TUNE-IT: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 21

Ήρθε λοιπόν και η δική του ώρα. Ας μην αρχίσουμε με την προϊστορία των καρμπυρατέρ γιατί, ενώ είναι μια συμπάθεια μου από παλιά, είναι και είδος υπό εξαφάνιση εδώ και πολλά χρόνια. Αν όμως αρκετοί από τους αναγνώστες μας γράψετε ότι ενδιαφέρεστε γι’ αυτά, μπορούμε να ασχοληθούμε με αρκετή λεπτομέρεια με τα -πολύ γνωστά σε πολλούς- διπλά Weber 45αρια, που δοξάστηκαν τις δεκαετίες ’60, ’70 ακόμα και ’80. Ο λόγος που αντικαταστάθηκαν και επικράτησε ο ψεκασμός (fuel injection) είναι η ακρίβεια στην παροχή καυσίμου (και σπινθήρα έναυσης του μίγματος)  και η προσαρμογή σε όλες τις διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας και απαιτήσεις του μοτέρ. Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, το σύστημα, και εν προκειμένω η μονάδα διαχείρισης  δηλαδή ο «εγκέφαλος», παίρνει πληροφορίες από μια πλειάδα αισθητήρων για εσωτερικές και εξωτερικές θερμοκρασίες, πιέσεις, στροφές κλπ. Στο εργοστασιακό επίπεδο εξέλιξης κάθε μοντέλου, όλα τα παραπάνω στοιχεία συνεκτιμώνται για να δημιουργηθεί ένας «χάρτης» λειτουργίας, που αποθηκεύεται στη μνήμη (EPROM), με βάση τον οποίο πορεύεται στη ζωή του το αυτοκίνητο. Σχεδόν παράλληλα με τα καρμπυρατέρ, υπήρχε και ο μηχανικός ψεκασμός και μερικές εταιρίες κατασκεύασαν πραγματικά μηχανολογικά διαμάντια με αξιόλογα αποτελέσματα στον έλεγχο του μοτέρ. Εταιρίες όπως η Bosch, Spica, Kugelfischer, Lucas, Hilborn κ.α. μεσουρανούσαν για πολλά χρόνια στο στερέωμα, μέχρι που η εξάπλωση των ηλεκτρονικών κατέκτησε και αυτόν τον τεχνολογικό τομέα, φέρνοντας μαζί περισσότερες δυνατότητες, μακροζωία και φθηνό κόστος, συνδυάζοντας μάλιστα σε μια μονάδα ψεκασμό και ανάφλεξη. Σήμερα, μόνο μερικά ιστορικά αυτοκίνητα διατηρούν τον μηχανικό ψεκασμό. Ευτυχώς, είχα την τύχη να ασχοληθώ αρκετά χρόνια με τέτοια συστήματα και θαύμασα τη λεπτομέρεια, πολυπλοκότητα και το σκεπτικό πίσω από τα πολλές φορές μικροσκοπικά μηχανικά εξαρτήματα –ωραία χρόνια! Τέλος πάντων, ας έρθουμε όμως στην εποχή μας για να δούμε με κάποια λεπτομέρεια το engine management system, όπως το λένε και οι… μορφωμένοι.

Βασικοί παράγοντες

Πριν μπούμε στο κυρίως θέμα, ίσως πρέπει να αρχίσουμε από τα βασικά, να δούμε με κάποια λεπτομέρεια τον λόγο αέρος/καυσίμου (afr ή air/fuel ratio) και την απαίτηση του μοτέρ για καύσιμο μίγμα. Θα περιγράψω ποιοι άλλοι παράγοντες επηρεάζουν την παροχή καυσίμου και θα δούμε και τι παίζεται με τις πιέσεις.

AFR

Η πεταλούδα ρυθμίζει την ποσότητα του αέρα που μπαίνει στο θάλαμο καύσης. Βασικός στόχος του συστήματος διαχείρισης είναι να ψεκάσει βενζίνη (στην περίπτωση μας) σε κατάλληλη ποσότητα, ώστε να δημιουργηθεί η ζητούμενη αναλογία σε βάρος αέρος ως προς το βάρος βενζίνης και να δημιουργήσει το σπινθήρα, με τον οποίο όμως θα ασχοληθούμε αργότερα. Ακόμα και μικρές μεταβολές στην αναλογία αυτή έχουν μεγάλη επίδραση στην ισχύ, κατανάλωση, και στους ρύπους των καυσαερίων –δεν το παίζω οικολόγος, αλλά αν βρωμοκοπάνε τα καυσαέρια, ούτε εμείς θα τη βγάλουμε καθαρή!

