Η θερμική ενέργεια που παράγεται από την καύση της βενζίνης και του. αέρα μετατρέπεται σε μηχανική με τα έμβολα, τις μπιέλες και το

Transcript

1 Παραγωγή Ισχύος Η θερμική ενέργεια που παράγεται από την καύση της βενζίνης και του αέρα μετατρέπεται σε μηχανική με τα έμβολα, τις μπιέλες και το στροφαλοφόρο. Η απόδοση του κινητήρα εξαρτάται από την ποσότητα αυτής της ενέργειας που μετατρέπεται σε χρήσιμο έργο. Η ειδική ισχύς του κινητήρα είναι τόσο μεγαλύτερη, όσο περισσότερο μείγμα αέρα / βενζίνης αναρροφηθεί στον κύλινδρο και όσο περισσότερο συμπιεστεί. Μια σύγκριση του όγκου του αέρα που υπάρχει στον κύλινδρο πριν και μετά την συμπίεση, θα μας δώσει τη σχέση συμπιέσεως. Ένα κοινό αυτοκίνητο έχει σχέση συμπιέσεως 9 προς 1 περίπου, πράγμα που σημαίνει ότι ο αέρας στον κύλινδρο συμπιέστηκε στο ένα ένατο του αρχικού του όγκου. Εάν η σχέση συμπιέσεως είναι πολύ υψηλή για το βαθμό βενζίνης που χρησιμοποιείται, η καύση δεν θα είναι προοδευτική. Όσο από το μείγμα βρίσκεται μακριά από τον αναφλεκτήρα, θα εκραγεί (εκτονωθεί) βίαια. Το φαινόμενο αυτό λέγεται αυτανάφλεξη. Η εκτόνωση αυτή μπορεί να προκαλέσει από απώλεια ισχύος έως και υπερθέρμανση, προξενώντας βλάβη στον κινητήρα. Η απώλεια ισχύος και η υπερθέρμανση είναι δυνατόν να προκληθούν επίσης από την προανάφλεξη την ανάφλεξη δηλαδή πριν από την εμφάνιση του σπινθήρα στο μπουζί. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να οφείλεται σε ελαττωματικά ή αρρύθμιστα μπουζί ή στα εναποθέματα καυσίμου στους θαλάμους καύσεως, που είναι συνέχεια πυρακτωμένοι. Η προανάφλεξη, όπως και η αυτανάφλεξη, μπορεί να προκαλέσει μεγάλη ζημιά στον κινητήρα και φυσικά απώλεια ισχύος.

2 Ο κύκλος λειτουργίας στους κινητήρες των περισσότερων αυτοκινήτων και γενικά άλλων μηχανών εσωτερικής καύσεως, είναι τετράχρονος, ή κύκλος του Όττο, κατά τον οποίον παράγεται έργο μόνο από τη μία από τις τέσσερις διαδρομές του εμβόλου. Κατά τη διάρκεια μιας περιστροφής του στροφαλοφόρου, το έμβολο κατεβαίνει προκαλώντας την εισαγωγή του μείγματος και ξανανεβαίνει συμπιέζοντάς το. Κατά την διάρκεια της επόμενης περιστροφής του στροφαλοφόρου, το μίγμα αναφλέγεται και το έμβολο ωθείται προς τα κάτω παράγοντας έργο ενώ στη συνέχεια ανεβαίνει διώχνοντας τα καυσαέρια έξω από τον κύλινδρο. Στα παραπάνω σχήματα φαίνονται τα στάδια λειτουργίας του τετράχρονου βενζινοκινητήρα. Δεδομένου ότι οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής πρέπει να ανοίγουν μόνο μια φορά σε κάθε κύκλο λειτουργίας, ο εκκεντροφόρος που τις ανοίγει περιστρέφεται με τις μισές στροφές του στροφαλοφόρου, ο οποίος κάνει δύο περιστροφές κατά την διάρκεια του τετράχρονου κύκλου. Έμβολα και διωστήρες Τα έμβολα, ωθούμενα από τη διαστολή του μείγματος βενζίνης / αέρα που καίγεται στο θάλαμο καύσεως, τροφοδοτούν τον κινητήρα με ενέργεια.

