του προθάλαμου ξεκίνησε από την ανάγκη επιτάχυνσης της (δυναμικής) συμπίεσης, κάτι που υποβοηθάει το στροφάρισμα και κατ’ επέκταση και την αποδιδόμενη ισχύ. Ανάλογα με την γεωμετρία του προθαλάμου, αυτοί χωρίζονται τυπικά σε «προθαλάμους ανάμιξης» και «σε προθαλάμους συμπίεσης», αλλά και οι δύο ουσιαστικά έχουν τον έναν και αυτόν σκοπό: να προετοιμάσουν το μείγμα στροβιλίζοντας το ώστε αυτό να αποκτήσει βέλτιστα χαρακτηριστικά καύσης (ομογενοποίηση), να ξεκινήσει η καύση στο προθάλαμο και μετά να περάσει πιο γρήγορα και στον κυρίως θάλαμο «έτοιμη». Η Mercedes ασχολήθηκε παραδοσιακά με κινητήρες diesel δευτερεύοντος θαλάμου και μάλιστα τη δεκαετία του ’90 παρουσίασε και νέες διατάξεις ως προς τη γεωμετρία. Κατασκευαστικά, ο προθάλαμος διαθέτει διαφορετικά χαρακτηριστικά στα υλικά των εσωτερικών τοιχωμάτων του, τα οποία προσέδιδαν θερμική συμπεριφορά που επέτρεπε την συνεχή κατακράτηση θερμότητας κατά την φάση της συμπίεσης. Αυτό το γεγονός αφενός επιτάχυνε την έναυση της ανάφλεξης και αφετέρου δεν απαιτεί υπερακριβές σύστημα ψεκασμού γιανα λειτουργήσει: δεν απαιτείται η τρομακτική πίεση από τα μπεκ (100 bar είναι καλά...) που θα δούμε παρακάτω, οι οπές (ή η οπή, συνήθως αρκεί μία μόνο εδώ) του δεν πρέπει να έχουν διάμετρο δισεκατομμυριοστού της τρίχας και τα σταγονίδια του καυσίμου μόνο ατμοποιημένα δεν τα λες (πιο κοντα σε μπουγέλο φέρνουν). Και ενώ ένα τέτοιο επίπεδο ψεκασμού σε έναν σύγχρονο diesel θα ήταν απαράδεκτο και τελικά μη λειτουργίσιμο, σε κινητήρα με προθάλαμο το καύσιμο όσο χοντροκομμένο και να είναι, μόλις προσκρούσει στα τοιχώματα του προθαλάμου, εξατμίζεται παρ’ αυτά και αποτελεί τη μαγιά για την εξάπλωση της φλόγας σε όλον τον υπόλοιπο (κυρίως) θάλαμο. Πέραν της αξιοπιστίας τους από πλευράς αναγκών ποιότητας ξεκασμού, οι κινητήρες αυτοί επιπρόσθετα μπορούν να αναμίξουν (να κάψουν και άρα να αποδώσουν ανάλογα) πολύ μεγάλων σχετικά ποσοτήτων καυσίμου, παρόλο που η όλη θεωρία πίσω από την μετάδοση της φλόγας από τον ένα θάλαμο στον άλλο ρευστομηχανικά και θερμοδυναμικά είναι πολύπλοκη: είναι από τις περιπτώσεις που δεν «ρωτάς» πως δουλεύει, αλλά είσαι σίγουρος ότι δουλεύει. Φυσικά και έχουν μειονεκτήματα, διαφορετικά δεν θα είχαν παραχωρήσει σε τρόσο μεγάλο βαθμό την θέση τους στους diesel μονού θαλάμου. Γενικώς οι diesel έχουν θέμα με την κρύα εκκίνηση αφού δεν υπάρχει μπουζί (το θέμα της κρύας εκκίνησης θα το δούμε αναλυτικά παρακάτω), αλλά οι diesel με διπλό θάλαμο ειδικά, έχουν ακόμα εντονότερο: ο μεγάλος θάλαμος καύσης γενικώς συνεπάγεται μεγάλη συμπίεση ώστε η συνεπακόλουθη πίεση να αναφλέξει εύκολα το μείγμα (σχέσεις συμπίεσης άνω του 20:1 είναι συνήθεις σε τέτοια μοτέρ, τιμές μακριά από το βέλτιστο από πλευράς απόδοσης). Ακόμα, επειδή όπως είπαμε ο προθάλαμος κινείται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, (ακόμα και τα «χοντροειδή») μπεκ κινδυνεύουν με ζημιά και απαιτούν ειδικές προστατευτικές επικαλύψεις, ενώ σε κινητήρες diesel πολύ μεγάλου μεγέθους (βλ. θάλαττα θάλαττα), δεν