Κινητήρας μεταβλητής συμπίεσης MCE-5 VCRi

Σε συνδυασμό με στοβιλοσυμπιεστή (turbo) δύο σταδίων, o MCE-5 VCRi prototype προσφέρει τη διπλάσια ισχύ (160 kW / 218 hp) και την τριπλάσια ροπή (420 Nm) σε σχέση με ένα αντιστοίχου κυβισμού «συμβατικό» κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Μείωση της κατανάλωσης έως 30% υπόσχεται η νέα υλοποίηση μιας παλιότερης ιδέας που πιθανό να δώσει στον κινητήρα εσωτερικής καύσης μια γενναία παράταση ζωής. Αυτό, παρά το γεγονός ότι όλοι θεωρούν πως το μέλλον ανήκει σε υδρογόνο και κυψέλες καυσίμου.

Είναι αλήθεια ότι ο 20ος αιώνας χαρακτηρίστηκε από πολλές απόπειρες για την εξεύρεση εναλλακτικών πηγών ενέργειας και των αντίστοιχων επίσης εναλλακτικών μορφών κίνησης. Ωστόσο, στον τομέα της αυτοκίνησης η επικράτηση του κινητήρα εσωτερικής καύσης –και μαζί με αυτόν του πετρέλαιου και της βενζίνης ως βασικών καυσίμων για την κίνηση των αυτοκινήτων- είναι δεδομένη. Είναι χαρακτηριστικό ότι σήμερα, το 98% των αυτοκινήτων «καίνε» είτε βενζίνη είτε πετρέλαιο.

Οι σημερινοί εξελιγμένοι κινητήρες, εφοδιασμένοι με πάμπολλες δυνατότητες που προέκυψαν από την αθρόα εισαγωγή της μικροηλεκτρονικής, συνδυασμένοι με καταλυτικούς μετατροπείς για τη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, καταναλώνουν λιγότερο, αποδίδουν περισσότερο, αλλά δεν παύουν να αποτελούν εκδοχές του ίδιου βασικού θέματος των αρχών του 20ου αιώνα.

Η ιδέα της μεταβλητής σχέσης συμπίεσης (Variable Compression Ratio – VCR) δεν είναι κάτι καινούριο. Οι πρώτοι πειραματισμοί προέκυψαν λίγο μετά την εμφάνιση του κινητήρα εσωτερικής καύσης καθώς το όφελος από την αύξηση της σχέσης συμπίεσης (οικονομία καυσίμου) ήταν ήδη γνωστό από τη θεωρία. Το πρόβλημα ήταν πως μπορεί κανείς να κάνει ένα βενζινοκινητήρα να δουλέψει με μεγάλη συμπίεση χωρίς να «κτυπάει πειράκια» (προανάφλεξη). Εταιρίες όπως η PSA, η Saab και η Volkswagen δημιούργησαν τις δικές τους εκδοχές, αλλά ποτέ μέχρι σήμερα δεν μπήκε κινητήρας μεταβλητής συμπίεσης στην παραγωγή. Το μεγάλο μέγεθος, ο αυξημένος θόρυβος και η περιορισμένη διάρκεια ζωής δεν επέτρεψαν κάτι τέτοιο.

Την λύση στα παραπάνω προβλήματα υπόσχεται να δώσει κινητήρας MCE-5, που επινοήθηκε το 1997 από τον Vianney Rabhi και που μέχρι το 2000 αποτέλεσε αντικείμενο έρευνας και συνεργασίας των εταιριών PSA Peugeot-Citroen, CERTAM και Danielson Engineering. Στόχος των ερευνητικών προγραμμάτων ήταν η σταδιακή εξέλιξη των επιμέρους τμημάτων του κινητήρα, ώστε τελικά να προκύψει ένα αξιόπιστο μηχανικό σύνολο. Στην πορεία χρειάστηκε να επενδυθεί το διόλου ευκαταφρόνητο ποσό των 18 εκατ. ευρώ, από τα οποία τα 8 εκ. διατέθηκαν από το γαλλικό κράτος.