3 Όταν ένας κινητήρας κοινού αυτοκινήτου λειτουργεί στο μέγιστο των στροφών του, κάθε έμβολο παλινδρομεί επάνω-κάτω μέσα σε κάθε κύλινδρο περίπου 100 φορές το δευτερόλεπτο. Εξαιτίας αυτής της γρήγορης αλληλοδιαδοχής ανόδου και καθόδου, τα έμβολα πρέπει να είναι ανθεκτικά αλλά ταυτόχρονα και ελαφριά. Έτσι σε πάρα πολλά σύγχρονα αυτοκίνητα είναι κατασκευασμένα από κράμα αλουμινίου. Η θερμότητα που παράγεται από την καύση του μείγματος προκαλεί την διαστολή τόσο των ίδιων των εμβόλων, όσο και των κυλίνδρων που είναι κατασκευασμένοι από χυτοσίδηρο. Τα ελατήρια των εμβόλων φράζουν το διάκενο που υπάρχει μεταξύ του εμβόλου και της εσωτερικής επιφάνειας (διαμέτρου) του κυλίνδρου. Τα ελατήρια της συμπιέσεως, που συνήθως είναι δύο, εμποδίζουν τα αέρια να διαφύγουν από το έμβολο και να εισχωρήσουν στον κορμό. Τέλος, ένα ελατήριο αποξέσεως (λαδιού) αφαιρεί το πλεόνασμα του λαδιού από το τοίχωμα του κυλίνδρου και το ξαναρίχνει στο κάρτερ. Η ενέργεια μεταδίδεται από τα έμβολα στον στροφαλοφόρο- μετατρεπόμενη ταυτόχρονα από παλινδρομική σε περιστροφική κίνηση- με τη βοήθεια των διωστήρων. Οι διωστήρες είναι συνήθως κατασκευασμένοι από σφυρήλατο χάλυβα. Η επάνω άκρη του διωστήρα ονομάζεται πόδι και

4 συνδέεται με το έμβολο με τον πείρο, που επιτρέπει την περιστροφή της καθώς κινείται πάνω-κάτω μαζί με το έμβολο. Ο πείρος του εμβόλου είναι συνήθως κοίλος (κούφιος) για να εξοικονομείται βάρος και είναι σταθερά προσαρμοσμένος στο έμβολο με δύο ελατηριωτές ασφάλειες. Η κάτω άκρη του διωστήρα, που λέγεται κεφαλή, είναι στερεωμένη στον στροφαλοφόρο που διαγράφει μια κυκλική τροχιά ενώ το πόδι της μπιέλας ακολουθεί το έμβολο στην παλινδρομική του κίνηση. Η κεφαλή του διωστήρα μπορεί να τέμνεται οριζόντια, ή λοξά. Η λοξή τομή, με τη μείωση του πλάτους του διωστήρα στο φαρδύτερο σημείο του, επιτρέπει σε ένα μεγάλο διωστήρα να εισχωρήσει αρκετά ψηλά μέσα στον κύλινδρο. Πείρος Εμβόλου Ο ολισθαίνων ( ή ελεύθερος ) πείρος κινείται ελεύθερα στον διωστήρα και στις υποδοχές του στο έμβολο. Οι ασφάλειες εμποδίζουν την τριβή του πείρου στο τοίχωμα του κυλίνδρου. Ο σταθερός πείρος στέρεα προσαρμοσμένος στη μπιέλα με βιδωτό σφικτήρα, η με πίεση, κινείται ελεύθερα μόνο στις υποδοχές του στο έμβολο. Ελατήρια Εμβόλου Η διαφυγή των αερίων στο στροφαλοθάλαμο, εμποδίζεται από τα ελατήρια που υπάρχουν στα λούκια στο άνω μέρος του εμβόλου. Τα αέρια, περνώντας μεταξύ του εμβόλου και του τοιχώματος του κυλίνδρου πιέζουν το ελατήριο της συμπιέσεως προς τα κάτω μέσα στο λούκι του και προς τα έξω πάνω στο τοίχωμα του κυλίνδρου. Μια μικρή ποσότητα αερίων περνά εντούτοις στο επάνω ελατήριο. Για το λόγο αυτό υπάρχει ένα δεύτερο (πολλές

