ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. ΘΕΜΑ: Πετρελαιοκινητήρες (Diesel engines)

Transcript

1 Α.Τ. Ε. Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ: ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: Πετρελαιοκινητήρες (Diesel engines) Σπουδαστής: Επιβλέπων: Πηλέας Πασχάλης Α.Ε.Μ Κωστής Γεώργιος

2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1 Γενικά 9 Ε.2 Νέες τεχνολογίες στους πετρελαιοκινητήρες 10 Ε.3 Υπερσυμπιεστές (turbo) 10 Ε.3.1 Τι προσφέρουν 10 Ε.3.2 Λειτουργία του υπερσυμπιεστή 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ DIESEL 1.1 Αναγνώριση ενός πετρελαιοκινητήρα Ταξινόμηση κινητήρων Diesel Διατάξεις κινητήρων Diesel 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΕΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ DIESEL 2.1 Βασικά τμήματα του κινητήρα Μικρά μέρη του κινητήρα Σταθερά μέρη του κινητήρα Κινητά μέρη του κινητήρα Μηχανισμός μετατροπής της παλινδρομικής κίνησης σε περιστροφική Μηχανισμός χρονισμού του κινητήρα 38 1

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ 3.1 Σύστημα τροφοδοσίας Βοηθητικοί προθάλαμοι καύσης Θάλαμοι καύσης Εισαγωγή στους θαλάμους καύσεως Είδη συστημάτων τροφοδοσίας Άμεσος ψεκασμός Χαρακτηριστικά του άμεσου ψεκασμού Περιγραφή Έμμεσος ψεκασμός Χαρακτηριστικά του έμμεσου ψεκασμού Περιγραφή Μειονεκτήματα του έμμεσου ψεκασμού Σύστημα ψύξης Σύστημα λίπανσης Το λάδι 52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΑΥΣΙΜΑ 4.1 Αποδιδόμενη θερμότητα Αναφλέξιμα όρια μίγματος Σημείο ανάφλεξης (flash point) Σημείο αυτανάφλεξης (spontaneous ignition temperature) Χρόνος καθυστέρησης ανάφλεξης (ignition lag) Ομαλή καύση - ανώμαλη καύση Χαρακτηριστικά των καυσίμων Κλίμακα "Οκτανίου" Κλίμακα "Κητανίου" Το φωτιστικό πετρέλαιο 58 2

4 4.5.4 Ο αιθέρας Το πρόσθετο amyl nitrite Αναλογίες 59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΔΙΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ 5.1 Πλεονεκτήματα μειονεκτήματα δίχρονου κινητήρα Diesel Εφαρμογές δίχρονου πετρελαιοκινητήρα 64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΟ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ 6.1 Διαφορές λειτουργίας Απόδοση και καθαριότητα Διαφορές στον κύκλο λειτουργίας Διαφορές στη σχέση συμπίεσης Διαφορές στη σχέση βάρους και ισχύος Διαφορές στο μέγιστο αριθμό στροφών Διαφορές στα κύρια μέρη Διαφορές στην ανάφλεξη 73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΔΙΑΓΝΩΣΗ ΒΛΑΒΩΝ ΣΕ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ 7.1 Υπερβολικός καπνός εξάτμισης Αυξημένος χτύπος κινητήρα Άγρια εκκίνηση Έλλειψη δύναμης Διαρροές καυσίμου και χαλαρές συνδέσεις 76 3

5 7.4.2 Φραγμένα φίλτρα καυσίμου 77 ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 4

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΚΟΝΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εικόνα Ε.1 Πετρελαιοκινητήρας 9 Εικόνα Ε.2 Υπερσυμπιεστής (turbo) 10 Εικόνα Ε.3 Σχεδιάγραμμα λειτουργίας υπερσυμπιεστή (turbo) 11 Εικόνα Ε.4 Τετρακύλινδρος κινητήρας Diesel με Variable Twin Turbo της BMW 12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ DIESEL Εικόνα 1.1. Κινητήρας σειράς 14 Εικόνα 1.2. Κινητήρας τύπου V 15 Εικόνα 1.3. Επίπεδος κινητήρας (Boxer) 16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΕΝΟΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΗΡΑ Εικόνα 2.1 Κυλινδροκεφαλή 18 Εικόνα 2.2 Εκκεντροφόρος με τις βαλβίδες από το σύστημα Multiair της Fiat 19 Εικόνα 2.3 Κατηγορίες χιτωνίων στους κυλίνδρους 20 Εικόνα 2.4 Σώμα (μπλοκ) κινητήρα 21 Εικόνα 2.5 Ελαιολεκάνη (κάρτερ) 21 Εικόνα 2.6 Μηχανισμός μετατροπής της παλινδρομικής κίνησης σε περιστροφική 22 Εικόνα 2.7 Έμβολο 23 Εικόνα 2.8 Σχέδιο συναρμολόγησης ελατηρίων-εμβόλου, αξονική- ακτινική χάρη αυτών 24 5

7 Εικόνα 2.9 Διωστήρας 25 Εικόνα 2.10 Τρόπος άρθρωσης εμβόλου πείρου μπιέλας 26 Εικόνα 2.11 Συναρμογή πείρου & εμβόλου 26 Εικόνα 2.12 Στροφαλοφόρος άξονας 27 Εικόνα 2.13 Σφόνδυλος (βολάν) 28 Εικόνα 2.14 Εκκεντροφόρος άξονας 30 Εικόνα 2.15 Ωστήριο 30 Εικόνα 2.16 Υδραυλικό ωστήριο 31 Εικόνα 2.17 Βαλβίδες συστήματος Vario-cam της Porche 32 Εικόνα 2.18 Πνευματικές βαλβίδες 33 Εικόνα 2.19 Δεσμοδρομική βαλβίδα 34 Εικόνα 2.20 Συναρμογή οδηγού στελέχους βαλβίδας 35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Εικόνα 3.1 Μηχανική αντλία ψεκασμού πετρελαίου 37 Εικόνα 3.2 Ψεκαστήρας 37 Εικόνα 3.3 Έλεγχος λειτουργίας ηλεκτρομαγνητικών Ψεκαστήρων 38 Εικόνα 3.4 Βοηθητικοί προθάλαμοι καύσης 39 Εικόνα 3.5 Θάλαμος καύσης 39 Εικόνα 3.6 Σύστημα άμεσου ψεκασμού 42 Εικόνα 3.7 Σύστημα Common Rail 44 Εικόνα 3.8 Διάγραμμα ροής κυκλώματος ψύξης υδρόψυκτου κινητήρα 49 Εικόνα 3.9 Τυπική στήριξη ψυγείου και δοχείου διαστολής στο αμάξωμα 50 Εικόνα 3.10 Σύστημα λίπανσης ενός τετράχρονου κινητήρα, με εξαναγκασμένη κυκλοφορία λιπαντικού 51 6

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΔΙΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Εικόνα 5.1 Εικόνα 5.2 Εικόνα 5.3 Λειτουργία δίχρονου κινητήρα Diesel & μηχανικού υπερσυμπιεστη 61 Σχηματική παράσταση λειτουργίας 2-χρονου πετρελαιοκινητήρα 63 Δίχρονος κινητήρας της Aioi Works of Japan s Diesel United, Ltd 65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΟ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Εικόνα 6.1 Πετρελαιοκινητήρας σε τομή 72 Εικόνα 6.2 Κινητήρας Diesel 73 7

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εισαγωγή γίνεται μια γενική αναφορά στους πετρελαιοκινητήρες και στην επεξήγηση της λειτουργίας των υπερσυμπιεστών (turbo). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή και ανάλυση των κύριων χαρακτηριστικών τους, στην ταξινόμησή τους και στις διατάξεις τους. Συνεχίζοντας στο δεύτερο κεφάλαιο, αναλύονται τα τμήματα του κινητήρα και σε ποια μέρη διακρίνονται αυτά. Στο τρίτο κεφάλαιο, περιγράφονται τα συστήματα των πετρελαιοκινητήρων και τι περιλαμβάνει το κάθε ένα από αυτά, από τι αποτελούνται και τη χρησιμότητά τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο, υπάρχουν πληροφορίες για τα καύσιμα, τα χαρακτηριστικά τους και τις αναλογίες των συστατικών τους. Περνώντας στο πέμπτο κεφάλαιο, γίνεται μελέτη και περιγραφή του δίχρονου πετρελαιοκινητήρα. Επίσης αναφέρονται μερικά παραδείγματα τέτοιων κινητήρων και που βρίσκουν εφαρμογή. Στο έκτο κεφάλαιο αναφέρονται οι διαφορές πετρελαιοκινητήρων και βενζινοκινητήρων, στην λειτουργία τους, στην απόδοση, στα κύρια μέρη τους, κ. λ. π. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο προσδιορίζονται τα προβλήματα και οι βλάβες στους πετρελαιοκινητήρες και γίνεται διάγνωση αυτών. 8

10 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1 Γενικά Ο πετρελαιοκινητήρας είναι μια μηχανή εσωτερικής καύσης που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια του πετρελαίου σε κινητική ενέργεια. Μοιάζει στα κύρια μέρη της με το βενζινοκινητήρα με τον οποίο κυρίως διαφέρει στον τρόπο ανάμειξης του αέρα με το καύσιμο καθώς και στον τρόπο ανάφλεξης του μίγματος. Εικόνα Ε.1 Πετρελαιοκινητήρας Κατά τη σύγκρισή του με το βενζινοκινητήρα, ο κινητήρας Diesel παρουσιάζει ορισμένα σημαντικά πλεονεκτήματα. Λόγω των πλεονεκτημάτων του αυτών χρησιμοποιείται ευρύτατα στην κίνηση πλοίων, τρένων, βαρέων οχημάτων, γεωργικών μηχανών, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και στην κίνηση βιομηχανικών εγκαταστάσεων. 9