Η Φυσική μας λέει ότι η καύση οποιουδήποτε υλικού απαιτεί έναν αρκετά ψηλό λόγο επιφάνειας προς μάζα (δηλαδή πολλά μικρά σωματίδια) και τη σωστή ποσότητα οξυγόνου. Στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, αυτό σημαίνει κονιοποίηση (atomization) του καυσίμου με τη σωστή δοσολογία σε σχέση με τον εισαγόμενο αέρα. Χονδρικά, 14 μέρη αέρα απαιτούνται για να γίνει πλήρης καύση ενός μέρους καυσίμου, οπότε η αναλογία είναι 14:1 –afr. Η αναλογία αυτή αναφέρεται στο βάρος των συστατικών και έχει αποτέλεσμα την πλήρη καύση του καυσίμου. Αναλογίες λίγο μικρότερες ή μεγαλύτερες του 14:1 είναι ασφαλώς καύσιμες, αλλά παράγουν διάφορα είδη καταλοίπων –κυρίως στα καυσαέρια. Θα δούμε προχωρώντας τις άλλες συνθήκες καύσης και τους λόγους που και αυτές χρειάζονται.

Πλούσιο/φτωχό μίγμα

Οι όροι «πλούσιο» και «φτωχό» χρησιμοποιούνται για να προσδιορίσουμε μίγματα που αποκλίνουν από το θεωρητικό μας 14:1. Πλούσιο είναι το μίγμα με λιγότερο αέρα. Δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο για την πλήρη καύση. Το πλούσιο μίγμα αυξάνει την κατανάλωση και την εκπομπή ρύπων -Υδρογονανθράκων (HC) και Μονοξειδίου του Άνθρακα (CO)- που είναι παράγωγα της ατελούς καύσης. Παρατεταμένη λειτουργία με πλούσιο μίγμα έχει σαν αποτέλεσμα να «καρβουνιάσει» ο θάλαμος καύσης, το πιστόνι και το μπουζί, αλλά και να αλλοιωθεί το λάδι από το ξέπλυμα των κυλίνδρων. Ο σχεδιασμένος όμως εμπλουτισμός του μίγματος είναι απαραίτητος σε συνθήκες που θα δούμε πιο κάτω.

Το φτωχό μίγμα είναι αυτό που έχει περίσσεια οξυγόνου, περισσότερο δηλαδή απ’ όσο χρειάζεται για την πλήρη καύση. Αυτή η καύση είναι πιο αργή και έχει ψηλότερη θερμοκρασία από την «κανονική». Έτσι, το φτωχό μίγμα μειώνει την παραγόμενη ισχύ, αυξάνει τη θερμοκρασία του μοτέρ και αυξάνει την εκπομπή οξειδίων του αζώτου (ΝΟx). Πολύ φτωχά μίγματα προκαλούν «πηράκια» λόγω της μεγάλης θερμοκρασίας του θαλάμου καύσης.

Στοιχειομετρική αναλογία

Εδώ και πολλά χρόνια, οι κατασκευαστές συστημάτων διαχείρισης έκριναν ότι η «ιδεώδης» αναλογία αέρα/βενζίνης είναι 14,7:1 για να εξασφαλισθεί η πλήρης καύση μαζί με τον χαμηλότερο συνδυασμό εκπομπής ρύπων στην ατμόσφαιρα. Αυτός ο λόγος ονομάστηκε στοιχειομετρικός. Οτιδήποτε πιο πάνω είναι φτωχό και πιο κάτω είναι πλούσιο.