5 φορές και τρίτο) ελατήριο συμπιέσεως. Ένα ελατήριο αποξέσεως (λαδιού) αφαιρεί το πλεόνασμα του λαδιού από το τοίχωμα του κυλίνδρου. Διαστολή του εμβόλου Μερικά έμβολα έχουν ελλειπτικό σχήμα. Με τη διαστολή τους λόγω της θερμότητας, αποκτούν κυκλικό σχήμα. Σε μερικά άλλα, όπως αυτά με ανοικτή (σκιστή) ποδιά (δεξιά), η διαστολή συμψηφίζεται με τις εγκοπές που υπάρχουν στην ποδιά. Οι οριζόντιες εγκοπές εμποδίζουν τη διάχυση της θερμότητας από το επάνω μέρος (κεφαλή) του εμβόλου. Στροφαλοφόρος Άξονας Ο στροφαλοφόρος, μεταδίδει την ισχύ του κινητήρα στο κιβώτιο ταχυτήτων και από εκεί στους τροχούς. Είναι κατασκευασμένος από χυτοχάλυβα, ή ειδικό χυτοσίδηρο (μαντέμι), μονοκόμματος και επεξεργασμένος, σε ορισμένα μέρη του, με ακρίβεια χιλιοστού του χιλιοστόμετρου. Τα κυριότερα μέρη του στροφαλοφόρου είναι τα κομβία βάσεως, που στηρίζονται και περιστρέφονται πάνω στα έδρανα βάσεως, τα κομβία των μπιελών (ή κομβία στροφάλων), όπου πιάνουν οι κεφαλές των διωστήρων συνδέοντάς τον με τα έμβολα και τέλος, τα αντίβαρα με τους βραχίονες (ή παρειές στροφάλων), που ενώνουν τα κομβία των διωστήρων και που είναι διαμορφωμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να εξισορροπούνται τα

6 βάρη και να εξασφαλίζεται η ομαλή (χωρίς κραδασμούς) περιστροφή του. Ο σφόνδυλος (ή βολάν), είναι ένας βαρύς και προσεχτικά ζυγοσταθμισμένος δίσκος, προσαρμοσμένος στην άκρη του στροφαλοφόρου που βρίσκεται προς το κιβώτιο των ταχυτήτων και εξομαλύνει την λειτουργία του κινητήρα σταθεροποιώντας το ρυθμό της περιστροφής του. Οι προς τα κάτω κινήσεις των εμβόλων, που δίνουν επανειλημμένες απότομες ωθήσεις στον στροφαλοφόρο όσο ο σφόνδυλος διατηρεί την ορμή του, προκαλούν μια ανεπαίσθητη κάμψη και ανάκαμψη στον στροφαλοφόρο, που είναι γνωστή σαν ταλάντωση στρέψεως. Ένας αποσβεστήρας ταλαντώσεων είναι προσαρμοσμένος στην μπροστινή άκρη του στροφαλοφόρου βοηθώντας τον έλεγχο της ταλαντώσεως στρέψεως. Η σειρά αναφλέξεως των κυλίνδρων είναι επίσης σημαντική για την ομαλή περιστροφή του στροφαλοφόρου. Θεωρώντας ότι ο πλησιέστερος προς τον ανεμιστήρα κύλινδρος είναι ο πρώτος, η σειρά αναφλέξεως ενός τετρακύλινδρου κινητήρα είναι συνήθως 1, 3, 4, 2, ή 1, 2, 4, 3, ώστε να είναι στρωτή η περιστροφή του στροφαλοφόρου. Στους ενεργούς χρόνους τους, τα έμβολα ωθούν τον στροφαλοφόρο προς τα κάτω, ενώ στους άλλους τρεις χρόνους τους ωθούνται προς τα επάνω, ή παρασύρονται προς τα κάτω, από τη συνεχιζόμενη περιστροφή του στροφαλοφόρου. Τα κομβία των στροφάλων σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία που λέγεται γωνία σφηνώσεως για να εξασφαλίζεται η ομοιόμορφη κλιμάκωση των ωθήσεων που προέρχονται από την ανάφλεξη.