11 Ε.2. Νέες τεχνολογίες στους πετρελαιοκινητήρες Οι παραδοσιακές τεχνολογίες έχουν αναβαθμιστεί θεαματικά τα τελευταία χρόνια. Οι πετρελαιοκινητήρες διαθέτουν βελτιωμένους υπερσυμπιεστές, εφοδιάζονται με παγίδες για τη δέσμευση των μικροσωματιδίων κάπνας και είναι οικονομικότεροι από τους βενζινοκινητήρες. Πολλοί κατασκευαστές εφοδιάζουν τα μοντέλα τους με σύστημα Start and Stop, όπου απενεργοποιείται αυτόματα ο κινητήρας σε κάθε στάση, αλλά και με ενδείξεις για την αλλαγή σχέσης την κατάλληλη στιγμή. Ε.3. Υπερσυμπιεστές (turbo) Οι αυτοκινητοβιομηχανίες επιλέγουν ολοένα και περισσότερο να τοποθετούν στα μοντέλα τους υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες, ώστε να συνδυάζουν τη μικρή χωρητικότητα με την απόδοση και την οικονομία σε καύσιμο, άρα και τη χαμηλή εκπομπή CO2. Εικόνα Ε.2 Υπερσυμπιεστής (turbo) Ε.3.1 Τι προσφέρουν Ένας κινητήρας με υπερσυμπιεστή έχει ως βασικό χαρακτηριστικό τα 10

12 μεγάλα αποθέματα ροπής, ειδικά σε σχέση με έναν ατμοσφαιρικό κινητήρα, που προσφέρει από χαμηλές στροφές λειτουργίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μικρότερη καταπόνησή του, διότι δε χρειάζεται να περιστρέφεται στα όρια κατά τη διάρκεια που ο οδηγός χρειαστεί, για παράδειγμα, να πραγματοποιήσει μία προσπέραση. Η κατανάλωση των υπερτροφοδοτούμενων μηχανικών συνόλων παραμένει χαμηλή, όταν ο οδηγός δε διεγείρει το σύστημα του τούρμπο, ώστε να αποδώσει τη μέγιστη δύναμη. Ε.3.2 Λειτουργία του υπερσυμπιεστή Το σύστημα του τούρμπο αφορά στην εισαγωγή και στην εξαγωγή ενός κινητήρα. Οι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες συμπιέζουν μεγάλες ποσότητες αέρα, οι οποίες εισέρχονται στο εσωτερικό των κυλίνδρων. Αυτό παράλληλα σημαίνει ότι μπορεί ψεκαστεί από τα μπεκ μεγαλύτερη ποσότητα καυσίμου, με αποτέλεσμα τη δημιουργία περισσότερης δύναμης, που δημιουργείται από την έκρηξη της αναλογίας αέρα - καυσίμου σε κάθε κύλινδρο. Εικόνα Ε.3 Σχεδιάγραμμα λειτουργίας υπερσυμπιεστή (turbo) 11

13 Στην εξαγωγή είναι τοποθετημένη η τουρμπίνα, η οποία εξωτερικά είναι κατασκευασμένη από χυτοσίδηρο και διαθέτει δύο φτερωτές κατασκευασμένες από κεραμικό ή ατσάλι, οι οποίες είναι συνδεδεμένες με κεντρικό άξονα. Η πρώτη φτερωτή δέχεται τα καυσαέρια του κινητήρα, με αποτέλεσμα να αποκτά κίνηση με πάνω από σ.α.λ., την οποία μεταφέρει στη δεύτερη. Η περιστροφή της δεύτερης φτερωτής συμπιέζει μεγάλες ποσότητες αέρα, τις οποίες μεταφέρει στην εισαγωγή. Η μεταφορά του αέρα στην εισαγωγή γίνεται μέσω σωληνώσεων, ενώ στη διαδρομή του αέρα από την τουρμπίνα στην εισαγωγή παρεμβάλλεται ο εναλλάκτης αέρα (intercooler), ο οποίος χρησιμεύει για να ψύχει επιπλέον τις ποσότητες αέρα. Εικόνα Ε.4 Τετρακύλινδρος κινητήρας diesel με Variable Twin Turbo της BMW 12

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ DIESEL 1.1 Αναγνώριση ενός πετρελαιοκινητήρα Ο πετρελαιοκινητήρας ξεχωρίζεται εύκολα από τον βενζινοκινητήρα με απλή εξέταση των εξωτερικών μερών τους ή με την παρακολούθηση της λειτουργίας τους. Οι βασικές τους διαφορές είναι: 1. Ο κινητήρας Diesel δεν έχει εξαεριωτήρα και πάνω στην πολλαπλή εισαγωγής είναι τοποθετημένο μόνο το φίλτρο αέρα, αντίθετα ο παλαιότερος βενζινοκινητήρας είχε εξαεριωτήρα τοποθετημένο πάνω στην πολλαπλή εισαγωγή, ο οποίος έχει αντικατασταθεί πλέον με μπεκ ψεκασμού. 2. Ο κινητήρας Diesel δεν έχει σύστημα ανάφλεξης διότι το πετρέλαιο αναφλέγεται στους κυλίνδρους από την υψηλή θερμοκρασία του συμπιεσμένου αέρα. 3. Ο κινητήρας Diesel έχει στο πλευρό της μια αντλία έγχυσης καυσίμου και έναν ψεκαστήρα σε κάθε κύλινδρο. Επίσης διαθέτει μεταλλικούς σωλήνες οι οποίοι συνδέουν την αντλία με τους ψεκαστήρες. 4. Ο κινητήρας Diesel έχει μεγαλύτερο εξωτερικό όγκο και μεγαλύτερο κυβισμό από ένα βενζινοκινητήρα της ίδιας ισχύος. 5. Ο κινητήρας Diesel κατά τη λειτουργία του στις χαμηλές στροφές προκαλεί ισχυρούς και χαρακτηριστικούς κτύπους ενώ ο βενζινοκινητήρας στις ίδιες στροφές λειτουργεί στρωτά και χωρίς θόρυβο. 1.2 Ταξινόμηση κινητήρων DIESEL Η διάκριση των πετρελαιοκινητήρων γίνεται ανάλογα με : το μέγιστο αριθμό στροφών που αναπτύσσουν ανά λεπτό, 13

15 διακρίνονται σε αργόστροφους (μέχρι 350 σ.α.λ), σε μεσαίων στροφών (μέχρι 1200 σ.α.λ) και σε πολύστροφους που φτάνουν τις 5000 σ.α.λ. την ισχύ που αποδίδουν στις κανονικές στροφές λειτουργίας τους τους διακρίνουμε σε: κινητήρες μικρής ισχύος (μέχρι 25 ίππους ανά κύλινδρο), σε κινητήρες μέσης ισχύος (από ίππους ανά κύλινδρο) και σε κινητήρες υψηλής ισχύος (πάνω από 200 ίππους ανά κύλινδρο). τον αριθμό των κυλίνδρων διακρίνονται σε κινητήρες μονοκύλινδρους μέχρι και 24κύλινδρους. τον αριθμό των χρόνων του κύκλου λειτουργίας τους χωρίζονται σε τετράχρονους και σε δίχρονους. 1.3 Διατάξεις κινητήρων DIESEL Κινητήρες σειράς: Έχουν μέχρι και 12 κατακόρυφους κυλίνδρους σε μια γραμμή και είναι οι πιο συνηθισμένοι στις εφαρμογές(αυτοκίνητα, μοτοσικλέτες, γεωργικές μηχανές, πλοία, βιομηχανικές εγκαταστάσεις). Εικόνα 1.1 Κινητήρας σειράς Κινητήρες τύπου V: Οι κύλινδροι βρίσκονται συνήθως υπό γωνία 45, 50, 55, 60 ή 90. Η γωνία των κυλίνδρων εξαρτάται από τον αριθμό των κυλίνδρων και από την κατασκευή του στροφαλοφόρου άξονα. Χρησιμοποιούνται συνήθως για να μειωθεί μήκος του κινητήρα. Αν π.χ. για τον κάθε κύλινδρο χρειάζονται 20εκτατοστά μήκους, για έναν κινητήρα με 6 κυλίνδρους σε σειρά χρειάζεται 1μ και 20εκατοστά. Αν οι κύλινδροι είναι σε V, οι 3 πρώτοι είναι σε σειρά, και οι άλλοι 3 είναι πάλι μεταξύ τους σε σειρά αλλά με γωνία 60 μοιρών ή 90 μοιρών, και συνδέονται στον ίδιο στροφαλοφόρο. Το 14

16 μήκος που απαιτείται για τους κυλίνδρους δεν είναι πλέον 1.20, αλλά 60-80εκατοστά. Εικόνα 1.2 Κινητήρας τύπου V Επίπεδοι κινητήρες (Boxer): Έχουν τους κυλίνδρους τους στη μία πλευρά ή σε γωνία 180 και χρησιμοποιούνται λόγω του μικρού τους ύψους στα φορτηγά, τα λεωφορεία και στις μηχανές τρένων. Όλοι οι επίπεδοι κινητήρες ανεξάρτητα από τον αριθμό κυλίνδρων με τους οποίους είναι εφοδιασμένοι, επιτυγχάνουν ιδανική ισορροπία των κινούμενων μερών τους. Αυτό συμβαίνει διότι κάθε στιγμή, η κίνηση του κάθε εμβόλου εξισορροπείται από την κίνηση του απέναντι. Έτσι στους κινητήρες αυτούς παρατηρούμε μια απόλυτα ισορροπημένη λειτουργία και ισορροπία δυνάμεων η οποία επιτρέπει στον κινητήρα να λειτουργεί απροβλημάτιστα χωρίς να αναγκάζει πάντα τους σχεδιαστές να κατασκευάζουν αντίβαρα και αντικραδασμικούς άξονες. Ωστόσο οι επίπεδοι κινητήρες έχουν μεγάλες διαστάσεις και είναι αρκετά δύσκολο να τοποθετηθούν σε μικρές μηχανές, καθώς επίσης έχουν αρκετά μεγαλύτερο κόστος κατασκευής. Εικόνα 1.3 Επίπεδος κινητήρας (Boxer) 15

