ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΡΜΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 8 Τετράχρονοι Πετρελαιοκινητήρες
ΑΣΚΗΣΗ 8: ΤΕΤΡΑΧΡΟΝΟΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Το να μάθει ο σπουδαστής: (α) Τα τμήματα και (β) Τη λειτουργία Τετράχρονων Εμβολοφόρων Πετρελαιοκινητήρων. Θεωρητικό μέρος 1. Δομή Ο 4-χρονος πετρελαιοκινητήρας αποτελεί μια θερμική μηχανή, όπου έχουμε παραγωγή μηχανικού έργου, απ την θερμική ενέργεια που τίθεται στην διάθεσή μας κατά την καύση. Είναι μια εμβολοφόρος μηχανή ( όπως και ο 4-χρονος βενζινοκινητήρας) που βασίζεται στον κινηματικό μηχανισμό : έμβολο διωστήρας στροφαλοφόρος άξονας. Όπως και ο 4-χρονος βενζινοκινητήρας, απαρτίζεται από 4 βασικές δομικές ομάδες : (α) Το περίβλημα του κινητήρα : Αποτελείται από την κυλινδροκεφαλή, τους κυλίνδρους, τον στροφαλοθάλαμο και την ελαιολεκάνη. (β) Το σύστημα του κινηματικού μηχανισμού : Αποτελείται από το έμβολο, τον διωστήρα και τον στροφαλοφόρο άξονα. (γ) Το σύστημα χρονισμού : Αποτελείται από τον εκκεντροφόρο άξονα, τις βαλβίδες, τα ελατήρια των βαλβίδων, τα ζύγωθρα, τα ωστήρια κ.ο.κ. (δ) Το σύστημα σχηματισμού μίγματος αποτελείται από την αντλία πετρελαίου και το σύστημα διανομής αυτού. Υπάρχουν επίσης οι ακόλουθες βοηθητικές διατάξεις : - Το σύστημα ψύξης - Το σύστημα λίπανσης - Το σύστημα απαγωγής καυσαερίων - Το σύστημα της υπερτροφοδότησης. 2. Τρόπος λειτουργίας Για την παραγωγή ενός έργου πρέπει να επιτευχθεί ένας κύκλος λειτουργίας, που αυτός αποτελείται από 4 χρόνους. * 1 ος χρόνος : Εισαγωγή Το έμβολο βρίσκεται στο Α.Ν.Σ. και κατεβαίνει προς τα κάτω. Κατά τον χρόνο της αναρρόφησης, εισρέει στο εσωτερικό του κυλίνδρου, μέσα απ την ανοιχτή βαλβίδα εισαγωγής, φιλτραρισμένος καθαρός αέρας. Η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει περίπου 25 ο γωνίας στροφαλοφόρου άξονα προ του Α.Ν.Σ και κλείνει έως 8 ο μετά το Κ.Ν.Σ. Ταυτόχρονα η βαλβίδα εξαγωγής είναι ανοιχτή έως και 30 ο μετά το Α.Ν.Σ. Λόγω του overlap, ο νέος αέρας σαρώνει τον χώρο καύσης και τον καθαρίζει από τα καυσαέρια του προηγούμενου κύκλου. Σχεδόν πάντα για την βελτίωση της πλήρωσης χρησιμοποιούνται στροβιλοσυμπιεστές καυσαερίων.
* 2 ος χρόνος : Συμπίεση Το έμβολο βρίσκεται στο Κ.Ν.Σ. και αρχίζει να κινείται προς το Α.Ν.Σ. Ο αέρας συμπιέζεται με λόγο συμπίεσης ε = 14-24, ανάλογα με τον τύπο του κινητήρα. Λόγω της θερμότητας συμπίεσης, ο συμπιεσμένος αέρας υπερθερμαίνεται στους 900 ο C (περίπου) κατά το τέλος της συμπίεσης. Αυτή η τελική θερμοκρασία συμπίεσης, βρίσκεται σημαντικά υψηλότερα απ την θερμοκρασία αυτανάφλεξης του καυσίμου (η οποία είναι περίπου 350 ο C). * 3 ος χρόνος : Παραγωγή έργου Το καύσιμο που έχει εγχυθεί προ του τέλους του χρόνου συμπίεσης, έχει εξατμιστεί λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και έως την στιγμή της ανάφλεξης, έχει αναμιχθεί με τον συμπιεσμένο αέρα. Η ανάφλεξη που έχει αρχίσει λίγο πριν το Α.Ν.Σ είναι η αφετηρία για την καύση. Το καύσιμο που εγχύεται μετά την έναρξη της ανάφλεξης καίγεται χωρίς καθυστέρηση ανάφλεξης. Η καύση τελειώνει περίπου 60 ο μετά το Α.Ν.Σ. Έτσι προκύπτει για σύντομο χρονικό διάστημα, μετά το Α.Ν.Σ, μια σχετικά σταθερή πίεση καύσης, η οποία ωθεί το έμβολο προς το Κ.Ν.Σ. Σχήμα 1: Σχηματική διάταξη χρόνων τετράχρονου πετρελαιοκινητήρα * 4 ος χρόνος : Εξαγωγή Το έμβολο βρίσκεται στο Κ.Ν.Σ. και αρχίζει να ανεβαίνει προς το Α.Ν.Σ. η βαλβίδα εξαγωγής έχει ανοίξει ήδη πριν το έμβολο φτάσει στο Κ.Ν.Σ και τα αέρια της καύσης κινούνται προς την ανοιχτή βαλβίδα, ωθούμενα απ την υπερπίεση του χώρου και από το ανερχόμενο έμβολο. Για το λόγο ότι τα καυσαέρια του πετρελαιοκινητήρα είναι πολύ επιβλαβή για το περιβάλλον, τοποθετούνται στο σύστημα εξαγωγής τα παρακάτω : Ο καταλύτης οξείδωσης: Αυτός επιτρέπει την μετατροπή των άκαυστων υδρογονανθράκων και του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Τα φίλτρα σωματιδίων: Τα φίλτρα αυτά επιτρέπουν το φιλτράρισμα των σωματιδίων απ τα καυσαέρια. Ως φίλτρα σωματιδίων χρησιμοποιούνται κεραμικά φίλτρα. 3. Καύση σε 4-Χ πετρελαιοκινητήρες Λίγο πριν το Α.Ν.Σ κατά την φάση της συμπίεσης και το καύσιμο που εγχύεται εκείνη την στιγμή μέσα στον θάλαμο καύσης, αναμιγνύεται με το αέρα. Λόγω της υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν στον θάλαμο, το καύσιμο αναμιγνύεται με τον συμπιεσμένο αέρα, και όταν φτάσει στην θερμοκρασία ανάφλεξης, τότε παρατηρείται η αυτανάφλεξη του μίγματος. Η αφετηρία της καύσης αρχίζει λίγο πριν το Α.Ν.Σ.