Περίσσεια αέρα – το «λ»  

Ο στοιχειομετρικός λόγος μπορεί να εκφραστεί σε σχέση με τις απαιτήσεις για αέρα του μοτέρ. Η Bosch το ονομάζει περίσσεια αέρα και το σημειώνει με το πολύ γνωστό πια «λ». Το λ=1, όταν το μίγμα έχει τη στοιχειομετρική τιμή 14,7:1. Όταν το μίγμα είναι φτωχότερο, το λ>1 και όταν είναι πλουσιότερο, λ<1. Αυτές είναι και οι τιμές που εμφανίζονται στα διάφορα tester που χρησιμοποιούν τα συνεργεία όταν κάνουν μετρήσεις και ρυθμίσεις.

Επιδόσεις και έλεγχος καυσαερίων

Σίγουρα η ισχύς είναι πάντα το απαιτούμενο, αλλά τα συστήματα διαχείρισης πρέπει να ικανοποιήσουν και άλλες ανάγκες, όπως είναι η μεγαλύτερη δυνατή οικονομία και ο δραστικός περιορισμός των εκπεμπόμενων στην ατμόσφαιρα ρύπων –σύντομα προβλέπεται ότι θα νομοθετηθεί διεθνώς απαίτηση για μηδενικούς ρύπους! Ο αγοραστής από την άλλη, θέλει ένα αυτοκίνητο που να λειτουργεί τέλεια σε όλες τις συνθήκες και να καίει όσο το δυνατό λιγότερο –και τίποτε να μη καίει βέβαια, ακόμα καλύτερα!

Η ρύθμιση του συστήματος για τη μέγιστη δυνατή ισχύ σημαίνει και μεγαλύτερη κατανάλωση. Αν όμως μειωθεί η κατανάλωση στο ελάχιστο δυνατό, δεν θα παίρνει τα πόδια του… Διαλέγοντας το ένα ή το άλλο άκρο, έχουμε και πολλούς ρύπους! Απ’ ότι βλέπουμε, η λογική και πιο λειτουργική λύση είναι ένας συμβιβασμός των άκρων και η λειτουργία ανάμεσα τους σύμφωνη με τις στιγμιαία επικρατούσες συνθήκες. Ακριβώς αυτή τη δουλειά κάνει ο εγκέφαλος, κανονίζει τη δοσολογία της βενζίνης και το αβάνς (προπορεία σπινθήρα), αφού επεξεργασθεί τα σήματα από τους διάφορους αισθητήρες, βρίσκοντας την βέλτιστη τιμή που αντιστοιχεί και που έχει προγραμματίσει ο κατασκευαστής στη μνήμη, ή αυτή που έχει βάλει ο προγραμματιστής σας σύμφωνα με τις μετατροπές που έχετε κάνει στο εργαλείο σας –προσέξτε, δεν λέω «βελτιώσεις»…

Με τη νομοθεσία στις διάφορες χώρες να αγριεύει σιγά-σιγά για τους ρύπους των αυτοκινήτων –και με το δίκιο τους, όταν σε μερικές πόλεις δεν έβλεπαν τη μύτη τους απ’ τη βρώμα- γεννήθηκε και ο περίφημος αισθητήρας λ. Σκοπός του είναι η πληροφόρηση του εγκεφάλου για την περιεκτικότητα σε οξυγόνο των καυσαερίων, ώστε αυτός να διορθώσει άμεσα το καύσιμο μίγμα σύμφωνα με το εκάστοτε target που έχει δώσει ο κατασκευαστής. Έχουμε λοιπόν μια λειτουργία με ζωντανό feedback, που είναι σαφώς καλύτερη από την χωρίς λ γενιά, με δυνατότητα να έχουμε σωστό μίγμα καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του μοτέρ, ανεξαρτήτως της φθοράς που υφίσταται από το χρόνο –απώλεια συμπίεσης, διαρροή αέρα από φλάντζες κλπ.