7 Κορμός Κινητήρα Ο κορμός, που είναι ο βασικός σκελετός του κινητήρα, αποτελεί συνήθως ένα ενιαίο σύνολο με τον στροφαλοθάλαμο. Οι περισσότεροι κορμοί κατασκευάζονται από χυτοσίδηρο (μαντέμι) επειδή είναι αρκετά ανθεκτικό, φθηνό και εύκολο στην κατεργασία του για μαζική παραγωγή. Η αντοχή του κορμού μπορεί να βελτιωθεί με την πρόσμειξη του χυτοσίδηρου με άλλα μέταλλα. Μερικοί κορμοί είναι κατασκευασμένοι από κράματα ελαφρών μετάλλων, που τους κάνουν ελαφρότερους και βελτιώνουν την αποβολή της θερμότητας. Κοστίζουν όμως αρκετά περισσότερο. Ωστόσο, οι κορμοί αυτοί είναι πολύ πιο μαλακοί για να μπορέσει η εσωτερική επιφάνειά τους να αποτελέσει το τοίχωμα (παρειά) των κυλίνδρων. Για το λόγο αυτό, πρέπει να τοποθετούνται χιτώνια από χυτοσίδηρο. Οι υδροθάλαμοι, ή υδροχιτώνια αγωγοί μέσα στους οποίους κυκλοφορεί το νερό που ψύχει τους κυλίνδρους αποτελούν συνήθως ένα ενιαίο χυτό κομμάτι με τον κορμό. Ενώνονται με τους αντίστοιχους υδροθαλάμους της κυλινδροκεφαλής με τις οπές που υπάρχουν στο επάνω μέρος του κορμού. Ο κορμός μπορεί να ραγίσει από την διαστολή του νερού, εφόσον το τελευταίο παγώσει μέσα στους υδροθαλάμους. Μερικές φορές η διαστολή αυτή, μπορεί να βγάλει τα πώματα (τάπες κυλίνδρου) που φράζουν τις οπές

8 που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία του χυσίματος του κορμού. Σε καμιά περίπτωση όμως οι τάπες αυτές δεν θα πρέπει να θεωρηθούν δικλείδες ασφαλείας για την πιθανότητα αυτή. Οι διάφορες μορφές των θαλάμων καύσης Η απόδοση ενός κινητήρα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την μορφή των θαλάμων καύσεως. Ένας αποτελεσματικός θάλαμος καύσεως πρέπει να έχει περιορισμένες διαστάσεις, ώστε η επιφάνεια των τοιχωμάτων του, από τα οποία μπορεί να απολεσθεί θερμότητα με τη μεταβίβαση της στο κύκλωμα ψύξεως, να είναι μικρή. Είναι γενικά παραδεκτό ότι η πιο αποτελεσματική μορφή θαλάμου καύσεως θα ήταν μια σφαίρα με το σημείο αναφλέξεως στο κέντρο της, πράγμα που θα προκαλούσε την ομοιόμορφη καύση προς όλες τις κατευθύνσεις και τη μικρότερη απώλεια θερμότητας από τα τοιχώματα. Η μορφή αυτή, όμως, είναι πρακτικά ανεφάρμοστη στον κινητήρα ενός αυτοκινήτου. Η καλύτερη ενδιάμεση λύση είναι ένα ημισφαίριο. Οι θάλαμοι καύσεως που χρησιμοποιούνται σήμερα μπορούν να διαιρεθούν, ως προς το σχήμα τους, σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: ημισφαιρικοί, λεκανοειδείς, σφηνοειδείς και θάλαμοι στην κεφαλή του εμβόλου, όλοι με βαλβίδες επικεφαλής. Δυό άλλες μορφές, που σήμερα έχουν εκλείψει, είναι οι τύποι L με πλευρικές βαλβίδες και F. Τα περισσότερα σύγχρονα αυτοκίνητα χρησιμοποιούν μια από τις τέσσερις μορφές, που το σχέδιο τους επιτρέπει σε όλες τη χρήση τους σε κινητήρες με υψηλές σχέσεις συμπιέσεως. Ο ημισφαιρικός θάλαμος είναι

