H ANTΙΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ FSI ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΜΕ ΤΟΥΣ TSI

H ANTΙΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ FSI ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΜΕ ΤΟΥΣ TSI

Στο σαλόνι της Φρανκφούρτης το 2005, η VW παρουσίασε στο κοινό μία ριζοσπαστική καινοτομία στον τομέα της οδήγησης. Το πρώτο στον κόσμο κινητήρα FSI με διπλό συμπιεστή, τον Twincharger. Ο συμπαγής 1.4 λίτρων άμεσου ψεκασμού κινητήρας αποδίδει στις 2 εκδόσεις
του 140 ίππους με μέγιστη ροπή 220 Nm στις 1.750 σ.α.λ. και 170 ίππους με μέγιστη ροπή 240 Nm στις 1.750-4.500 σ.α.λ., χάρη στον συνδυασμό ενός στροβιλοσυμπιεστή εξάτμισης μαζί με έναν υπερσυμπιεστή με μηχανική μετάδοση κίνησης. Επιπλέον, ο Twincharger αποδίδει ροπή που αντιστοιχεί σε ατμοσφαιρικούς κινητήρες 2.0 έως 2.3 λίτρα. Και η κατανάλωση καυσίμου είναι περίπου 20% χαμηλότερη.

Η ιδέα, o στόχος,τα λάθη του παρελθόντος, το αποτέλεσμα

O στόχος των Ευρωπαίων κατασκευαστών αυτοκινήτων είναι η μείωση των ρύπων του διοξειδίου του άνθρακα CO2. Αυτό θα γίνει σε διάφορα βήματα έως το 2008, μέχρι να επιτευχθεί η τιμή των 140 γραμμ./χλμ. Η μείωση των ρύπων του διοξειδίου του άνθρακα CO2 συμβαδίζει με την μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Για την επίτευξη αυτού του φιλόδοξου στόχου θα απαιτηθεί ένας συνδυασμός της τελευταίας τεχνολογίας των κινητήρων μαζί με βελτιστοποίηση της μετάδοσης της κίνησης. Όμως, αυτό δεν είναι αρκετό. Μαζί με την μείωση της κατανάλωσης, έχει προδιαγραφεί ότι θα πρέπει να υπάρχουν χαρακτηριστικά υψηλής ροπής συνδυασμένα με υψηλά στάνταρτ ποιότητας και μεγάλη διάρκεια ζωής και να αποφευχθούν τα λάθη που είχα γίνει στους FSI. Επιπρόσθετα, ο κινητήρας θα έπρεπε να είναι συμπαγής για να επιτρέπει την τοποθέτησή του σε πολλά διαφορετικά σχήματα αυτοκινήτων. Επίσης, θα έπρεπε να έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να επιτρέψει την άμεση παραγωγή σε μεγάλες ποσότητες. Ένας άλλος στόχος αφορούσε την επίλυση πολυάριθμων αντικρουόμενων αντικειμενικών στόχων με έναν ευρηματικό τρόπο. Η μείωση της χωρητικότητας και συνεπώς η μείωση των απωλειών λόγω της τριβής έχει σαν αποτέλεσμα μικρότερη ειδική κατανάλωση, η οποία ισούται με καλύτερη αποδοτικότητα. Όμως, ένας κινητήρας με χαμηλή χωρητικότητα καλύπτει τις παρούσες απαιτήσεις για ενεργητική ασφάλεια και ευχάριστη οδήγηση μόνον σε πολύ περιορισμένη κλίμακα. Σαν αποτέλεσμα αυτού, ο αντικειμενικός στόχος μπορεί να επιτευχθεί μόνον με την υπερπλήρωση. Οι κλασικοί κινητήρες turbo με μικρό κυβισμό και χρησιμοποιώντας στροβιλοσυμπιεστές εξάτμισης έχουν χρησιμοποιηθεί μόνον σε μικρή κλίμακα στο παρελθόν διότι διαθέτουν μικρή δύναμη εκκίνησης (ξεκινήματος) και για τον λόγο αυτόν είναι λιγότερο αποδεκτοί. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να επιλυθεί με υπερσυμπιεστή με μηχανική μετάδοση κίνησης ο οποίος τροφοδοτεί με επιπρόσθετο φρέσκο αέρα τον κινητήρα ακόμη και στις χαμηλές στροφές. Η πρόκληση ήταν να συνδυαστούν αυτά τα δύο συστήματα με έναν ορθολογιστικό τρόπο. Η εμπειρία που έχει συλλεχθεί κατά την διάρκεια των τελευταίων ετών από τους τεχνικούς που εξελίσσουν κινητήρες στη VW στην τεχνολογία FSI, έχει αποκαλύψει ότι το αυτό το σύστημα άμεσου ψεκασμού θα μπορούσε να συμπληρωθεί ιδανικά με τις δύο διαφορετικές τεχνικές υπερσυμπίεσης, με το ανήκουστο για το παρελθόν αποτέλεσμα της αύξησης της αποδοτικότητας.