αποδίδουν τα αναμενόμενα, αφού ο πολύ σημαντικός βαθμός απόδοσης σε τέτοιες εφαρμογές επηρεάζεται αρνητικά από τις απώλειες του προθαλάμου προς το σύστημα ψύξης (5-10% παραπάνω από κινητήρα απλού θαλάμου). Μία παραλλαγή του κινητήρα με δεύτερο θάλαμο, είναι ο κινητήρας με (μεγάλες) κοιλότητες στο έμβολο οι οποίοι παίζαν τον ρόλο του δύο μικρότερων υποθαλάμων στροβιλισμού και έναυσης καύσης. Σε μικρότερο βαθμό, τέτοιες κοιλότητες συναντάμε στους περισσότερους σύγχρονους diesel άμεσου ψεκασμού.

Άμεσα λέμε, άμεσα!

Όταν «απλουστεύσουμε» (μία κουβέντα είναι αυτό όπως θα δούμε σε επόμενες συνέχειες...) τον πετρελαιοκινητήρα ώστε να έχει έναν και θάλαμο καύσης, όπως δηλαδή και στα γνώριμα βενζινομοτέρ μας, πακέτο έχουμε και σύστημα άμεσου ψεκασμού: τα μπεκ ψεκάζουν α­πευ­θεί­ας μέ­σα στον κύ­λιν­δρο. Φυσικά όπως και στη περίπτωση του προθαλάμου, και εδώ ο σχεδιασμός του ενός και μοναδικού θαλάμου τόσο από την πλευρά της κυλινδροκεφαλής όσο και στην κορώνα του εμβόλου, έχει εξέχουσα σημασία. Η τύρβη και η περιστροφή του μείγματος και εδώ που επιφέρει η κάθε διαφορετική γεωμετρία που επιλέγει ο κατασκευαστής σε αυλούς και χαρακτηριστικά βαλβίδων εισαγωγής είναι εκ των ουκ άνευ, αλλά εδώ θα πρέπει να κάνουμε μία μεγάλη παρένθεση. Από κάποιο σημείο και μετά η τύρβη έχει αρνητική επίδραση στον βαθμό πλήρωσης του κινητήρα: η υπερβολική περιστροφή του μείγματος δεν είναι πανάκεια και τελικά πρέπει να βρεθεί η χρυσή τομή μεταξύ τύρβης και βαθμού πλήρωσης. Φυσικά το πέρασμα από τις διβάλβιδες κεφαλές στις τετραβάλβιδες ευνόησε θετικά το ισοζύγιο αυτό, αφού έδωσε τη δυνατότητα στους κατασκευαστές να πετύχουν περισσότερο τύρβη με λιγότερο κόστος σε πλήρωση. Πέραν τώρα της γεωμετρίας των αυλών και των βαλβίδων, τα τελευταία χρόνια όπως στους βενζινοκινητήρες έτσι και στα πετρέλαια, είναι πολύ της μόδας και οι εισαγωγές μεταβλητής γεωμετρίας ως προς την δίοδο και το μήκος της διαδρομής που ακολουθεί ο αέρας, αλλά επιπλέον συναντόνται συχνά και οι μικρές πεταλούδες στροβιλισμού του αέρα που συνηθίζουμε να αναφέρουμε με την ονομασία “tumble valves”. Φυσικά μεγάλη σημασία στην διάταξη άμεσου ψεκασμού δεν έχει μόνο η περιστροφή του εισερχόμενου αέρα στο σχηματισμό του μείγματος, αλλά και η ακτινική πορεία του προς τα έξω αφού «βρει» το έμβολο: εδώ η βεντάλια του μπεκ πρέπει να προσαρμόζεται ανάλογα και η κορώνα του εμβόλου είναι ανάλογως συμβατή (για πολύ περισσότερα επί αυτών σας παραπέμπω στην παλιότερη σειρά των εξειδικευμένων στων άμεσο ψεκασμό Know How μας!). Σε σχέση με τους κινητήρες έμμεσου ψεκασμού, οι άμεσου έχουν πιο ...ανθρώπινες σχέσεις συμπίεσης (κατά κανόνα κάτω από 20:1 και ενίοτε και κάτω από 15:1) και επίσης ελλέιψει προθαλάμου, η κυλινδροκεφαλή ενός άμεσα ψεκαστού είναι μικρότερη (και ελαφρύτερη). Μικρότερη κεφαλή σημαίνει λιγότερες θερμικές απώλειες, κάτι που εκτός από την ευρύτερη θερμοδυναμική απόδοση επηρεάζει θετικά και την διατήρηση μίας κάποιας θερμοκρασίας στο θάλαμο καύσης, υπεύθυνης για την ανάφλεξη του μείγματος.

