Γενικές αρχές λειτουργίας ΜΕΚ

Μηχανές Εσωτερικής Καύσης: γενικές αρχές λειτουργίας (4Τ 226, 7/1989)

Συντάκτης: Η. Τσότρας

Μια σύντομη περιγραφή και ανάλυση του τρόπου λειτουργίας μιας μηχανής εσωτερικής καύσης, καθώς και των μερών που την αποτελούν.
Όσα θα διαβάσετε στο κείμενο που ακολουθεί, σκοπό έχουν να δείξουν στον αναγνώστη σε γενικές γραμμές, πώς λειτουργεί μια μηχανή εσωτερικής καύσης (Μ.Ε.Κ.), από ποιά εξαρτήματα αποτελείται και τι ειδικό ρόλο παίζουν αυτά στη λειτουργία της μηχανής. Επίσης θα αναφερθούν οι κατηγορίες (είδη) των μηχανών που λειτουργούν σήμερα ανά τον κόσμο.
Με την πρώτη ματιά η θεωρία που διέπει τις Μ.Ε.Κ., μπορεί να φαίνεται ως «απλώς θεωρίες» ή ως «δυσνόητα τεχνολογικά κατασκευάσματα». Όσα όμως με την πρώτη ματιά φαίνονται δύσκολα και δυσάρεστα, είναι απ' τη μια μεριά πολύ εύκολα (και ευχάριστα) για κάποιον που αισθάνεται έστω και την παραμικρή αγάπη για το αυτοκίνητο να τα κατανοήσει (αρκεί να μην διαβάσει το άρθρο αυτό στο κρεβάτι λίγο πριν αποκοιμηθεί…). Από την άλλη πλευρά είναι απαραίτητο να τα κατανοήσει εάν θέλει να θεωρεί τον εαυτό του μέσα στη σύγχρονη πραγματικότητα. Σκεφτείτε άλλωστε (κυρίως οι κάτοικοι του λεκανοπεδίου, κι όχι μόνο της Αθήνας!) πόσο επηρεάζουν οι μηχανές αυτές την ποιότητα της ζωής μας, σκεφτείτε το «νέφος» με όλα του τα συμπαρομαρτούντα: τσούξιμο στο λαιμό (φαρυγγίτιδα σε μερικούς), κόκκινα μάτια, πόνοι στο στήθος και πολλά άλλα.
Αλλά ας γυρίσουμε πίσω στο θέμα μας, κάνοντας μια σύντομη αναδρομή στην ιστορία της μηχανής του αυτοκινήτου.
Η αυτοκίνηση σαν ιδέα είναι αρκετά παλιά: Τόσο όσο και η επιθυμία του ανθρώπου να ζήσει όσο μπορεί περισσότερες εμπειρίες σε όσο το δυνατόν μικρότερο χρονικό διάστημα. Η πραγματική όμως αυτοκίνηση, με τη μορφή τουλάχιστον που την ξέρουμε όλοι σήμερα, δεν έγινε εφικτή παρά μόνο με την εμφάνιση των μηχανών εσωτερικής καύσης (δεν αναφέρουμε βέβαια την κωμική - πλην όμως τόσο απαραίτητη για την εξέλιξη - περίπτωση κίνησης αυτοκινήτου (;) με τη βοήθεια ατμομηχανής).
Η βάση για την κατασκευή μηχανής εσωτερικής καύσης τέθηκε περίπου στο πρώτο μισό του προηγούμενου αιώνα, όταν στα 1824 ο 28χρονος μηχανικός του Γαλλικού στρατού Ν. Sadi Carnot, δημοσίευσε στη Γαλλία μια εργασία με τίτλο: «Reflections sur la puissance motrice du feu et suries machines propres a developper cette puissance», θέτοντας ουσιαστικά τις βάσεις της επιστήμης της Θερμοδυναμικής. Το 1862, ο Alphonse Bean de Rochas δημοσιεύει στο Παρίσι τη θεωρία του για μια μηχανή εσωτερικής καύσεως με αρχή λειτουργίας, όμοια (σχεδόν) με αυτή που απαντάται και στις σημερινές μηχανές. Στα 1876 οι Otto και Langen βάζουν σε παραγωγή την πρώτη Μ.Ε.Κ. που ονομάζεται και μηχανή Otto, και στην οποία η συμπίεση του μίγματος συντελείται πριν από την καύση του.

Αλλά ας έρθουμε τώρα στην «ουσία» του θέματος και να πούμε ορισμένα πράγματα για τις Θερμικές Μηχανές (Θ.Μ.). Μια μηχανή λοιπόν ονομάζεται Θερμική, όταν το αποδιδόμενο από αυτή μηχανικό έργο προέρχεται από την καύση μίγματος ορισμένης αναλογίας καυσίμου-αέρα. Με τον τρόπο αυτό, η αποθηκευμένη στο καύσιμο χημική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα και εν συνεχεία σε μηχανικό έργο, το οποίο και αποδίδεται για εκμετάλλευση. Οι θερμικές μηχανές μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες:

  • Σε μηχανές εσωτερικής καύσεως, όπου η καύση του μίγματος συντελείται μέσα στο τμήμα της μηχανής που είναι υπεύθυνο για τη μετατροπή της θερμότητας σε μηχανικό έργο, και
  • Σε μηχανές εξωτερικής καύσεως, όπου η καύση του μίγματος συντελείται σε ξεχωριστό τμήμα της μηχανής. Σαν παράδειγμα μπορούμε εδώ να αναφέρουμε την ατμομηχανή.

