Είναι ευρέως γνωστό πως τα αεροπλάνα είναι ένα από τα πιο συνήθη μέσα μαζικής μεταφοράς ανθρώπων. Το 2017 ο αριθμός των επιβατών σε αεροπλάνα ανήλθε στα 4 δισεκατομμύρια , νούμερο διπλάσιο από τα 2 δισεκατομμύρια επιβάτες που ταξίδεψαν το 2004. Στατιστικές προβλέψεις δείχνουν πώς στα επόμενα 20 χρόνια, η παγκόσμια αεροπορική κυκλοφορία θα αυξάνεται κατά 5% ετησίως. Η αύξηση αυτή δημιουργεί την ανάγκη βελτίωσης της αεροπορικών κινητήρων με βασικό άξονα την προστασία του περιβάλλοντος καθώς και την αύξηση της αποδοτικότητας και της οικονομικής λειτουργίας των μηχανών. Αυτός είναι ένας στόχος υψηλής δυσκολίας καθώς για την επίτευξη του είναι απαραίτητη η αναθεώρηση και βελτίωσης της υπάρχουσας αρχιτεκτονικής των αεροπορικών κινητήρων προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις που έχουν τεθεί από το Συμβούλιο Αεροναυτικής Έρευνας. Συγκεκριμένα οι απαιτήσεις αυτές αφορούν την μείωση των εκπομπών C0_2 κατά 20% , την μείωση του θορύβου του κινητήρα κατά 10Db καθώς και την μείωση τον NO_x κατά 80% μέχρι το 2020. Υπό την αιγίδα της MTU και την συμβολή διαφόρων ερευνητικών κέντρων και πανεπιστημίων , έχουν δημιουργηθεί πατέντες για διάφορες αρχιτεκτονικές του πυρήνα του κινητήρα που με την εφαρμογή τους υπάρχουν δυνατότητες μείωσης των εκπομπών C0_2 κατά 6% και ΝΟ_χ κατά 16%.
Η πρώτη αρχιτεκτονική κινητήρα που αναπτύχθηκε είναι αυτή του ενεργού πυρήνα. Πυρήνας του κινητήρα θεωρείται το σύστημα συμπιεστή , θαλάμου καύσης και στροβίλου στο οποίο ο αέρας αρχικά συμπιέζεται , εισέρχεται με υψηλή πίεση στον θάλαμο καύσης όπου με προσθήκη καυσίμου γίνεται η ανάφλεξη και καταλήγει στον στρόβιλο ο οποίος απορροφά την ενέργεια που προσδόθηκε στον αέρα με την καύση του καυσίμου. Είναι προφανές ότι κατά την διαδικασία αυτή αναπτύσσονται πολύ μεγάλες θερμοκρασίες με αποτέλεσμα η ύπαρξη ενός ικανού συστήματος ψύξης να είναι αναγκαία. Για τον σκοπό αυτό σχεδιάστηκε ένα σύστημα ψύξης που προσφέρει μεγάλα περιθώρια βελτίωσης της λειτουργίας του κινητήρα καθώς μπορεί να μειώσει την θερμοκρασία του αέρα ψύξης για τον στρόβιλο υψηλής και άλλα στοιχεία. Ο ψυχρός αυτός αέρας δίνει την δυνατότητα επίτευξης μεγαλύτερων λόγων πίεσης και μεγαλύτερων θερμοκρασιών εξόδου από τον στρόβιλο. Σε συνθήκες όμως που δεν είναι αναγκαία η λειτουργία της μηχανής σε μέγιστη ισχύ και εμφανίζονται μικρότερες πιέσεις άρα και χαμηλότερες θερμοκρασίες. Το σύστημα αυτό μπορεί να μεταβάλει την παροχή αέρα που χρησιμοποιείται για ψύξη ανάλογα με τις ανάγκες ισχύος και διαθέτει σύστημα ψύξης όχι μόνο για τα κινητά πτερύγια του στροβίλου αλλά και για τα σταθερά. Με τον τρόπο αυτό βελτιστοποιείται η ποσότητα αέρα που είναι αναγκαία για την ψύξη και αυξάνεται η απόδοση του κινητήρα το οποίο οδηγεί σε μείωση τον εκπομπών κατά 8% και της ειδικής κατανάλωσης κατά 4%.
Η δεύτερη υπό εξέταση αρχιτεκτονική είναι η ψύξη του πυρήνα με αέρα από το ρεύμα παράκαμψης. Το ρεύμα παράκαμψης του κινητήρα είναι ένα δευτερεύον ρεύμα που δεν διέρχεται από τον πυρήνα του κινητήρα και ο σκοπός του είναι η αύξηση των επιδόσεων του κινητήρα και η μείωση του θορύβου. Εφόσον το ρεύμα αυτό δεν εισέρχεται στον θάλαμο καύσης και η πίεση του είναι χαμηλή σχετικά με το ρεύμα πυρήνα , έχει χαμηλή θερμοκρασία οπότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ψύξη διάφορων στοιχείων του κινητήρα. Η ψύξη μειώνει το απαιτούμενο έργο προκειμένου να επιτύχουμε ψηλούς λόγους πίεσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της θερμοκρασίας του εργαζόμενου μέσου που θα οδηγηθεί στο συμπιεστή υψηλής και αύξηση της θερμοκρασίας εισόδου στο στρόβιλο. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουμε υψηλότερες τιμές ειδικής ισχύος το οποίο μας δίνει την δυνατότητα αύξησης του λόγου παράκαμψης και κατασκευής ενός πιο συμπαγή κινητήρα.
Ψύξη του πυρήνα με αέρα από ρεύμα παράκαμψης
Τα παραπάνω φαινόμενα αυξάνουν την θερμοδυναμική απόδοση του κινητήρα καθώς και της απώλειες πίεσης και θερμότητας. Στις μηχανές με σύστημα ψύξης το προς έναυση εργαζόμενο έχει χαμηλότερη θερμοκρασία κατά την ανάφλεξη του το οποίο εξ ‘ορισμού έχει ως αποτέλεσμα την μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου. Στόχος της αρχιτεκτονικής αυτής είναι η αύξηση της ειδικής κατανάλωσης κατά 4% και μείωση των εκπομπών NO_x κατά 16%.
Η εφαρμογή των παραπάνω αρχιτεκτονικών καθώς και η μεταγενέστερη εξέλιξη τους θα παίξει καταλυτικό ρόλο στην προσπάθεια μείωσης των επιπτώσεων των μηχανών εσωτερικής καύσης στο περιβάλλον. Ωστόσο δεν μπορεί να αποτελέσει μακροχρόνια λύση των προβλημάτων που έχουν ήδη προκληθεί στο περιβάλλον από την μόλυνση του πλανήτη. Για τον λόγο αυτό πρέπει να γίνει έρευνα και ανάπτυξη κινητήρων με υβριδικά καθώς και πλήρως ηλεκτρικά συστήματα με σκοπό των κατακόρυφη μείωση των ρύπων και του θορύβου κατά την λειτουργία τους.
Comentários