Αέεεεεερα το πετρέλαιο

O άμεσος ψεκασμός έχει εδραιωθεί στους σύγχρονους diesel που κυρίως μας αφορούν, αλλά και πολύ εξέλιξη χρειάστηκε, και ακόμα πέφτουν πολλά φράγκα και εργατοώρες πάνω του. Ένα από τα βασικά θέματα που αντιμετωπίζει όποιος ασχοληθεί με τον άμεσο ψεκασμό είναι η ατμοποίηση των υγρών σταγονιδίων από το μπεκ: σε έναν π.χ. βενζινοκινητήρα έμμεσου ψεκασμού αυτό δεν είναι πρόβλημα, αφού καθόλη την διαδρομή από την πολλαπλή μέχρι το κύλινδρο προλαβαίνει να θερμανθεί επαρκώς. Στον άμεσο ψεκασμό η λύση σε αυτό αναγκαστικά ακούει στο όνομα «νέφος πολύ μικρών σταγονιδίων», οπότε ας γυρίσουμε για την ώρα στην σύγκριση των δύο πιθανών «δρόμων» του καύσιμου προς το θάλαμο καύσης. Στον άμεσο ψεκασμό λοιπόν ναι μεν το καύσιμο εισέρχεται κατ’ ευθείαν στον κύλινδρο και άρα δεν προσκολλάται στα τοιχώματα ων αυλών της πολλαπλής, της κεφαλής και των βαλβίδων, αλλά από την άλλη η απουσία διαδρομής μεγάλου μήκους ακυρώνει την ευκαιρία που θα είχε το καυσιμο να αναμειχθεί με τον αέρα πιο ομοιογενώς και να εξατμιστεί αναλόγως. Από την άλλη, οι σχετικά χαμηλές πιέσεις (γύρω στα 4 bar) ενός κυκλώματος έμμεσου ψεκασμού, δεν δίνουν πάντα την ιδανική μορφή σταγονιδίων ψεκαζόμενου καυσίμου: η πίεση ψεκασμού επηρεάζει το μέγεθος των σταγονιδίων κάτι το όποιο κάνει επίσης και το σχήμα-διάμετρων των οπών του μπεκ. Το να πει κάποιος ας κάνουμε τις οπές των μπεκ πιο μικρές είναι μία κουβέντα μόνο, αφού η παραγωγή μικρότερων σταγονιδίων συνεπάγεται και θεματάκια αξιοπιστίας: οι μικρές οπές φράζουν πιο εύκολα από κακής ποιότητας καύσιμο, κάτι που όλο και περισσότεροι συμπολίτες μας που περάσαν σε πετρέλαιο μαθαίνουν από την άσχημη πλευρά όταν το εκτός εγγύησης μοτέρ τους θελήσει σέρβις του κυκλώματος...Είναι λοιπόν δεδομένο πως η λεπτή διασπορά καυσίμου «κάνει καλό» στη καύση, αλλά με κόστος, μεταφορικά και κυριολεκτικά. Και αν στον έμμεσο ψεκασμό η διασπορά σταγονιδίων παίζει μία φορά ρόλο, στον άμεσο παίζει πολλαπλάσιο, αφού ότι βγαίνεια πό το μπεκ πρέπει εκ των πραγμάτων να είναι πανέτοιμο για καύση. Τα σταγονίδια εδώ πρέπει να είναι τόσο μικρά που πλέον ...