Για την κατανόηση του φαινομένου της καύσης εξετάζονται τα κύρια στάδια της καύσης στις μηχανές Diesel. 1 ο στάδιο. Το στάδιο αυτό μετράται από την στιγμή της έγχυσης του καυσίμου μέσα στον θάλαμο καύσεως μέχρι και την στιγμή που εμφανίζεται η αυτανάφλεξη του μίγματος. Το στάδιο αυτό μετράται γύρω στο 1,0 msec και η διάρκειά αυτή καθορίζεται από την ικανότητα ατμοποίησης του καυσίμου. Επιπλέον, ο χρόνος αυτός θα πρέπει να ξεπερνά το 1 1,5 msec γιατί αν η ποσότητα του καυσίμου που θα συγκεντρωθεί στο θάλαμο καύσης είναι αρκετή, το επόμενο στάδιο (2 ο στάδιο) θα εκδηλωθεί σαν χτύπημα. 2 ο στάδιο : απότομη ανάφλεξη. Αρχίζει απ την στιγμή της αφετηρίας της έναυσης, ως την στιγμή που το πλεόνασμα του καυσίμου, που έχει συγκεντρωθεί στον θάλαμο καύσης κατά το 1 ο στάδιο, καίγεται, ώστε η καύση που ακολουθεί στο 3 ο στάδιο, να είναι ομαλή. Πρέπει να πούμε ότι σε αυτό το στάδιο οι πιέσεις αυξάνονται κατά πολύ και απότομα, με αποτέλεσμα να έχουμε μια εκρηκτική καύση, που γίνεται αντιληπτή σαν κραδασμός της μηχανής. 3 ο στάδιο : Ελεγχόμενη καύση. Το στάδιο αυτό εμφανίζεται / αρχίζει την στιγμή της εμφάνισης της μεγαλύτερης πίεσης καύσης (λίγο μετά το Α.Ν.Σ.) και τελειώνει την στιγμή που ολοκληρώνεται η καύση. Υπάρχει περίπτωση και σ αυτή την φάση να συνεχίζεται ο ψεκασμός του καυσίμου μέσα στο θάλαμο καύσης και αυτό καίγεται χωρίς ουσιαστική καθυστέρηση ανάφλεξης. Σχήμα 2: Εξέλιξη του φαινομένου της καύσης σε 4-Χ πετρελαιοκινητήρα 4. Χαρακτηριστικά πετρελαιοκινητήρων - Στους πετρελαιοκινητήρες έχουμε εισαγωγή αέρα και όχι μίγματος όπως στους βενζινοκινητήρες. - Επιτυγχάνουν πολύ υψηλή σχέση συμπίεσης σε σύγκριση με τους βενζινοκινητήρες. - Χρησιμοποιούν καύσιμα με μεγάλη αναφλεξιμότητα.
- Στον πετρελαιοκινητήρα έχουμε αυτανάφλεξη του μίγματος και δεν απαιτείται εξωτερική πηγή έναυσης. - Η αυτανάφλεξη ελέγχεται απ την πίεση στο τέλος του χρόνου συμπίεσης. - Το πετρέλαιο ψεκάζεται με πολύ υψηλή πίεση στον χώρο καύσης (έως και 2500 bar). - Ο πετρελαιοκινητήρας είναι σχεδιασμένος να λειτουργεί με περίσσεια αέρα στο ρελαντί και στις χαμηλές στροφές, ενώ στο μέγιστο φορτίο είναι σχεδιασμένος να λειτουργεί με περίσσεια καυσίμου. - Στον πετρελαιοκινητήρα ο όρος αέρας/ καύσιμο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για να συγκρίνει τις καταστάσεις στο κύλινδρο. - Η ρύθμιση του κινητήρα Diesel είναι ποιοτική, δηλαδή η αυξομείωση της ισχύος επιτυγχάνεται με την μεταβολή της ποιότητας του μίγματος. - Αποτελεί υποτετράγωνο κινητήρα (δηλαδή το μήκος της διαδρομής του εμβόλου, είναι μεγαλύτερο απ την διάμετρο του κυλίνδρου.) - Παρουσιάζει μεγάλη σχέση βάρους ισχύος του κινητήρα. - Οι πετρελαιοκινητήρες φορτηγών αυτοκινήτων είναι πολυκύλινδροι, για να επιτυγχάνουμε καλύτερη συγκέντρωση ισχύος, ομοιομορφία της ταχύτητας περιστροφής καθώς και ευκολότερη ζυγοστάθμιση μαζικών δυνάμεων. Τέλος αυτοί οι κύλινδροι συναντώνται είτε σε σειρά, είτε είναι τύπου V. 5. Μέθοδοι έγχυσης Υπάρχουν δυο μέθοδοι έγχυσης του καυσίμου : Άμεση έγχυση σ ένα ενιαίο χώρο καύσης (κινητήρες DI Direct Injection). Έμμεση έγχυση στον δευτερεύοντα θάλαμο ενός διαιρούμενου χώρου καύσης (κινητήρες IDI InDirect Injection). 5.1 Άμεση έγχυση Εδώ ο χώρος καύσης, μέσα στον οποίο ψεκάζεται το καύσιμο με μορφή νέφους, σχηματίζεται ως κοίλωμα στην κεφαλή του εμβόλου. Για να υπάρξει η ελάχιστη δυνατή απώλεια θερμότητας, η επιφάνεια του χώρου συμπίεσης θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Έτσι βελτιώνεται ο βαθμός απόδοσης του κινητήρα, και επηρεάζεται θετικά η συμπεριφορά του κατά την ψυχρή εκκίνηση. Με πολύ υψηλές πιέσεις και διάτρητα ακροφύσια επιτυγχάνεται η έγχυση με μορφή νέφους, όταν το καύσιμο αναφλέγεται στον υπέρθερμο αέρα και καίγεται πολύ γρήγορα.