9 κατά κανόνα ο πιο αποτελεσματικός, βασικά επειδή έχει περιορισμένες διαστάσεις. Από τους άλλους, ο θάλαμος στην κεφαλή του εμβόλου παρουσιάζει κατασκευαστικά πλεονεκτήματα, λόγω της συνοχής στο μέγεθος και στη μορφή του θαλάμου. Η φθηνότερη διάταξη είναι εκείνη με τις πλευρικές βαλβίδες, που περιορίζει όμως τη σχέση συμπιέσεως σε τιμές λίγο ανώτερες από 6 προς 1 (6:1) εξαιρετικά χαμηλές για αξιόλογη ισχύ και οικονομία στην κατανάλωση. Στη διάταξη F χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός πλευρικών και επικεφαλής βαλβίδων. Οι βαλβίδες εισαγωγής είναι τοποθετημένες στην κυλινδροκεφαλή και οι βαλβίδες εξαγωγής στον κορμό του κινητήρα. Το σύστημα αυτό, χωρίς να έχει φθηνό κόστος παραγωγής, περιορίζει επίσης τη σχέση συμπιέσεως σε χαμηλά επίπεδα. Ημισφαιρική Κεφαλή Ένα από τα ποιο αποτελεσματικά, σχήματα του θαλάμου καύσεως είναι η κλασική ημισφαιρική μορφή, στην οποία η κεφαλή του εμβόλου αποτελεί την βάση ενός ημισφαιρίου, με τις βαλβίδες να σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία 90 μοιρών και το μπουζί στο κέντρο ανάμεσά τους. Η μορφή αυτή, κλασική στη συμμετρία της, περιορίζει τη διαδρομή της φλόγας από το μπουζί μέχρι την κεφαλή του εμβόλου, με συνέπεια την καλή καύση. Χρησιμοποιείται στους κινητήρες υψηλών αποδόσεων, αν και σήμερα η γωνία μεταξύ των βαλβίδων είναι συνήθως μικρότερη από 90 μοίρες. Η ημισφαιρική διάταξη επιβάλλει τη χρήση ενός, ή δύο, εκκεντροφόρων επικεφαλής- ή ενός πλευρικού εκκεντροφόρου συνδυασμένου με ένα πολύπλοκο μηχανισμό ζύγωθρων για την κίνηση των δύο σειρών βαλβίδων.

