FSI (Fuel Stratified Injection)

Δημοσίευση απο: phoinix_gr σε Τεχνικα Θεματα στις 20 Μαρ 2009

Η διαφορά του FSI από τα συμβατικά συστήματα ψεκασμού είναι ότι το
καύσιμο μείγμα ψεκάζεται υπό υψηλή πίεση και με ακρίβεια απευθείας στο
θάλαμο καύσης από έναν εγχυτήρα (μπεκ), o οποίος βρίσκεται μετά τη
βαλβίδα εισαγωγής.
Το μπεκ είναι τοποθετημένο σχεδόν στο πλάι της κυλινδροκεφαλής και ψεκάζει το καύσιμο κατά διαστήματα μικρότερα από λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου, με πίεση υψηλότερη των 110bar, δηλαδή περίπου 32 φορές μεγαλύτερη από αυτήν των συστημάτων πολλαπλών σημείων.

Οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού – όπως και ο FSI – συνεργάζονται άψογα με την επανακυκλοφορία των καυσαερίων (EGR: Electronic Gas Recirculation).
Κατά συνέπεια οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού παρουσιάζουν αρκετά σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών, όπως η καλύτερη και ομαλότερη απόδοση ισχύος, η καλύτερη απόκριση κατά την επιτάχυνση και το πιο σημαντικό -επιτυγχάνουν μείωση της κατανάλωσης.
Επιπλέον, τα αρκετά χαμηλότερα επίπεδα εκπομπής ρύπων – με άμεση επίπτωση και στη φορολογία σε ορισμένες χώρες- καθιστούν τους κινητήρες βενζίνης άμεσου ψεκασμού τους πλέον οικονομικούς και οικολογικούς, εν όψη των μελλοντικών αυστηρότερων προδιαγραφών.