17 Κινητήρες αστεροειδούς τύπου: Έχουν τους κυλίνδρους στις ακτίνες ενός κύκλου, στο κέντρο του οποίου βρίσκεται ο στροφαλοφόρος άξονας. Λόγω του μικρού τους όγκου από τη σύνδεση όλων των διωστήρων σε ένα μόνο στρόφαλο, χρησιμοποιούνται αρκετά στις μεγάλες ηλεκτρογεννήτριες Κινητήρες με ειδική διάταξη κυλίνδρων: Οι κινητήρες αυτοί που έχουν τους κυλίνδρους σε σχήμα 'Χ", "W" ή και "Δ" χρησιμοποιούνται σε ειδικές εφαρμογές, όπου ο χώρος είναι περιορισμένος. 16

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΕΝΟΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΗΡΑ 2.1 Βασικά τμήματα του κινητήρα Μικρά μέρη του κινητήρα Τα κύρια μέρη ενός κινητήρα διακρίνονται σε: Σταθερά μέρη και Κινητά μέρη Τα σταθερά μέρη του κινητήρα είναι: Η κυλινδροκεφαλή Ο κύλινδρος Το σώμα Η ελαιολεκάνη Τα κινητά μέρη του κινητήρα είναι: Το έμβολο Ο διωστήρας Ο στροφαλοφόρος Ο εκκεντροφόρος Οι βαλβίδες 17

19 2.1.2 Σταθερά μέρη του κινητήρα Α. Κυλινδροκεφαλή: Η κυλινδροκεφαλή είναι το εξάρτημα εκείνο που κλείνει τους κυλίνδρους και κατασκευάζεται χυτό. Το υλικό κατασκευής είναι χυτοσίδηρος με προσθήκες νικελίου, χρωμίου ή μολυβδενίου καθώς και κράματα του αλουμινίου με σκοπό να μειωθεί όσο το δυνατόν το βάρος της. Ανάλογα με τη σχεδίαση του κινητήρα σφραγίζει έναν ή περισσότερους κυλίνδρους του κορμού. Λόγω της θέσεως που βρίσκεται καταπονείται σε υψηλές πιέσεις και σε απότομες μεταβολές θερμοκρασίας. Για την αντοχή της από αυτές τις καταπονήσεις χρειάζεται καλή θερμική αγωγιμότητα για την αποφυγή παραμορφώσεων ή θραύσεων. Για την επιτυχία αυτής της αντοχής σε συνδυασμό με την διάνοιξη διάφορων οπών ( λαδιού, ψύξεως ) καθιστούν την κατασκευή της πολύπλοκη, δαπανηρή και βαριά. Εικόνα2.1Κυλινδροκεφαλή Στην κεφαλή είναι προσαρμοσμένο ένα καπάκι το οποίο υπάρχει για την προστασία των βαλβίδων, και ότι υπάρχει πάνω στην κεφαλή. Επίσης στην κεφαλή υπάρχει ο εκκεντροφόρος ο οποίος καθορίζει το άνοιγμα και το κλείσιμο των βαλβίδων. Αντίστοιχα σε παλαιού τύπου κινητήρες ο εκκεντροφόρος δεν βρισκόταν πάνω στην κεφαλή αλλά στον 18

20 κορμό. Εδώ οι βαλβίδες άνοιγαν και έκλειναν με την βοήθεια των ωστηρίων ή καλαμάκια. Πάνω στις βαλβίδες ήταν τοποθετημένα τα κοκοράκια τα οποία δεχόταν την πίεση από τα καλαμάκια με αποτέλεσμα να ανοιγοκλείνουν τις βαλβίδες. Τα καλαμάκια έπαιρναν την κίνηση από τον εκκεντροφόρο άξονα μέσω των ωστηρίων τα οποία ερχόταν σε επαφή με τα έκκεντρα του εκκεντροφόρου. Τέλος πρέπει να αναφέρουμε ότι στην κεφαλή βρίσκονται οι οπές για την τοποθέτηση των εγχυτήρων. Εικόνα 2.2 Εκκεντροφόρος εξαγωγής με τις βαλβίδες από το σύστημα Multiair της Fiat. Β. Κύλινδρος: Ο κύλινδρος είναι το βασικό εξάρτημα του κινητήρα, μέσα στον οποίο γίνεται η εκτόνωση των αερίων και η καύση του μίγματος, ενώ λειτουργεί και σαν οδηγός για την κίνηση του εμβόλου. Το υλικό κατασκευής του πρέπει να παρουσιάζει μεγάλη αντοχή λόγω των εσωτερικών πιέσεων που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του κινητήρα και να είναι ανθεκτικό σε υψηλές θερμοκρασίες και σε διάβρωση. Επίσης το υλικό κατασκευής θεωρώντας την αντοχή του πρέπει να είναι και όσο το δυνατόν ελαφρύτερο ώστε να μην αυξάνεται αρκετά το βάρος του κινητήρα. 19

21 Εικόνα 2.3 Κατηγορίες χιτωνίων στους κυλίνδρους Ορισμένες φορές μέσα στους κυλίνδρους υπάρχουν τα λεγόμενα χιτώνια, που είναι κυλινδρικά σώματα και χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τα χιτώνια ξηρού τύπου και τα χιτώνια υγρού τύπου. Τα χιτώνια ξηρού τύπου δεν έρχονται σε άμεση επαφή με το υγρό ψύξεως. Χρησιμοποιούνται όταν η διάμετρος του κυλίνδρου έχει υποστεί τέτοια αύξηση (ρεκτιφιέ) ώστε να μη δέχεται άλλη διεύρυνση. Χρησιμοποιούνται επίσης σε καινούριους κινητήρες αν χρειάζεται τα τοιχώματα του κυλίνδρου να είναι ανθεκτικότερα. Αντίθετα τα χιτώνια υγρού τύπου περιβάλλονται κατευθείαν από το υγρό ψύξεως και έτσι δημιουργείται καλή ψύξη. Γ. Σώμα Σώμα ή μπλοκ των κυλίνδρων ονομάζεται το χυτό σύνολο του κινητήρα, όπου διαμορφώνονται οι κύλινδροι και στερεώνονται όλοι οι άλλοι μηχανισμοί ή τα εξαρτήματα του κινητήρα (π.χ. ο στροφαλοφόρος άξονας, η κυλινδροκεφαλή κ.ά.). Πρέπει επομένως να είναι μια 20

22 κατασκευή συμπαγής, για να εξασφαλίζει την καλή λειτουργία τους και κατασκευάζεται συνήθως από χυτοσίδηρο ή κράματα αλουμινίου. Εικόνα2.4 Σώμα (μπλοκ) κινητήρα Δ. Ελαιολεκάνη: Η ελαιολεκάνη ή κάρτερ χρησιμοποιείται για το λάδι της λίπανσης και στηρίζεται στο μπλοκ των κυλίνδρων. Για τη στεγανοποίηση μεταξύ ελαιολεκάνης και μπλοκ των κυλίνδρων, παρεμβάλλεται μια φλάντζα από χαρτί χωρίς πόρους ή φελλό. Η ελαιολεκάνη κατασκευάζεται από χαλύβδινο έλασμα ή αλουμίνιο πρεσαριστή και μερικές φορές έχει εξωτερικά πτερύγια για να διευκολύνει την ψύξη. Εικόνα 2.5. Ελαιολεκάνη (κάρτερ) 21

23 2.1.3 Κινητά μέρη του κινητήρα Μηχανισμός μετατροπής της παλινδρομικής κίνησης σε περιστροφική Στην εικόνα 2.6 απεικονίζεται ένας μηχανισμός μετατροπής της παλινδρομικής κίνησης σε περιστροφική με τα επιμέρους στοιχεία του αποσυναρμολογημένος. Εικόνα 2.6 Μηχανισμός μετατροπής της παλινδρομικής κίνησης σε περιστροφική 22

24 Ο μηχανισμός μετατροπής της παλινδρομικής κίνησης σε περιστροφική αποτελείται από τα εξής μέρη : Α. Έμβολα Τα έμβολα στους κινητήρες Diesel καταπονούνται πολύ περισσότερο από τα έμβολα των βενζινοκινητήρων. Οι εφαρμοζόμενες σε αυτά κάθετες και πλευρικές πιέσεις κυμαίνονται μεταξύ 35 και 42 Kg/cm 2 και στις διάφορες φάσεις η θερμοκρασία φτάνει στους 2000 Κελσίου περίπου. Έτσι λοιπόν, τα έμβολα των πετρελαιοκινητήρων είναι πολύ ισχυρότερα από αυτά των βενζινοκινητήρων, αλλά και αρκετά βαρύτερα, με αποτέλεσμα τη μείωση της ευστροφίας του κινητήρα. Τα έμβολα κατασκευάζονται κυρίως από αλουμίνιο ή από σιλικονούχα κράματα ή γραφίτη (carbon) για μείωση βάρους και πιο ξεκούραστη λειτουργία του κινητήρα. Λειτουργία και αποστολή των εμβόλων είναι να δεχθεί την ωστική δύναμη της έκρηξης του καιγόμενου μείγματος και διαμέσου του διωστήρα να κινήσει τον στρόφαλο. Όταν φτάσει στο κάτω μέρος της διαδρομής του και η πίεση της έκρηξης έχει εκτονωθεί, η αδρανειακή μάζα των αντίβαρων του στροφάλου θα αναλάβει να το επαναφέρει στην αρχική του θέση συμπιέζοντας και τον καινούριο αέρα που υπάρχει μέσα στον κύλινδρο. Επομένως παρατηρούμε ότι η κίνηση του εμβόλου είναι η παλινδρομική. Εικόνα 2.7. Έμβολο 23