10 Το σχήμα του βοηθά την εγκάρσια ροή των αερίων, που μπαίνουν στον κύλινδρο από τη μια πλευρά του και βγαίνουν από την άλλη. Με τον τρόπο αυτό, μένει αρκετός χώρος για φαρδείς και στρωτούς αυλούς εισαγωγής, που έχουν τέτοιο σχήμα ώστε το μείγμα να εισέρχεται με ευκολία και με έναν ελαφρό στροβιλισμό στον θάλαμο. Η καλή ροή των αερίων, που οφείλεται στο ανεμπόδιστο άνοιγμα των φαρδιών βαλβίδων, δίνει στην ημισφαιρική κεφαλή μια υψηλή ογκομετρική απόδοση. Με άλλα λόγια, μπορεί να <<αναπνέει βαθιά>>αναρροφώντας μια σημαντική ποσότητα μείγματος σε σχέση με τον διαθέσιμο χώρο, παρόλο που ο χώρος αυτός δεν γεμίζει ποτέ εντελώς. Με ικανοποιητική καύση, η ημισφαιρική κεφαλή αποδίδει υψηλή ισχύ. Εντούτοις, η σύγχρονη τάση είναι οι κινητήρες με μεγαλύτερες διαμέτρους κυλίνδρων και μικρότερες διαδρομές εμβόλων σε συνδυασμό με βαλβίδες σε σειρά, χωρίς ημισφαιρικούς θαλάμους καύσεως, ώστε να ανταποκρίνονται όσο το δυνατό περισσότερο στις μέσες απαιτήσεις. Η διάταξη αυτή των βαλβίδων δεν απαιτεί ειδικούς εκκεντροφόρους, ή μηχανισμούς ζυγώθρων, κατεβάζοντας έτσι το κόστος παραγωγής του κινητήρα. Λεκανοειδής και Σφηνοειδής θάλαμος καύσης Δυο μορφές θαλάμου καύσεως με βαλβίδες επικεφαλής που χρησιμοποιούνται πάρα πολύ για να επιτυγχάνεται μικρή διαδρομή της φλόγας, είναι ο ανεστραμμένος λεκανοειδής και ο σφηνοειδής. Ο λεκανοειδής αποτελείται από έναν θάλαμο σε ελλειψοειδή μορφή, με τις βαλβίδες τοποθετημένες κάθετα στην οροφή και το μπουζί τοποθετημένο με κλίση στο πλάι. Ο σφηνοειδής θάλαμος έχει τις βαλβίδες στην επικλινή οροφή του και το μπουζί στην σχεδόν κάθετη πλευρά του.

11 Οι δύο αυτοί θάλαμοι καύσεως επιτρέπουν τη χρήση ενός πλευρικού εκκεντροφόρου, με βέργες και ζύγωθρα για την κίνηση των βαλβίδων, ενώ οι βαλβίδες είναι τοποθετημένες σε σειρά. Εναλλακτικά, οι βαλβίδες σε αυτούς τους θαλάμους καύσεως μπορούν να παίρνουν κίνηση από έναν επικεφαλής εκκεντροφόρο. Θάλαμος καύσης στην κεφαλή του εμβόλου Μια σύγχρονη μορφή είναι εκείνη στην οποία ο χώρος της καύσεως σχηματίζεται στην κεφαλή του εμβόλου αφήνοντας επίπεδη την κυλινδροκεφαλή. Ο τύπος αυτός, που είναι γνωστός με τις ονομασίες θάλαμος καύσεως στην κεφαλή του εμβόλου, κοίλο έμβολο, ή επίπεδη κυλινδροκεφαλή, είναι κατάλληλος για υψηλές σχέσεις συμπιέσεως. Χρησιμοποιείται προπαντός στους υπερτετράγωνους κινητήρες- δηλαδή σε εκείνους που έχουν μεγαλύτερη διάμετρο από τη διαδρομή του εμβόλου. Καθώς το έμβολο κινείται προς τα επάνω κατά το χρόνο της συμπιέσεως, το χείλος του προκαλεί μια περιδίνηση, ή στροβιλισμό, των αερίων από την περιφέρεια προς την κοιλότητα του. Το φαινόμενο αυτό εξασφαλίζει καλή καύση, χωρίς αυταναφλέξεις. Ο θάλαμος έχει εντελώς κοίλη μορφή και δεδομένου ότι βρίσκεται στην κεφαλή του εμβόλου, παραμένει ζεστός βοηθώντας έτσι την εξαέρωση του μείγματος.