Αυτό δημιούργησε τον πρώτο στον κόσμο βενζινοκινητήρα άμεσου ψεκασμού με διπλή υπερσυμπίεση για χρήση σε μεγάλης δυνατότητας σειρά παραγωγής, τον Twincharger. Η επιλογή για την βασική μονάδα παραγωγής ισχύος ήταν ο κινητήρας FSI από την σειρά EA 111 όπως χρησιμοποιείται στα επίπεδα ισχύος του Golf των 90 ίππων 1.4 λίτρων ή των 115 ίππων των 1.6 λίτρων. Ο 1.4 κινητήρας είναι ένας 4κύλινδρος με 4 βαλβίδες/κύλινδρο, 1.390 κ.εκ., με ένα διάκενο κυλίνδρων 82 χλστ. και μία σχέση διαμέτρου/διαδρομής 76,5-75,6 χλστ. Για την ανάπτυξη του Twincharger κατασκευάστηκε ένα καινούργιο μπλοκ κυλίνδρων στροφαλοθαλάμου από υψηλής αντοχής γκρι χυτοσίδηρο ώστε να αντέξει την υψηλή πίεση των μέχρι 21,7 bar για μεγάλα χρονικά διαστήματα,αλλά και για καλύτερη έξοδο των καυσαερίων, χωρίς να μένουν κατάλοιπα στις βαλβίδες (το γνωστό πρόβλημα που είχαν οι FSI), μία αντλία νερού με ενσωματωμένο μαγνητικό συμπλέκτη και τεχνολογία υπερσυμπίεσης. Ωστόσο, τροποποιήθηκε επίσης και η τεχνολογία του ψεκασμού. Ένα μπεκ ψεκασμού πολλαπλών οπών υψηλής πίεσης με 6 στοιχεία εξαγωγής καυσίμου χρησιμοποιείται για πρώτη φορά στον κινητήρα 1.4 TSI. Το μπεκ ψεκασμού, όπως και στους ατμοσφαιρικούς κινητήρες FSI, βρίσκεται τοποθετημένο στην πλευρά της εισαγωγής μεταξύ της θυρίδας εισαγωγής και του επιπέδου της τσιμούχας (φλάντζας) της κυλινδροκεφαλής. Η ποσότητα του καυσίμου το οποίο πρόκειται να ψεκαστεί μεταξύ της λειτουργίας ρελαντί και της απόδοσης των 90 kW/λίτρο απαιτεί ένα μεγάλο εύρος διακύμανσης της ροής του καυσίμου μέσα από τα μπεκ ψεκασμού, ενώ πρέπει να δοθεί ικανοποιητικός χρόνος προετοιμασίας του μείγματος μετά τον ψεκασμό σε καταστάσεις πλήρους φορτίου από την μία πλευρά και στην κατάσταση ρελαντί με παραγωγή μικρών ποσοτήτων ψεκασμού από την άλλη πλευρά. Η μέγιστη πίεση ψεκασμού αυξήθηκε σε 150 bar έτσι ώστε να επιτευχθεί αυτό το μεγάλο εύρος της ροής. Επιπρόσθετα, μόνον η τεχνολογία FSI έκανε δυνατή την επίτευξη σχέσης συμπίεσης των 10:1 η οποία είναι υψηλή για κινητήρες με υπερσυμπίεση.