25 Β. Ελατήρια Συναρμολόγηση ελατηρίων-εμβόλου Για να επιτευχθεί καλύτερη στεγανοποίηση του εσωτερικού του κυλίνδρου, τα ελατήρια τοποθετούνται στο έμβολο με τις εγκοπές τους στο επίπεδο περιστροφής της μπιέλας και ανά 180 ο μεταξύ τους. Τα ελατήρια συμπίεσης με ορθογωνική διατομή τοποθετούνται στην πρώτη εγκοπή του εμβόλου. Τα ελατήρια με τραπεζοειδή διατομή τοποθετούνται στη δεύτερη εγκοπή και με τη μεγαλύτερη διάμετρο προς τα κάτω. Οι άλλες διατομές τοποθετούνται στη δεύτερη ή τρίτη εγκοπή με τη μεγαλύτερη διάμετρο προς τα κάτω. Τα ελατήρια λαδιού τοποθετούνται μετά τα ελατήρια συμπίεσης. Στους κινητήρες Diesel για να προστατευθεί ο κύλινδρος και το έμβολο από τη βιαιότητα των φλογών τοποθετείται πρώτα ένα ελατήριο προστασίας που μπορεί να έχει διαστάσεις μικρότερες από τις συνήθεις. Για την καλή λειτουργία των ελατηρίων, όταν αυτά είναι συναρμολογημένα, θα πρέπει μεταξύ του ελατηρίου και της εγκοπής του εμβόλου, να υπάρχει μια αξονική χάρη (ΧA) και μια ακτινική χάρη (ΧR) αντίστοιχα, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.3. Oι τιμές των (ΧA), (ΧR), εξαρτώνται από τη διάμετρο του εμβόλου, από το υλικό του ελατηρίου, από τον τύπο και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του κινητήρα. Στο ίδιο σχήμα φαίνεται μια τυπική σύνθεση συναρμολόγησης ελατηρίων. Εικόνα 2.8 Σχέδιο συναρμολόγησης ελατηρίων-εμβόλου και αξονικήακτινική χάρη αυτών 24

26 Γ. Διωστήρας - Κουζινέτα Ο διωστήρας ή η ευρέως γνωστή μπιέλα αναλαμβάνει την «γεφύρωση» του εμβόλου με τον στροφαλοφόρο άξονα. Συνήθως το πάνω μέρος της μπιέλας συνδέεται με το έμβολο μέσω ενός πείρου ενώ στο κάτω μέρος της υπάρχει κουζινέτο που «αγκαλιάζει» τον στροφαλοφόρο άξονα προκειμένου η παλινδρομική κίνηση του εμβόλου να μετατραπεί σε περιστροφική. Ο διωστήρας θα πρέπει να έχει υψηλή αντοχή λόγω των υψηλών τάσεων που αναπτύσσονται από την εκτόνωση των καυσαερίων και για αυτό το λόγο σε ισχυρούς συνήθως υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες όπου η σχέση συμπίεσης είναι υψηλή χρησιμοποιούνται σφυρήλατες Εικόνα 2.9 Διωστήρας Δ. Πείροι Συναρμολόγηση εμβόλου, πείρου εμβόλου και μπιέλας Ο πείρος, το έμβολο και ο διωστήρας αρθρώνονται μεταξύ τους με τους παρακάτω τρεις διαφορετικούς τρόπους, όπως φαίνονται στην εικόνα 2.10: 25

27 Πείρος σταθερά προσαρμοσμένος στους ομφαλούς του εμβόλου και κινητός στο πόδι της μπιέλας. Πείρος σταθερά προσαρμοσμένος στο πόδι της μπιέλας και κινητός στους ομφαλούς του εμβόλου. Πείρος κινητός στο πόδι της μπιέλας και σταθερά προσαρμοσμένος εν ψυχρώ, στους ομφαλούς του εμβόλου. Το τελευταίο σύστημα προτιμάται σήμερα από όλους τους κατασκευαστές για όλους τους τύπους των κινητήρων. Εικόνα 2.10 Τρόπος άρθρωσης εμβόλου πείρου μπιέλας Μεταξύ του πείρου και του εμβόλου υπάρχει μια μικρή σύσφιγξη ή μια πάρα πολύ μικρή χάρη, εν ψυχρώ, εικόνα Ο πείρος πρέπει να μπει στο έμβολο με την πίεση του χεριού. Σε διαφορετική περίπτωση, η συναρμογή πραγματοποιείται αφού θερμανθεί το έμβολο σε λάδι θερμοκρασίας περίπου 60 ο C. Εικόνα 2.11 Συναρμογή πείρου & εμβόλου 26

28 Ε. Στροφαλοφόρος άξονας Ο στροφαλοφόρος άξονας αποτελείται από στροφάλους και είναι το μέσο που ουσιαστικά μεταφέρει το έργο που παράγεται από την παλινδρομική κίνηση των εμβόλων τα οποία κινούνται από την εκτόνωση των αερίων στον θάλαμο καύσης. Με απλά λόγια, οι διωστήρες (μπιέλες) στρέφουν τον στροφαλοφόρο άξονα μετατρέποντας την παλινδρομική σε περιστροφική κίνηση. Στα βασικά μέρη της μηχανικής συναρμογής περιλαμβάνονται τα κομβία βάσης, έδρανα υψηλή αντοχής στα οποία στηρίζεται και περιστρέφεται ο στροφαλοφόρος ενώ ταυτόχρονα λιπαίνονται ώστε να μειωθούν οι παραγόμενες τριβές και κατά συνέπεια θερμότητα. Τα σημεία που συνδέονται οι μπιέλες ονομάζονται κομβία στροφάλων ενώ τα εξογκώματα σε σχήμα κιθάρας λειτουργούν ως αντίβαρα τα οποία χρησιμεύουν για την στατική και δυναμική ζυγοστάθμιση του άξονα. Το υλικό κατασκευής ενός στροφαλοφόρου συνήθως είναι χυτός χάλυβας ή επεξεργασμένος χάλυβας υψηλής αντοχής ενώ σε εξεζητημένες εφαρμογές υιοθετείται η σφυρηλατική μέθοδος κατασκευής. Η εξέλιξη των μεταλλουργικών κατεργασιών εξασφαλίζει την απαιτούμενη αντοχή στις καμπτικές ροπές που δέχεται ο άξονας, διατηρώντας παράλληλα το συνολικό βάρος του κινητήρα σε χαμηλά επίπεδα αφού ο στροφαλοφόρος αποτελεί ένα από τα βαρύτερα εξαρτήματα ενός μοτέρ. Εικόνα 2.12 Στροφαλοφόρος άξονας 27

29 Ζ. Σφόνδυλος (βολάν) Ο σφόνδυλος είναι ένας βαρύς, ζυγοσταθμισμένος δίσκος, που συνδέεται με το πλησιέστερο προς το κιβώτιο ταχυτήτων άκρο του στροφαλοφόρου άξονα. Σκοπός του είναι η κατά περίπτωση αποταμίευση και εκταμίευση δυναμικής ενέργειας ώστε ο ρυθμός περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα να μην επηρεάζεται άμεσα από την εκτόνωση των καυσαερίων στους θαλάμους καύσης. Εικόνα Σφόνδυλος (βολάν) Μηχανισμός χρονισμού του κινητήρα Α. Μετάδοση κίνησης από στροφαλοφόρο άξονα Η κίνηση στον εκκεντροφόρο άξονα μεταδίδεται από τον στροφαλοφόρο άξονα. Τρεις είναι οι πιο διαδεδομένοι τρόποι μετάδοσης της κίνησης: Μετάδοση με γρανάζια Μετάδοση με αλυσίδα Μετάδοση με οδοντωτό ιμάντα. Ο τρόπος αυτός χρησιμοποιείται όταν ο εκκεντροφόρος είναι είτε στα πλάγια είτε και επικεφαλής. Έχει χαμηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης 28

30 και δεν χρειάζεται λίπανση. Για ασφάλεια όμως στην μεταφορά κίνησης, πρέπει να τηρούνται υποχρεωτικά οι προδιαγραφές του κατασκευαστή ώστε η λειτουργία να είναι αθόρυβη. Β. εκκεντροφόρος Ο εκκεντροφόρος χρησιμοποιείται κατά κύριο ρόλο για την κίνηση των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής στην κατάλληλη χρονική στιγμή και με τη σωστή διαδοχική σειρά. Ο εκκεντροφόρος φέρει τα έκκεντρα, κάθε ένα από τα οποία αντιστοιχεί σε μια βαλβίδα. Το σχήμα του λοβού και των πλευρών του έκκεντρου καθορίζει την ταχύτητα ανοίγματος και κλεισίματος της βαλβίδας καθώς και τη διάρκεια του ανοίγματος της. Η θέση του εξαρτάται από την θέση των βαλβίδων και τα είδη μηχανισμών ανοιγοκλεισίματος των βαλβίδων. Συνήθως τον συναντάμε στα πλάγια του σώματος του κινητήρα ή στην κεφαλή του. Όταν είναι στην κεφαλή του κινητήρα λέγεται επικεφαλής εκκεντροφόρος. Στην περίπτωση αυτή, η μετάδοση της κίνησης από τον στροφαλοφόρο στον εκκεντροφόρο γίνεται με αλυσίδα ή ιμάντα. Ανάλογα με το είδος του κινητήρα, μπορούν να υπάρχουν δύο εκκεντροφόροι άξονες. Στους τετράχρονους κινητήρες η σχέση της ταχύτητας περιστροφής του εκκεντροφόρου ως προς αυτή του στροφαλοφόρου είναι πάντα 1:2, ώστε ο πρώτος να περιστρέφεται με τις μισές στροφές του κινητήρα. Έτσι, σε δυο περιστροφές που αποτελούν έναν θερμοδυναμικό κύκλο κάθε βαλβίδα θα ανοίγει μια φορά. Στους δίχρονους κινητήρες όταν χρησιμοποιείται εκκεντροφόρος η παραπάνω σχέση περιστροφής είναι 1:1. Ο εκκεντροφόρος κατασκευάζεται από σφυρήλατο χάλυβα μεγάλης αντοχής. Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί και χυτός εκκεντροφόρος με μεγάλη ακρίβεια και σκλήρυνση των έκκεντρων. 29

