ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΡΜΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΩΝ

ΜΗΧΑΝΩΝ Ι

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1

Βασικά χαρακτηριστικά Εμβολοφόρων Μηχανών

ΑΣΚΗΣΗ 1:

ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ

Σκοπός της Άσκησης: Το να μάθει ο σπουδαστής: (α) Τα βασικά τμήματα που αποτελείται ένας Εμβολοφόρος Κινητήρας, (β) Ποιοι είναι οι χρόνοι ενός τετράχρονου κινητήρα.

Θεωρητικό μέρος

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

1.1. Ορισμός Μηχανών Εσωτερικής Καύσης

Οι θερμικές μηχανές λειτουργούν με τη θερμική ενέργεια που μας δίνει το καύσιμο κατά την καύση του. Την ενέργεια αυτή, η θερμική μηχανή τη μετατρέπει σε μηχανικό έργο. Ανάλογα με τον τρόπο καύσης του καυσίμου, οι θερμικές μηχανές χωρίζονται σε μηχανές εξωτερικής καύσης και σε μηχανές εσωτερικής καύσης ή πιο γνωστές σαν Μ.Ε.Κ. Οι μηχανές εξωτερικής καύσης, έχουν σαν εργαζόμενη ουσία τον ατμό, που παράγεται σε μία ιδιαίτερη συσκευή το λέβητα. Από αυτόν, ο ατμός οδηγείται με ατμαγωγούς σωλήνες στην κινητήρια μηχανή που θα είναι παλινδρομική ατμομηχανή ή ατμοστρόβιλος. Οι μηχανές εσωτερικής καύσης ή Μ.Ε.Κ μας δίνουν κινητήριο έργο από τη πίεση και τη θερμότητα των καυσαερίων που παράγονται, μέσα στην ίδια τη μηχανή, για το λόγο αυτό ονομάζονται ενδοθερμικοί κινητήρες. Οι Μ.Ε.Κ χωρίζονται σε παλινδρομικές ή εμβολοφόρες και σε στροβίλους ή περιστροφικές. Μία άλλη κατηγορία των Μ.Ε.Κ είναι οι μηχανές Wankel. Η μηχανή αυτή διαθέτει έμβολο το οποίο όμως δεν παλινδρομεί, αλλά περιστρέφεται. Στις εμβολοφόρες μηχανές, η παλινδρομική κίνηση του εμβόλου με τη βοήθεια του διωστήρα και του στροφαλοφόρου άξονα μετατρέπεται σε περιστροφική κίνηση. Στους αεροστρόβιλους έχουμε περίπου την ίδια λειτουργία με τους ατμοστρόβιλους, δηλαδή έναν άξονα και πάνω σε αυτόν προσαρμοσμένα τα πτερύγια που δέχονται την πίεση των καυσαερίων, οπότε τον αναγκάζουν να περιστραφεί με μεγάλη ταχύτητα. Στις μηχανές εσωτερικής καύσης, η καύση είναι εσωτερική και άρα ο αέρας και το καύσιμο χρησιμοποιούνται σε ανοικτό κύκλωμα. Τα προϊόντα της καύσης του αέρα με το καύσιμο αποτελούν απ΄ευθείας το εργαζόμενο μέσο για τη παραγωγή μηχανικής ισχύος.

Σχήμα 1.1: Σχηματική εγκάρσια τομή τυπικής 4-Χρονης ΜΕΚ

Στο Σχήμα 1.2 απεικονίζεται σχηματικά εγκάρσια τομή τυπικής δίχρονης Μηχανής Εσωτερικής Καύσης (2-Χ ΜΕΚ). Κύριο χαρακτηριστικό 2-Χ ΜΕΚ όπως θα δούμε παρακάτω είναι η έλλειψη βαλβίδων εισαγωγής / εξαγωγής, δίχως αυτό να ισχύει σε όλες τις περιπτώσεις 2-Χ ΜΕΚ.

Σχήμα 1.2: Εγκάρσια σχηματική τομή 2-Χρονης ΜΕΚ με απόπλυση στροφαλοθαλάμου

Από απόψεως εσωτερικής λειτουργίας η βασική διάκριση σε βενζινοκινητήρες (κινητήρες Otto) και πετρελαιοκινητήρες (κινητήρες Diesel) βασίζεται στον τρόπο ανάφλεξης (έναυσης) που επιδρά στον τρόπο καύσης του καυσίμου.

