Τι είναι η φυσική και η εξαναγκασμένη επαγωγή σε κινητήρες εσωτερικής καύσης;

Η διαδικασία συμπίεσης και τροφοδοσίας πυκνού και πλούσιου σε οξυγόνο αέρα σε έναν κινητήρα για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών καύσης είναι γνωστή ως εξαναγκασμένη επαγωγή.

Αν κάποιος σας έλεγε ότι οι κινητήρες αυτοκινήτων αναπνέουν όπως οι άνθρωποι, πιθανότατα θα απορρίψατε την ιδέα ως παραληρηματική. Ωστόσο, σκεφτείτε το έτσι… κάθε αντίδραση καύσης περιλαμβάνει την κατανάλωση οξυγόνου για την απελευθέρωση ενέργειας με κάποια μορφή, οπότε ας επεκτείνουμε την ίδια λογική στους κινητήρες. Είναι παγκοσμίως γνωστό ότι οι κινητήρες λειτουργούν με καύσιμο, αλλά αυτό είναι μόνο εν μέρει σωστό, καθώς το καύσιμο απαιτεί οξυγόνο για να καεί και δεν μπορεί να καεί από μόνο του.

Ένα μείγμα αέρα και καυσίμου καίγεται μέσα στον κινητήρα για να παραχθεί ενέργεια, η οποία αξιοποιείται ως μηχανική ισχύς (Photo Credit :yucelyilmaz/Shutterstock)

Έτσι, όλα τα αυτοκίνητα είναι εξοπλισμένα με ένα σύστημα εισαγωγής που αναρροφά, φιλτράρει και αναμιγνύει τον αέρα με το καύσιμο για να σχηματίσει ένα εύφλεκτο «φόρτιση» που στη συνέχεια τροφοδοτείται στον κινητήρα. Αυτό το φορτίο καίει και παράγει ενέργεια, η οποία στη συνέχεια αξιοποιείται ως μηχανική ισχύς και μπορεί να μετατραπεί σε τροχούς.

Τι είναι η φυσική και αναγκαστική επαγωγή στα αυτοκίνητα;

Ένα σύστημα εισαγωγής αέρα αντλεί καθαρό αέρα από την ατμόσφαιρα και τον τροφοδοτεί στον κινητήρα μέσω της πολλαπλής εισαγωγής (Photo Credit :One Photo/Shutterstock)

Η διαδικασία τροφοδοσίας αέρα στον κινητήρα ώστε να μπορεί να πραγματοποιηθεί η καύση είναι γνωστή ως αναρρόφηση ή επαγωγή. Η επαγωγή μπορεί να είναι είτε φυσική είτε εξαναγκασμένη, ανάλογα με την αρχιτεκτονική του κινητήρα.

Ένας κινητήρας που αναρροφά αέρα υπό ατμοσφαιρική πίεση δημιουργώντας ένα κενό στο σύστημα εισαγωγής αέρα είναι γνωστός ως κινητήρας με φυσική αναπνοή και το φαινόμενο ονομάζεται φυσική επαγωγή.

Ωστόσο, ορισμένοι κινητήρες είναι εξοπλισμένοι με συσκευές που τους επιτρέπουν να αντλούν αέρα με πίεση υψηλότερη από την ατμοσφαιρική πίεση. Αυτές οι συσκευές ονομάζονται υπερσυμπιεστές και η διαδικασία ονομάζεται εξαναγκασμένη επαγωγή.

Τι είναι η εξαναγκασμένη επαγωγή;

Η έννοια της εξαναγκασμένης επαγωγής εξηγείται εύκολα με την «αναλογία βαλίτσας». Η εξάντληση χώρου στις βαλίτσες μας είναι συνηθισμένο φαινόμενο όταν ταξιδεύουμε. Αν και είναι λογικό να πάρουμε απλώς μια δεύτερη τσάντα, ξεπακετάρουμε και προσπαθούμε να στριμώξουμε όσο το δυνατόν περισσότερες αποσκευές στην πρώτη τσάντα, προκειμένου να αποφύγουμε εντελώς την ταλαιπωρία μιας δεύτερης τσάντας.

Αυτή η «πιο αποτελεσματική» συσκευασία μας επιτρέπει να μεταφέρουμε επιπλέον αποσκευές (και να ψωνίζουμε περισσότερες, αν είμαστε σε διακοπές) χωρίς να απαιτείται επιπλέον τσάντα.