Σχήμα 3: Σχηματική διάταξη άμεσης έγχυσης καυσίμου σε πετρελαιοκινητήρα Για την ευκολότερη εκκίνηση του κινητήρα όταν αυτός είναι στην κρύα κατάσταση, προβλέπονται προθερμαντήρες πυρακτώσεως. Χαρακτηριστικά της μεθόδου αυτής: * Μικρή ειδική κατανάλωση καυσίμου. * Υψηλός βαθμός απόδοσης του κινητήρα. * Υψηλή θερμική και μηχανική καταπόνηση του κινητήρα Οι προθερμαντήρες πυρακτώσεως έχουν ένα σπειροειδή αγωγό πυράκτωσης με αντίσταση εξαρτώμενη απ την θερμοκρασία, ο οποίος βρίσκεται μέσα σε έναν πυράντοχο σωλήνα. Είναι μονωμένος με κεραμικό υλικό για προστασία απ τις ταλαντώσεις. Στην κορυφή του προθερμαντήρα υπάρχει και μια πρόσθετη αντίσταση θέρμανσης συνδεδεμένη σε σειρά. Η θερμαντική ισχύς είναι 100-120 W για τάση 12 Volt. Αυτοί οι προθερμαντήρες φτάνουν γρήγορα (περίπου σε 4 sec ) στην αναγκαία για την εκκίνηση θερμοκρασία. Σχήμα 4: Σχηματική διάταξη προθερμαντήρα
Για μείωση των ρύπων και του θορύβου, η θέρμανση μπορεί να συνεχιστεί και μετά την εκκίνηση. 5.2 Έμμεση έγχυση Ανάλογα με την μορφή του δευτερεύοντος θαλάμου γίνεται διάκριση σε : * Μέθοδος προθαλάμου. * Μέθοδος στροβιλοθαλάμου. Οι δευτερεύοντες θάλαμοι βρίσκονται πάντοτε στην κυλινδροκεφαλή και περιλαμβάνουν το ακροφύσιο έγχυσης και τον προθερμαντήρα που είναι αναγκαίος για την ψυχρή εκκίνηση. Ο δευτερεύων θάλαμος συνδέεται με τον κύριο χώρο καύσης μ έναν αυλό, και ως ακροφύσια έγχυσης χρησιμοποιούνται ακροφύσια με προέκταση βελόνας. Ο αέρας κατά την φάση της συμπίεσης, συμπιέζεται στον δευτερεύοντα θάλαμο και υποβάλλεται σε στροβιλισμό. Αν ψεκαστεί καύσιμο σ αυτόν τον στρόβιλο, μέσω του ακροφυσίου με προέκταση βελόνας, τότε ένα μέρος θα εκτιναχθεί προς τα τοιχώματα του θαλάμου. Όμως το μέρος του καυσίμου που στροβιλίζεται με τον αέρα σχηματίζει μίγμα το οποίο αναφλέγεται. Σχήμα 5: Σχηματική διάταξη έμμεσης έγχυσης καυσίμου σε πετρελαιοκινητήρα Με την ανάφλεξη εξατμίζεται και το καύσιμο που είχε εκτιναχθεί στα τοιχώματα του θαλάμου. Λόγω της πίεσης από την καύση στον δευτερεύοντα θάλαμο, εκτοξεύεται προς τον κύριο χώρο καύσης ένα πλούσιο μίγμα και εκεί καίγεται πλήρως με τον υπέρθερμο αέρα. Έτσι προκύπτει μια καύση σε δύο βαθμίδες.
Σχήμα 6: Σχηματική διάταξη κυκλώματος καυσίμου σε πετρελαιοκινητήρα Πρέπει να πούμε ότι η μέθοδος με έμμεση έγχυση χρησιμοποιείται σε πετρελαιοκινητήρες μικρού μεγέθους και σχετικά μικρής ισχύος. Αυτοί παρουσιάζουν ομαλή και απαλή λειτουργία καθώς και υψηλότερη ειδική κατανάλωση καυσίμου. * Οι πετρελαιοκινητήρες με άμεση έγχυση χρησιμοποιούνται κυρίως σε φορτηγά αυτοκίνητα λόγω της πολύ υψηλής ροπής στρέψης και ισχύος που παρουσιάζουν στις χαμηλές στροφές του κινητήρα. 1.6 Διάταξη έγχυσης καυσίμου Η διάταξη έγχυσης απαρτίζεται από: * την εγκατάσταση παροχής καυσίμου με το φίλτρο. * την δοσομετρική αντλία. * τους αγωγούς έγχυσης. * τους φορείς με τους εγχυτήρες (μπεκ). 6.1 Φίλτρο καυσίμου Αυτό πρέπει να διαθέτει στοιχείο με πολύ λεπτούς πόρους. Το στοιχείο είναι από ένα ιδιαίτερα εμπλουτισμένο χαρτί φίλτρου. Για τις δοσομετρικές αντλίες είναι οπωσδήποτε αναγκαίο, διότι τα εσωτερικά εξαρτήματα της αντλίας είναι υψηλής ακρίβειας και περιβάλλονται ψύχονται από το πετρέλαιο. Ένα ακατάλληλο φίλτρο θα οδηγούσε σε πρόωρη φθορά.