δεν είναι σταγονίδια, αλλά ουσιαστικά ένα νέφος αερίου, μορφή η οποία τους δίνει την δυνατότητα να καούν πολύ πιο εύκολα και γρηγορότερα από ότι θα απαιτούσε σταγόνα μεγαλύτερης διαμέτρου, μάζας και εξωτερικής επιφάνειας. Ένα καλό παράδειγμα αυτής της συμπεριφοράς είναι όταν έχουμε να λειτουργήσουμε ένα ψεκαστικό καθαριστικού τζαμιών με σκανδάλη και μπεκάκι μπροστά όπου αν πιέσουμε το μοχλό αργά (με μιρκή πίεση) τότε θα δημιουργηθούν μεγάλες και «αργές» σταγόνες που δεν θα πάνε και πολύ μακριά, ενώ αν το πιέσουμε δυνατά (μεγάλη πίεση) θα έχουμε ένα νέφος πολύ μικρότερων και «ζωηρών» σταγονιδίων. Προς αυτή τη κατεύθυνση λοιπόν και όπως αναφέραμε το προηγούμενο μήνα και θα δούμε και σε επόμενη συνέχεια, πιέσεις ψεκασμού της τάξεως των 2.000 ολόκληρων bar είναι συνήθεις σε έναν σύγχρονο diesel, ενώ σύντομα θα δούμε ακόμα μεγαλύτερες τιμές που ήδη επιτυγχάνονται πειραματικά.

Υπό το μηδέν

Ας ανακεφαλαιώσουμε τον όλο μηχανισμό καύσης εντός ενός κινητήρα diesel ώστε να μπορέσουμε να κατανοήσουμε ένα σημαντικότατο πρόβλημα που προκείπτει, αυτό της κρύας εκκίνησης. Η καύ­ση σε έ­ναν πε­τρε­λαιο­κι­νητή­ρα γί­νε­ται με αυ­τα­νά­φλε­ξη του μίγ­μα­τος: ο α­έ­ρας διέρ­χε­ται α­πό τις βαλ­βί­δες ει­σα­γω­γής με κά­ποιον στρο­βι­λι­σμό όπως είδαμε και αφού οι βαλ­βί­δες κλείσουν, ξε­κι­νά η φά­ση της συ­μπί­ε­σης. Το πιστόνι στον κύλινδρο α­νε­βαί­νει προς τα ­πά­νω, το μπεκ ψε­κά­ζει με (πάρα πολύ) με­γά­λη πί­ε­ση πε­τρέ­λαιο μέ­σα στο θά­λα­μο σε μορφή πο­λύ μι­κρών σω­μα­τι­δί­ων και, κα­θώς η πί­ε­ση και θερ­μο­κρα­σί­α αυ­ξά­νε­ται από την ά­νο­δο του εμ­βό­λου, το καύ­σι­μο αυ­τα­να­φλέ­γε­ται. Το μπεκ συ­νε­χί­ζει να ψε­κά­ζει καύ­σι­μο α­νά­λο­γα πά­ντα με τις α­νά­γκες του κι­νη­τή­ρα τη δε­δο­μέ­νη στιγ­μή όπως αυτές μεταφράζονται σε φορτίο από το δεξί ποδάρι του οδηγού, το ο­ποί­ο καύσιμο ό­μως πλέον καί­γε­ται εύ­κο­λα α­φού ή­δη υ­πάρ­χει στο θά­λα­μο και­γό­μενο μίγ­μα. Αυτά συμβαίνουν όταν ο κινητήτας είναι για τα καλά σε λειτουργία για ώρα, τι γί­νε­ται ό­μως ό­ταν ο κι­νη­τή­ρας έ­χει να λει­τουρ­γή­σει ώρες ή και μέρες και πρέπει να πά­ρει μπρος τα κρύ­α χει­μω­νιά­τι­κα πρω­ι­νά? Το μεν έμ­βο­λο σίγουρα θα α­νέ­βει κα­θώς η μί­ζα γυρ­νά­ει τον κι­νη­τή­ρα, αλ­λά η θερ­μο­κρα­σί­α παραμένει πο­λύ χα­μη­λή τόσο στα τοιχώματα του κύυλίνδρου / θάλαμου καύσης ό­σο και στη μάζα του καυσίμου καθ’ αυτή. Πώς στο καλό λοι­πόν θα