 Οι επιστήμονες που εξελίσσουν τους κινητήρες της VW επέλεξαν έναν υπερσυμπιεστή με μηχανική μετάδοση κίνησης με ιμάντα με σκοπό να αυξήσουν την ροπή σε χαμηλές στροφές του κινητήρα. Είναι μία μονάδα υπερσυμπιεστή βασισμένη στην αρχή Roots. Ένα ειδικό χαρακτηριστικό αυτού του συμπιεστή ο οποίος χρησιμοποιείται, είναι η εσωτερική σχέση μείωσης των στροφών στην πλευρά της εισαγωγής του ζεύγους γραναζιών συγχρονισμού. Ο στροβιλοσυμπιεστής εξάτμισης ενεργοποιείται επίσης σε υψηλότερες στροφές του κινητήρα (με έλεγχο από βαλβίδα ανακούφισης wastegate). Στην περίπτωση αυτή ο υπερσυμπιεστής (compressor) και ο στροβιλοσυμπιεστής (turbo) είναι συνδεδεμένοι εν σειρά. Ο υπερσυμπιεστής λειτουργεί με μαγνητικό συμπλέκτη ο οποίος είναι ενσωματωμένος σε μία μονάδα μέσα στην αντλία νερού. Ένα κλαπέτο ελέγχου εξασφαλίζει ότι ο φρέσκος αέρας που απαιτείται για την θυρίδα λειτουργίας μπορεί να περάσει μέσα από τον στροβιλοσυμπιεστή εξάτμισης ή τον υπερσυμπιεστή. Το κλαπέτο ελέγχου είναι ανοικτό όταν λειτουργεί μόνον ο στροβιλοσυμπιεστής εξάτμισης. Στην περίπτωση αυτή, ο αέρας ρέει μέσα από την κανονική διαδρομή όπως στους συμβατικούς κινητήρες turbo, δια μέσου του μπροστινού ψυγείου αέρα και της πεταλούδας γκαζιού μέσα στην πολλαπλή εισαγωγής. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην ανάπτυξη του κινητήρα TSI ήταν να επιτευχθεί η καλύτερη δυνατή συνεργασία μεταξύ των δύο συμπιεστών οι οποίοι βρίσκονται τοποθετημένοι εν σειρά. Μόνον όταν και οι δύο μονάδες (υπερσυμπιεστής/στροβιλοσυμπιεστής) συμπληρώνουν ο ένας τον άλλον με τον βέλτιστο τρόπο, μπορεί να επιτευχθούν τα χαρακτηριστικά της επίπεδης ροπής σε μεγάλο εύρος στροφών αυτού του μικρού κινητήρα σε συνδυασμό με την εξαιρετική αύξηση της αποδοτικότητας. Ο αισιόδοξος αντικειμενικός στόχος της σύμπτυξης μίας απόδοσης ανά λίτρο των πάνω από 90 kW στο λίτρο του κινητήρα 1.4 λίτρων δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί με υπερσυμπίεση μονής βαθμίδας μόνο.

Όμως, ένας εν σειρά υπερσυμπιεστής δίνει την δυνατότητα σημαντικής αύξησης της πίεσης υπερπλήρωσης του στροβιλοσυμπιεστή εξάτμισης. Η μέγιστη πίεση υπερπλήρωσης του Twincharger είναι περίπου 2,5 bar στις 1.500 σ.α.λ., με τον στροβιλοσυμπιεστή εξάτμισης και τον μηχανικό υπερσυμπιεστή να λειτουργούν με την ίδια περίπου σχέση πίεσης (περίπου 1,53). Ένας κινητήρας με στροβιλοσυμπιεστή εξάτμισης χωρίς την βοήθεια υπερσυμπιεστή θα μπορούσε να επιτύχει μόνο μία σχέση πίεσης των περίπου 1,3 bar στην περίπτωση αυτή. Η ταχύτερη απόκριση του στροβιλοσυμπιεστή εξάτμισης δίνει την δυνατότητα στον υπερσυμπιεστή να αποσυμπιεστεί νωρίτερα με το συνεχές άνοιγμα της βαλβίδας παράκαμψης. Αυτό σημαίνει ότι η λειτουργία του υπερσυμπιεστή περιορίζεται σε μία στενή περιοχή χαρτογράφησης με προκαθορισμένες χαμηλές σχέσης πίεσης και για τον λόγο αυτόν, χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Συνεπώς, το μειονέκτημα του συστήματος της μηχανικής υπερσυμπίεσης όσον αφορά την κατανάλωση μπορεί να ελαττωθεί. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι ο υπερσυμπιεστής χρειάζεται μόνον για να δημιουργήσει την απαιτούμενη πίεση υπερπλήρωσης στην κλίμακα των στροφών του κινητήρα μέχρι τις 2.400 σ.α.λ. Ο στροβιλοσυμπιεστής εξάτμισης είναι σχεδιασμένος για βέλτιστη απόδοση στην υψηλότερη κλίμακα απόδοσης και παρέχει επαρκή πίεση υπερπλήρωσης ακόμη και στην μεσαία κλίμακα των στροφών. Σε δυναμική οδήγηση, αυτό είναι ανεπαρκές για τις συγκεκριμένες τιμές επιτάχυνσης με ταχύτητα στις χαμηλές στροφές του κινητήρα. Σε αυτές τις συνθήκες οδήγησης, εμπλέκεται ο υπερσυμπιεστής για να επιτρέψει την δημιουργία μίας ακαριαίας πίεσης υπερπλήρωσης.