6.2 Δοσομετρική αντλία έγχυσης μηχανικού ελέγχου περιστροφικού τύπου. Αυτός ο τύπος αντλίας είναι κατάλληλος για πετρελαιοκινητήρες κυβισμού μέχρι και 3.500 cm 3. Η δοσομετρική αντλία έγχυσης περιστροφικού τύπου συνδυάζει σ ένα κέλυφος τις εξής δομικές ομάδες : * Κινητήριο άξονα. * Αντλία καυσίμου πτερυγιοφόρου τύπου. * Σύστημα ρυθμιστικών μοχλών με ρυθμιστικό σύρτη για τον περιορισμό της πυκνότητας καυσίμου. * Στοιχείο αντλίας υψηλής πίεσης. * Ρυθμιστή στροφών φυγοκεντρικού τύπου. * Υδραυλικό ρυθμιστή έγχυσης για την μετατόπιση της έναρξης παροχής. * Πρόσθετες διατάξεις διόρθωσης. Ο κινητήριος άξονας της δοσομετρικής αντλίας, εδράζεται στο κέλυφος της αντλίας. Στον κινητήριο άξονα έχουν διαταχθεί η πτερυγιοφόρος αντλία, η κίνηση του ρυθμιστή και ο δίσκος εμβολισμού, ο οποίος βρίσκεται στον φορέα των τροχίσκων. Στην κεφαλή του διανομέα βρίσκεται το στοιχείο της αντλίας υψηλής πίεσης με τον ρυθμιστικό σύρτη. Ακόμη, στην κεφαλή βρίσκονται η ηλεκτρική διάταξη διακοπής και οι φορείς των βαλβίδων πίεσης με τις βαλβίδες τους. Ο ρυθμιστής στροφών είναι φυγοκεντρικού τύπου. Απαρτίζεται απ τα αντίβαρα και την μούφα. Η μούφα ενεργεί ως ένα σύστημα μοχλών που αποτελείται απ τον ρυθμιστικό μοχλό, το μοχλό εκκίνησης και τον μοχλό τάσης. Το σύστημα αυτό επηρεάζει την θέση του σύρτη ρύθμισης. Ο υδραυλικός ρυθμιστής έχει εγκάρσια θέση ως προς το διαμήκη άξονα της αντλίας, στο κάτω μέρος της αντλίας. Αποτελείται απ τον κύλινδρο εργασίας μ ένα έμβολο που βρίσκεται υπό τάση ενός ελατηρίου. Το έμβολο συνδέεται μέσω ενός πίρου με τον φορέα των τροχίσκων. Στην πάνω πλευρά της αντλίας έγχυσης, υπάρχει ο μοχλός αλλαγής στροφών, ο ρυθμιστικός κοχλίας για τις ονομαστικές στροφές και ο ρυθμιστικός κοχλίας για το πλήρες φορτίο. Το καύσιμο προωθείται από την δεξαμενή καυσίμου στην πτερυγιοφόρο αντλία με μια προκαταρκτική αντλία παροχής, μέσω φίλτρου και αναρροφάται απ ευθείας απ αυτήν. Επειδή η πτερυγιοφόρος αντλία παρέχει περισσότερο καύσιμο απ ότι χρειάζεται η αντλία έγχυσης, έχει τοποθετηθεί μια βαλβίδα ελέγχου πίεσης, η οποία επαναφέρει το πλεονάζον καύσιμο προς την πλευρά αναρρόφησης. Με αυτόν τον τρόπο παρεμποδίζεται η ανάπτυξη υπερβολικής πίεσης. Το υπόλοιπο καύσιμο φθάνει στο εσωτερικό χώρο της αντλίας. Για την ψύξη και τον αυτόματο εξαερισμό της αντλίας έγχυσης, μια ορισμένη ποσότητα καυσίμου επιστρέφει στην δεξαμενή καυσίμου, μέσω μιας παρακαμπτήριας οπής στραγγαλισμού. Από τον εσωτερικό χώρο της αντλίας, το καύσιμο φτάνει στον χώρο υψηλής πίεσης μέσω της οπής εισαγωγής εγκοπής ελέγχου στο έμβολο του διανομέα. Το έμβολο του διανομέα περιστρέφεται απ τον κινητήριο άξονα και παίρνει επιπλέον μια παλινδρομική κίνηση. Αυτή η παλινδρομική κίνηση προκαλείται από ένα δίσκο εμβολισμών, ο οποίος περιστρέφεται απ τον κινητήριο άξονα. Ο δίσκος εμβολισμού έχει τόσες προεξοχές όσους κυλίνδρους έχει ο πετρελαιοκινητήρας. Αυτές οι προεξοχές κυλιόνται επάνω σε ακτινικά διατεταγμένους τροχίσκους ενός φορέα τροχίσκων, ο οποίος μπορεί να περιστραφεί. Έτσι, προκαλείται η αξονική κίνηση του δίσκου εμβολισμού. Με την περιστροφική κίνηση δημιουργείται το άνοιγμα και το κλείσιμο των εγκοπών ελέγχου και των οπών στο έμβολο και την κεφαλή του διανομέα. Η παραγωγή πίεσης γίνεται απ την παλινδρομική κίνηση του
εμβόλου, αφού κλείσει η οπή εισαγωγής. Η παροχή καυσίμου αρχίζει μόλις συμπέσει η εγκοπή του διανομέα με την οπή εξόδου. Με την υψηλή πίεση ανυψώνονται οι βαλβίδες πίεσης απ την έδρα τους και το καύσιμο συμπιέζεται μέσα στους αγωγούς προς τα ακροφύσια έγχυσης. Το τέλος της έγχυσης πραγματοποιείται απ το γεγονός ότι ο σύρτης του ρυθμιστή απελευθερώνει μια εγκάρσια οπή του εμβόλου, μέσα απ την οποία το καύσιμο επιστρέφει απ τον χώρο υψηλής πίεσης στον εσωτερικό χώρο της αντλίας. Αυτό γίνεται κατά την διάρκεια της υπόλοιπης διαδρομής. Σχήμα 7: Σχηματική διάταξη αντλίας έγχυσης περιστροφικού τύπου 6.3 Ρυθμιστής έγχυσης Αυτός επιτρέπει την προσαγωγή της χρονικής στιγμής έγχυσης στην εκάστοτε λειτουργική κατάσταση του πετρελαιοκινητήρα, για την πραγματοποίηση μιας βέλτιστης ισχύος, μιας ευνοϊκής κατανάλωσης και του ελάχιστου ποσοστού ρύπων στα καυσαέρια. Ο ρυθμιστής έγχυσης μετατοπίζει την χρονική στιγμή έγχυσης προς την διεύθυνση νωρίς, όταν αυξάνονται οι στροφές. 6.4 Εμβολοφόρες αντλίες έγχυσης με τα αντλητικά στοιχεία σε σειρά Η αντλία αυτού του τύπου συναντάται σε πολλούς και διαφορετικούς τύπους κινητήρων (μεγάλης ισχύος). Τα κύρια εξαρτήματα της εμβολοφόρου αντλίας έγχυσης είναι : * Η μονάδα αυτόματου χρονισμού της προέγχυσης. * Ο εκκεντροφόρος. * Ο ρυθμιστής στροφών. * Τα ωστήρια. * Τα αντλητικά στοιχεία. * Αντλία τροφοδοσίας καυσίμου.