καταφέρει να α­να­φλε­χθεί  το μίγ­μα αφού όπως τόσο έντονα τονίσαμε πιο πάνω, η θερμοκρασία είναι το Α και το Ω για την έναυση της καύσης? Μέχρι πριν α­πό με­ρι­κές δε­κα­ε­τί­ες η εκ­κί­νη­ση ε­νός πε­τρε­λαιο­κι­νη­τή­ρα αποτελούσε με­γά­λο πρό­βλη­μα: η προ­θέρ­μαν­ση του κι­νη­τή­ρα πριν ξε­κι­νή­σει το ό­χη­μα ή­ταν ε­πι­βε­βλη­μέ­νη. Και αυτό διότι ό­ταν ο κι­νη­τή­ρας εί­ναι κρύ­ος, εί­ναι δύ­σκο­λο να αυ­ξη­θεί πο­λύ η θερμο­κρα­σί­α του καυ­σί­μου α­κό­μα και αν η πί­ε­ση α­νέ­βει σε ψη­λά ε­πί­πε­δα. Η λύση της ακόμα υψηλότερης σχέ­σης συ­μπί­ε­σης (δηλαδή ακόμα υ­ψη­λό­τε­ρες πιέ­σεις) δεν είναι υλοποιήσιμη, αφού η υ­ψη­λή σχέ­ση συ­μπί­ε­σης ό­πως είδαμε και πιο πάνω πα­ρου­σιά­ζει ένα βέλ­τι­στο ση­μεί­ο, πέ­ρα α­πό το ο­ποί­ο ο κι­νη­τή­ρας χάνει και σε βαθμό απόδοσης (βλ. κατανάλωση) και σε ισχύ. Με μία τέτοια λύση δηλαδή, α­κό­μα και αν έ­παιρ­νε εύ­κο­λα μπρος, στη συνέχεια θα εί­χα­με α­σύμ­φο­ρη λει­τουρ­γί­α και μόνο. Ι­δα­νι­κό θα έπρεπε να έχουμε έ­ναν κι­νη­τή­ρα με­τα­βλη­τής συ­μπί­ε­σης (η ο­ποί­α θα αύ­ξανε σε κρύ­ες συν­θήκες για εύ­κο­λο ξε­κί­νη­μα και αρ­γό­τε­ρα θα μειω­νό­ταν σε κα­νο­νι­κά ε­πί­πε­δα για κί­νη­ση στο δρό­μο), αλλά για ευ­νό­η­τους λό­γους κόστους αυ­τή η λύ­ση απορρίπτεται από τα αποδυτήρια. Το πρό­βλη­μα της κρύας εκκίνησης ε­ντεί­νε­ται πε­ρισ­σό­τε­ρο α­πό πα­ράγο­ντες ό­πως καύ­σι­μο κα­κής ποιό­τη­τας και κα­κή κα­τά­στα­ση κι­νη­τή­ρα που χάνει πολύτιμη πίεση που κανονικά θα μας αύξανε την θερμοκρασία κατά την συμπίεση (βαλ­βί­δες που δεν σφρα­γί­ζουν κα­λά, τα­λαι­πω­ρη­μέ­να ε­λα­τή­ρια πι­στο­νιού). Ο πιο α­πο­τε­λε­σμα­τι­κός τρό­πος για την εκ­κί­νη­ση του καυ­σί­μου εί­ναι ο εξής: πλούσιο μίγ­μα. Αυ­τό μπο­ρεί να ε­πι­τευ­χθεί εί­τε με ψε­κα­σμό με­γα­λύ­τε­ρης διάρ­κειας, εί­τε με ειδικό extra μπεκ ψυ­χρής εκ­κί­νη­σης το ο­ποί­ο θα ψε­κά­σει τις επι­πλέ­ον πο­σό­τη­τες καυ­σί­μου. Το πλε­ό­να­σμα καυ­σί­μου έ­χει τα εξής ευερ­γε­τι­κά α­πο­τε­λέ­σμα­τα: το ά­καυ­το μίγ­μα υποβο­η­θά στιγμιαία το “σφρά­γι­σμα” των ε­λα­τη­ρί­ων του πι­στο­νιού και των βαλ­βί­δων, ε­νώ το πλού­σιο μίγ­μα­, βοηθάει στον αγώνα για α­νά­φλε­ξη. Πολ­λές φο­ρές ε­φαρ­μό­ζε­ται και “retard” στην έ­ναρ­ξη του ψε­κα­σμού (a la anti-lag αλλά με άλλο σκοπό!), ώ­στε το καύ­σι­μο να ψε­κα­στεί στο κύ­λιν­δρο ό­ταν ή­δη η πί­ε­ση και η θερ­μο­κρα­σί­α του κυ­λίν­δρου έ­χουν αυ­ξη­θεί. Φυσικά ο δεύτερος αυτός «χάρτης ψεκασμού» αφορά μόνο την εκκίνηση και μόλις επιτύχουμε θερμοκρασία λειτουργίας, επανερχόμαστε στις κανονικές (και καθαρές για την εξάτμιση) τιμές χαρτογράφησης.