Η συμπίεση του αέρα μέσω εξαναγκασμένης επαγωγής είναι παρόμοια με τη συμπίεση των αποσκευών για να χωρέσει περισσότερα πράγματα (Φωτογραφία:izzet ugutmen/Shutterstock)

Η ίδια ιδέα μπορεί να εφαρμοστεί και στους κινητήρες. Θεωρητικά, ένας κινητήρας μπορεί να συσκευάσει μόνο τόσο πολύ μείγμα αέρα-καυσίμου για να τον βοηθήσει να παράγει την ονομαστική του ισχύ. Για να αποκτήσετε περισσότερη ισχύ, θα πρέπει ιδανικά να αναζητήσετε έναν μεγαλύτερο κινητήρα, αλλά η εξαναγκασμένη επαγωγή μπορεί να βοηθήσει στην «εξαπάτηση» συμπιέζοντας περισσότερη φόρτιση στον ίδιο χώρο, βοηθώντας έτσι στην καύση περισσότερου καυσίμου και στην παραγωγή μεγαλύτερης ισχύος από την ονομαστική ισχύ.

Υπερσυμπιεστές

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η συμπίεση του αέρα επιτυγχάνεται μέσω μιας συσκευής που ονομάζεται υπερσυμπιεστής.

Οι υπερσυμπιεστές είναι μηχανικές αντλίες που συμπιέζουν τον αέρα και τον τροφοδοτούν στην πολλαπλή εισαγωγής (η δίοδος μέσω της οποίας ένα εύφλεκτο φορτίο εισέρχεται στον θάλαμο καύσης του κινητήρα).

Οι αντλίες χρειάζονται ρεύμα για να λειτουργήσουν και ένας υπερσυμπιεστής δεν διαφέρει. Ο υπερσυμπιεστής θα αντλεί ισχύ από τον κινητήρα χρησιμοποιώντας μια τροχαλία και έναν ιμάντα για να συμπιέζει τον αέρα και να τον τροφοδοτεί πίσω. Ωστόσο, όπως και ο υπερσυμπιεστής, πολλές άλλες ζωτικές λειτουργίες, όπως ο κλιματισμός και το υδραυλικό τιμόνι, εξαρτώνται από τον ίδιο τον κινητήρα. Επομένως, ένας υπερσυμπιεστής προσθέτει στο φορτίο του κινητήρα, το οποίο αντισταθμίζει τα οφέλη. Αυτό ενθάρρυνε την ανάπτυξη του υπερσυμπιεστή, μιας συσκευής που δεν βασίζεται στην ισχύ του κινητήρα, αλλά στα καυσαέρια!

Επάνω:Ένας υπερσυμπιεστής συνδεδεμένος με τον κινητήρα, Κάτω:Ένας υπερσυμπιεστής αντλεί ισχύ από τον κινητήρα για να συμπιέζει τον αέρα και να τον τροφοδοτεί πίσω στον κινητήρα (Προσφορά φωτογραφίας:Volodymyr Horbovyy &Studio BKK/Shutterstock)

Στροβιλοσυμπιεστές

Ο στροβιλοσυμπιεστής είναι μια μηχανική συσκευή που αποτελείται από έναν στρόβιλο συνδεδεμένο με έναν συμπιεστή. Τα καυσαέρια από τον κινητήρα περιστρέφουν τον στρόβιλο στο δρόμο τους, ο οποίος με τη σειρά του περιστρέφει τον συμπιεστή. Αυτός ο συμπιεστής συμπιέζει τώρα τον καθαρό αέρα και τον τροφοδοτεί στον κινητήρα, επιτυγχάνοντας έτσι αυτό που θα πετύχαινε ένας υπερσυμπιεστής χωρίς το πρόσθετο φορτίο στον κινητήρα.

Επάνω:Ένας στροβιλοσυμπιεστής, Κάτω:Ένας στροβιλοσυμπιεστής παίρνει ισχύ από τα καυσαέρια για να συμπιέσει τον αέρα και τροφοδοτεί τον καθαρό αέρα στον κινητήρα (Φωτογραφία:Sanit Fuangnakhon&Studio BKK/Shutterstock)

Τα συστήματα εξαναγκασμένης επαγωγής περιέχουν επίσης ένα κρίσιμο σύστημα υποστήριξης:το intercooler. Καθώς ο αέρας συμπιέζεται στους υπερσυμπιεστές, η θερμοκρασία του αυξάνεται, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει πρόωρη καύση στο εσωτερικό του κινητήρα, κάτι που είναι επιζήμιο για την ακεραιότητα του κινητήρα μακροπρόθεσμα. Έτσι, ο πεπιεσμένος αέρας διέρχεται μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας που τον ψύχει πριν τροφοδοτηθεί στον θάλαμο καύσης. Αυτή η διαδικασία ανταλλαγής θερμότητας είναι γνωστή ως intercooling.