Ο μηχανισμός ελέγχου της σχέσης συμπίεσης είναι τοποθετημένος κάτω από τα ρυθμιστικά έμβολα και περιλαμβάνει έναν εκκεντροφόρο άξονα που κινείται από ένα ηλεκτροκινητήρα του συστήματος Valvetronic της ΒΜW. Τα έκκεντρα κινούν τα αντίστοιχα ζύγωθρα, τα οποία με τη σειρά τους ωθούν τα αντίστοιχα ρυθμιστικά ωστήρια. Η αλλαγή της σχέσης συμπίεσης πραγματοποιείται ταχύτατα: για τη μετάβαση από τη μικρότερη (7:1) μέχρι τη μεγαλύτερη (18:1) σχέση (και αντιστρόφως) απαιτούνται λιγότερα από 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Η μπιέλα δεν συνδέεται άμεσα με το έμβολο, αλλά έμμεσα, με τη βοήθεια του ειδικού γραναζιού, που λειτουργεί και σα μοχλός μέσω του οποίου επιτυγχάνεται η αυξομείωση του θαλάμου καύσης (και της σχέσης συμπίεσης). Προσέξτε ότι η μπιέλα είναι αισθητά μικρότερη από τις μπιέλες που συναντάμε στους συμβατικούς κινητήρες.
ΜΕΣΑ ΣΤΟ ΣΧΗΜΑ:
Cylinder head: Κυλινδροκεφαλή (επιφάνεια στην οποία τοποθετείται η φλάντζα)
Guided piston: Καθοδηγούμενο έμβολο
Piston rack: Οδοντωτός κανών (κρεμαγιέρα) εμβόλου
Synchronised roller: Συγχρονισμένος τροχός – Gear wheel: Οδοντωτός τροχός
Connecting rod: Διωστήρας (μπιέλα) – Crankshaft: Στροφαλοφόρος
Cylinder case: Μπλοκ κινητήρα – Control rack: Ρυθμιστικός οδοντωτός κανών
Control jack moved by inertia forces: Ρυθμιστικό έμβολο ελεγχόμενο από τις δυνάμεις αδρανείας και την πίεση των αερίων.

Το ενδιαφέρον είναι ότι η τεχνολογία MCE-5 μπορεί να δουλέψει παράλληλα με τις υπάρχουσες στους «συμβατικούς» κινητήρες τεχνολογίες: τον μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων, τον άμεσο ψεκασμό του καυσίμου και την υπετροφοδότηση (Turbo). Έτσι, σε μικρά αυτοκίνητα μπορεί να προκύψει μείωση της κατανάλωσης της τάξης του 20%, με επιβάρυνση της τιμής του αυτοκινήτου κατά 500 ευρώ, ποσό που μπορεί να αποσβεστεί σε 60.000 χιλιόμετρα, δηλαδή πιο γρήγορα από το επιπλέον κόστος ενός πετρελαιοκίνητου οχήματος σε σχέση με το αντίστοιχο βενζινοκίνητο. Σε μεγαλύτερα αυτοκίνητα η μείωση μπορεί να φτάσει μέχρι και 30-35% (ανάλογα με την ισχύ) ενώ το επιπλέον κόστος δεν ξεπερνά τα 800 ευρώ, σε σύγκριση πάντα με «συμβατικούς» κινητήρες ίδιας ισχύος.

Όλα αυτά προκύπτουν με την παράλληλη βελτίωση βασικών δεικτών του κινητήρα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ο κινητήρας 1,5 λίτρων MCE-5, που όχι μόνο διαθέτει ροπή κατά 30% μεγαλύτερη σε σχέση με τη ροπή ενός V6 βενζινοκινητήρα 3,0 λίτρων, αλλά την εμφανίζει στις 1800 στρ./λεπτό και όχι στις 3500 στρ./λεπτό, όπως ο V6. Αντίστοιχη εικόνα και στον τομέα της ισχύος, όπου τα ονομαστικά μεγέθη είναι ίσα, αλλά η ισχύς του MCE-5 εμφανίζεται 1000 στρ./λεπτό χαμηλότερα (στις 5000 αντί των 6000 στρ./λεπτό του V6). Έτσι δίνεται η δυνατότητα μείωσης του κυβισμού αλλά και των στροφών λειτουργίας του κινητήρα, γεγονός που οδηγεί στη μείωση της κατανάλωσης.

Το μεγάλο και… φανερό μυστικό βέβαια είναι η συνεχής μεταβολή της σχέσης συμπίεσης και συγκεκριμένα, η διατήρηση της σχέσης συμπίεσης σε ασυνήθιστα για βενζινοκινητήρες ψηλά επίπεδα, κατά το μεγαλύτερο μέρος της διάρκειας της λειτουργίας του. Η σχέση συμπίεσης λοιπόν κυμαίνεται μεταξύ 7:1 και 18:1, με τη μέση τιμή της να «παίζει» μεταξύ 14:1 και 15:1 κατά τη διάρκεια του τυποποιημένου ευρωπαϊκού κύκλου δοκιμών NEDC (New European Driving Cycle). Αυτό, τη στιγμή που οι νορμάλ βενζινοκινητήρες έχουν σταθερή σχέση συμπίεσης της τάξης του 10:1.

Στην εταιρία MCE-5 Development, η οποία κατασκεύασε και εξέλιξε τον κινητήρα, συμμετέχουν περίπου 250 ιδιώτες επενδυτές, ενώ το συνολικό ύψος της επένδυσης φτάνει τα 75 εκατομμύρια ευρώ. Ήδη ο κινητήρας έχει τοποθετηθεί σε συγκεκριμένο μοντέλο (Peugeot 407) και δοκιμάζεται σε πραγματικές συνθήκες κίνησης. Tο 2015, σύμφωνα πάντα με τα σχέδια της εταιρίας, μία ή περισσότερες αυτοκινητοβιομηχανίες θα μπορέσουν να προχωρήσουν στη μαζική παραγωγή μοντέλων εφοδιασμένων με τον κινητήρα μεταβλητής συμπίεσης.