Αντλία υψηλής πίεσης

Τεχνική Ανάλυση

Η πραγματική ώθηση στους κινητήρες άμεσου ψεκασμού δόθηκε από το Group VW και από τους κινητήρες FSI (Fuel Stratified Injection). Όπως και σε πολλές άλλες περιπτώσεις, στον τομέα του άμεσου ψεκασμού το Group VW δεν πρωτοπόρησε, αλλά παρουσίασε τους πρώτους πραγματικά λειτουργικούς κινητήρες οι οποίοι εκμεταλλεύονταν στο έπακρο τις δυνατότητες της τεχνολογίας και οι οποίοι δεν αντιμετώπιζαν προβλήματα με την ποιότητα του καυσίμου.
Ο πρώτος τρικύλινδρος κινητήρας FSI παρουσιάστηκε στο πρωτότυπο ΑΙ2 το 1997, που ήταν και ο προπομπός του Α2.
Το 2001 παρουσιάστηκε και το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με άμεσο ψεκασμό, το A2 1.6 FSI των 110Ps.
Στη συνέχεια, ο ίδιος κινητήρας τοποθετήθηκε και σε μοντέλα της VW, αρχής γενόμενης από το Golf Mk IV, ενώ λίγο καιρό αργότερα η απόδοσή του ανέβηκε στα 115Ps.
Έκτοτε παρουσιάστηκαν κινητήρες FSI με διάφορους κυβισμούς (από 1,4 μέχρι 5,2lt), οι οποίοι τοποθετούνται στα περισσότερα μοντέλα του Group VW, από το μικρό VW Lupo μέχρι το Audi S6.
Κινητήρες άμεσου ψεκασμού φορούσαν και τα Audi R8 με τα οποία η εταιρεία έχει κατακτήσει 5 νίκες στις 24 ώρες του Mans (2000, 2001, 2002, 2004,2005), όπως επίσης και τα Bentley EXP Speed 8 που κέρδισαν το 2003 αναμενόμενο, αφού η Bentley είναι θυγατρική του Group VW.
Αυτός ο θρίαμβος οφείλεται κυρίως στη χαμηλότερη κατανάλωση του κινητήρα FSI, που του δίνει συγκριτικό πλεονέκτημα έναντι του ανταγωνισμού.
Ας γυρίζουμε όμως στον πρώτο FSI παραγωγής και ας δούμε μερικά από τα βασικά χαρακτηριστικά του.
Ο κινητήρας βασιζόταν στο μπλοκ του 16v κινητήρα ίδιου κυβισμού που απέδιδε 105Ps, και ήταν επίσης δεκαεξαβάλβιδος με 2ΕΕΚ. Η πίεση ψεκασμού του καυσίμου ήταν 110bar, και τα μπεκ ήταν τοποθετημένα στην πλευρά των βαλβίδων εισαγωγής, με έντονη κλίση. Δούλευε είτε με στοιχειομετρικό είτε με φτωχό μίγμα, με λόγο λ μέχρι 4. Η σχέση συμπίεσής του ήταν στο (πολύ ψηλό για την εποχή) 12,1:1.
Για τη μείωση των ΝΟx η Audi βασίστηκε κατά ένα πολύ μεγάλο μέρος στην ανακυκλοφορία των καυσαερίων, εσωτερικού και εξωτερικού τύπου.
Ανάλογα με τις συνθήκες, μέχρι 35% των καυσαερίων μπορούσε να αναπροωθηθεί στους θαλάμους καύσης, ρίχνοντας τη θερμοκρασία τους.
Σύμφωνα με την Volkswagen-Audi, αυτό μπορούσε να επιφέρει μείωση των NOx μέχρι και 70%. Για τα υπόλοιπα NOx, φρόντιζε ο επιπλέον καταλύτης συγκράτησης.
Επειδή οι καταλύτες αυτού του τύπου λειτουργούν βέλτιστα μεταξύ 250 και 500 οC, υπήρχε και ένας επιπλέον εναλλάκτης θερμότητας που έριχνε τη θερμοκρασία των καυσαερίων στα επιθυμητά επίπεδα.
Η σταδιακή πρόοδος στην τεχνολογία των υλικών και η βελτίωση στην ποιότητα των καυσίμων βοήθησαν αρκετά ώστε να περιοριστούν τα φαινόμενα δηλητηρίασης των καταλυτών.
Όμως, ακόμα και σε περιπτώσεις βενζίνης με μεγάλες συγκεντρώσεις θείου, ο καταλύτης μπορούσε να αναγεννηθεί με το πέρασμα σε μια ειδική κατάσταση λειτουργίας παρόμοια με την κατάσταση “ταχείας προθέρμανσης καταλύτη”.
Σε αυτή, μια ποσότητα καυσίμου ψεκάζεται στο θάλαμο καύσης με retard, και έτσι η θερμοκρασία των καυσαερίων ανεβαίνει στο επίπεδο των 650 οC.
Σε αυτή τη θερμοκρασία, τα θειικά άλατα του βαρίου που έχουν σχηματιστεί στον καταλύτη
διασπώνται, τα οξείδια του θείου απελευθερώνονται και η ικανότητα κατακράτησης ΝΟx του καταλύτη επανέρχεται.
Εκτός από αυξημένη ισχύ, η Volkswagen-Audi ανακοίνωνε για τον FSI μειωμένη κατανάλωση κατά15% σε σχέση με τον αντίστοιχο κινητήρα έμμεσου ψεκασμού, και αρκετές μετρήσεις από ανεξάρτητους φορείς την επιβεβαίωσαν.
Το πρώτο και κύριo πλεονέκτημα του άμεσου ψεκασμού σε σχέση με τον έμμεσο είναι ο πολύ καλύτερος διασκορπισμός του καυσίμου μέσα στο θάλαμο καύσης, που επιταχύνει την ατμοποίηση και τελικά την καύση του.
Το ζητούμενο είναι να καεί η διαθέσιμη βενζίνη όσο το δυνατόν καλύτερα και αποδοτικότερα.
Στο παρελθόν αυτό επιδιωκόταν με γνώμονα την επίτευξη της μέγιστης δυνατής ισχύος από ένα κινητήρα δεδομένου κυβισμού, ενώ στις μέρες μας το βάρος φαίνεται να έχει πέσει στην αύξηση του βαθμού απόδοσης του κινητήρα, με άλλα λόγια στη μείωση της κατανάλωσης.
Επιπλέον ο άμεσος ψεκασμός προσφέρει πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια στον έλεγχο της ψεκαζόμενης ποσότητας καυσίμου, καθώς η βενζίνη ψεκάζεται απευθείας στο θάλαμο καύσης και δεν υπάρχουν φαινόμενα συμπύκνωσης και συσσώρευσής της στους αυλούς εισαγωγής, στις βαλβίδες κ.λπ.
Αυτή η ακρίβεια είναι απαραίτητη για τη βελτιστοποίηση της καύσης, η οποία συνεπάγεται όλα τα οφέλη που περιγράψαμε προηγουμένως.
Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα αυτών των κινητήρων είναι η οικονομία τους όταν δουλεύουν με φτωχό μίγμα στα μερικά φορτία.
Ένας κινητήρας άμεσου ψεκασμού μπορεί να λειτουργήσει σε απόλυτη αναλογία με έναν κινητήρα έμμεσου ψεκασμού, δηλαδή με ομοιογενές μίγμα σύστασης κοντά στη στοιχειομετρική.
Για την ακρίβεια, με λ=0,85-0,95 για συνθήκες μέγιστης ισχύος, καθώς το λίγο πλούσιο μίγμα αυξάνει την ταχύτητα διάδοσης της φλόγας και το ρυθμό παραγωγής ενέργειας, και με λ=1,1-1,3 για μέγιστη οικονομία, καθώς έτσι ανεβαίνει η θερμοκρασία της καύσης και ο βαθμός απόδοσης του κινητήρα.
Όμως οι σύγχρονοι κινητήρες άμεσου ψεκασμού μπορούν να λειτουργήσουν και με πολύ φτωχό μίγμα (ο λόγος λ τους μπορεί να φτάσει σε τιμές ακόμα και κοντά στο 10 όταν γενικά το μίγμα θεωρείται φτωχό με λ>1,5, και είναι πρακτικά μη αναφλέξιμο για λ>1,7-2), κάνοντας “στρωματοποιημένο ψεκασμό” ή “στρωματοποιημένη καύση” (Stratified Charge).
Κινητήρες που δούλευαν με φτωχό μίγμα (lean burn engines) υπήρχαν και παλαιότερα, αλλά με τη στρωματοποιημένη καύση (στην οποία βοήθησε πολύ η σύγχρονη τεχνολογία, όπως τα ηλεκτρικά γκάζια) η λειτουργία τους έγινε πολύ πιο αποδοτική.