Ο εκκεντροφόρος της αντλίας είναι έτσι χρονισμένος ώστε να περιστρέφεται με την μισή ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα. Τα ωστήρια και τα εμβολάκια παλινδρομούν πάνωκάτω μέσα στα κυλινδράκια. Τα εμβολάκια ενεργοποιούνται ανάλογα με την σειρά ανάφλεξης του κινητήρα. Ο κάθε ένας απ τους κυλίνδρους του κινητήρα τροφοδοτείται και από ένα αντλητικό στοιχείο (εμβολάκι). Ένας ακόμη λοβός που υπάρχει στον εκκεντροφόρο της αντλίας έγχυσης λειτουργεί την αντλία τροφοδοσίας (παροχής). Ένας οδοντωτός κανόνας ελέγχου περιστρέφει τα εμβολάκια γύρω απ τον εαυτό τους και με τον τρόπο αυτό, ελέγχεται η παροχή του καυσίμου. Ο οδοντωτός κανόνας είναι συνδεδεμένος με το πεντάλ του γκαζιού. Πάνω απ το αντλητικό στοιχείο, σε καθεμία απ τις συνδέσεις κατάθλιψης υπάρχει και μια βαλβίδα διανομής αλλά και μια αντεπιστροφής. Οι γραμμές ψεκασμού είναι συνδεδεμένες στις καταθλίψεις της αντλίας έγχυσης. Στη πίσω πλευρά του περιβλήματος της αντλίας έγχυσης βρίσκεται εγκατεστημένος ο ρυθμιστής στροφών. Ο μηχανισμός αυτόματης ρύθμισης της προέγχυσης (αβάνς) βρίσκεται εγκατεστημένος στην μπροστινή πλευρά της αντλίας και μάλιστα επάνω στον εκκεντροφόρο αυτής. Ο σκοπός του μηχανισμού αυτού είναι να επιταχύνει και να επιβραδύνει την προέγχυση ακολουθώντας τις τροφές του κινητήρα. Το πετρέλαιο παρέχει λίπανση και ψύξη στο επάνω τμήμα της αντλίας, ενώ το κάτω μισό και ο ρυθμιστής στροφών λιπαίνονται και ψύχονται από το σύστημα λίπανσης του κινητήρα. Κάθε ένα απ τα αντλητικά στοιχεία αποτελούνται από ένα κύλινδρο και ένα εμβολάκι που παλινδρομεί αλλά και περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό του μέσα σε αυτόν τον κύλινδρο. Ο εκκεντροφόρος κινεί το έμβολο πάνω κάτω μέσα στην οπή του κυλίνδρου. Η φάση της παλινδρόμησης του εμβόλου έχει πάντα την ίδια διαδρομή και δημιουργεί την ίδια πίεσης καυσίμου που είναι απαραίτητη για τον ψεκασμό. Στο πέρας της διαδρομής, το έμβολο αποκαλύπτει την θυρίδα πλήρωσης, επιτρέποντας έτσι στο καύσιμο να εισέλθει με την πίεση της αντλίας τροφοδοσίας στον κύλινδρο. Το καύσιμο δεν πρεσάρεται μέχρι να κλείσει τελείως η θυρίδα πλήρωσης. Μόλις η θυρίδα πλήρωσης κλείσει, το καύσιμο συμπιέζεται και αρχίζει ο ψεκασμός. Το ανερχόμενο εμβολάκι συνεχίζει να παρέχει καύσιμο στο ακροφύσιο του εγχυτήρα καθώς καλύπτεται η θυρίδα πλήρωσης. Όταν το ανερχόμενο εμβολάκι αποκαλύψει την θυρίδα πλήρωσης η πίεση ανακουφίζεται και δεν υπάρχει καύσιμο για διανομή στον εγχυτήρα. Για να μετρηθεί η ποσότητα του παρεχομένου καυσίμου στον εγχυτήρα, η ενεργός φάση (συμπίεση) πρέπει να είναι μεταβλητή. Αφού το κάτω άκρο ελέγχου περιστρέφει το εμβολάκι, ποικίλει και η απόσταση πάνω απ την οποία καλύπτεται η θυρίδα πλήρωσης. Η συμπίεση εξαρτάται απ την απόσταση μεταξύ του πάνω άκρου ελέγχου και του κάτω άκρου ελέγχου. Η μετακίνηση του οδοντωτού κανόνα προς τα εμπρός αυξάνει την ποσότητα του παρεχομένου καυσίμου. Καθώς μετακινείται όμως προς τα πίσω μειώνεται η ποσότητα αυτή. Για να σταματήσει η λειτουργία του κινητήρα, πρέπει να πάψει να συμπιέζεται καύσιμο πάνω απ το εμβολάκι. Ένα κατακόρυφο αυλάκι στην πλευρά του εμβόλου ευθυγραμμίζεται με την θυρίδα πλήρωσης, όταν περιστραφεί σε συγκεκριμένη θέση το εμβολάκι. Στην θέση αυτή, δεν συμπιέζεται και ο κινητήρας παύει να λειτουργεί. 6.5 Βαλβίδα παροχής ή διανομής και ανεπίστροφη βαλβίδα Μια βαλβίδα διανομής είναι εγκατεστημένη πάνω από κάθε ένα κυλινδράκι και λειτουργεί σαν βαλβίδα παροχής. Η βαλβίδα αυτή επιτρέπει στο πεπιεσμένο καύσιμο να τροφοδοτήσει τον εγχυτήρα, αλλά και να διατηρήσει την πίεση σταθερή στην γραμμή εγχύσεως. Η ανεπίστροφη βαλβίδα είναι τοποθετημένη πάνω απ την βαλβίδα διανομής και αυτή επιτρέπει την ελεύθερη ροή προς τον εγχυτήρα και παράλληλη απορρόφηση του κρουστικού κύματος που δημιουργείται απ την γρήγορη λειτουργία του εγχυτήρα. Όταν το έμβολο