Που πας χωρίς προθερμαντήρα

Εκτός από την προσωρινή χρήση πλούσιου μείγματος, οι κινητήρες diesel για τις κρύες νύχτες και μέρες διαθέτουν και ένα παραπάνω όπλο: τον προθερμαντήρα. Πρόκειται για μία διάταξη σε σχήμα μολυβιού-στιλού (ΟΚ θα το πω, στενόμακρου τσουτσουνιού), το οποίο μπαίνει στη θέση που κανονικά θα είχε το μπουζί στην κορυφή του θόλου του θαλάμου καύσης με την μύτη του μέσα και σαν λειτουργία έχει ως κοντινή ξαδέρφη την  ...τοστιέρα: διοχετέτουμε σε ένα θερμοστοιχείο με μεγάλη αντίσταση ηλεκτρικό ρεύμα και αυτο θερμαίνεται τόσο που αποτελεί τον βασικό παίκτη στην έναυση της καύσης μέχρι ο κινητήρας να έρθει σε θερμοκρασία θαλάμου καύσης που του επιτρέπει να αυτοσυντηρεί την ανάφλεξη από μόνος του και να απενεργοποιείται ακολούθως η λειτουργία του προθερμαντήρα (είτε ολικώς είτε μερικώς παραμένοντας ενεργό με μικρότερο βολτάζ). Η άκρη του προθερμαντήρα δεν εκπέμπει μόνο θερμότητα αλλά και ορατό φως: υπό λειρουργία η μύτη του που βρίσκεται μέσα στο θάλαμο λάμπει και εξ’ αιτίας αυτού ακριβώς του γεγονότος στα αγγλικά η διάταξη ονομάζεται «glow-plug». Οι κινητήρες με έμμεσο ψεκασμό διαθέτουν από έναν προθερμαντήρα σε κάθε προθάλαμο, ενώ οι άμεσου ψεκασμού στον κάθε ενιαίο θάλαμο καύσης τους. Ας δούμε πιο αναλυτικά τι γίνεται με έναν προθερμαντήρα όμως. Στα πιο παλία diesel μοντέλα, ο οδηγός δεν μπορούσε να γυρίσει απλά το διακόπτη υπό κρύες συνθήκες και να ξεκινήσει: έπρεπε να περιμένει 20-30 δευτερόλεπτα ώστε αφού ενεργοποιηθεί ο προθεμαντήρας, στη συνέχεια να μπορέσεινα βάλει εμπρός. Καθόλο αυτό το διάστημα της αναμονής στο καντράν παρέμενε ανοιχτή η σχετική ένδειξη (το σύμβολο ενός πηνίου συνήθως), ενώ και σε σύγχρονα diesel υπό συνθήκες μπορεί να χρειαστεί μια πολύ μικρότερη αναμονή της τάξεως των 6-8 δευτερολέπτων. Η όλη αυτή διαδικασία αναμονής ηλεκτρολογικά γίνεται μέσω ειδικού ρελέ όπου όταν η ένδειξη απενεργοποιηθεί (και γυρίσει το κλειδί) και ο κινητήρας