 Ο τρόπος με τον οποίο αυτά τα δύο συστήματα συμπληρώνουν το ένα το άλλο σημαίνει ότι δεν υπάρχει καθόλου υστέρηση απόκρισης (turbo lag). Ο υπερσυμπιεστής δεν χρειάζεται πλέον σε μία περιοχή στροφών πάνω από τις 3.500 σ.α.λ., διότι ο στροβιλοσυμπιεστής εξάτμισης μπορεί σίγουρα να παρέχει την απαιτούμενη πίεση υπερπλήρωσης ακόμη και σε κατάσταση δυναμικής οδήγησης εξ' αιτίας της μετάβασης από λειτουργία (ταξιδίου) ρολαρίσματος σε λειτουργία πλήρους φορτίου.
 Η λειτουργία στην πράξη
Ο υπερσυμπιεστής, με την σχέση μετάδοσης κίνησης του 1:5 σε σχέση με τον στροφαλοφόρο αποδίδει μία πίεση υπερπλήρωσης των 1,8 bar ακόμη και σε στροφές κινητήρα λίγο πιο πάνω από το ρελαντί. Αυτό αποδίδει την δύναμη που απαιτείται όταν ξεκινάτε από στάση. Ένας ηλεκτρομαγνητικός συμπλέκτης ενσωματωμένος μέσα στην μονάδα της αντλίας νερού ευθύνεται για την ενεργοποίηση ή την απενεργοποίηση του υπερσυμπιεστή. Ο υπερσυμπιεστής παίρνει κίνηση από έναν επιπρόσθετο ιμάντα. Μία ροπή των 200 Νm είναι διαθέσιμη από μόλις 1.250 σ.α.λ. και μέχρι τις 4.750 σ.α.λ. για τον TSI 140 ίππων, ή τις 6.000 σ.α.λ. για τον TSI 170 ίππων. Στην δυναμική λειτουργία του συμπιεστή, ο αυτόματος έλεγχος της πίεσης υπερπλήρωσης αποφασίζει εάν ο υπερσυμπιεστής θα ενεργοποιηθεί σύμφωνα με την ελκτική δύναμη που απαιτείται, ή εάν μόνον το turbo μπορεί να παράγει την απαιτούμενη πίεση υπερπλήρωσης. Ο υπερσυμπιεστής ενεργοποιείται πάλι εάν οι στροφές του κινητήρα κατέβουν σε χαμηλότερο επίπεδο και τότε απαιτείται πάλι ισχύς.