Αλλά πώς κατάφεραν οι κατασκευαστές να κάνουν ένα κινητήρα να δουλεύει με λ=10?

Το “κόλπο” που χρησιμοποιήθηκε ήταν η ανισομερής κατανομή του καυσίμου στο θάλαμο καύσης έτσι ώστε το μίγμα κοντά στην ακίδα του μπουζί να είναι στοιχειομετρικό (άρα να μπορεί να αναφλεγεί χωρίς πρόβλημα) και να φτωχαίνει προοδευτικά καθώς απομακρυνόμαστε από αυτή.
Στην περιοχή κοντά στα τοιχώματα του κυλίνδρου, υπάρχει μόνο αέρας (ή καυσαέρια, αν γίνεται και ανακυκλοφορία καυσαερίων).
Όταν το μπουζί δώσει σπινθήρα ανάβει το στοιχειομετρικό μίγμα, και μέσω της τύρβης η φλόγα μεταδίδεται και στις φτωχότερες σε καύσιμο περιοχές του θαλάμου καύσης, που θα ήταν δύσκολο (ως αδύνατο) ν’ αναφλεγούν με άλλο τρόπο. Επιπλέον, η στοιβάδα με τα αδρανή αέρια κοντά στα τοιχώματα δρα ως μονωτικό, μειώνοντας τις θερμικές απώλειες και αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης.
Δουλεύοντας με φτωχό μίγμα στο ρελαντί καθώς και στις περιπτώσεις μερικού φορτίου όπου δεν απαιτείται μεγάλη ισχύς, υπάρχει μείωση της κατανάλωσης μέχρι και 40%, με τα ποσοστά 25%-30% να είναι συνηθισμένα.
Εννοείται ότι αν σε κάποιο σημείο απαιτηθεί μέγιστη ισχύς, ο κινητήρας “γυρίζει” στην κατάσταση λειτουργίας ομοιογενούς μίγματος.
Η λειτουργία στρωματοποιημένης καύσης είναι και η πιο ενδιαφέρουσα (και ίσως και η πιο περίεργη) σε ένα κινητήρα άμεσου ψεκασμού, αφού ουσιαστικά σε αυτήν ο βενζινοκινητήρας μοιάζει σε κάποια σημεία στη λειτουργία του με diesel.
Ένα άλλο πλεονέκτημα των κινητήρων άμεσου ψεκασμού είναι η “ανθεκτικότητά” τους στο φαινόμενο της προανάφλεξης (πειράκια), είτε δουλεύουν με φτωχό μίγμα είτε με στοιχειομετρικό.
Αυτός είναι εξάλλου και ένας από τους λόγους που επιτρέπουν την αύξηση της σχέσης συμπίεσης των βενζινοκινητήρων άμεσου ψεκασμού, η οποία βοηθά στην αύξηση του θερμοδυναμικού βαθμού απόδοσης του κινητήρα – άρα πάλι στη μείωση της κατανάλωσης. Ομοίως, με μειωμένο τον κίνδυνο προανάφλεξης, η ECU του κινητήρα έχει την ελευθερία να δώσει μεγαλύτερη προπορεία στην ανάφλεξη (αβάνς), ενέργεια που επίσης ωφελεί την απόδοση.