είναι έτοιμος για μιζάρισμα, το ρελέ σβήνει τους προθερμαντήρες. Σε κάποια αυτοκίνητα ο προθερμαντήρας συνεχίζει να παραμένει σε λειτουργία (να τροφοδοτείται με ρεύμα) ακόμα και ορισμένα (2-3) λεπτά μετά την εκκίνηση του κινητήρα αφού έτσι μειώνονται οι εκπομπές ρύπων που πάντα είναι αυξημένες πριν φτάσει σε σταθερή θερμοκρασία λειτουργίας. Σε τελευταίας-τελευταίας εσοδιάς diesel μάλιστα, η ενεργοποίηση και θέρμανση του στοιχείου του προθερμαντληρα είναι τόσο γρήγορη και άμεση, που ο οδηγός δεν χρειάζεται καν να περιμένει ούτε δευτερόλεπτο: όλα γίνονται άμεσα που δεν καταλαβαίνει κάποια καθυστέρηση στο γύρισμα του διακόπτη ανεξαρτήτως συνθηκών. Φυσικά και στα παλαιότερα και στα τωρινά συστήματα, το κύκλωμα σε καλές (ζεστές, ελληνικές βρε παιδί μου) συνθήκες περιβάλλοντος ή αν ο κινητήρας είχε μόλις σβήσει, παίρνει σήμα «μη ανάγκης» χρήσης του προθερμαντήρα, ο οποίος παραμένει αδρανής και ο κινητήρας εκκινεί ω σαν βενζινοκινητήρας. Κατασκευαστικά, όπως είπαμε πρόκειται για ένα μεταλλικό μακρόστενο κ@υλιτσέκι, αλλά το υλικό της μύτης δενμπορεί να είναι σε καμία περίπτωση «ότι να ‘ναι» αφού μιλάμε για μεγάλη θερμική καταπόνηση: θέλουμε υλικά με μεγάλη αντοχή και σε οξείδωση και σε θερμοκρασία, οπότε τα διάφορα «μπουζο-υλικά» όπως η πλατίνα και το ιρίδιο, βρίσκουν εδώ άψογη εφαρμογή. Τέλος ας πούμε και κάτι για τους φίλους του μοντελισμού: διατάξη glow-plug έχουν και οι λιλιπούτειοι κινητήρες νιτρομεθανίου των μοντέλων, όμως για διαφορετικό σκοπό. Δεν βρίσκονται στη θέση τους για την κρύα εκκίνηση, αλλά αποτελούν αναπόσταστο μέρος της ανάφλεξης με την μύτη να δρα ως καταλύτης καύσης. Και εδώ ασκείται τάση πριν την εκκίνηση μέχρι να ζεσταθεί το glow-plug, αλλά στη συνέχεια η πηγή τάσης μπορεί να αφαιρεθεί αφού η ίδια η καύση το κρατάει πυρωμένο.

Ζεσταθήκατε?

Μετά τις περισσότερο θερμοδυναμικής και ρευστομηχανικής φύσεως από πλευράς περιεχομένου και προσέγγισης των κινητήρων diesel στις δύο πρώτες συνέχειες της σειράς μας, θα συνεχίσουμε τον επόμενο μήνα με τα πιο μηχανολογικά κομμάτια της ιστορίας: θα δούμε με τη σειρά ένα μοντέρνο κύκλωμα καυσίμου ενός πετρελαιοκινητήρα από τι αποτελείται και ποιες περιφερειακές νέες τεχνολογίες κάνουν τους diesel πιο ισχυρούς, καθαρούς και οικονομικούς.