Το turbo μόνο του αποδίδει ικανοποιητική πίεση υπερπλήρωσης πάνω από τις 3.500 σ.α.λ. Στην πράξη, ο 1.4 TSI 140 ίππων συμπεριφέρεται σαν ένας ατμοσφαιρικός κινητήρας 2.0 λίτρων με μέγιστη ροπή 220 Nm στις 1.750 σ.α.λ., ενώ αντίστοιχα ο 1.4 TSI 170 ίππων μπορεί να συγκριθεί με ένα μεγάλο ατμοσφαιρικό κινητήρα κυβισμού 2.3 λίτρων διότι η μέγιστη ροπή των 240 Νm είναι διαθέσιμη στις 1.750-4.500 σ.α.λ. Σε συνδυασμό με το αυτόματο κιβώτιο άμεσης σύμπλεξης ταχυτήτων (DSG), η ισχύς που αποδίδεται από τον 1.4 TSI θα εκτιμηθεί ακόμη περισσότερο εξ’ αιτίας των αλλαγών ταχυτήτων χωρίς οποιαδήποτε διακοπή της ελκτικής πρόσφυσης. Και η κατανάλωση αντί να αυξάνεται, με το ευρηματικό αυτόματο κιβώτιο, αναλογικά μειώνεται.

Ποιότητα παραγωγής
Η επιλογή υλικών τα οποία είναι ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες κάνουν περισσότερο από δυνατόν να διατηρηθεί η κατανάλωση στο καλύτερο δυνατό επίπεδο σε υψηλές ταχύτητες. Παρά την υψηλή απόδοση ανά λίτρο, το υψηλό επίπεδο πίεσης μέσα στον κινητήρα και την ικανότητα του κινητήρα να φθάνει μέχρι τις 7.000 σ.α.λ., ο Twincharger είναι σχεδιασμένος για μεγάλη διάρκεια ζωής. Περισσότεροι από 250 πρωτότυποι κινητήρες και κινητήρες πιλοτικής σειράς παραγωγής έχουν κάνει τον κύκλο τους σε όλους τους απαιτούμενους κύκλους ελέγχων. Το καθένα εξάρτημα αυτού του καινούργιου κινητήρα έχει σχεδιαστεί για την διάρκεια ζωής του κινητήρα και έχει περάσει το βάπτισμα του πυρός. Τεστ αντοχής συνεχούς λειτουργίας που αντιστοιχούν σε διάνυση απόστασης 300.000 χλμ. έχουν ολοκληρωθεί με επιτυχία. Το μπλοκ κυλίνδρων στροφαλοθαλάμου είναι κατασκευασμένο από υψηλής αντοχής γκρι χυτοσίδηρο και εγγυάται την ολοκληρωμένη αξιοπιστία της λειτουργίας ακόμη και σε κορυφώσεις υψηλής πίεσης της τάξης των 120 bar. Ένα εξαιρετικά εξειδικευμένο προσωπικό στο εργοστάσιο Chemnitz Engine Works χρησιμοποιεί βελτιστοποιημένες διαδικασίες παραγωγής και την τελευταία τεχνολογία μετρήσεων για να εξασφαλίσει ότι αυτές οι υψηλής τεχνολογίας μονάδες παραγωγής ισχύος συναρμολογούνται χωρίς ελαττώματα με απόλυτη ακρίβεια και αξιοπιστία. Από ότι φαίνεται τα προβλήματα των FSI ξεπεράστηκαν. Όμως το downsizing προκάλεσε προβλήματα στους 1.4 TSI των 170 ίππων. Πολλοί κινητήρες αν όχι όλοι έχουν μεγάλη κατανάλωση λαδιού, πέραν των προδιαγραφών του κατασκευαστή. Αυτό γεννά αμέσως ερωτήματα για τα πεδία δοκιμών των νέων κινητήρων, μιας και όλα τα οχήματα παρουσίασαν  μεγάλη κατανάλωση λαδιών από τα πρώτα χιλιόμετρα. Ακόμα επίσιμη τοποθέτηση δεν έχει υπάρξει, παρά μόνο μία οδηγία της VW που λέει πως αν μετά από κάποια συγκεκριμένη διαδικασία διαπιστωθεί ότι ο κινητήρας καταναλώνει υπερβολικό λάδι να γίνει επισκευή. Πολλοί  μιλούν για αστοχία στα ελατήρια, δεν αντέχουν την συμπίεση, άλλοι λένε πως από την πολύ συμπίεση σηκώνεται το καπάκι γιατί δεν αντέχουν τα μπουζόνια...αρκετοί ιδιοκτήτες έχουν καταφύγει στην δικαιοσύνη. Ίδωμεν...