Εμάς εδώ θα μας απασχολήσουν μόνο οι μηχανές εσωτερικής καύσεως, στις οποίες ανήκουν και οι εμβολοφόρες μηχανές που χρησιμοποιούνται στα αυτοκίνητα και τις μοτοσικλέτες. Οι μηχανές εσωτερικής καύσεως τώρα, μπορούν ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους να χωριστούν σε άλλες κατηγορίες (βλέπε πιν. 1). Σημειώνουμε ότι από εδώ και στο εξής θα αναφερόμαστε μόνο σε κινητήρες με εφαρμογή σε αυτοκίνητα ή μοτοσικλέτες.
Ανάλογα λοιπόν με τον τύπο του καυσίμου που χρησιμοποιούν, σε:

  • Βενζινοκινητήρες ή κινητήρες Otto. Οι Μ.Ε.Κ. αυτές χρησιμοποιούν για καύσιμο, βενζίνη. Τα κύρια χαρακτηριστικά τους φαίνονται στον πίνακα 2.
  • Πετρελαιοκινητήρες ή κινητήρες Diesel. Οι Μ.Ε.Κ. αυτές για τη λειτουργία τους χρησιμοποιούν πετρέλαιο diesel. Τα κύρια χαρακτηριστικά τους φαίνονται επίσης στον πίνακα 2.

Ανάλογα με τον αριθμό των χρόνων, οι Μ.Ε.Κ. διακρίνονται σε:

  • Δίχρονους: Όταν ένας πλήρης κύκλος λειτουργίας συντελείται σε δύο μόνο χρόνους, δηλαδή σε μια πλήρη περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα.
  • Τετράχρονους: Όταν για έναν πλήρη κύκλο λειτουργίας της μηχανής απαιτούνται δύο πλήρεις περιστροφές του στροφαλοφόρου άξονα.

Ανάλογα με την πίεση εισαγωγής του μίγματος στους κυλίνδρους, οι Μ.Ε.Κ. χωρίζονται (όπως όλοι οι αναγνώστες των 4Τ γνωρίζουν!) σε δύο ομάδες:

  • Στους ατμοσφαιρικούς, στους οποίους η πίεση εισαγωγής είναι αυτή που δημιουργεί η φυσιολογική και αβίαστη ροή του αέρα από το καρμπιρατέρ, και
  • Στους υπερτροφοδοτούμενους (turbocharged), στους οποίους η ροή εισόδου του μίγματος επιταχύνεται από συμπιεστή (εξάτμισης ή μηχανικό), πετυχαίνοντας έτσι μεγαλύτερη ποσότητα μίγματος στον κύλινδρο σε κάθε κύκλο λειτουργίας, άρα και μεγαλύτερη συγκέντρωση ισχύος.

Οι Μ.Ε.Κ. μπορούν επίσης να καταταγούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα με το συνολικό αριθμό των ανά κύλινδρο Βαλβίδων. Αυτό ισχύει και για τους τετράχρονους αλλά και για τους δίχρονους κινητήρες, αφού όπως είναι γνωστό, ένας δίχρονος κινητήρας ΔΕΝ είναι απαραίτητο να μην έχει βαλβίδες εισαγωγής-εξαγωγής (παρότι κάθε κινητήρας που δεν έχει βαλβίδες εισαγωγής-εξαγωγής είναι απαραίτητα δίχρονος!). Έτσι λοιπόν έχουμε κινητήρες:

  • Πολυβάλβιδους (multivalve), στους οποίους ο συνολικός αριθμός των ανά κύλινδρο βαλβίδων είναι πάνω από δύο. Η πιο συνηθισμένη περίπτωση είναι εκείνη με τις 3 βαλβίδες ανά κύλινδρο (Toyota Starlet και Corolla) καθώς και εκείνη των 4 βαλβίδων ανά κύλινδρο (Honda Civic και σχεδόν όλα τα μοντέλα, όλα τα γνωστά μας GTi: VW Golf, Jetta, Citroen BX, Renault 19, Nissan Sunny GTi και πολλά άλλα). Υπάρχει επίσης και η πιο σπάνια περίπτωση των 5 (!) βαλβίδων ανά κύλινδρο (Maserati), που είναι όμως πολύ δαπανηρή στην κατασκευή της, λόγω της πολυπλοκότητας της κυλινδροκεφαλής και των εκκεντροφόρων.
  • Μη πολυβάλβιδους, οι οποίοι αποτελούν σήμερα και τη συντριπτική πλειοψηφία των κινητήρων που χρησιμοποιούνται σε οχήματα. Στους κινητήρες αυτούς οι βαλβίδες είναι δύο ανά κύλινδρο, μια εισαγωγής και μια εξαγωγής, με αυτή της εισαγωγής μεγαλύτερη από τις δύο, όπως φαίνεται και στο αντίστοιχο σχήμα.