συμπιέσει το καύσιμο, αυτό πιέζει με την σειρά του την βαλβίδα διανομής, η οποία ανοίγει και τροφοδοτεί τον εγχυτήρα. Μόλις ο εγχυτήρας πάψει να ψεκάζει, η πίεση του καυσίμου πέφτει και η βαλβίδα διανομής κλείνει. Όταν πέσει η πίεση και τελειώσει ο ψεκασμός, η πίεση στην γραμμή έγχυσης και η πίεση, κινούν την βαλβίδα διανομής και το έμβολο. Το έμβολο κλείνει πρώτα την γραμμή εγχύσεως. Η περίοδος απ την στιγμή που έκλεισε το πιστόνι (έμβολο) την γραμμή έγχυσης μέχρι να καθίσει η βαλβίδα στην έδρα της, αναφέρεται σαν φάση συστολής. Αυτό δημιουργεί περισσότερο χώρο, ο οποίος έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση της πίεσης στην γραμμή ψεκασμού. 7 Μέθοδος έγχυσης Common Rail Η μέθοδος έγχυσης Common Rail αποτελείται από μια εγκατάσταση έγχυσης υψηλής πίεσης, ρυθμιζόμενης ηλεκτρονικά, με ένα κοινό σωλήνα διανομής. Απ αυτόν τον σωλήνα μέσω εγχυτήρων ελεγχόμενων από μαγνητικές βαλβίδες, προσάγεται το καύσιμο στους χώρους καύσης. Σχήμα 8: Σχηματική διάταξη συστήματος έγχυσης Common Rail Ο εξοπλισμός αυτής της εγκατάστασης απαρτίζεται από : * Το κύκλωμα χαμηλής πίεσης : Το κύκλωμα υποδιαιρείται στην περιοχή πίεσης αναρρόφησης, την περιοχή προπίεσης παροχής και την επιστροφή καυσίμου. Περιλαμβάνει το δοχείο καυσίμου, τον προθερμαντήρα καυσίμου, το φίλτρο καυσίμου, την αντλία παροχής καυσίμου, την ηλεκτρονική βαλβίδα διακοπής και τον ψύκτη καυσίμου. * Την περιοχή υψηλής πίεσης : Απαρτίζεται απ την αντλία υψηλής πίεσης, τους αγωγούς υψηλής πίεσης, τον κοινό σωλήνα και από ένα εγχυτήρα για κάθε κύλινδρο. * Το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου : Περιλαμβάνει την ηλεκτρονική συσκευή ελέγχου, τους αισθητήρες, την ρυθμιστική βαλβίδα πίεσης στον κοινό σωλήνα, τις μαγνητικές βαλβίδες των εγχυτήρων και την βαλβίδα διακοπής.
Σχήμα 9: Λειτουργία διάταξης Common Rail Η αντλία παροχής καυσίμου παρέχει καύσιμο στην αντλία υψηλής πίεσης. Αυτή η αντλία είναι τύπου οδοντοτροχών που κινείται απ τον εκκεντροφόρο άξονα. Η παροχή της εξαρτάται από τις στροφές του κινητήρα και μπορεί να φτάσει έως και τα 120 lt/hr. Η ποσότητα καυσίμου αυτή είναι περισσότερη απ ότι χρειάζεται ο κινητήρας. Το πλεονάζον καύσιμο κατά την επιστροφή του διέρχεται απ τον ψύκτη καυσίμου, διότι το καύσιμο θερμαίνεται πάρα πολύ στην περιοχή των μεγάλων πιέσεων. Σχήμα 10: Σχηματική διάταξη αντλίας παροχής καυσίμου
Η αντλία υψηλής πίεσης προωθεί το καύσιμο με υψηλή πίεση, έως 1600 bar περίπου, μέσα στον κοινό σωλήνα διανομής. Αυτή είναι εμβολοφόρα ακτινικού τύπου, της οποίας ο άξονας μαζί με το έκκεντρο κινεί και τα έμβολα των αντλιών των στοιχείων της. Ο κινητήριος άξονας μπορεί να περιστραφεί είτε μέσω ιμάντα, είτε απ ευθείας από τον εκκεντροφόρο άξονα. Για την κίνηση της αντλίας υψηλής πίεσης και για πίεση στον κοινό σωλήνα 1350 bar με τις ονομαστικές στροφές απαιτούνται περίπου 3,5 KW. Στην περιοχή μερικού φορτίου ή στις υψηλές στροφές, η αντλία μπορεί να δώσει πολύ περισσότερο καύσιμο με υψηλή πίεση απ ότι χρειάζεται ο κινητήρας. Γι αυτόν τον λόγο, μια μαγνητική βαλβίδα μπορεί να επιτρέπει καύσιμο, που προορίζεται για την έγχυση, κατευθείαν στην επιστροφή. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η κατανάλωση ισχύος απ την αντλία και αποφεύγεται η θέρμανση του καυσίμου. * Ρυθμιστική βαλβίδα πίεσης στον κοινό σωλήνα : Βρίσκεται στον κοινό σωλήνα και ρυθμί-ζει με παλμικά σήματα απ την συσκευή ελέγχου την πίεση αυτού του σωλήνα μεταξύ 400 bar στο ρελαντί και περίπου 1350 bar στο πλήρες φορτίο. * Αισθητήρας πίεσης κοινού σωλήνα : Αυτός πληροφορεί την συσκευή ελέγχου σχετικά με την στιγμιαία πίεση στον σωλήνα και αν χρειάζεται, γίνεται διόρθωσή της. Με αυτήν την πίεση του κοινού σωλήνα το καύσιμο ρέει, μέσω σωλήνων μικρού μήκους προς τους εγχυτήρες. Ο εγχυτήρας αποτελεί ένα σύστημα έγχυσης ελεγχόμενο ηλεκτρουδραυλικά. Αποτελείται από την μαγνητική βαλβίδα, τον χώρο ελέγχου της βαλβίδας, το έμβολο ελέγχου της βαλβίδας, την βαλβίδα έγχυσης και το ακροφύσιο. Όταν η μαγνητική βαλβίδα δεν δέχεται ρεύμα, τότε επικρατεί η υψηλή πίεση καυσίμου στον χώρο ελέγχου της βαλβίδας, στο έμβολο ελέγχου της βαλβίδας και στο αντέρεισμα πίεσης της βελόνας του ακροφυσίου. Όταν η μαγνητική βαλβίδα δέχεται ρεύμα απ την συ-σκευή ελέγχου, τότε ανοίγει η στραγγαλιστική οπή επιστροφής και μηδενίζεται ακαριαία η πίεση στον χώρο ελέγχου της βαλβίδας. Η βαλβίδα έγχυσης ανοίγει απ την πίεση που επενεργεί επάνω στο αντέρεισμα πίεσης. Η διάρκεια ανοίγματος της βαλβίδας έγχυσης και η μεταβολή της πίεσης στον κοινό αυλό καθορίζουν την εγχεόμενη ποσότητα. Για την έγχυση μικρών ποσοτήτων καυσίμου, δίδεται ρεύμα στην μαγνητική βαλβίδα για ελάχιστο χρόνο. Η βαλβίδα έγχυσης ανοίγει για ελάχιστο χρόνο, αλλά δεν απελευθερώνεται ολόκληρη η διατομή του ανοίγματος.