Όμως γιατί οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού είναι πιο ανθεκτικοί στα πειράκια?

Όπως ξέρουμε, μια από τις γενεσιουργούς αιτίες της προανάφλεξης είναι η θέρμανση του καυσίμου μίγματος κατά τη φάση της συμπίεσης, η οποία και οδηγεί στην αυτόματη ανάφλεξή του, χωρίς τη σπίθα του μπουζί.
Συνεπώς, για να ανασχέσουμε το φαινόμενο χρειάζεται να ψύξουμε το θάλαμο καύσης: αυτό ακριβώς γίνεται στους κινητήρες άμεσου ψεκασμού.
Διακρίνουμε δυο διαφορετικές περιπτώσεις, ανάλογα αν ο κινητήρας λειτουργεί με φτωχό ή με στοιχειομετρικό μίγμα.
Αν ο κινητήρας δουλεύει με φτωχό μίγμα, τότε είναι πρακτικά αδύνατο να χτυπήσει πειράκια, καθώς το καύσιμο ψεκάζεται αργά στη φάση της συμπίεσης και το μπουζί δίνει σπίθα σχεδόν αμέσως μετά τον ψεκασμό.
Ο κινητήρας σε όλη σχεδόν τη φάση της συμπίεσης συμπιέζει ουσιαστικά αέρα ή/ και καυσαέρια, που είναι μη αναφλέξιμα.
Όταν ψεκάζεται το καύσιμο, δημιουργείται μια ισχυρή ψύξη στην περιοχή στοιχειομετρικού μίγματος γύρω από το μπουζί, η οποία αποτρέπει τον κίνδυνο τοπικής προανάφλεξης -όπως είπαμε η περιοχή πέρα από την ακίδα του μπουζί περιέχει τόσο φτωχό μίγμα, το οποίο είναι πρακτικά αδύνατο να αυταναφλεγεί.
Όσον αφορά την αντοχή στην προανάφλεξη, όφελος υπάρχει και κατά τη λειτουργία με στοιχειομετρικό μίγμα, λόγω της απορρόφησης θερμότητας από το θάλαμο καύσης κατά τον ψεκασμό και την ατμοποίηση του καυσίμου.
Παρόμοιο φαινόμενο υπάρχει και στους κινητήρες έμμεσου ψεκασμού, αλλά σε πολύ μικρότερη κλίμακα: καθώς το καύσιμο ψεκάζεται στους αυλούς της εισαγωγής, απορροφά θερμότητα και από εκεί, με αποτέλεσμα η συνολική ψύξη του θαλάμου καύσης (που μας ενδιαφέρει) να είναι λιγότερη.

Στον κινητήρα FSI, σε λειτουργία με μικρά φορτία η πεταλούδα μειώνει την παροχή του αέρα, κατευθύνοντας το πλουσιότερο μείγμα κάτω από τον σπινθηριστή ενώ στις υψηλές στροφές η κλίση της πεταλούδας επιτρέπει την πλήρη παροχή του αέρα, λίγο πρίν από τη συμπίεση.