Η κατασκευή βέβαια και η τοποθέτηση των βαλβίδων, όσες και να είναι αυτές, υπακούουν σε ορισμένους κανόνες, οι οποίοι στόχο έχουν τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του κινητήρα όσον αφορά τη συγκέντρωση ισχύος, την εκπομπή καυσαερίων στο περιβάλλον, την ομαλότητα λειτουργίας και άλλα χαρακτηριστικά απόδοσης. Στο σχήμα 2 φαίνονται μερικές διατάξεις βαλβίδων (οι πιο συνηθισμένες) που συναντώνται σε διάφορους τύπους Μ.Ε.Κ. Τελειώνοντας με τις κατατάξεις των διαφόρων ειδών μηχανών και των οποίων τα επιμέρους συστήματα θα αναπτυχθούν εκτενέστερα αλλού, θα πρέπει να αναφέρουμε εδώ και έναν ιδιόμορφο τύπο Μ.Ε.Κ., ο οποίος είναι γνωστός στους περισσότερους από μας, λόγω της τοποθέτησής του σε μερικά μοντέλα της Mazda. Θα καταλάβατε Βέβαια ότι πρόκειται για τον κινητήρα τύπου Βάνκελ, ο οποίος τοποθετείται τώρα μόνο στο σπορ δίθυρο RX-7, ενώ παλαιότερα τοποθετείτο και στα άλλα μοντέλα της σειράς RX, π.χ. στο RX-4. Ο κινητήρας αυτός παρότι εμβολοφόρος, μικρή σχέση έχει με τους υπόλοιπους γνωστούς του είδους, κι αυτό γιατί εδώ το έμβολο περιστρέφεται αντί να παλινδρομεί, μεταφέροντας κατευθείαν στρεπτική ροπή πάνω στο στροφαλοφόρο άξονα. Εδώ έχουμε δηλαδή την πρώτη διαφορά με τον κλασικό κινητήρα: επειδή το έμβολο είναι διαφορετικής κατασκευαστικής φιλοσοφίας, όπως φαίνεται και στο σχήμα 3, η κίνηση του εμβόλου είναι τέτοια που να του επιτρέπει την κατευθείαν παραγωγή στρεπτικής ροπής και όχι την παραγωγή κατ' αρχήν παλινδρομικής κίνησης, που να μετατρέπεται στη συνέχεια σε περιστροφική. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απουσία δονήσεων και κατά συνέπεια την ομαλή και αθόρυβη λειτουργία. Το σημαντικότερο ίσως πλεονέκτημά του, είναι ότι δίνει ισχύ ανάλογη και μεγαλύτερη ενός δίχρονου κινητήρα, ενώ ταυτόχρονα εργάζεται με τετράχρονο ακριβώς τρόπο, εξασφαλίζοντας αβίαστη έξοδο των καυσαερίων και ανετότερη πλήρωση του θαλάμου καύσης σε μίγμα. Επίσης από κινηματική άποψη ο κινητήρας Βάνκελ παρουσιάζει πολύ καλή συμπεριφορά και αυτό γιατί τα μόνα αζυγοστάθμιστα φορτία, προέρχονται από την περιστροφική κίνηση του στροφέα και παρότι είναι πολύ μικρά λόγω κατασκευής του μικρή ακτίνα εκκεντρότητας), μπορούν εύκολα να εξισορροπηθούν, τοποθετώντας για παράδειγμα δύο αντίθετα περιστρεφόμενους στροφείς (ρότορες).
sx1.jpg
Σχήμα 1: Διάταξη των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής σε κυλινδροκεφαλή κινητήρα υψηλής συμπίεσης και τύρβης. Παρατηρούμε ότι η βαλβίδα εισαγωγής είναι μεγαλύτερης διαμέτρου από τη βαλβίδα εξαγωγής.
sx2.jpg
Σχήμα 2: Τοποθέτηση βαλβίδων στους εμβολοφόρους κινητήρες
motor_wankel.jpg Πηγή
Σχήμα 3: Ρότορας Wankel

ΠΙΝΑΚΑΣ I: ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΤΩΝ Μ.Ε.Κ. ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΑ ΚΥΡΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥΣ

ΚΑΥΣΙΜΟ ΠΙΕΣΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ
πετρελαιοκινητήρες βενζινοκινητήρες ατμοσφαιρικής αναπνοής υπερτροφοδοτούμενοι
Χρησιμοποιούν σαν καύσιμο το πετρέλαιο τύπου diesel. Έναυση με αυτανάφλεξη. Χρησιμοποιούν σαν καύσιμο βενζίνη. Έναυση με σπινθηριστή. Πίεση εισαγωγής: η δημιουργούμενη από τη ροή του αέρα από τα καρμπιρατέρ. Αλλιώς turbocharged. Πίεση εισαγωγής: αυξημένη λόγω χρήσης συμπιεστή. Συνήθως μέχρι 1.5 bar, από της ατμοσφαιρικής.
ΑΡΙΘΜΟΣ ΒΑΛΒΙΔΩΝ ΑΝΑ ΚΥΛΙΝΔΡΟ ΧΡΟΝΟΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ
απλοί πολυβάλβιδοι δίχρονοι (2-χ) τετράχρονοι (4-χ)
Σε κάθε κύλινδρο αντιστοιχεί μια βαλβίδα εισαγωγής και μια εξαγωγής, σύνολο (2). Άνω των (2) βαλβίδων ανά κύλινδρο. Συνήθως (3) ή (4) και σπανιότατα (5). Two-stroke engines. Απόδοση μηχανικού έργου σε μια πλήρη στροφή (360°) του στροφαλοφόρου άξονα. Συνήθως χωρίς βαλβίδες Four-stroke engines. Απόδοση μηχανικού έργου σε δύο πλήρεις περιστροφές του στροφαλοφόρου. Ανετότερη απαλλαγή καυσαερίων. Μειωμένη συγκέντρωση ισχύος ως προς τους 2-Χ.
ΣΥΣΤΗΜΑ ΨΥΞΗΣ ΚΙΝΗΣΗ ΚΑΙ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΕΜΒΟΛΟΥ
αερόψυκτοι υδρόψυκτοι παλινδρομούντα εμβολα ρότορες (wankel)
Σύστημα ψύξης με εργαζόμενο μέσο τον αέρα. Εξαίρεση στα αυκίνητα (Porche 911, Scoda), κανόνας στις μοτοσικλέτες. Σύστημα ψύξης με εργαζόμενο μέσο το νερό. Ο κανόνας για ψύξη μοτέρ αυτοκινήτων. Εξασφαλίζουν ομαλότερες συνθήκες λειτουργίας. Πολυπλοκότερη κατασκευή, αυξημένο κόστος. Η συντριπτική πλειοψηφία κινητήρων. Φθηνή κατασκευή, σχετικά απλή και το κυριότερο, δοκιμασμένη κατασκευή. Κραδασμοί, χαμηλή συγκέντρωση ισχύος σε κανονικές (μη αγωνιστικές) εκδόσεις, σε σύγκριση με τους Wankel. Δυναμικά πολύ καλή φιλοσοφία. Υψηλή συγκέντρωση ισχύος. Απόδοση «δίχρονη» (και καλύτερη) λειτουργία «τετράχρονη». Προβλήματα στεγανότητας, ακριβή και υπό εξέλιξη κατασκευή, υψηλή κατανάλωση.

Τα μειονεκτήματα της κατασκευής αυτής δεν είναι πολλά, αλλά παραμένουν προβλήματα πολύ δύσκολα στη λύση τους. Έτσι για παράδειγμα, το μεγάλο πρόβλημα του κινητήρα Βάνκελ είναι η έλλειψη ικανοποιητικής στεγανότητας μεταξύ των τριών θαλάμων καύσης (που δημιουργούνται από τη γεωμετρία του εμβόλου), με αποτέλεσμα την πτώση της συμπίεσης και κατά συνέπεια την απώλεια ισχύος. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίστηκε αρχικά από τη Γερμανική N.S.U., τοποθετώντας τριβείς από ειδικά σιδηρούχα υλικά (κεραμικό-μεταλλικό υλικό), ενώ ταυτόχρονα επικάλυψε το θάλαμο καύσης με ένα επίχρισμα Νί- Si (νικελίου-πυριτίου). Ακολούθησαν και άλλες προσπάθειες, οι οποίες έλυσαν μερικώς το πρόβλημα, αλλά όχι με οικονομικό τρόπο. Περισσότερα για τον κινητήρα, ίσως διαβάσετε προσεχώς.

Λειτουργία μιας τετράχρονης μηχανής εσωτερικής καύσης

sx4.jpg
Σχήμα 4: Τετράχρονος βενζινοκινητήρας

Αλλά ας περάσουμε τώρα στο θέμα της λειτουργίας μιας μηχανής εσωτερικής καύσης. Η ανάπτυξη του θέματος θα γίνει αρχικά για τετράχρονο κινητήρα που είναι και ο κανόνας για τις μηχανές που συναντώνται σε αυτοκίνητα καθημερινής τουλάχιστον χρήσης και μη εξεζητημένης μορφής. Για την καλύτερη κατανόηση του όλου θέματος, στην εικόνα 4 δίνεται η διάταξη των βασικών μερών που αποτελούν μια 4Τ ΜΕΚ, και έτσι ο αναγνώστης θα είναι σε θέση, κάθε φορά που απαιτείται, να ανατρέχει σε αυτή, όπως επίσης και στην εικόνα 5, στην οποία φαίνεται η καθ' αυτού πορεία που ακολουθεί το έμβολο (πιστόνι) σε έναν πλήρη κύκλο λειτουργίας μιας μηχανής 4Χ Otto (δηλαδή χρησιμοποιείται σαν καύσιμο βενζίνη και για την έναυση της καύσης απαιτείται μπουζί). Το βασικό γνώρισμα του 4Χ- κινητήρα που είναι και ο πιο συνηθισμένος, είναι το γεγονός ότι ένας πλήρης κύκλος λειτουργίας του απαιτεί δύο πλήρεις περιστροφές του στροφαλοφόρου άξονα (720° περιστροφής) ή αλλιώς δύο πλήρεις κινήσεις του συστήματος εμβόλου- διωστήρα (δηλαδή πιστονιού-μπιέλας) με αρχή της κίνησης το Άνω Νεκρό Σημείο (Α.Ν.Σ.). Εδώ σημειώνεται ότι με τον όρο ΑΝΣ εννοούμε το ανώτατο σημείο της διαδρομής στην οποία μπορεί να κινηθεί το έμβολο. Στην εικόνα 5 ο τετράχρονος κινητήρας που φαίνεται είναι τύπου Otto, αφού για τη λειτουργία του απαιτείται σπινθηριστής. Για την κίνηση των βαλβίδων χρησιμοποιείται σύστημα διπλού εκκεντροφόρου, καθένας των οποίων κινείται με τη μισή ακριβώς ταχύτητα από το στροφαλοφόρο άξονα, όπως είναι φυσικό (πρόκειται για 4Χ κινητήρα). Τη λειτουργία αυτού του κινητήρα περιγράφουμε παρακάτω:

Φάση 1: εισαγωγή.

Το σύστημα εμβόλου-διωστήρα κατέρχεται δημιουργώντας υποπίεση στο εσωτερικό του κυλίνδρου. Ταυτόχρονα ο αριστερός εκκεντροφόρος ανοίγει τη βαλβίδα εισαγωγής βυθίζοντάς την μέσα στον κύλινδρο, αποκαλύπτοντας έτσι ένα άνοιγμα μέσα από το οποίο το καύσιμο μίγμα εισέρχεται στο εσωτερικό. Εδώ θα πρέπει ίσως να σημειώσουμε μερικά πράγματα: Πρώτον ότι η ροή του μίγματος προς το εσωτερικό του κυλίνδρου δεν οφείλεται αποκλειστικά στην υποπίεση στο θάλαμο καύσης (παρότι είναι ο κυριότερος παράγοντας ροής) αλλά και στην πίεση εισαγωγής που έχει λάβει το μίγμα λόγω της ροής του αέρα από το καρμπιρατέρ (εάν αυτός ο μηχανισμός χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του κινητήρα). Δεύτερον, η ποσότητα του καυσίμου μίγματος που θα μπει στο εσωτερικό του κυλίνδρου εξαρτάται από αρκετούς παράγοντες όπως: από το βύθισμα της βαλβίδας (γεγονός που καθορίζει και το χρόνο που θα παραμείνει αυτή ανοιχτή), από τη διάμετρο της κεφαλής της βαλβίδας, μα κυρίως από την ποσότητα μίγματος που παρέχει η τροφοδοσία και η οποία καθορίζεται από το πάτημα του πεντάλ του γκαζιού από τον οδηγό.

Φάση 2: συμπίεση.

Η βαλβίδα εισαγωγής κλείνει, κοντά περίπου στο Κ.Ν.Σ. (σημείωση: προς αποφυγή παρεξηγήσεων, ΚΝΣ= Κάτω Νεκρό Σημείο κατώτατο σημείο της διαδρομής του εμβόλου!). Το σύστημα διωστήρα-στροφάλου αρχίζει να ανέρχεται συμπιέζοντας το μίγμα, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του.

Φάση 3: καύση-εκτόνωση.

Όταν το έμβολο φτάσει στην κατάλληλη θέση και το μίγμα στις κατάλληλες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, το μπουζί δίνει ηλεκτρικό σπινθήρα, το μίγμα εκρήγνυται και καίγεται σταδιακά ολόκληρη η ποσότητά του (σε ιδανικές συνθήκες η καύση θεωρείται τέλεια). Τα καυσαέρια απομονώνονται, σπρώχνοντας το έμβολο προς τα κάτω και παράγοντας ωφέλιμο έργο για την περιστροφική κίνηση του στροφαλοφόρου άξονα.

Φάση 4: εξαγωγή.

Το έμβολο ανυψώνεται, η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει αποκαλύπτοντας το χώρο από τον οποίο τα καυσαέρια εξέρχονται προς το περιβάλλον και ο κύλινδρος εκκενώνεται και είναι έτοιμος να δεχτεί πάλι στον επόμενο κύκλο λειτουργίας του το μίγμα από τη βαλβίδα εισαγωγής κ.ο.κ.
Δείτε το video

sx5a.jpg sx5b.jpg
sx5c.jpg sx5d.jpg
Σχήμα 5: Φάσεις («χρόνοι») λειτουργίας 4-χ βενζινοκινητήρα

ΠΙΝΑΚΑΣ II: ΤΑ ΚΥΡΙΟΤΕΡΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ OTTO & DIESEL