- Στους κινητήρες Otto υπάρχει πάντα ανάφλεξη με τη βοήθεια κάποιου εξωτερικού μέσου, συνήθως ενός ηλεκτρικού σπινθήρα.

- Στους κινητήρες Diesel υπάρχει πάντοτε αυτανάφλεξη (δηλαδή αυτόματη ανάφλεξη) λόγω της κατάλληλης εισαγωγής του καυσίμου στον κύλινδρο τη στιγμή κατά την οποία το περιεχόμενο του έχει ήδη έρθει σε κατάλληλη πίεση και θερμοκρασία, λόγω της προηγούμενης ισχυρής συμπίεσης.

Σαν βενζινοκινητήρας Otto χαρακτηρίζεται η μηχανή εσωτερικής καύσης Μ.Ε.Κ που το καύσιμο, δηλαδή, η βενζίνα πάει μέσα στον κύλινδρο ανακατεμένη με αέρα, σε ορισμένη αναλογία που γίνεται μέσα στον εξαερωτήρα. Μετά τη συμπίεση του καυσίμου μίγματος μέσα στον κύλινδρο, ακολουθεί η ανάφλεξη του με τον σπινθηριστή (μπουζί). Σαν καύσιμο των κινητήρων Otto έχουμε τα διάφορα καύσιμα αέρια, όπως η βενζίνη, το βενζόλιο και το αιθυλόπνευμα με περιεκτικότητα σε αλκόλη 10-15 %. Οι κινητήρες Otto ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο καύσιμο χωρίζονται σε :

1. Αεριομηχανές : Χρησιμοποιούν σαν καύσιμο φυσικά ή τεχνητά αέρια, των οποίων η πρόσμιξη με το απαιτούμενο για τη καύση ατμοσφαιρικό αέρα γίνεται μέσα στον κύλινδρο με τη βοήθεια ειδικής βαλβίδας ανάμιξης που συνδυάζεται κυρίως με τη βαλβίδα εισαγωγής.

2. Βενζινομηχανές (σχήμα 1.3): Χρησιμοποιούν σαν καύσιμο κυρίως βενζίνη, αλλά

και γενικότερα ελαφρά καύσιμα (υγρά) μεγάλης πτητικότητας. .

Σχήμα 1.3: Τομή 4-Χρονου εν σειρά βενζινοκινητήρα 2,2 lt της Chrysler

3. Οι βενζινομηχανές αναρροφούν ομογενές μίγμα αέρα – καυσίμου (ατμών) που προετοιμάζεται σε ειδική ιδιοσυκευή που ονομάζεται εξαεριωτής (καρπυρατέρ).

Υπάρχουν όμως και διατάξεις όπου γίνεται μηχανική έγχυση της βενζίνης με τη βοήθεια συγκροτήματος αντλίας καυσίμου – εγχυτήρα. Οι διατάξεις αυτές χωρίζονται σε:

α. συνεχούς και β. διακοπτόμενης έγχυσης (χωριστή έγχυση βενζίνης σε κάθε κύλινδρο, με

ιδιαίτερο εγχυτήρα). Τα συστήματα διακοπτόμενης έγχυσης χωρίζονται σε έμμεσης έγχυσης (λίγο πριν από τη βαλβίδα εισαγωγής) και άμεσης έγχυσης (εντός του κυλίνδρου)

Οι τυπικοί κινητήρες Diesel (ή πετρελαιομηχανές), που φαίνονται στo σχήμα 1.4, αναρροφούν πάντα ατμοσφαιρικό αέρα και χρησιμοποιούν σαν καύσιμα βαρύτερα κλάσματα από τη βενζίνη (λιγότερο πτητικά και φθηνότερα στη τιμή). Για το σχηματισμό του καυσίμου μίγματος, το πετρέλαιο εισάγεται στο κύλινδρο με τη βοήθεια του μηχανισμού μηχανικής έγχυσης, δηλαδή υπό την επίδραση της ισχυρής πίεσης που δημιουργείται από το σύστημα αντλίας καυσίμου - εγχυτήρα (μπεκ).