31 Εικόνα 2.14 Εκκεντροφόρος άξονας Γ. Ωστήρια Ονομάζονται έτσι τα κυλινδρικά εξαρτήματα που βρίσκονται σε επαφή με τους λοβούς του εκκεντροφόρου άξονα και αναλαμβάνουν να μετατρέπουν την περιστροφική κίνηση του εκκεντροφόρου σε παλινδρομική κίνηση της βαλβίδας. Στα παλιότερης τεχνολογίας οχήματα υπήρχαν τα μηχανικά ωστήρια τα οποία σταδιακά εκτοπίστηκαν από τα υδραυλικά που έχουν την ιδιότητα να αυτορυθμίζονται. Τα υδραυλικά ωστήρια ρυθμίζουν τις ανοχές των βαλβίδων μέσω υδραυλικής πίεσης. Το πλεονέκτημα τους είναι ότι είναι αυτορυθμιζόμενα, δεν χρειάζονται ρύθμιση κάτω από κανονικές συνθήκες λειτουργίας και χρήσης και λόγω του ότι είναι σε διαρκή επαφή με το έκκεντρο λόγο θεωρητικά μηδενικών ανοχών είναι πολύ ευκολότερο να προβλεφτεί πότε ανοίγει και κλείνει η βαλβίδα και οι εκπομπές ρύπων διατηρούνται σε χαμηλά επίπεδα. Εικόνα 2.15 Ωστήριο 30

32 Εικόνα 2.16 Υδραυλικό ωστήριο Δ. Ζύγωθρα (Πλήκτρα - κοκοράκια) Ζύγωθρα ή αλλιώς κοκοράκια, είναι οι ράβδοι που παρεμβάλλονται μεταξύ του εκκεντροφόρου και των βαλβίδων, υποχρεώνοντας τις τελευταίες σε παλινδρομική κίνηση, σύμφωνα με τη θέση των έκκεντρων. Ο σχεδιασμός τους είναι τέτοιος, έτσι ώστε από τη μία πλευρά να στηρίζονται και να περιστρέφονται γύρω από ένα σταθερό άξονα (πιανόλα), ενώ από την άλλη να εφάπτονται, μέσω του πλήκτρου, με τις βαλβίδες. Αντίστοιχα, η ράχη τους εφάπτεται με τα έκκεντρα και, ως εκ τούτου, η κίνηση των τελευταίων τα ωθεί να διαγράψουν ένα μικρό τόξο, ανοίγοντας και κλείνοντας έτσι τις βαλβίδες. Αν και οι σύγχρονοι πολυβάλβιδοι κινητήρες χρησιμοποιούν συνήθως ωστήρια, η χρήση τους εξακολουθεί να είναι ευρεία, ειδικά σε κινητήρες με έναν εκκεντροφόρο, καθώς, εκ των πραγμάτων, αυτός δεν μπορεί να βρίσκεται ταυτόχρονα στην ίδια ευθεία με όλες τις βαλβίδες. 31

33 Ε. Βαλβίδες Οι βαλβίδες αποτελούνται από τον δίσκο της βαλβίδας με την κωνική έδρα και το στέλεχος της βαλβίδας. Οι βαλβίδες είναι εκτεθειμένες σε υψηλές καταπονήσεις επειδή ανεβαίνουν περίπου 3000 φορές το λεπτό και άλλες τόσες χτυπούν στις έδρες τους ωθούμενες από τα ελατήριά τους. Η βαλβίδα εισαγωγής είναι η βαλβίδα που έχει την μεγαλύτερη έδρα σε διάμετρο. Η βαλβίδα αυτή ψύχεται από το μίγμα καυσίμου το οποίο έχει σχεδόν θερμοκρασία περιβάλλοντος. Οι βαλβίδες εισαγωγής κατασκευάζονται από χάλυβες πυριτίου και νικελίου. Αντίθετα, η βαλβίδα εξαγωγής θερμαίνεται πάρα πολύ λόγω των εξερχόμενων καυσαερίων. Έτσι για να αντέχουν σε αυτές τις θερμοκρασίες κατασκευάζονται από χρωμονικελιούχους χάλυβες. Τα ελατήρια των βαλβίδων κατασκευάζονται από υλικό που μπορεί να αντέξει σε αυτές τις πιέσεις. Εικόνα 2.17 Βαλβίδες συστήματος Vario-cam της Porche Υπάρχουν τρία είδη βαλβίδων : Συμβατικές βαλβίδες Είναι οι βαλβίδες που χρησιμοποιούν ελατήριο επαναφοράς, ο έλεγχος της κίνησης τους γίνεται από τον εκκεντροφόρο, που ανάλογα με τη θέση στην οποία βρίσκεται κάθε χρονική στιγμή, ορίζει και τον βαθμό ανοίγματος της εκάστοτε βαλβίδας. 32

34 Όταν η βαλβίδα πρέπει να ανοίξει, ο εκκεντροφόρος σπρώχνει τη βαλβίδα προς τα κάτω, όταν η βαλβίδα πρέπει όμως να κλείσει ο εκκεντροφόρος υποχωρεί, και η βαλβίδα, με τη βοήθεια του ελατηρίου, επανέρχεται στην αρχική της κλειστή θέση. Πνευματικές βαλβίδες Θα μπορούσε να πει κανείς ότι είναι η εξέλιξη του συμβατικού συστήματος των βαλβίδων, το οποίο όμως καταργεί τη χρήση ελατηρίων για την επαναφορά των βαλβίδων. Ουσιαστικά, οι πνευματικές βαλβίδες δουλεύουν με ένα κύκλωμα του οποίου η πίεση δίνει στη βαλβίδα την τάση και την ένταση να επανέλθει στην κλειστή της θέση, ακριβώς όπως και το ελατήριο. Παραστατικότερα φαίνεται στην εικόνα 2.18., όπου καθαρά βλέπουμε τον κενό χώρο (28), στον οποίο το κύκλωμα επιδρά, αυξάνοντας την πίεση, προκειμένου αυτό να δρα ως ελατήριο για την επαναφορά της βαλβίδας στην κλειστή της θέση. Το κύκλωμα χρησιμοποιεί άζωτο, το οποίο είναι αδρανές αέριο και τα χαρακτηριστικά του είναι όμοια με αυτά του αέρα ως μέσο πίεσης του συστήματος. Για να λειτουργήσει, το σύστημα απαιτεί την ύπαρξη μίας εξωτερικής δεξαμενής συμπιεσμένου αερίου, ενός ρυθμιστή πίεσης του κυκλώματος, μονόδρομων βαλβίδων ροής, καθώς και συστήματος αφαίρεσης καταλοίπων λαδιού που τυχόν να εισχωρήσουν στο σύστημα κατά τη λειτουργία του και να δημιουργήσουν προβλήματα. Εικόνα 2.18 Πνευματικές βαλβίδες 33

35 Δεσμοδρομικές βαλβίδες Το δεσμοδρομικό σύστημα βαλβίδων καταργεί στην ουσία την ανάγκη χρήσης του ελατηρίου στις βαλβίδες. Στα δεσμοδρομικά συστήματα χρησιμοποιείται ένας εκκεντροφόρος με δύο έκκεντρα ανά βαλβίδα. Τα έκκεντρα αυτά σπρώχνουν δύο αρθρωτά στελέχη απο τα οποία το ένα ωθεί την βαλβίδα προς τα κάτω και το άλλο προς τα επάνω. Έτσι η βαλβίδα ακολουθεί την κίνηση που διαγράφουν τα άκρα των στελεχών αυτών χωρίς να χρησιμοποιούνται ελατήρια. Εικόνα 2.19 Δεσμοδρομική βαλβίδα Συναρμολόγηση οδηγού βαλβίδας Οι οδηγοί βαλβίδων συναρμολογούνται με μια ελαφρά σύσφιγξη, για να εξασφαλισθεί η σταθερότητα της συναρμολόγησης και στις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, εικόνα Για τις κυλινδροκεφαλές από ελαφρά κράματα αυτή μεταβάλλεται από (0.02Έ0.05)mm, ανάλογα με το υλικό κατασκευής του οδηγού και των διαστάσεων αυτού. 34

36 Συναρμολόγηση έδρας βαλβίδας Η έδρα βαλβίδας προσαρμόζεται στην κυλινδροκεφαλή με σύσφιγξη και οι επιφάνειες επαφής είναι κωνικές έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ένα είδος πάκτωσης. Εικόνα 2.20 Συναρμογή οδηγού στελέχους βαλβίδας 35

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ 3.1 Σύστημα τροφοδοσίας Όπως είναι γνωστό, οι μηχανές Diesel έχουν ένα ιδιαίτερο σύστημα τροφοδοσίας το οποίο ψεκάζει με πίεση το καύσιμο μέσα στους κυλίνδρους. Περιλαμβάνει τα εξής επιμέρους συστήματα: Την δεξαμενή του καυσίμου Το αρχικό φίλτρο Την αντλία χαμηλής πίεσης Το βασικό φίλτρο Την αντλία ψεκασμού Τους ψεκαστήρες Το ρυθμιστή στροφών Τους σωλήνες τροφοδοσίας Την αντλία καυσίμου υψηλής πίεσης Τα βασικά μέρη του συστήματος αυτού είναι οι ψεκαστήρες ή εγχυτήρες και η αντλία καυσίμου υψηλής πίεσης. Μεγάλο ρόλο τόσο στην απόδοση αλλά και στη δημιουργία καυσαερίων παίζει η αντλία υψηλής πίεσης, η οποία είναι αναπόσπαστο κομμάτι ενός κινητήρα πετρελαίου και είναι αυτή που δημιουργεί την πίεση ψεκασμού του καυσίμου. Οι αντλίες που χρησιμοποιούνται είναι είτε υδραυλικές είτε μηχανικές, και μπορούν να συμπιέσουν το καύσιμο έως και 200atm. Στα παρακάτω σχήματα παρουσιάζεται μια μηχανική αντλία ψεκασμού πετρελαίου, καθώς και τα επιμέρους τμήματά της. 36