OTTO DIESEL
1. Λειτουργεί με καύσιμο τη βενζίνη. 1. Λειτουργεί με καύσιμο το πετρέλαιο diesel.
2. Απαιτείται καρμπιρατέρ και σπινθηριστής (μπουζί) για τη λειτουργία του. 2. Δεν απαιτείται καρμπιρατέρ και σπινθηριστής για τη λειτουργία του. Έναυση με αυτανάφλεξη του μίγματος.
3. Συναντάται και σε 2-Χ όσο και σε 4-Χ εκδόσεις 3. Συναντάται σε 2-Χ όσο και σε 4-Χ εκδόσεις.
4. Δέχεται τοποθέτηση υπερσυμπιεστή με αυξημένο κόστος μελέτης, κατασκευής (ψυκτικό σύστημα) και λειτουργίας (κρουστική καύση ή «πιράκια»). 4. Ιδανικός για την τοποθέτηση συμπιεστή, αφού δεν μας ενδιαφέρει το φαινόμενο της αυτανάφλεξης.
5. Ακριβό καύσιμο. 5. Οικομικότερο καύσιμο.
6. Βλαβεροί και επικίνδυνοι ρύποι. 6. Λιγότερο επικίνδυνα καυσαέρια (όταν η ρύθμιση είναι σωστή και το καύσιμο καλής ποιότητας δηλαδή όχι ελληνικών προδιαγραφών!)
7. Υψηλή συγκέντρωση ισχύος σε σχέση με τον κυβισμό και σε σύγκριση με κινητήρα diesel ίδιου κυβισμού. 7. Χαμηλή συγκέντρωση ισχύος σε σχέση με τον αντίστοιχο Otto.
8. Απόδοση ικανοποιητική και ελαστική σε ευρύ φάσμα στροφών. 8. Απόδοση ικανοποιητική σε περιορισμένη κλίμακα στροφών (συνήθως 1.500 ~ 4.000 r.p.m.)
9. Σχετικά αθόρυβοι και ελαφριάς κατασκευής. 9. Σχετικά θορυβώδεις και βαριάς κατασκευής.
10. Χαμηλή συμπίεση (έως 10.5:1 συνήθως το πολύ). 10. Υψηλή σχέση συμπίεσης (έως και 25:1).
11. Ρύθμιση παροχής ισχύος, ποσοτική. 11. Ρύθμιση παροχής ισχύος, ποιοτική.
12. ΧΑΜΗΛΟΤΕΡΟΣ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΟΥΣ DIESEL. 12. ΥΨΗΛΟΤΕΡΟΣ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΟΥΣ ΟΤΤΟ.

Όσον αφορά το χαρακτηριστικό (12) και για τα δύο είδη κινητήρων έχουμε να παρατηρήσουμε το εξής: Το ότι ο κινητήρας diesel παρουσιάζει υψηλότερο βαθμό απόδοσης, από τον αντίστοιχο βενζινοκινητήρα, σημαίνει ότι η κατασκευαστική φιλοσοφία του είναι τέτοια, που να του επιτρέπει την καλύτερη εκμετάλλευση του καυσίμου, με άλλα λόγια την παραγωγή περισσότερου έργου από το ίδιο καύσιμο (σε ποσότητα) που χρησιμοποιεί ο Otto.
Με βάση τον τρόπο λειτουργίας του 4Χ κινητήρα Otto που αναπτύξαμε παραπάνω γίνεται φανερό ότι:

  • Η παρουσία του σπινθηριστή (μπουζί) κρίνεται απαραίτητη για οποιονδήποτε κινητήρα χρησιμοποιεί σαν καύσιμο βενζίνη. Το γεγονός αυτό οφείλεται στη χαμηλή σχέση συμπίεσης που χρησιμοποιείται στους βενζινοκινητήρες (μέχρι 10.5:1 το πολύ σε αυτοκίνητα μαζικής παραγωγής), με σκοπό την αποφυγή του φαινομένου της κρουστικής; καύσεως (πιράκια) από την πρόωρη αυτανάφλεξη του μίγματος.
  • Η ρύθμιση της ισχύος των βενζινοκινητήρων γίνεται με ποσοτικό τρόπο και όχι με ποιοτικό όπως στους αντίστοιχους ντίζελ. Εξηγούμαστε: Κατ' αρχήν η αυξομείωση της αποδιδόμενης ισχύος γίνεται με μεταβολή της ποσότητας του μίγματος που εισέρχεται στον κύλινδρο και η οποία ρυθμίζεται από τη γνωστή μας πεταλούδα του καρμπιρατέρ, όπως φαίνεται και στο σχήμα 6. Κατά δεύτερο λόγο, και μόνο σε ειδικές περιπτώσεις λειτουργίας όπως εκκίνηση ή μέγιστο φορτίο (τέρμα γκάζι!), η ρύθμιση γίνεται και κατά ένα μικρό ποσοστό ποιοτική, μεταβάλλεται δηλαδή η αναλογία αέρα-καυσίμου στο μίγμα μέχρι περίπου το 12:1.