Σχήμα 1.4: Τομή κινητήρα diesel έμμεσης έγχυσης Ford 1,6 lt

Σχήμα 1.5: Τομή 4-Χρονου κινητήρα diesel σε διάταξη κυλίνδρων “V”

Σχήμα 1.6: Εγκάρσια τομή αερόψυκτου κινητήρα

Σχήμα 1.7: Εγκάρσια τομή ναυτικού δίχρονου κινητήρα Sulzer RTA με ισχύ ανά κύλινδρο 2960 W, όγκο εμβολισμού ανά κύλινδρο 1,32 m3, μέγιστη ταχύτητα περιστροφής 87 rpm

1.2 Βασικές φάσεις λειτουργίας ΜΕΚ

1. Συμπίεση : Το εργαζόμενο μέσο (αέρας ή αέρας και καύσιμο ) συμπιέζεται πρώτα μέχρι μίας ορισμένης πιέσεως οπότε αυξάνει η θερμοκρασία του.

2. Καύση: Προσδίδεται θερμική ενέργεια που προέρχεται από τη καύση του καυσίμου, οπότε αυξάνεται η θερμοκρασία, η πίεση ή και ο όγκος του μίγματος αέρα- καυσίμου.

3. Εκτόνωση : Παρέχεται το κινητήριο έργο, ένα τμήμα του οποίου καταναλώνεται για τις ανάγκες της συμπίεσης (φάση 1), ενώ το υπόλοιπο αποτελεί το ωφέλιμο έργο της μηχανής.

- Σημαντικό ρόλο παίζει εκτός των 3 φάσεων η εναλλαγή των αερίων δηλαδή η

εκκένωση του κυλίνδρου από τα καυσαέρια κατά το τέλος του κύκλου λειτουργίας και της εκ νέου πλήρωσης του με μίγμα αέρα - καυσίμου ή μόνο με αέρα για την εκτέλεση νέου κύκλου.

- Στις εμβολοφόρες μηχανές ΜΕΚ , οι τρεις φάσεις λειτουργίας λαμβάνουν χώρα μέσα στον ίδιο χώρο, τον κύλινδρο, σε αντίθεση με τους αεριοστροβίλους όπου οι τρεις βασικές φάσεις λειτουργίας λαμβάνουν χώρα στον συμπιεστή, θάλαμο καύσης, στρόβιλο ή ακροφύσιο αντίστοιχα.

1.3 Εξωτερική Λειτουργία – Τετράχρονοι και Δίχρονοι Κινητήρες Η συγκρότηση εμβολοφόρων κινητήρων βασίζεται στον κινηματικό μηχανισμό εμβόλου – Διωστήρα – Στροφάλου, όπου το έμβολο παλινδρομεί μέσα στον κύλινδρο και μεταφέρει την ισχύ στον στροφαλοφόρο άξονα διαμέσου του διωστήρα. Στους εμβολοφόρους κινητήρες, το έμβολο ακινητοποιείται σε δύο καθορισμένες θέσεις του στροφαλοφόρου άξονα προτού επέλθει αναστροφή της κίνησης του. Οι θέσεις αυτές ονομάζονται άνω νεκρό σημείο (ΑΝΣ) και κάτω νεκρό σημείο (ΚΝΣ). Η απόσταση που διανύει το έμβολο για να πάει από το ένα νεκρό σημείο στο άλλο ονομάζεται διαδρομή η ΄΄χρόνος΄΄ και αντιστοιχεί σε μισή στροφή δηλαδή σε 180° περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα. Η συγκρότηση των εμβολοφόρων Μ.Ε.Κ. βασίζεται στον κινηματικό μηχανισμό : έμβολο – διωστήρας – στροφαλοφόρος άξονας. Το έμβολο παλινδρομεί μέσα στον κύλινδρο και μέσω του διωστήρα μεταφέρει την ισχύ στον στροφαλοφόρο άξονα. * Α.Ν.Σ. (Άνω νεκρό σημείο ή Top Dead Center στην Αγγλική Βιβλιογραφία) : είναι το ανώτερο σημείο στο οποίο μπορεί να φτάσει ένα έμβολο μέσα στον κύλινδρο. * Κ.Ν.Σ (Κάτω νεκρό σημείο ή στην Bottom Dead Center Αγγλική Βιβλιογραφία) : είναι το χαμηλότερο σημείο που μπορεί να φτάσει το έμβολο.

Η απόσταση που διανύει το έμβολο για να πάει από το Α.Ν.Σ στο Κ.Ν.Σ ή το αντίστροφο, καλείται διαδρομή ή χρόνος (stroke).