38 Εικόνα 3.1 Μηχανική αντλία ψεκασμού πετρελαίου Όπως φαίνεται και στην εικόνα, η μηχανική αντλία αποτελείται από έναν άξονα ο οποίος περιστρέφεται παίρνοντας κίνηση από το στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα. Ο χρονισμός και η διάρκεια του ψεκασμού καθορίζονται από τους ψεκαστήρες οι οποίοι μπορεί να είναι μηχανικοί ή ηλεκτρομαγνητικοί. Οι μηχανικοί ψεκαστήρες χρησιμοποιούνται από την αρχή της λειτουργίας των κινητήρων Diesel και η λειτουργία τους βασίζεται σε ένα προφορτισμένο σπειροειδές ελατήριο στο εσωτερικό του ψεκαστήρα. Το ελατήριο, πιέζει ένα πώμα (ακίδα) κλείνοντας την οπή του ψεκαστήρα. Όταν όμως η πίεση του καυσίμου γίνει πολύ μεγάλη, το ελατήριο συμπιέζεται από το καύσιμο και διαφεύγει η απαιτούμενη ποσότητα καυσίμου από την οπή, στον κύλινδρο του κινητήρα. Εικόνα 3.2 Ψεκαστήρας Η παραπάνω διαδικασία πραγματοποιείται και ελέγχεται ηλεκτρονικά στους ηλεκτρομαγνητικούς ψεκαστήρες. Εδώ τη θέση του ελατηρίου παίρνει ένας ισχυρός ηλεκτρομαγνήτης ο οποίος ανοίγει και 37

39 κλείνει την οπή του ψεκαστήρα. Στην φωτογραφία που ακολουθεί, παρουσιάζεται ο έλεγχος της λειτουργίας ηλεκτρομαγνητικών ψεκαστήρων. Εικόνα 3.3 Έλεγχος λειτουργίας ηλεκτρομαγνητικών ψεκαστήρων 3.2 Βοηθητικοί προθάλαμοι καύσης Σε ορισμένους κινητήρες χρησιμοποιούνται βοηθητικοί θάλαμοι κατασκευασμένοι μέσα στην κυλινδροκεφαλή, οι οποίοι επικοινωνούν με τους κυλίνδρους μέσω αγωγών. Έτσι λοιπόν κατά τη φάση της συμπίεσης, ο συμπιεζόμενος αέρας συγκεντρώνεται στον προθάλαμο. Στη συνέχεια γίνεται ο ψεκασμός του πετρελαίου μέσα στον προθάλαμο, όπου και αυτόαναφλέγεται. Η αύξηση της πίεσης μέσα στον προθάλαμο, ωθεί το έμβολο προς το ΚΝΣ. Οι προθάλαμοι καύσης χρησιμοποιούνται αρκετά στους πετρελαιοκινητήρες, γιατί έχουν τέτοια διαμόρφωση η οποία επιτρέπει την πολύ καλή ανάμειξη του καυσίμου με τον αέρα. Οι πιο διαδεδομένοι βοηθητικοί προθάλαμοι καύσης είναι οι: Lanova, Perkins, Caterpillar, Ramsey και Deutz. 38

40 Εικόνα 3.4 Βοηθητικοί προθάλαμοι καύσης 3.3 Θάλαμοι καύσης Στους κινητήρες Diesel, η ανάμειξη του αέρα και του καυσίμου γίνεται μέσα στο χώρο των κυλίνδρων. Για το λόγο αυτό τα έμβολα στις περισσότερες πετρελαιομηχανές έχουν ειδική διαμόρφωση στην άνω πλευρά τους. Η διαμόρφωση αυτή, βοηθά στον στροβιλισμό του αέρα και του καυσίμου έτσι ώστε να επιτευχθεί καλύτερη ανάμειξη, άρα και καλύτερη καύση. Ο, διαμορφώσεις αυτές των εμβόλων λειτουργούν όπως οι θάλαμοι καύσης στην κεφαλή της βενζινομηχανής και ονομάζονται θάλαμοι άμεσης έγχυσης. Οι κυριότεροι θάλαμοι αυτού του τύπου είναι ο θάλαμος Μ της ΜΑΝ και ο SL της Perkins. Ωστόσο ορισμένοι κινητήρες, κυρίως μεγάλου κυβισμού, χρησιμοποιούν πιο απλούς, ανοικτούς θαλάμους καύσης όπως αυτός που παρουσιάζεται στην Εικόνα3.5.. Εικόνα 3.5 Θάλαμος καύσης 39

41 Έτσι περιορίζεται το κόστος κατασκευής, χωρίς πολύ μεγάλη μείωση στην απόδοση του κινητήρα Εισαγωγή στους θαλάμους καύσεως Αν και κάθε εξάρτημα του κινητήρα είναι σημαντικό, το σχήμα του θαλάμου καύσεως καθορίζει τα χαρακτηριστικά του κινητήρα. Επίσης, ο θάλαμος καύσεως πρέπει να παρέχει καλή καύση, ελεγχόμενους ρύπους, χαμηλά επίπεδα θορύβου, οικονομία καυσίμου και ομαλή λειτουργία. Η διαδικασία της καύσης επηρεάζεται ισχυρά από το στροβιλισμό του αέρα που δημιουργείται από το σχήμα του θαλάμου καύσεως. Το μπεκ ψεκασμού σχεδιάζεται με τέτοια μορφή ώστε να αξιοποιεί το πλεονέκτημα του στροβιλισμού του αέρα έτσι ώστε να γίνεται καλύτερη ανάμειξη καυσίμου-αέρα. Κάθε ένα από τα σχήματα των θαλάμων καύσης δημιουργεί τη δική του μορφή στροβιλισμού η οποία είναι κατάλληλη για κάποιες συγκεκριμένες εφαρμογές αλλά ακατάλληλη για κάποιες άλλες. Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τους διαφορετικούς σχεδιασμούς καθώς επίσης τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του κάθε σχεδιασμού ξεχωριστά. 3.4 Είδη συστημάτων τροφοδοσίας Οι θάλαμοι καύσεως μπορούν να ταξινομηθούν αρχικά σε δυο μεγάλες κατηγορίες, βασιζόμενοι στο σημείο που ψεκάζεται το καύσιμο. Έτσι ταξινομούνται στις εξής κατηγορίες: Άμεσου ψεκασμού DI (Direct Injection) Έμμεσου ψεκασμού IDI (Indirect Injection) 40

42 3.4.1 Άμεσος ψεκασμός Χαρακτηριστικά του άμεσου ψεκασμού Ο θάλαμος καύσης άμεσου ψεκασμού έχει την υψηλότερη απόδοση καυσίμου, όταν συγκριθεί με άλλους θαλάμους άλλων σχεδιασμών. Η θερμική απόδοση βασικά είναι πολύ υψηλή λόγω: Της μικρότερης επιφάνειας της φλόγας, συγκρινόμενης με τον όγκο της καύσης. Της μεγαλύτερης επιφάνειας της φλόγας επάνω από το έμβολο και της μικρότερης επαφής της με το υγρό ψύξεως. Αυτό σημαίνει ότι θα υπάρχουν μικρότερες θερμικές απώλειες προς το σύστημα ψύξης. Λόγω των χαμηλών απωλειών θερμότητας ένας πετρελαιοκινητήρας με άμεσο ψεκασμό θα τεθεί σε λειτουργία ευκολότερα στις χαμηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος και δε θα απαιτηθεί εκτεταμένη βοήθεια εκκίνησης όπως στους άλλους τύπους θαλάμων. Οι πετρελαιοκινητήρες με άμεσο ψεκασμό καταπονούν λιγότερο το έμβολο, τα ελατήρια και τα υπόλοιπα μέρη του κινητήρα. Ένας λόγος είναι λόγω της σχέσης μετάδοσης. Άλλος λόγος είναι ότι η καύση εμφανίζεται αρχικά στην περιοχή πάνω από το κέντρο του εμβόλου. Το έμβολο ωθείται προς τα κάτω, περισσότερο ήρεμα στην αρχή του χρόνου εκτονώσεως. Άλλο ένα χαρακτηριστικο του άμεσου ψεκασμού είναι η γρήγορη καύση που δημιουργεί απότομη αύξηση της πίεσης μέσα στον κύλινδρο, παράγωντας ένα υψηλής έντασης χτύπημα κάθε φορά που γίνεται καύση. Τα εξελιγμένα συστήματα ψεκασμού έχουν μειώσει σημαντικά το επίπεδο αυτού του θορύβου. Τέλος με τους θαλάμους άμεσου ψεκασμού ο κύλινδρος καθαρίζεται ευκολότερα από τα καυσαέρια. 41