Με την προέγχυση ξεκινά μια προκαταρκτική καύση μέσα στον χώρο καύσης, όπου σ αυτή ψεκάζεται και η κύρια ποσότητα καυσίμου. Σχήμα 11: Ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου και αισθητήρες συστήματος καυσίμου Με αυτόν τον τρόπο προκύπτουν τα εξής πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών συστημάτων έγχυσης : * Μείωση της καθυστέρησης για την ανάφλεξη της κύριας εγχεόμενης ποσότητας. * Ηπιότερη καύση. * Μείωση των ρύπων στα προϊόντα της καύσης. * Μείωση της κατανάλωσης. * Λιγότερος θόρυβος κατά την καύση. Η συσκευή ελέγχου για το σύστημα έγχυσης common rail είναι ένας μικροϋπολογιστής που δέχεται πληροφορίες (σήματα) απ τους αισθητήρες που φαίνονται στο σχήμα. Ο μικρουπολογιστής χρειάζεται τους αισθητήρες, για την σύλληψη των στιγμιαίων λειτουργικών καταστάσεων και των συνθηκών του περιβάλλοντος. Με τις πληροφορίες αυτές και την βοήθεια των τιμών που έχουν εισαχθεί στην μνήμη, προκύπτουν αποτελέσματα υπολογισμών και έτσι η συσκευή ελέγχου μπορεί να καθοδηγήσει ανάλογα π.χ. τους επενεργητές του συστήματος για την έγχυση του καυσίμου. 8 Εγχυτήρες Ο εγχυτήρας (μπεκ) είναι ένα στοιχείο το οποίο προσάγει μία συγκεκριμένη ποσότητα καυσίμου από την αντλία έγχυσης στον θάλαμο καύσης. Ο εγχυτήρας κατευθύνει το καύσιμο
με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη απόδοση του κινητήρα και η όσον το δυνατόν μικρότερη παραγωγή ρύπων. Ο εγχυτήρας ψεκασμού επιτελεί τους σκοπούς αυτούς με δύο τρόπους: * Μετατρέποντας σε νέφος σταγονιδίων το καύσιμο * Διασκορπώντας το νέφος σε συγκεκριμένη μορφή Η μετατροπή του καυσίμου σε νέφος σταγονιδίων είναι μια διαδικασία κατά την οποία το καύσιμο διασπάται σε λεπτά σταγονίδια. Αυτό είναι απαραίτητο για να γίνει η ανάφλεξη του συμπιεσμένου αέρα με το καύσιμο ώστε να σχηματίσει το καύσιμο μίγμα. Σχήμα 12: Σχηματική διάταξη διαμόρφωσης εγχυτήρων Για να αναμιχθεί ο αέρας γρήγορα με το νέφος του καυσίμου, θα πρέπει το νέφος του καυσίμου που θα ψεκαστεί να έχει συγκεκριμένη μορφή η οποία αναφέρεται σαν μορφή νέφους ψεκασμού. Πρέπει ο εγχυτήρας να διαθέτει καλή στεγανότητα ( να μην στάζει ) ώστε να αποτρέπεται να εισέλθει ανεπιθύμητη ποσότητα καυσίμου μέσα στο θάλαμο καύσεως. Η διαρροή αυτή των εγχυτήρων επιφέρει υψηλά επίπεδα ρύπων. Ο εγχυτήρας είναι ένα εξάρτημα το οποίο μπορεί να διαιρεθεί σε δύο κομμάτια τα οποία είναι η βάση συγκράτησης και το ακροφύσιο ψεκασμού. Η βάση συγκράτησης υποστηρίζει το ακροφύσιο πάνω στην κυλινδροκεφαλή και μάλιστα μέσα στο θάλαμο καύσεως. Το ακροφύσιο ψεκασμού είναι το κάτω μισό του εγχυτήρα. Έχει καθιερωθεί όμως να γίνεται αναφορά σε όλο το στοιχείο ως εγχυτήρας. Το κάτω μισό λοιπόν του εγχυτήρα περιλαμβάνει όλα τα απαραίτητα στοιχεία εξαρτήματα προκειμένου να επιτευχθεί ο ψεκασμός του καυσίμου. Ο τύπος ακροφύσίου με προέκταση της βελόνας χρησιμοποιείται σε κινητήρες με προθάλαμο ή στροβιλοθάλαμο. Η πίεση ανοίγματος είναι μεταξύ 80 και 125 bar. Η βελόνα του ακροφυσίου έχει στο κάτω άκρο της μία προέκταση με ειδική διαμόρφωση, η οποία εισέρχεται μέσα στην οπή εκτόξευσης στον κορμό του ακροφυσίου. Με διαφοροποίηση της μορφής και των διαστάσεων της προέκτασης, μπορεί να αλλάξει η δέσμη έγχυσης. Το διάτρητο ακροφύσιο χρησιμοποιείται σε κινητήρες με άμεση έγχυση, γιατί με αυτά τα ακροφύσια πραγματοποιείται μία ιδιαίτερα λεπτή κατανομή του καυσίμου. Η πίεση ανοίγματος του ακροφυσίου βρίσκεται μεταξύ 150-250 bar.
Η βελόνα του ακροφυσίου είναι κωνική και στιλβωμένη στην κωνική έδρα της στο σώμα του ακροφυσίου, πράγμα που επί-τρέπει υψηλό βαθμό στεγανότητας. Υπάρχουν ακροφύσια μιας οπής και ακροφύσια πολλών οπών. Στα ακροφύσια μιας οπής το καύσιμο εκτοξεύεται είτε προς την διεύθυνση του άξονα του ακροφυσίου είτα πλάγια. Στα ακροφύσια πολλών οπών υπάρχουν συνήθως έως και 6 οπές, συμμετρικά διατεταγμένες και σχηματίζουν γωνίες έως και 160 ο. Σχήμα 13: Σχηματική διάταξη διαμόρφωσης εγχυτήρων Το ακροφύσιο είναι τοποθετημένο σε ένα φορέα, που ονομάζεται βάση συγκράτησης, ο οποίος είναι κοχλιωμένος στην κυλινδροκεφαλή. Το καύσιμο εισέρχεται με υψηλή πίεση στην οπή εισαγωγής του φορέα του ακροφυσίου. Από εκεί φθάνει στο κυκλικό αυλάκι, στον δίαυλο εισαγωγής και στο θάλαμο πίεσης του ακροφυσίου. Αν η πίεση του καυσίμου είναι μεγαλύτερη από την τάση του ελατηρίου θλίψης στο φορέα, τότε θα ανασηκωθεί η βελόνα από την έδρα της, λόγω της ασκούμενης πίεσης στο αντέρπισμά της και θα εγχυθεί το καύσιμο στο χώρο καύσης. Αυτό γίνεται κατά την διάρκεια του εμβολισμού παροχής της αντλίας έγχυσης. Αφού τελειώσει η έγχυση, το ελατήριο πιέζει τη βελόνα μέσω του πίρου πίεσης και την επαναφέρει στην έδρα της. Πρόσφατα η MERCEDES κατασκεύασε ένα νέο κινητήρα Diesel με έξι κυλίνδρους σε διάταξη V. Έχει ακόμα εξοπλιστεί με turbo τελευταίας τεχνολογίας.ο εξακύλινδρος κινητήρας είναι εφοδιασμένος με σύστημα ψεκασμού common rail 3 ης γενιάς, όμως αντί να έχει μαγνητικές βαλβίδες στους εγχυτήρες (ψεκαστήρες), έχουν εγκατασταθεί πιεζοκεραμικοί κρύσταλλοι. Οι κρύσταλλοι αυτοί έχουν την δυνατότητα να αλλάζουν την κρυσταλλική δομή τους μέσα σε μικροδευτερόλεπτα, ανάλογα με το ηλεκτρικό φορτίο που δέχονται. Έτσι οι μηχανικοί της MERCEDES πέτυχαν μια εξαιρετικά ομαλή και ομοιογενή ροή καυσίμου, ενώ χάρη στους κρυστάλλους αυξήθηκε ο αριθμός των ψεκασμών σε κάθε φάση της καύσης που φτάνουν τους πέντε από τρεις στην προηγούμενη τεχνολογία.
Σχήμα 14: Σχηματική διάταξη διαμόρφωσης σύγχρονου εγχυτήρα Άλλη μια αλλαγή στο σύστημα ψεκασμού του κινητήρα είναι ότι τοποθέτησαν υδραυλικούς εγχυτήρες των οποίων οι μύτες έχουν οκτώ τρύπες αντί για επτά. Έτσι εξασφαλίζεται καλύτερη κατανομή καυσίμου στον χώρο καύσης και πιο αποδοτική αναλογία μίγματος αέρα / καυσίμου. Για να επιτύχουν αποδοτικότερη πλήρωση στους κυλίνδρους τοποθέτησαν και έναν υπερπληρωτή πίεσης τεχνολογίας VNT (Variable Nozzle Turbine). Ο συγκεκριμένος υπερπληρωτής χάρη στην προηγμένη ηλεκτρονική διαχείριση μπορεί να αλλάξει με υψηλή ταχύτητα και ακρίβεια την γωνία των πτερυγίων του στροβίλου, αυξάνοντας την πίεση την ιδανική στιγμή σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο όγκο καυσαερίων. Έτσι πέτυχαν ακόμα περισσότερη ροπή σε χαμηλότερο φάσμα στροφών. Πρακτικό μέρος (α) Περιγράψτε έναν τετράχρονο πετρελαιοκινητήρα, τον τρόπο λειτουργίας του και κάντε αναφορά στις διαφορές που έχει από τον αντίστοιχο βενζινοκινητήρα. (β) Αναφέρατε τρόπους ψεκασμού καυσίμου σε πετρελαιοκινητήρες. (γ) Αναφέρατε τα κύρια μέρη του συστήματος Common Rail, καθώς και τον τρόπο λειτουργίας του συστήματος αυτού.