Σχήμα 1.8: Κινηματικός μηχανισμός ΜΕΚ

Αναφέρθηκε στα προηγούμενα ότι το έμβολο παλινδρομεί μέσα στον κύλινδρο. Έστω ότι το έμβολο βρίσκεται στο Α.Ν.Σ. και αρχίζει να κινείται προς το Κ.Ν.Σ. : Μέχρι το μέσο της διαδρομής αυτό θα επιταχύνει με αποτέλεσμα στο σημείο εκείνο να έχουμε την μέγιστη ταχύτητα του εμβόλου. Από το μέσο όμως της διαδρομής και έπειτα, το έμβολο αρχίζει να επιβραδύνει έτσι ώστε ακριβώς στο κάτω νεκρό σημείο η ταχύτητα του να μηδενιστεί. Με την ακινησία του εμβόλου σε αυτό το σημείο, μπορεί να επέλθει αναστροφή της κίνησης του, δηλαδή το έμβολο μπορεί τώρα να κινηθεί από το Κ.Ν.Σ στο Α.Ν.Σ.. Από ότι καταλαβαίνουμε, ο χαρακτηρισμός ‘νεκρό σημείο’ οφείλεται στην μηδενική ταχύτητα του εμβόλου. Αναφέραμε επίσης, ότι διαδρομή είναι η απόσταση που διανύει το έμβολο από το ένα στο άλλο νεκρό σημείο. Πρέπει να πούμε ότι μια διαδρομή, αντιστοιχεί σε 180ο γωνίας στροφής του στροφάλου. Δηλαδή όταν ολοκληρώνεται μια διαδρομή, ο στροφαλοφόρος έχει εκτελέσει μισή περιστροφή.

1.3.1 Τετράχρονοι Κινητήρες Μία περίοδος λειτουργίας διαρκεί δύο πλήρεις περιστροφές ή 720° περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα και περιλαμβάνει 4 πλήρεις διαδρομές εμβόλου ( ή ΄΄χρόνους΄΄). Οι χρόνοι αυτοί είναι:

1. Αναρρόφηση 2. Συμπίεση 3. Καύση - Εκτόνωση 4. Εξαγωγή

Η αναρρόφηση και η εξαγωγή σχετίζονται με την εναλλαγή των αερίων. Η πλήρωση και η εκκένωση του κυλίνδρου όπως και η έναρξη της καύσης ρυθμίζονται από ειδικά όργανα διανομής (αντίστοιχα βαλβίδα ή βαλβίδες εισαγωγής, βαλβίδα ή βαλβίδες εξαγωγής και αντλία καυσίμου – εγχυτήρας η διανομέας - σπινθηριστής) που παίρνουν κίνηση από τον εκκεντροφόρο άξονα που περιστρέφεται με το μισό της ταχύτητας του στροφαλοφόρου άξονα.

1.3.2 Δίχρονοι Κινητήρες (2 –Χ) Μία περίοδος λειτουργίας διαρκεί μόνο μία περιστροφή ή 360° περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα, δηλαδή περιλαμβάνει δύο διαδρομές του εμβόλου ή ΄΄χρόνους΄΄ εκ των οποίων μόνο 2x1/4 =1/2 της διαδρομής (κοντά στο ΚΝΣ) σχετίζονται με την εναλλαγή των αερίων. Κατά κανόνα η πλήρωση και η εκκένωση του κυλίνδρου ρυθμίζεται από τη πάνω ακμή του εμβόλου που αποκαλύπτει ή καλύπτει θυρίδες εισαγωγής- εξαγωγής που είναι τοποθετημένες στη πλευρική επιφάνεια του κυλίνδρου. Έτσι η εναλλαγή αερίων γίνεται πάντα κάτω από δυσμενείς συνθήκες που καθιστούν απαραίτητη τη βίαιη πλήρωση του κυλίνδρου με τη βοήθεια ειδικής αντλίας απόπλυσης ή σάρωσης που απορροφά ενέργεια από το στροφαλοφόρο άξονα. Ο εκκεντροφόρος άξονας που περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα με αυτή του στροφαλοφόρου δίνει κίνηση μόνο στην αντλία καυσίμου ή στο διανομέα ή και σε άλλα περιφερειακά εξαρτήματα όπως π.χ. βαλβίδα εκκίνησης κ.λ.π. Οι συνηθέστερες διατάξεις απόπλυσης 2-Χ κινητήρων είναι η εγκάρσια, η διαμήκης και η βρογχοειδής.