Αν και η υπερσυμπίεση είναι ένα υποσύνολο της υπερσυμπίεσης, αυτοί οι όροι βρίσκουν διακριτή χρήση στην αυτοκινητοβιομηχανία. Ενώ η υπερτροφοδότηση, αυτή καθεαυτή, έχει γίνει λιγότερο συχνή, η δημοτικότητα των ρυθμίσεων υπερτροφοδότησης αυξάνεται.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της υπερφόρτισης (και του υπερσυμπιεστή)

Καθώς καθίσταται δυνατή η συμπίεση περισσότερου αέρα και καυσίμου στον ίδιο χώρο, μπορείτε να αποκτήσετε περισσότερη ισχύ χωρίς να χρειάζεται να επενδύσετε σε μεγαλύτερο κινητήρα. Ωστόσο, αυτή η ισχύς έχει ένα κόστος, που προκύπτει από τα εγγενή μειονεκτήματα της κατασκευής συσκευών εξαναγκασμένης επαγωγής.

Το πιο σημαντικό μειονέκτημα είναι η μειωμένη οικονομία καυσίμου, λόγω της συμπίεσης περισσότερου καυσίμου στον κινητήρα. Για να καταπολεμήσουν αυτό το μειονέκτημα, οι μηχανικοί εξοπλίζουν τώρα τα αυτοκίνητα με μικρότερους κινητήρες για να παράγουν την ίδια ισχύ με τους μεγαλύτερους ομολόγους τους, ενώ χρησιμοποιούν εξαναγκασμένη επαγωγή.

Ένας μεγαλύτερος κινητήρας σε φορτηγά, για παράδειγμα, θα καταναλώσει περισσότερα καύσιμα σε σύγκριση με τα επιβατικά αυτοκίνητα λόγω μεγαλύτερης χωρητικότητας (Photo Credit :Nuk2013/Shutterstock)

Για παράδειγμα, ένα αυτοκίνητο που ήταν αρχικά εξοπλισμένο με κινητήρα 2 λίτρων (χωρητικότητας για μείγμα αέρα-καυσίμου) με ισχύ 120 kW μπορεί να παράγει την ίδια ισχύ με έναν υπερτροφοδοτούμενο κινητήρα 1,2 λίτρων. Δεδομένου ότι το μέγεθος του δεύτερου κινητήρα είναι μικρότερο, θα καταναλώσει λιγότερα καύσιμα και θα κρατήσει τα χιλιόμετρα από ταλαιπωρία.

Το δεύτερο μειονέκτημα είναι ότι οι υπερσυμπιεστές και οι υπερσυμπιεστές δεν παρέχουν αμέσως επιπλέον ισχύ. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα κινούμενα μέρη αυτών των συσκευών δεν φτάνουν αμέσως τις πλήρεις ταχύτητες λειτουργίας λόγω αδράνειας.

Ενώ αυτό το κενό στην τροφοδοσία ρεύματος είναι ελάχιστα αντιληπτό στους υπερσυμπιεστές, είναι αρκετά εμφανές στους στροβιλοσυμπιεστές και αναφέρεται ως υστέρηση turbo. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη του υπερσυμπιεστή πολλαπλών σταδίων, όπου μικρότεροι στροβιλοσυμπιεστές χρησιμοποιούνται για χαμηλότερες στροφές κινητήρα, ενώ μεγαλύτεροι στροβιλοσυμπιεστές χρησιμοποιούνται για υψηλές στροφές κινητήρα.

Το κενό μεταξύ του πατήματος του γκαζιού και της ώθησης από τον κινητήρα είναι γνωστό ως καθυστέρηση ώθησης. Είναι πολύ εμφανές στους στροβιλοσυμπιεστές.

Τρέχουσα χρήση και το μέλλον της αναγκαστικής επαγωγής

Η εξαναγκασμένη επαγωγή βρίσκει χρήση τόσο σε εμπορικές όσο και σε εφαρμογές που βασίζονται στην απόδοση. Για τους κατασκευαστές αυτοκινήτων, είναι ένας εύκολος τρόπος να παραδίδουν μικρούς κινητήρες που συμμορφώνονται με τα πρότυπα ασφάλειας και εκπομπών ρύπων, παρέχοντας παράλληλα ένα αξιοπρεπώς ισχυρό αυτοκίνητο. Στην κουλτούρα απόδοσης και τροποποίησης, είναι ένας φθηνός τρόπος παραγωγής περισσότερης ενέργειας σε ένα ήδη ισχυρό σύστημα.

Ωστόσο, το μέλλον της εξαναγκασμένης επαγωγής είναι ζοφερό, καθώς προορίζεται να συναντήσει έναν πολύ αναπόφευκτο θάνατο όταν ο κινητήρας εσωτερικής καύσης εξαφανιστεί στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον!