Γενικά περί Κινητήρων

Category: Μηχανικά

Published on Sunday, 22 May 2011 05:27

Written by Panagiotis Symvoulidis

Hits: 753

Γενικά περί κινητήρων

Σε αυτό το άρθρο θα κάνουμε μια γενική εισαγωγή στις βασικές λειτουργίες ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης ώστε να καταλάβουμε πως λειτουργεί και πως μπορούμε να τον βελτιώσουμε. Αν και υπάρχουν δυο τύποι κινητήρων εσωτερικής καύσης -2χρονοι και 4χρονοι- εμείς θα μιλήσουμε μόνο για τους 4χρονους από τη στιγμή που αυτοί χρησιμοποιούνται στην αυτοκίνηση.

Υπάρχουν επίσης πάρα πολλές παραλλαγές 4χρονων κινητήρων, όπως:

βενζινοκινητήρες, πετρέλαιοκινητήρες, 4κύλινδροι, 6κύλινδροι κτλ, σε σειρά, σε σχήμα V, boxer, rotary ή wankel, turbocharged, supercharged κτλ. και όλοι αυτοί -αν εξαιρέσουμε τους rotary ή wankel- έχουν παρόμοιο σχεδιασμό και τρόπο λειτουργίας αλλά εμείς θα ασχοληθούμε μόνο με τους 4κύλινδρους βενζινοκινητήρες μιας και αυτοί χρησιμοποιούνται στα miata.

Τα βασικά μέρη ενός τέτοιου συστήματος είναι:

Μπλοκ: Είναι ο κορμός του κινητήρα όπου περιέχονται οι κύλινδροι και στερεώνονται όλοι οι υπόλοιποι μηχανισμοί του.

Έμβολα: Είναι από τα πιο σημαντικά και ευπαθή μέρη του κινητήρα μιας και εκτίθονται στις πολύ υψηλές θερμοκρασίες που δημιουργούνται από την καύση του καυσίμου και τα αέρια καύσης ασκούν πολύ μεγάλες πιέσεις στην επιφάνεια τους και περιέχονται μέσα στους κυλίνδρους μαζί με τα ελατήρια που τα περιβάλουν και είναι υπεύθυνα για τη στεγανοποίηση του κυλίνδρου ώστε να μην μπορούν να διαφύγουν τα αέρια της καύσης και τις μπιέλες που είναι υπεύθυνες για την κίνηση τους και με τις οποίες συνδέονται με έναν πείρο.   

Μπιέλες: Περιέχονται στους κυλίνδρους και συνδέονται με τα έμβολα όπως είπαμε παραπάνω και ο ρόλος τους είναι να μεταφέρουν την κίνηση από το έμβολο στον στροφαλοφόρο άξονα.    

Στροφαλοφόρος άξονας: Βρίσκεται μέσα στο κάρτερ και συνδέεται με τις μπιέλες (και μέσω αυτών με τα έμβολα), με τον καθρέπτη και με τους εκκεντροφόρους. Σκοπός του είναι να μετατρέπει την παλινδρομική κίνηση των εμβόλων σε περιστροφική και να την μεταφέρει στον καθρέπτη      

Καθρέπτης ή Βολάν: Είναι ένας πολύ μεγάλος μεταλλικός δίσκος (γρανάζι) ο οποίος αποθηκεύει ενέργεια από τα έμβολα μέσω του στροφάλου και την επιστρέφει πίσω. Αυτή η λειτουργία θα εξηγηθεί παρακάτω που θα μιλήσουμε για τους χρόνους του κύκλου ενός 4χρονου κινητήρα. Επίσης το Βολάν συνδέεται με τη μίζα για να δώσει την πρώτη ώθηση στον στροφαλοφόρο άξονα και να ξεκινήσει η λειτουργία του κινητήρα, αλλά και το σύστημα του συμπλέκτη (δίσκο-πλατό) για να μεταφέρει την κίνηση στον άξονα κίνησης και από εκεί στους τροχούς.

Βαλβίδες: Υπάρχουν δυο ειδών βαλβίδες (εισαγωγής και εξαγωγής) και βρίσκονται στο καπάκι του κινητήρα. Σκοπός τους είναι να ανοίγουν την κατάλληλη στιγμή για να επιτρέπουν την είσοδο του μείγματος ή την έξοδο των καυσαερίων από τους κύλινδρους

Εκκεντροφόροι: Βρίσκονται επίσης στο καπάκι του κινητήρα, παίρνουν κίνηση μέσω ιμάντα ή αλυσίδας από τον στροφαλοφόρο άξονα και σκοπός τους είναι να ανοίγουν τις βαλβίδες στο σωστό χρόνο

Σε αυτό το video μπορείτε να δείτε όλα τα μέρη που αποτελούν έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, όπως επίσης και τον τρόπο λειτουργίας του όπως περιγράφεται στη συνέχεια του άρθρου.

Τι σημαίνει 4χρονος κινητήρας?

Τετράχρονος κινητήρας είναι ο κινητήρας που για να πραγματοποιήσει έναν κύκλο λειτουργίας τα έμβολα του εκτελούν 4 χρόνους

Τι είναι ο χρόνος λειτουργίας ?

Χρόνος λοιπόν ορίζεται μία διαδρομή του εμβόλου μέσα στον κύλινδρο, προς μία κατεύθυνση. Δηλαδή όταν το έμβολο κινηθεί από το ανώτερο σημείο που μπορεί να βρεθεί (Άνω Νεκρό Σημείο ή Α.Ν.Σ) μέχρι το κατώτερο (Κάτω Νεκρό Σημείο ή Κ.Ν.Σ.). Αντίστοιχα, σαν ένας χρόνος ορίζεται και μία διαδρομή από το Κ.Ν.Σ. στο Α.Ν.Σ.

Από τα παραπάνω μπορούμε να καταλάβουμε πως σε έναν τετράχρονο κινητήρα ο κύκλος λειτουργίας του συμπληρώνεται με 4 διαδρομές του εμβόλου.

Ποιοι είναι οι 4 χρόνοι ενός κύκλου λειτουργίας ?

1ος χρόνος (εισαγωγή):

Αρχίζει με το έμβολο στο A.N.Σ.

Η βαλβίδα εισαγωγής έχει αρχίσει να ανοίγει και καθώς το έμβολο κινείται προς τα κάτω δημιουργεί διαφορά πιέσεως ανάμεσα στον κύλινδρο και την ατμόσφαιρα (υποπίεση) και αναγκάζει το μείγμα του καυσίμου (βενζίνη/αέρας) να κινηθεί προς τον κύλινδρο και να τον γεμίσει.

Όταν το έμβολο φτάσει στο Κ.Ν.Σ. ο κύλινδρος έχει ήδη γεμίσει με μείγμα και τότε η βαλβίδα εισαγωγής κλείνει και το μείγμα παγιδεύεται μέσα στον κύλινδρο. Έτσι, όταν το έμβολο βρίσκεται στο κατώτερο σημείο του κυλίνδρου (Κ.Ν.Σ.), όλες οι βαλβίδες είναι κλειστές και ο κύλινδρος γεμάτος με καύσιμο.

2ος χρόνος (συμπίεση):

Το έμβολο από το Κ.Ν.Σ. κινείται προς το A.N.Σ. με τις βαλβίδες κλειστές, οπότε το μείγμα δεν μπορεί να διαφύγει και συμπιέζεται. Με τη συμπίεση το μείγμα αναμειγνύεται καλύτερα και αναπτύσσεται θερμότητα.

3ος χρόνος (εκτόνωση):

Το ηλεκτρικό σύστημα τροφοδοτεί με ρεύμα το μπουζί που δημιουργεί σπινθήρα, ο οποίος αναφλέγει το συμπιεσμένο μείγμα και με την ανάφλεξη του μείγματος δημιουργείται έκρηξη η οποία σπρώχνει το έμβολο προς τα κάτω.

Αυτός είναι ο μοναδικός χρόνος από τους 4 κατά τον οποίον παράγεται έργο.

Αυτό το έργο είναι που δίνει και την απαραίτητη κινητική ενέργεια στο στροφαλοφόρο άξονα ο οποίος με τη βοήθεια του καθρέπτη που όπως είπαμε νωρίτερα λόγω όγκου και αδράνεις αποθηκεύει την ενέργεια ώστε να την επιστρέψει για να κινήσει το έμβολο και για τους υπόλοιπους 3 χρόνους.

Σε αυτό το σημείο είναι απαραίτητο να κάνουμε μια διευκρίνιση.

Η ανάφλεξη του μείγματος δεν γίνεται όταν το έμβολο βρίσκεται ακριβώς στο A.N.Σ., αλλά λίγο νωρίτερα. Ο λόγος είναι ότι μεσολαβεί κάποιος χρόνος από τη στιγμή που θα αναφλεγεί το μείγμα μέχρι να αποκτήσουν τα αέρια του τη μέγιστη πίεση, έτσι ώστε όταν το έμβολο φτάσει στην κυριολεξία στο Α.Ν.Σ., να υπάρχει ήδη μέγιστη πίεση στον κύλινδρο.

Αυτός ο χρόνος που μεσολαβεί από την ανάφλεξη του μείγματος μέχρι να φτάσει το έμβολο στο A.N.Σ., ονομάζεται προπορεία ή αβάνς και μετριέται σε μοίρες γωνίας του στροφαλοφόρου.


4ος χρόνος (εξαγωγή):

Ενώ το έμβολο είναι στο Κ.Ν.Σ. και αρχίζει να κινείτε προς τα πάνω ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής και το έμβολο σπρώχνει τα καυσαέρια έξω από τον κύλινδρο, προς την εξάτμιση. Μόλις το έμβολο φτάσει στο Α.Ν.Σ. κλείνει η βαλβίδα εξαγωγής και ανοίγει η εισαγωγής.

Έτσι ολοκληρώνεται ένας κύκλος και αρχίζει ο επόμενος.  

Θα τελειώσουμε την επεξήγηση των χρόνων του κύκλου λειτουργίας ενός 4χρονου κινητήρα με δυο διευκρινήσεις.

1. Οι ταχύτητες που συμβαίνουν όλα αυτά είναι τόσο μεγάλες που οι κινήσεις επικαλύπτονται μερικώς
2. Σε έναν 4κύλινδρο κινητήρα όπως αυτός που αναφερόμαστε τα έμβολα του κάνουν την ίδια κίνηση σε ζευγάρια, αλλά εκτελούν διαφορετική ενέργεια. Δηλαδή αν το ένα από τα έμβολα του ζευγαριού είναι στον χρόνο της εισαγωγής, το άλλο έμβολο είναι στον χρόνο της εκτόνωσης και αντίστοιχα αν το ένα είναι στον χρόνο της συμπίεσης, το άλλο είναι στον χρόνο της εξαγωγής. Αυτό σημαίνει πως οι τέσσερις χρόνοι του κύκλου λειτουργίας εκτελούνται ουσιαστικά με δύο κινήσεις των εμβόλων