Διάταξη Βαλβίδων – Διαμόρφωση Θαλάμων σε ΜΕΚ

- Βαλβίδες επικεφαλής ( στο κάλυμμα του κυλίνδρου). - Πλευρικές βαλβίδες ( στο σώμα του κυλίνδρου). - Συνδυασμοί βαλβίδων.

2. ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΕΤΡΑΧΡΟΝΩΝ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

2.1 Δομή τετράχρονων βενζινικονητήρων

Ο τετράχρονος βενζινοκινητήρας απαρτίζεται από (σχήμα 2.1):

Σχήμα 2.1: Εγκάρσια τομή 4-χρόνου βενζινοκινητήρα Α) Το περίβλημα του κινητήρα: Αυτό αποτελείται από το κάλυμμα της κυλινδροκεφαλής, την κυλινδροκεφαλή, τους κυλίνδρους, τον στροφαλοθάλαμο και την ελαιολεκάνη. Β) Το σύστημα μετατροπής της παλινδρομικής κίνησης σε περιστροφική: Αυτό αποτελεί τον κύριο κινηματικό μηχανισμό και αποτελείται από το έμβολο, τον διωστήρα και τον στρόφαλο. Γ) Το σύστημα χρονισμού του κινητήρα: Αυτό αποτελείται από τον εκκεντροφόρο , τις βαλβίδες, τα ελατήρια βαλβίδων, τα ζύγωθρα και τον μηχανισμό κίνησης του εκκεντροφόρου άξονα. Δ) Τα βοηθητικά συστήματα: Αυτά είναι: Το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου, το σύστημα λίπανσης του κινητήρα, το σύστημα ψύξης του κινητήρα και το σύστημα έναυσης του καυσίμου. Οι λειτουργίες που επιτελούν αυτά τα συστήματα, είναι ζωτικής σημασίας για την ύπαρξη του κινητήρα και παίζουν σοβαρό ρόλο στην εύρυθμη και οικονομική του λειτουργία.

2.2 Τρόπος Λειτουργίας Για την παραγωγή ενός έργου πρέπει να επιτευχθεί ένας κύκλος λειτουργίας, που αυτός αποτελείται από 4 χρόνους: 1ος χρόνος : Εισαγωγή Το έμβολο είναι ακίνητο στο Α.Ν.Σ. και αρχίζει να κινείται προς το Κ.Ν.Σ.. Με την προς τα κάτω κίνηση, ο όγκος του κυλίνδρου αυξάνεται και έτσι δημιουργείται πτώση πίεσης στο εσωτερικό του κυλίνδρου. Η πτώση πίεσης είναι η αιτία που αρχίζει να εισρέει μίγμα μέσα στον κύλινδρο, από την ανοιχτή βαλβίδα εισαγωγής (που έχει ήδη ανοίξει από τη στιγμή που το έμβολο έχει βρεθεί στο Α.Ν.Σ.). Όταν το έμβολο φτάσει στο Κ.Ν.Σ. και η ταχύτητα του στιγμιαία μηδενιστεί, τότε η βαλβίδα εισαγωγής θα κλείσει και θα ολοκληρωθεί ο πρώτος χρόνος. 2ος χρόνος : Συμπίεση - Καύση Το έμβολο είναι ακίνητο στο Κ.Ν.Σ. και αρχίζει να κινείται προς το Α.Ν.Σ. Με την προς τα πάνω κίνηση, ο όγκος του κυλίνδρου μειώνεται και το μίγμα συμπιέζεται. Με τη συμπίεση, η πίεση και η θερμοκρασία αυξάνουν και έτσι το καύσιμο (βενζίνη) εξατμίζεται πλήρως. Με την πλήρη εξάτμιση του καυσίμου, έχουμε την καλύτερη δυνατή ανάμιξή του με τον αέρα, που βρίσκεται εγκλωβισμένος μέσα στον κύλινδρο. Λίγο πριν το έμβολο φτάσει στο Α.Ν.Σ., παράγεται σπινθήρας στα ηλεκτρόδια του σπινθηριστή (μπουζί) και σε αυτό το σημείο τοποθετείται η αφετηρία της καύσης. Μόλις πριν εμφανιστεί ο σπινθήρας, η θερμοκρασία συμπίεσης μπορεί να φτάσει τους 500ο C και η πίεση τα 20 bar. Όταν το έμβολο φτάσει στο Α.Ν.Σ., θα ολοκληρωθεί ο δεύτερος χρόνος. 3ος χρόνος : Εκτόνωση Το έμβολο βρίσκεται ακίνητο στο Α.Ν.Σ. και σε αυτό το σημείο έχει διαμορφωθεί το πλήρες μέτωπο της φλόγας. Η υψηλή πίεση του καιόμενου μίγματος πιέζει προς τα κάτω το έμβολο, το οποίο με την σειρά του, περιστρέφει τον στρόφαλο μέσω του διωστήρα. Λίγο μετά το Α.Ν.Σ. (δηλ. όταν το έμβολο αρχίζει να κατέρχεται), η θερμοκρασία καύσης μπορεί να φθάσει τους 2500ο C και η πίεση καύσης τα 60 bar. Όταν το έμβολο φθάσει στο Κ.Ν.Σ., θα ολοκληρωθεί ο τρίτος χρόνος. Σε αυτό το χρόνο η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική δίνοντας ωφέλιμο μηχανικό έργο με τη περιστροφή του στροφάλου. 4ος χρόνος : Εξαγωγή Το έμβολο αρχίζει να κινείται από το Κ.Ν.Σ. προς το Α.Ν.Σ. Στο σημείο αυτό, ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής και τα καυσαέρια με την που έχουν πίεση μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική, βγαίνουν προς το περιβάλλον. Με την προς τα πάνω κίνηση του εμβόλου, ο κύλινδρος ‘καθαρίζεται’ από τα καυσαέρια που απέμειναν και μόλις το έμβολο φθάσει στο Α.Ν.Σ., η βαλβίδα εξαγωγής θα κλείσει. Με το κλείσιμο της βαλβίδας εξαγωγής έχει ολοκληρωθεί ένας κύκλος λειτουργίας του τετράχρονου βενζινοκινητήρα και έχει προετοιμαστεί ο κύλινδρος για να ξεκινήσει ο επόμενος κύκλος. Αναφέρθηκε προηγουμένως, ότι μια διαδρομή του εμβόλου (δηλ. 1 χρόνος) ισούται με γωνία στροφής στροφάλου 180ο .

Έτσι 1 χρόνος ισοδυναμεί με 180ο γωνία στροφής στροφάλου.

Για την επίτευξη ενός κύκλου λειτουργίας 4-χρονου βενζινοκινητήρα, πρέπει να πραγματοποιηθούν 4 χρόνοι. Άρα 4 χρόνοι ισοδυναμούν με 4 x 180ο = 720ο γωνία στροφής στροφάλου, δηλαδή με δύο πλήρεις περιστροφές στροφάλου.

Αξίζει να σημειωθεί επίσης ότι ο 1ος , ο 2ος και ο 4ος χρόνος, χαρακτηρίζονται σαν παθητικοί χρόνοι, για το λόγο ότι δεν παράγουν έργο, αλλά αντλούν έργο από τον στρόφαλο του κινητήρα. Αντίθετα ο 3ος χρόνος αναφέρεται σαν ενεργητικός χρόνος, γιατί χάρη σ’ αυτόν περιστρέφεται ο στροφαλοφόρος άξονας. Τα παραπάνω φαίνονται σχηματικά στο σχήμα 2.2 που ακολουθεί και συνοψίζονται στον Πίνακα 2.1

Σχήμα 2.2: Οι 4 χρόνοι μηχανής εσωτερικής καύσης

Πίνακας 2.1: Επεξήγηση χρόνων 4-χρονης ΜΕΚ

ΧΡΟΝΟΣ ΟΝΟΜΑΣΙΑ ΚΙΝΗΣΗ ΕΜΒΟΛΟΥ

ΒΑΛΒΙΔΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ

ΒΑΛΒΙΔΑ ΕΞΑΓΩΓΗΣ

ΣΚΟΠΟΣ

1ος Αναρρόφηση Α.Ν.Σ Κ.Ν.Σ Ανοιχτή Κλειστή Πλήρωση κυλίνδρου με μίγμα

2ος Συμπίεση-Καύση

Κ.Ν.Σ Α.Ν.Σ Κλειστή Κλειστή Προετοιμασία μίγματος για καύση –καύση

3ος Εκτόνωση Α.Ν.Σ Κ.Ν.Σ Κλειστή Κλειστή Παραγωγή Έργου

4ος Εξαγωγή Κ.Ν.Σ Α.Ν.Σ Κλειστή Ανοιχτή Καθαρισμός κυλίνδρου.