Αέρας, βενζίνη και φορτίο

Είναι γνωστό ότι ο αέρας μπαίνει στον κύλινδρο κατά τη φάση της εισαγωγής. Το κατερχόμενο πιστόνι δημιουργεί την «αναρρόφηση» που τραβάει τον αέρα. Με τη βαλβίδα εισαγωγής ανοιχτή, ο ατμοσφαιρικός αέρας τρέχει να γεμίσει τον κύλινδρο. Η ποσότητα της βενζίνης που θα ψεκάσει το μπεκ για να έχουμε στοιχειομετρικό μίγμα (λ=1) εξαρτάται από την ποσότητα του αέρα που μπαίνει στον κύλινδρο. Η ποσότητα αυτή, ρυθμίζεται από την πεταλούδα. Όταν ανοίγει, ο εξωτερικός αέρας μπαίνει στην πολλαπλή εισαγωγής, διότι από την πεταλούδα και πέρα υπάρχει υποπίεση που δημιουργείται από το κατερχόμενο πιστόνι. Η πίεση επομένως μέσα στην πολλαπλή εισαγωγής εξαρτάται από το άνοιγμα (γωνία) της πεταλούδας. Η μέγιστη ροή παρατηρείται με την πεταλούδα τέρμα ανοιχτή. Δεν παρουσιάζει κανένα εμπόδιο και το εσωτερικό της πολλαπλής βρίσκεται και αυτό σε ατμοσφαιρική πίεση. Τότε, έχουμε και τη μέγιστη διαφορά πίεσης μεταξύ κυλίνδρου και πολλαπλής. Αντίθετα, η ελάχιστη ροή συμβαίνει με την πεταλούδα σχεδόν κλειστή, οπότε και ελάχιστος αέρας μπαίνει στον κύλινδρο.  

Η απαιτήσεις της τροφοδοσίας εξαρτώνται κυρίως από το έργο που πρέπει να παράγει το μοτέρ, δηλαδή από το φορτίο. Για να επιταχύνουμε, πατάμε περισσότερο το «γκάζι». Η πεταλούδα ανοίγει και αυξάνεται η πίεση στην πολλαπλή (σε σχέση με την ατμόσφαιρα). Η μεγάλη αυτή διαφορά πίεσης από τον κύλινδρο αυξάνει τη ροή προς τον θάλαμο, οπότε ψεκάζεται και περισσότερη βενζίνη για μεγαλύτερη ισχύ κατά την επιτάχυνση. Σε επίπεδο δρόμο μπορούμε να έχουμε σχετικά ψηλή ταχύτητα με λίγο «γκάζι» -μικρή γωνία πεταλούδας. Όταν ανηφορίσει ο δρόμος χρειάζεται μεγαλύτερη γωνία πεταλούδας για να διατηρήσουμε την ίδια ταχύτητα στις ίδιες στροφές. Ο ανήφορος απαιτεί περισσότερο έργο από το μοτέρ (μεγαλύτερο φορτίο) και αυτό με τη σειρά του ζητάει περισσότερο αέρα και βενζίνη.

Σωστή λειτουργία παντού

Τώρα που είδαμε τα βασικά, ας δούμε τι απαιτήσεις έχει το μοτέρ στις διάφορες συνθήκες λειτουργίας του. Γύρω στις αρχές της δεκαετίας του ’70, επινοήθηκε μια καινούργια λέξη στην Αμερική που έχει να κάνει με τη γενική συμπεριφορά του αυτοκινήτου κατά την οδήγηση. Δυστυχώς, παρά τον πλούτο της ελληνικής γλώσσας, δεν υπάρχει μετάφραση του όρου drivability. Η λέξη «οδηγησιμότητα» που δίνει το Google δεν ανταποκρίνεται στο πνεύμα της αγγλικής. Το drivability ενός αυτοκινήτου προϋποθέτει ότι πρέπει να λειτουργεί υποδειγματικά σε όλες τις συνθήκες και καταστάσεις που ενδέχεται να συναντήσει στη χρήσιμη ζωή του. Είναι κάτι που δεν μπορεί να μετρηθεί με όργανα, αλλά με τις γνώμες και εκθέσεις των δοκιμαστών του εργοστασίου, αλλά και απλών οδηγών που επιλέγονται για να αξιολογήσουν ένα νέο μοντέλο.

Στο επόμενο, θα εξετάσουμε πως ανταποκρίνεται ο εγκέφαλος στις διάφορες συνθήκες λειτουργίας, μεταβάλλοντας το afr από την πλευρά της βενζίνης και το αβάνς (προπορεία σπινθήρα) από την πλευρά της ανάφλεξης.