43 Περιγραφή Ο άμεσος ψεκασμός συναντάται σε μεγάλους αργόστροφους κινητήρες Diesel όπως αυτοί των μεγάλων φορτηγών οχημάτων και των ρυμουλκών οχημάτων. Χρησιμοποιείται σε μεγαλύτερο ποσοστό στους πετρελαιοκινητήρες γιατί έχει περισσότερα πλεονεκτήματα από τον έμμεσο ψεκασμό. Ο άμεσος ψεκασμός ψεκάζει το καύσιμο απευθείας μέσα στο θάλαμο καύσεως ακριβώς πάνω από το έμβολο. Η μέθοδος αυτή συχνά αναφέρεται σαν ανοιχτός θάλαμος καύσεως, επειδή ο θάλαμος καύσεως έχει άμεση πρόσβαση στις βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής. Η ροή του αέρα μέσα στο θάλαμο καύσης είναι πολύ κρίσιμη για τη διαδικασία της καύσης. Το πρώτο στάδιο περιλαμβάνει τον τρόπο της εισαγωγής του αέρα από τη βαλβίδα εισαγωγής. Το σχήμα του αγωγού εισαγωγής οδηγεί τον αέρα κατευθείαν μέσα στον κύλινδρο με τέτοιο τρόπο που ο αέρας να στροβιλίζεται ισχυρά. Το δεύτερο στάδιο περιλαμβάνει το σχήμα του εμβόλου. Εικόνα 3.6 Σύστημα άμεσου ψεκασμού Όπως αναφέραμε και παραπάνω, στις μηχανές αυτού του τύπου ο ψεκασμός του καυσίμου γίνεται κατευθείαν μέσα στο χώρο καύσης, ο οποίος σχηματίζεται συνήθως από μια κοιλότητα στην κεφαλή του εμβόλου και την επίπεδη επιφάνεια της ίδιας της κυλινδροκεφαλής. Η μορφή της κοιλότητας αυτής διαφέρει ανάλογα με τον 42

44 κατασκευαστή, αν και οι περισσότεροι υιοθετούν σήμερα τη μορφή σχήματος Ω, και ειδικά στους πετρελαιοκινητήρες που χρησιμοποιούνται στα φορτηγά, επειδή η μορφή αυτή προκαλεί τον έντονο στροβιλισμό του ψεκαζόμενου καυσίμου και η ανάμιξη του με τον αέρα είναι σχεδόν πλήρης. Στους αργόστροφους κινητήρες παλαιότερης τεχνολογίας, η κοιλότητα του εμβόλου δεν είχε κάποιο ιδιαίτερο σχήμα. Αυτό είχε σαν συνέπεια να μη δημιουργείται κάποιου είδους στροβιλισμός στο ψεκαζόμενο καύσιμο και η ανάμιξη με τον αέρα να ήταν περιορισμένη. Ο ψεκασμός του καυσίμου γίνεται από ένα μπεκ καυσίμου με ακροφύσιο πολλαπλών οπών στο κέντρο της κοιλότητας του εμβόλου. Οι μεγάλες πιέσεις ψεκασμού του καυσίμου φτάνουν ακόμα και τα 2800 bar έχουν σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός νέφους από πολύ μικρά σταγονίδια, τα οποία αφού ατμοποιηθούν, δημιουργούν μαζί με τον αέρα ένα καύσιμο μίγμα το οποίο και αναφλέγεται. Ένας από τους πρώτους αλλά και κυριότερους κατασκευαστές κινητήρων diesel, η εταιρία MAN χρησιμοποιεί έναν ιδιαίτερο τύπο θαλάμου άμεσης καύσης. Συγκεκριμένα η κοιλότητα του εμβόλου είναι ημισφαιρικής μορφής, ενώ το καύσιμο ψεκάζεται από ένα ακροφύσιο μίας οπής το οποίο βρίσκεται υπό κλίση, έτσι ώστε η ψεκαζόμενη δέσμη του καυσίμου να έχει εφαπτομενική διεύθυνση ως προς τα τοιχώματα της κοιλότητας. Με τη διάταξη αυτή προσδίδεται εντονότερη συστροφή στο ψεκαζόμενο καύσιμο άρα και η ανάμιξη με τον αέρα είναι καλύτερη. Παράλληλα το ίδιο το καύσιμο δημιουργεί ένα λεπτό στρώμα στα τοιχώματα της κοιλότητας, το οποίο και εξατμίζεται σταδιακά. Ο τύπος αυτός του θαλάμου καύσης ονομάζεται σύστημα-μ (M system) και εμφανίζει χαμηλά επίπεδα καπνού στα καυσαέρια. Με τον άμεσο ψεκασμό συνήθως επιτυγχάνεται η ομοιόμορφη ανάμιξη του καυσίμου και κατά συνέπεια είναι μικρότερες οι απώλειες της θερμότητας, λόγω του περιορισμένου χώρου της συμπίεσης. Επίσης οι μηχανές άμεσης έγχυσης παρουσιάζουν υψηλούς βαθμούς απόδοσης και μικρή ειδική κατανάλωση καυσίμου. Ακόμη παρουσιάζουν πολύ καλή συμπεριφορά κατά τη διάρκεια των ψυχρών εκκινήσεων, ενώ και η κυλινδροκεφαλή είναι κατασκευαστικά απλούστερη και πιο οικονομική. 43

45 Σήμερα τα συστήματα των κινητήρων πετρελαίου που λειτουργούν με τον άμεσο ψεκασμό είναι τα εξής: Common Rail Μονάδα αντλία-ακροφύσιο Περιγραφή συστήματος άμεσου ψεκασμού με Common Rail Το σύστημα Common Rail είναι ένα σύστημα ψεκασμού υψηλής πίεσης. Το καύσιμο μέσω ενός κεντρικού συγκεντρωτικού σωλήνα (διακλαδωτήρα) καυσίμου προωθείται στα μπεκ ψεκασμού, η πίεση του καυσίμου και ο χρόνος ανοίγματος των μπεκ μας δίνουν την ποσότητα ψεκασμού του καυσίμου. Τα πλεονεκτήματα του συστήματος ψεκασμού Common rail είναι: Έχει τη δυνατότητα να επιλέγει το σύστημα την πίεση και το χρόνο ψεκασμού. Η κατασκευή του συστήματος με μεμονωμένα εξαρτήματα μειώνει το κόστος κατασκευής και συντήρησής τους. Ο ελεγχόμενος και γρήγορος ψεκασμός που πραγματοποιείται με ηλεκτρονικά μπεκ συμβάλλει στην καθαρή καύση. Εικόνα 3.7 Σύστημα Common Rail 44

46 Το σύστημα Common Rail, σήμερα είναι το πιο εξελιγμένο και το πιο διαδεδομένο σύστημα ψεκασμού σε πετρελαιοκινητήρες. Το σύστημα αντλία-ακροφύσιο είναι ένα σύστημα το οποίο το χρησιμοποιούσαν πριν την ανακάλυψη του Common Rail. Σήμερα ορισμένες εταιρίες χρησιμοποιούν το σύστημα αυτό. Μία από αυτές είναι η VOLVO η οποία το χρησιμοποιεί στα ελαφρά φορτηγά της Έμμεσος ψεκασμός Χαρακτηριστικά του έμμεσου ψεκασμού Μεγάλο εύρος στροφών Χαμηλά επίπεδα ρύπων Χαμηλά επίπεδα θορύβου Τα χαρακτηριστικά του έμμεσου ψεκασμού έχουν καταστήσει αυτόν σαν μια λογική επιλογή για τους πολύστροφους πετρελαιοκινητήρες. Ο έμμεσος ψεκασμός παρέχει μεγάλο εύρος στροφών και χαμηλά επίπεδα ρύπων και θορύβου Περιγραφή Οι κινητήρες με θαλάμους έμμεσης έγχυσης του καυσίμου είναι συνήθως μηχανές που αναπτύσσουν υψηλό αριθμό στροφών και χρησιμοποιούνται κυρίως σε επιβατηγά αυτοκίνητα. Ένας άλλος βασικός λόγος χρήσης των συστημάτων έμμεσης έγχυσης σε μικρούς κινητήρες όπως αυτών των αυτοκινήτων, είναι ότι αποφεύγονται τα μεγάλα, ογκώδη και ταυτόχρονα ακριβά συστήματα άμεσου ψεκασμού, που λειτουργούν σε μεγάλες πιέσεις. Ακόμα, οι μηχανές diesel έμμεσου ψεκασμού παρουσιάζουν μικρότερο θόρυβο λειτουργίας, ενώ και τα διάφορα μέρη του κινητήρα δέχονται μικρότερα φορτία. Θα πρέπει να 45

47 σημειωθεί ότι οι κινητήρες του τύπου αυτού παρουσιάζουν αυξημένη κατανάλωση καυσίμου κατά 10 ως 15%, σε σχέση με τις αντίστοιχες του άμεσου ψεκασμού και διακρίνονται σε δυο βασικούς τύπους: Σε κινητήρες που διαθέτουν στροβιλοθάλαμο Σε κινητήρες που διαθέτουν προθάλαμο Η αρχή λειτουργίας και στους δυο τύπους είναι η ίδια. Το καύσιμο ψεκάζεται σε έναν μικρότερο θάλαμο ο οποίος επικοινωνεί μέσω ενός μικρού ανοίγματος με τον κύριο θάλαμο καύσης, οπότε και η καύση ξεκινά από τον προθάλαμο και διαδίδεται στον υπόλοιπο χώρο της καύσης. Στους κινητήρες με στροβιλοθάλαμο σε κάθε κύλινδρο το καύσιμο ψεκάζεται μέσα σ ένα σχεδόν ατμοσφαιρικό θάλαμο ο οποίος είναι διαμορφωμένος στην κυλινδροκεφαλή του κινητήρα. Ο όγκος αυτού του θαλάμου είναι περίπου το 50% του συνολικού όγκου της συμπίεσης. Ο στροβιλοθάλαμος επικοινωνεί με τον κύριο χώρο της καύσης, μέσω ενός ανοίγματος, το οποίο οδηγεί τα αέρια προς το κέντρο του εμβόλου. Στο στροβιλοθάλαμο επίσης βρίσκονται το ακροφύσιο έγχυσης, καθώς και το σύστημα υποβοήθησης της εκκίνησης το οποίο είναι απαραίτητο σε αυτού του είδους κινητήρες. Σύμφωνα με τα παραπάνω κατά τη διάρκεια της συμπίεσης σχηματίζεται ένα πολύ ισχυρό ρεύμα αέρα το οποίο δημιουργεί έντονο στροβιλισμό, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται η πολύ καλή ανάμιξη του με το ψεκαζόμενο καύσιμο. Παράλληλα όπως και στο σύστημα Μ που περιγράψαμε πριν, τοκαύσιμο δημιουργεί ένα λεπτό στρώμα πάνω στην επιφάνεια του στροβιλοθαλάμου το οποίο εξατμίζεται σταδιακά και καίγεται. Το γεγονός αυτό προκαλεί την αύξηση της πίεσης στο στροβιλοθάλαμο που έχει ως αποτέλεσμα ένα πλούσιο μίγμα καυσίμου και αέρα να εκτοξεύεται προς τον κύριο θάλαμο καύσης όπου και καίγεται. Η διάταξη αυτή είναι κατάλληλη για πολύστροφους κινητήρες diesel που φτάνουν ως και τις 5000 στροφές το λεπτό και παρουσιάζουν χαμηλά επίπεδα καπνού στα καυσαέριά τους. Στους κινητήρες με προθάλαμο καύσης σε κάθε κύλινδρο το 46