Εκτός βέβαια από τους κινητήρες Otto 4Χ, υπάρχουν όπως όλοι γνωρίζουμε (από την καλή και την ανάποδη, λόγω ταξί) και οι τετράχρονοι κινητήρες ντίζελ οι οποίοι χρησιμοποιούν σαν καύσιμο το πετρέλαιο. Δεν θα αναφερθούμε εδώ εκτενώς στη λειτουργία τους, αλλά θα αναφέρουμε συνοπτικά τις διαφορές που παρουσιάζουν σε σχέση με τους αντίστοιχους βενζινοκινητήρες, καλύπτοντας κατά τη γνώμη μας ένα σημαντικό κομμάτι τους. Ο κινητήρας ντίζελ λοιπόν (ο οποίος ονομάζεται και πετρελαιομηχανή), όταν είναι τετράχρονος, παρουσιάζει βασικά την ίδια λειτουργία με τον αντίστοιχο κινητήρα Otto ως προς τον αριθμό των χρόνων και την κατανομή των φορτίων σε καθέναν από αυτούς. Οι βασικές όμως διαφορές που παρουσιάζει σε σχέση με το βενζινοκινητήρα, είναι οι ακόλουθες:
Ο κινητήρας ντίζελ δεν χρησιμοποιεί καρμπιρατέρ, ούτε και σπινθηριστή (μπουζί) για τη λειτουργία του. Αυτό οφείλεται στη διαφορετική φιλοσοφία εισαγωγής και ανάφλεξης του καυσίμου, η οποία ανά κύκλο λειτουργίας είναι η εξής: Στην πρώτη φάση ο κινητήρας αναρροφά από το περιβάλλον του μόνον αέρα, σε αντίθεση με τον βενζινοκινητήρα, ο οποίος αναρροφά μίγμα αέρα-βενζίνης. Ο αέρας αυτός στη δεύτερη φάση συμπιέζεται μέσα στον κύλινδρο μέχρι να αποκτήσει κάποιες ορισμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Την κατάλληλη στιγμή (προκαθορισμένη) εγχύεται μέσα στο θάλαμο καύσης η απαιτούμενη ποσότητα καθαρού καυσίμου (πετρέλαιο), η οποία και αυταναφλέγεται (απουσία σπινθήρα από μπουζί) και στη συνέχεια καίγεται με τη βοήθεια του οξυγόνου που υπάρχει στον αέρα στο θάλαμο καύσης. Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι το καύσιμο εισερχόμενο μέσα στον κύλινδρο έχει πολύ υψηλό επίπεδο τύρβης, δηλαδή εμφανίζει έντονα το φαινόμενο του στροβιλισμού. Αυτό οφείλεται κυρίως σε δύο παράγοντες: αφενός μεν στην πίεση με την οποία «εκτοξεύεται» από το ακροφύσιο εισαγωγής, αφετέρου δε στη μορφή του θαλάμου καύσης του κυλίνδρου. Το γεγονός αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το λεπτότατο διαμερισμό και κατά συνέπεια και διασκορπισμό του καυσίμου, τη δημιουργία ομογενούς μίγματος και την καλύτερη και καθαρότερη καύση με ανάλογα αποτελέσματα στην απόδοση, μα κυρίως στην προστασία του περιβάλλοντος από τους δημιουργούμενους ρύπους. Τώρα όσον αφορά τη ρύθμιση της αποδιδόμενης ισχύος από έναν κινητήρα ντίζελ, έχουμε να πούμε ότι, σε αντίθεση με τους βενζινοκινητήρες, είναι ποιοτική και όχι ποσοτική. Αυτό σημαίνει ότι η διαφοροποίηση του παρεχόμενου έργου ανά κύκλο λειτουργίας επιτυγχάνεται με έγχυση λιγότερου ή περισσότερου (αναλόγως με τις απαιτήσεις) καυσίμου στην ίδια ποσότητα αναρροφόμενου αέρα. Έτσι όπως καταλαβαίνουμε, είναι πάντοτε απαραίτητη μια περίσσεια αέρα ούτως ώστε σε περίπτωση αυξημένου φορτίου (επιτάχυνση -> αυξημένο φορτίο περισσότερο καύσιμο στον κύλινδρο) να εξασφαλίζεται πάλι πλήρης (τέλεια) καύση. Το γεγονός αυτό αποτελεί και το σημαντικότερο μειονέκτημα των κινητήρων αυτής της μορφής, γιατί η περίσσεια αυτή του αέρα, οδηγεί σε αναγκαστική ελάττωση της συγκέντρωσης ισχύος της μηχανής. Από την άλλη πλευρά όμως, το γεγονός ότι για την ανάφλεξη του μίγματος δεν απαιτείται σπινθήρας κάποια ορισμένη χρονική στιγμή, αλλά το μίγμα αυταναφλέγεται λόγω της θερμοδυναμικής κατάστασης στην οποία βρίσκεται, καθιστά τους κινητήρες ντίζελ ιδανικούς κυριολεκτικά για την τοποθέτηση συμπιεστή, βελτιώνοντας δραματικά τα χαρακτηριστικά απόδοσής τους. Το παραπάνω γεγονός βέβαια είναι πολύ καλά γνωστό σε όλους τους (τακτικούς) αναγνώστες του περιοδικού αυτού!

Δίχρονοι κινητήρες

Εκτός βέβαια από τους τετράχρονους κινητήρες, δεν πρέπει να ξεχνάει κανείς και τους κινητήρες δύο χρόνων (2Χ-κινητήρες), οι οποίοι παρότι δεν συναντώνται πια σε αυτοκίνητα (εάν εξαιρέσει κανείς μερικές περιπτώσεις όπως εκείνες των Trabant, Wartburg και μερικών παλιότερων Subaru), βρίσκουν πολύ μεγάλη εφαρμογή σαν κινητήρες μοτοσικλετών ή ακόμη και πλοίων (σχεδόν όλοι οι κινητήρες πλοίων είναι δίχρονοι υπερτροφοδοτούμενοι ντίζελ). Την αρχή λειτουργίας των κινητήρων αυτών θα προσπαθήσουμε να περιγράψουμε εν συντομία παρακάτω. Για το σκοπό αυτό, καλό είναι ο αναγνώστης να συμβουλεύεται το σχήμα 6 που παρατίθεται και στο οποίο φαίνεται ένας τυπικός δίχρονος (βενζινοκίνητος) κινητήρας, όπως αυτός χρησιμοποιείται σε μικρά μοτοποδήλατα.
Δείτε το video
sx6a.jpg sx6b.jpg
Σχήμα 6: Φάσεις (χρόνοι) λειτουργίας δίχρονου βενζινοκινητήρα
Θα χωρίσουμε, όπως και στον 4Χ-κινητήρα, τη λειτουργία της μηχανής σε χρόνους οι οποίοι όμως για την περίσταση είναι δύο. Έτσι λοιπόν έχουμε:

Φάση 1: εισαγωγή-καύση.

Καθώς το έμβολο ανέρχεται συμπιέζοντας το μίγμα αέρα-βενζίνης που μόλις έχει εγκλωβίσει μέσα στον κύλινδρο, δημιουργεί πίσω του ένα κενό υποπίεσης. Ταυτόχρονα η θέση του (και η κατασκευή του κυλίνδρου) είναι τέτοια ούτως ώστε να αποκαλύπτεται στη φάση της συμπίεσης η θυρίδα εισαγωγής. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την εισροή του καυσίμου από τα έξω προς τα μέσα και την πλήρωση του στροφαλοθαλάμου. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να σημειώσουμε ότι η συντριπτική πλειοψηφία των 2Χ μηχανών δεν έχει βαλβίδες αλλά σύρτες ή αλλιώς θυρίδες που καλύπτονται και αποκαλύπτονται από την κίνηση του εμβόλου, επιτρέποντας έτσι την εναλλαγή καυσαερίων και μίγματος με το περιβάλλον. Όταν το μίγμα έχει συμπιεστεί κατάλληλα, τότε το μπουζί δίνει σπινθήρα και γίνεται η έναυση της καύσης στο θάλαμο.

Φάση 2: εκτόνωση.

Τα προϊόντα της καύσης (καυσαέρια) που δημιουργούνται, ωθούν το έμβολο προς τα κάτω παράγοντας έτσι ωφέλιμο μηχανικό έργο. Παράλληλα, με την κίνηση αυτή του εμβόλου αποκαλύπτεται και η θυρίδα εξαγωγής του κυλίνδρου, από την οποία φεύγουν προς το περιβάλλον τα καυσαέρια λόγω της υψηλής πίεσης στην οποία βρίσκονται. Ταυτόχρονα όμως με την εξαγωγή των καυσαερίων και λόγω της διαρκούς κίνησης του εμβόλου προς τα κάτω, το μίγμα που είχε προσωρινά «αποθηκευτεί» στο στροφαλοθάλαμο συμπιέζεται και διερχόμενο από τη θυρίδα μεταφοράς πηγαίνει στο θάλαμο καύσης και μάλιστα ισχυρά στροβιλιζόμενο.
Στο σημείο αυτό της λειτουργίας του 2Χ-κινητήρα έγκειται και το μεγάλο μειονέκτημά του: Εξαιτίας του πολύ περιορισμένου χρονικού διαστήματος που διατίθεται για την εκροή των καυσαερίων στο περιβάλλον και για την εισροή του καυσίμου στον κύλινδρο, αφενός μεν δεν επιτυγχάνεται πλήρης εκκένωση του κυλίνδρου από τα αέρια της καύσης με αποτέλεσμα να ρυπαίνεται η μηχανή, αφετέρου δε μια ποσότητα του καυσίμου που εισέρχεται στο θάλαμο, όσο και καλά σχεδιασμένο να είναι το έμβολο, εξέρχεται άκαυστη στο περιβάλλον, αυξάνοντας θεαματικά την κατανάλωση και την εκπομπή ρύπων. Παρόλα αυτά στο σημείο αυτό έγκειται και το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των 2Χ-κινητήρων: Λόγω αυτού ακριβώς του «στριμώγματος» των λειτουργιών σε δύο μόνο «χρόνους», ο δίχρονος κινητήρας είναι σε θέση να παράγει και να αποδίδει έργο στο μισό του χρόνου που απαιτείται για να παράγει έργο ένας τετράχρονος κινητήρας. Ο συνδυασμός αυτών των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων καθενός κινητήρα είναι τελικά και ο λόγος ύπαρξης αλλά και το κριτήριο επιλογής για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.
Τελειώνουμε εδώ τη σύντομη αυτή προσέγγιση στις πιο συνηθισμένες Μ.Ε.Κ. που βρίσκουν εφαρμογή σε αυτοκίνητα και μοτοσικλέτες σε όλο τον κόσμο, με την ελπίδα ότι από τη μια μεριά δεν κουράσαμε τον άπειρο αναγνώστη με επιστημονικούς όρους ή τον πιο καταρτισμένο με περιττές διευκρινίσεις και από την άλλη ότι δώσαμε μια καλή σφαιρική εικόνα της λειτουργίας μιας Μ.Ε.Κ., κατανοητή και απλή και από εκείνον που για πρώτη φορά ασχολείται με το θέμα, πράγμα που ήταν άλλωστε και ο σκοπός του άρθρου.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: «Αρχές Εμβολοφόρων Μηχανών Εσωτερικής Καύσεως». Κωνστ. Δ. Ρακόπουλος. Εκδόσεις Γρ. Φούντας.