2.3 Διάγραμμα Χρονισμού

Στα προηγούμενα είδαμε ότι οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής ανοίγουν και κλείνουν την στιγμή που το έμβολο βρίσκεται σ’ ένα απ’ τα δυο νεκρά σημεία, δηλαδή ότι η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει όταν το έμβολο βρίσκεται στο Κ.Ν.Σ. και κλείνει όταν το έμβολο βρεθεί στο Α.Ν.Σ.(κατά τον 4ο χρόνο). Σ’ ένα πραγματικό κινητήρα όμως τα πράγματα είναι λίγο διαφορετικά.

Σχήμα 2.3: Διάγραμμα χρονισμού 4-χρόνου βενζινοκινητήρα

Από το διάγραμμα χρονισμού στο σχήμα 2.3 παρατηρούμε ότι η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει πριν το έμβολο φθάσει στο Α.Ν.Σ (δηλ. κατά τον προηγούμενο κύκλο) και κλείνει μετά το Κ.Ν.Σ. (δηλ. εφόσον το έμβολο αρχίσει να ανέρχεται προς τα πάνω). Έτσι τώρα ο 1ος χρόνος δεν διαρκεί 180ο στροφής στροφαλοφόρου άξονα, αλλά περισσότερο (μέχρι 270ο). Επίσης η εξαγωγή (4ος χρόνος) αρχίζει πριν το έμβολο φθάσει στο Κ.Ν.Σ. και ολοκληρώνεται εφόσον το έμβολο περάσει το Α.Ν.Σ. (δηλ. κατά την έναρξη του επόμενου κύκλου λειτουργίας). Απ’ όλα αυτά καταλαβαίνουμε ότι ο χρόνος της συμπίεσης και ο χρόνος της εκτόνωσης δεν διαρκούν πλέον 180ο γωνία στροφής ο καθένας, αλλά λιγότερο. Ο χρόνος εισαγωγής αυξάνεται, για να βελτιώσουμε την πλήρωση του κυλίνδρου με μίγμα. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή, τόσο μεγαλύτερο έργο θα πάρουμε στον 3ο χρόνο. Δηλαδή θα αυξηθεί η ισχύς και ο βαθμός και ο βαθμός απόδοσης της μηχανής. Ο χρόνος εξαγωγής αυξάνεται, για να ‘καθαρίσει’ όσο το δυνατόν καλύτερα ο κύλινδρος απ’ τα καυσαέρια. Σκοπός της αύξησης αυτής είναι να βελτιωθεί η πλήρωση του κυλίνδρου (κατά τον 1ο χρόνο), για το λόγο ότι όσο λιγότερα καυσαέρια απομείνουν στον κύλινδρο στο τέλος του 4ου χρόνου, τόσο περισσότερο φρέσκο μίγμα μπορούμε να ‘χωρέσουμε’ στον κύλινδρο κατά τον 1ο χρόνο. Απ’ το διάγραμμα χρονισμού παρατηρούμε ότι κατά την μεταβατική φάση απ’ την εξαγωγή στην αναρρόφηση, οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής είναι ταυτόχρονα ανοικτές. Αυτό το

φαινόμενο ονομάζεται επικάλυψη των βαλβίδων (overlap), (σχήμα 3.4) και περιγράφεται παρακάτω.

Σχήμα 2.4: Η εναλλαγή των αερίων κατά το άνοιγμα και κλείσιμο των βαλβίδων σε 4-χρονη μηχανή εσωτερικής καύσης. Πρακτικό μέρος (α) Να κάνετε μια σύντομη αναφορά στα τμήματα από τα οποία αποτελείται ένας τετράχρονος βενζινοκινητήρας και (β) Να περιγράψετε τους χρόνους κατά τους οποίους ολοκληρώνεται ένας πλήρης κύκλος λειτουργίας του.