48 καύσιμο ψεκάζεται μέσα σε ένα μικρό θάλαμο ο οποίος είναι διαμορφωμένος στην κυλινδροκεφαλή του κινητήρα περίπου στο κέντρο του κυρίου θαλάμου καύσης. Ο όγκος αυτού του θαλάμου είναι περίπου το 25% ως 35% του συνολικού όγκου της συμπίεσης, Ο προθάλαμος επικοινωνεί με τον κύριο χώρο της καύσης, μέσω πολλών μικρών ανοιγμάτων, τα οποία οδηγούν τα αέρια προς το κέντρο του εμβόλου. Ο εγχυτήρας του καυσίμου βρίσκεται στον προθάλαμο μαζί με το σύστημα υποβοήθησης της εκκίνησης το οποίο είναι απαραίτητο σε αυτού του είδους τους κινητήρες. Και αυτός ο τύπος κινητήρα μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλό αριθμό στροφών, ενώ παρουσιάζει ανάλογα χαρακτηριστικά λειτουργίας και με τον προηγούμενο τύπο της έμμεσης έγχυσης καυσίμου. Γενικά οι κινητήρες με έμμεση έγχυση καυσίμου παρουσιάζουν πιο στρωτή και λιγότερο θορυβώδη λειτουργία, επειδή η καύση είναι πιο ομαλή. Το γεγονός αυτό βοηθά στη μείωση του βάρους των κινητήρων αυτών αφού τα φορτία που αναπτύσσονται λόγω της καύσης κυμαίνονται σε χαμηλότερα επίπεδα ενώ παράλληλα λειτουργούν με μεγαλύτερη σχέση συμπίεσης και με χαμηλότερες πιέσεις ψεκασμού Μειονεκτήματα του έμμεσου ψεκασμού Τα μειονεκτήματα του έμμεσου ψεκασμού είναι ότι παρέχεται μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου και απαιτείται μεγαλύτερη σχέση συμπίεσης. Η κατανάλωση του καυσίμου είναι μεγαλύτερη με τον έμμεσο ψεκασμό, λόγω των υψηλών θερμικών απωλειών, των μεγαλύτερων τριβών και των απωλειών άντλησης του αέρα εισαγωγής στον προθάλαμο καύσης. Λόγω των θερμικών απωλειών που είναι υψηλότερες απαιτείται μια μεγαλύτερη σχέση συμπίεσης προκειμένου να αυξηθεί η θερμοκρασία. Όταν τίθεται σε λειτουργία ο πετρελαιοκινητήρας, μια μικρή ποσότητα απωλειών θερμότητας μπορεί να κάνει τη διαφορά για μια εκκίνηση του κινητήρα ή όχι. Οι προθερμαντήρες που βρίσκονται τοποθετημένοι μέσα στους κυλίνδρους προσθέτουν επιπρόσθετη 47

49 θερμότητα κατά την εκκίνηση. Κατά τη λειτουργία στο ρελαντί ή σε ελαφρύ φορτίο παράγεται λίγη θερμότητα αφού εισέρχεται μικρή ποσότητα καυσίμου μέσα στον κύλινδρο. Έχοντας μια υψηλή σχέση συμπίεσης διορθώνεται αυτή η κατάσταση αλλά η τιμή θερμικής απόδοσης ελαχιστοποιείται. Επιπλέον λόγω της χρήσης μιας υψηλής σχέσης συμπίεσης απαιτούνται καλύτερη στεγανοποίηση και βαρύτερα εξαρτήματα. Οι απώλειες αυτές αυξάνονται με την αύξηση των στροφών και αυτό επειδή απαιτείται περισσότερη ενέργεια για την κίνηση των εξαρτημάτων. Τέλος ο στενός αγωγός περιορίζει τη ροή των αερίων προς τα μέσα και προς τα έξω του προθαλάμου. Το στένωμα αυτό δημιουργεί μια μικρή απώλεια πίεσης στην απόδοση αναρρόφησης και στη σάρωση (καθαρισμό) του προθαλάμου. 3.5 Σύστημα ψύξης Το σύστημα ψύξης έχει σκοπό την ψύξη του κινητήρα και τη διατήρηση της θερμοκρασίας λειτουργίας, σε σταθερά και προβλεπόμενα επίπεδα. Με την ψύξη επιτυγχάνεται η αποφυγή της υπερθέρμανσης του κινητήρα, ενώ βελτιώνεται η απόδοσή του. Ανάλογα με τον τρόπο ψύξης, οι κινητήρες χωρίζονται σε υδρόψυκτους και αερόψυκτους. Σήμερα, οι περισσότεροι κινητήρες είναι υδρόψυκτοι. Το σύστημα ψύξης ενός υδρόψυκτου κινητήρα αποτελείται από το ψυγείο του ψυκτικού υγρού, την αντλία (που κινείται από το στροφαλοφόρο άξονα), το θερμοστάτη, το δίκτυο σωληνώσεων και το δοχείο διαστολής. Το σύστημα ψύξης ενός αερόψυκτου κινητήρα αποτελείται από τον ανεμιστήρα και τα μεταλλικά διαφράγματα οδήγησης του αέρα. Στο σχήμα 2.9, φαίνεται το διάγραμμα ροής του κυκλώματος ψύξης ενός υδρόψυκτου κινητήρα. Όταν ο θερμοστάτης είναι κλειστός, η κυκλοφορία του ψυκτικού υγρού γίνεται στο εσωτερικό των υδροχιτωνίων, ενώ όταν είναι ανοικτός η αντλία αναρροφά το ψυκτικό υγρό από τον κάτω υδροθάλαμο του ψυγείου, το στέλνει στα υδροχιτώνια των κυλίνδρων και 48

50 στη συνέχεια, μέσω του θερμοστάτη, στον πάνω υδροθάλαμο του ψυγείου. Όπως αναφέραμε παραπάνω τα συστήματα ψύξης των κινητήρων διακρίνονται σε δύο κατηγορίες που και αυτά με τη σειρά τους σε επιπλέον υποκατηγορίες. Σύστημα ψύξης με αέρα Ψύξη με ρεύμα αέρα λόγω κίνησης του οχήματος Ψύξη με αέρα από φυσητήρα Σύστημα ψύξης με υγρό Ψύξη με φυσική κυκλοφορία Ψύξη με εξαναγκασμένη κυκλοφορία Εικόνα 3.8 Διάγραμμα ροής κυκλώματος ψύξης υδρόψυκτου κινητήρα 49

51 Στην εικόνα 3.9, φαίνεται η στήριξη, στο αμάξωμα, του ψυγείου και του δοχείου διαστολής του συστήματος ψύξης ενός κινητήρα, καθώς και η ονοματολογία των διαφόρων εξαρτημάτων του συστήματος. Εικόνα 3.9 Τυπική στήριξη ψυγείου και δοχείου διαστολής στο αμάξωμα, όπου: 1 Τραβέρσα ψυγείου 5 Τάπα δοχείου διαστολής 2 Προστατευτικό ανεμιστήρα 6 Περικόχλια U 3 Σφιγκτήρας 7 Κοχλίας δοχείου διαστολής 4 Δοχείο διαστολής 8 Ψυγείο 9 Ανεμιστήρας 3.6 Σύστημα λίπανσης Ο σκοπός του συστήματος λίπανσης σ έναν κινητήρα είναι: 50

52 η λίπανση των εξαρτημάτων του κινητήρα, για τη μείωση της τριβής και της απώλειας ισχύος η ψύξη των εξαρτημάτων στο εσωτερικό του κινητήρα, για προστασία από τις υψηλές θερμοκρασίες η στεγανοποίηση μεταξύ του θαλάμου καύσης και των κυλίνδρων (κάτω από τη ζώνη των ελατηρίων του εμβόλου) το φιλτράρισμα από τα κατάλοιπα της καύσης ή τυχόν ακαθαρσίες η προστασία των μετάλλων του κινητήρα από τη διάβρωση. Στην εικόνα 3.10, φαίνεται το πιο κοινό σύστημα λίπανσης ενός τετράχρονου κινητήρα, με εξαναγκασμένη κυκλοφορία λιπαντικού. Η αντλία λαδιού αντλεί το λάδι από την ελαιολεκάνη (κάρτερ), μέσω ενός δικτυωτού φίλτρου (σίτας), το στέλνει στο φίλτρο λαδιού για φιλτράρισμα και κατόπιν, υπό πίεση, στα σημεία λίπανσης στο στροφαλοφόρο άξονα, στο μπλοκ των κυλίνδρων και στην κυλινδροκεφαλή. Εικόνα 3.10 Σύστημα λίπανσης ενός τετράχρονου κινητήρα, με εξαναγκασμένη κυκλοφορία λιπαντικού 51