Λύσεις — Ενότητα 1.7: Συστήματα Υπερσυμπίεσης (σελ. 152-153) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 1.7: Συστήματα Υπερσυμπίεσης

Δέκα ερωτήσεις για τα συστήματα υπερσυμπίεσης εμβολοφόρων αεροπορικών κινητήρων: τους λόγους χρήσης της υπερσυμπίεσης, τα είδη υπερσυμπιεστών (μηχανικοί άμεσης μετάδοσης και στρόβιλο-υπερπληρωτές έμμεσης μετάδοσης) με τα πλεονεκτήματα/μειονεκτήματά τους, τη θέση τους σε αστεροειδείς κινητήρες, τη βαλβίδα ελέγχου πίεσης (booster) και την ανάγκη ψύξης του συμπιεσμένου αέρα εισαγωγής με intercooler.

Λόγοι χρήσης του συστήματος υπερσυμπίεσης

Ερώτηση: 1. Για ποιον λόγο χρησιμοποιούμε σε έναν εμβολοφόρο κινητήρα το σύστημα υπερσυμπίεσης;

Α) Για να αυξήσουμε την ισχύ του κινητήρα.

Β) Για να αυξήσουμε το υψόμετρο που μπορεί να επιχειρεί το αεροσκάφος.

Γ) Για να αυξήσουμε την ποσότητα μίγματος που εισέρχεται στους κυλίνδρους του.

Δ) Για όλους τους παραπάνω λόγους.

Απάντηση:

• §1.7.1. «...είναι δυνατή η αύξηση της ισχύος με περιορισμό της αύξησης της κατανάλωσης... Η λειτουργία των αεροπορικών κινητήρων σε περιβάλλον μειωμένης πυκνότητας αέρα κάνει απαραίτητη τη χρήση συστημάτων υπερσυμπίεσης για την ανάκτηση της αποδιδόμενης ισχύος.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Δ) Για όλους τους παραπάνω λόγους. Η υπερσυμπίεση αυξάνει την ποσότητα μίγματος αέρα-καυσίμου που εισάγεται στους κυλίνδρους (Γ), γεγονός που αυξάνει την ισχύ του κινητήρα (Α)· παράλληλα, επειδή αντισταθμίζει τη μειωμένη πυκνότητα αέρα στο υψόμετρο, επιτρέπει στο αεροσκάφος να επιχειρεί αποδοτικά σε μεγαλύτερα υψόμετρα (Β). Και οι τρεις λόγοι συνδέονται άμεσα και ισχύουν ταυτόχρονα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δ) Για όλους τους παραπάνω λόγους — αύξηση ισχύος, δυνατότητα λειτουργίας σε μεγαλύτερο υψόμετρο, αύξηση ποσότητας μίγματος

Είδη υπερσυμπιεστών και ορισμός της υπερσυμπίεσης

Ερώτηση: 2. Αναφέρατε τα είδη των υπερσυμπιεστών που χρησιμοποιούμε στους εμβολοφόρους κινητήρες και δώστε τον ορισμό της υπερσυμπίεσης.

Απάντηση:

• §1.7.2. «Ως προς τον τρόπο κίνησης, οι υπερσυμπιεστές διακρίνονται σε άμεσης και έμμεσης μετάδοσης της κίνησης.» §1.7.1. «...υπερσυμπίεση ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης ονομάζεται η διαδικασία της εισαγωγής στους κυλίνδρους μεγαλύτερης ποσότητας... μείγματος ατμοσφαιρικού αέρα και καυσίμου, από την ποσότητα που θα αναρροφούσε ο ίδιος κινητήρας, χρησιμοποιώντας μόνο την κίνηση των εμβόλων του και κανέναν άλλο βοηθητικό μηχανισμό.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι υπερσυμπιεστές διακρίνονται, ως προς τον τρόπο κίνησής τους, σε δύο βασικά είδη: α) τους μηχανικούς υπερσυμπιεστές, άμεσης μετάδοσης κίνησης, που παίρνουν κίνηση απευθείας από τον στροφαλοφόρο άξονα με σταθερή σχέση μετάδοσης (τύποι: φυγοκεντρικός, Roots, ελικοειδής, με περιστρεφόμενα έμβολα), και β) τους στρόβιλο-υπερπληρωτές (turbo-superchargers), έμμεσης μετάδοσης κίνησης, που κινούνται από την ενέργεια των καυσαερίων μέσω στροβίλου συνδεδεμένου με κοινό άξονα με τον συμπιεστή. Ορισμός: υπερσυμπίεση ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης ονομάζεται η διαδικασία εισαγωγής στους κυλίνδρους μεγαλύτερης ποσότητας (περισσότερων γραμμαρίων ανά δευτερόλεπτο) μείγματος ατμοσφαιρικού αέρα και καυσίμου, από την ποσότητα που θα αναρροφούσε ο ίδιος κινητήρας χρησιμοποιώντας μόνο την κίνηση των εμβόλων του, χωρίς κανέναν άλλο βοηθητικό μηχανισμό.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μηχανικοί υπερσυμπιεστές (άμεση μετάδοση) και στρόβιλο-υπερπληρωτές (έμμεση μετάδοση)· υπερσυμπίεση = εισαγωγή περισσότερου μείγματος απ' όσο θα αναρροφούσε μόνος του ο κινητήρας

Πλεονεκτήματα μηχανικών υπερσυμπιεστών

Ερώτηση: 3. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα των μηχανικών υπερσυμπιεστών σε σχέση με τους υπερσυμπιεστές έμμεσης μετάδοσης κίνησης;

Απάντηση:

• §1.7.2.1. «Τα πλεονεκτήματα των μηχανικών υπερσυμπιεστών είναι ότι παρουσιάζουν σταθερή σχέση πιέσεων σε χαμηλές και υψηλές στροφές, εξασφαλίζουν υψηλή ροπή στον κινητήρα ακόμη και στις χαμηλές στροφές, παρέχουν άμεσα την απαιτούμενη πίεση και ισχύ και παρέχουν ποσότητα αέρα ανεξάρτητη από την πίεση και ανάλογη με τον αριθμό των στροφών.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι μηχανικοί υπερσυμπιεστές παρουσιάζουν σταθερή σχέση πιέσεων τόσο σε χαμηλές όσο και σε υψηλές στροφές, εξασφαλίζουν υψηλή ροπή στον κινητήρα ακόμη και στις χαμηλές στροφές, παρέχουν άμεσα την απαιτούμενη πίεση και ισχύ (χωρίς την καθυστέρηση απόκρισης που παρουσιάζουν οι στρόβιλο-υπερπληρωτές), και παρέχουν ποσότητα αέρα ανεξάρτητη από την πίεση αλλά ανάλογη με τον αριθμό στροφών του κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σταθερή σχέση πιέσεων σε όλες τις στροφές, υψηλή ροπή στις χαμηλές στροφές, άμεση απόκριση, παροχή αέρα ανάλογη των στροφών

Βασικά μέρη στρόβιλο-υπερπληρωτή

Ερώτηση: 4. Περιγράψτε τα βασικά μέρη ενός στρόβιλο-υπερπληρωτή.

Απάντηση:

• §1.7.2.2. «Οφείλουν την ονομασία τους στα δύο βασικά μέρη από τα οποία αποτελούνται, το συμπιεστή και το στρόβιλο (τουρμπίνα) που συνδέονται με έναν κοινό άξονα. Η τοποθέτηση ενός στρόβιλο-υπερπληρωτή (turbo-supercharger) στον κινητήρα γίνεται με τέτοιον τρόπο ώστε ο στρόβιλος να παρεμβάλλεται στο σύστημα εξαγωγής των καυσαερίων και ο συμπιεστής στο σύστημα εισαγωγής του αέρα.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένας στρόβιλο-υπερπληρωτής αποτελείται βασικά από δύο μέρη, συνδεδεμένα με κοινό άξονα: τον στρόβιλο (τουρμπίνα), ο οποίος παρεμβάλλεται στο σύστημα εξαγωγής των καυσαερίων και περιστρέφεται από την ενέργειά τους, και τον συμπιεστή, ο οποίος παρεμβάλλεται στο σύστημα εισαγωγής αέρα του κινητήρα και συμπιέζει τον εισερχόμενο αέρα εκμεταλλευόμενος την κίνηση που του μεταδίδεται από τον στρόβιλο μέσω του κοινού άξονα. Συμπληρωματικά, το σύστημα περιλαμβάνει τη βαλβίδα ελέγχου πίεσης (βαλβίδα εκτόνωσης - booster), που ρυθμίζει την πίεση λειτουργίας στις υψηλές στροφές.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Στρόβιλος (στην εξαγωγή) + συμπιεστής (στην εισαγωγή), συνδεδεμένοι με κοινό άξονα· συμπληρώνεται από τη βαλβίδα ελέγχου πίεσης

Μειονεκτήματα στρόβιλο-υπερπληρωτών

Ερώτηση: 5. Αναφέρατε τα μειονεκτήματα των στρόβιλο-υπερπληρωτών.

Απάντηση:

• §1.7.2.2. «Στα μειονεκτήματά τους συγκαταλέγονται ότι ενεργοποιούνται στις μεσαίες και υψηλές στροφές ενώ παρουσιάζουν καθυστερημένη ανταπόκριση σε γρήγορες αλλαγές των στροφών του κινητήρα.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα μειονεκτήματα των στρόβιλο-υπερπληρωτών είναι ότι ενεργοποιούνται αποτελεσματικά μόνο στις μεσαίες και υψηλές στροφές του κινητήρα (όπου η ροή καυσαερίων είναι επαρκής για να κινήσει τον στρόβιλο), και ότι παρουσιάζουν καθυστερημένη ανταπόκριση σε γρήγορες αλλαγές των στροφών του κινητήρα (το γνωστό φαινόμενο «turbo lag»), σε αντίθεση με τους μηχανικούς υπερσυμπιεστές που αποκρίνονται άμεσα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ενεργοποίηση μόνο σε μεσαίες/υψηλές στροφές· καθυστερημένη ανταπόκριση σε γρήγορες μεταβολές στροφών

Λόγος ψύξης του μείγματος που συμπιέζει ο υπερσυμπιεστής

Ερώτηση: 6. Το μείγμα αέρα καυσίμου που συμπιέζει ένας υπερσυμπιεστής χρειάζεται ψύξη για τον ακόλουθο λόγο:

Α) Για την μείωση της πιθανότητας υπερθέρμανσης του κινητήρα.

Β) Για την ψύξη του λιπαντικού του κινητήρα.

Γ) Για τη μείωση του φαινομένου αυταναφλέξεων στον κινητήρα.

Δ) Κανένα από τα παραπάνω.

Απάντηση:

• §1.7.3. «...κατά τη διαδικασία της συμπίεσης ο αέρας θερμαίνεται και έχει ως συνέπεια τη σημαντική αύξηση της πιθανότητας αυτανάφλεξης του καυσίμου (τα λεγόμενα "πειράκια")... χρησιμοποιείται και η λύση της τοποθέτησης ενός εναλλάκτη θερμότητας (intercooler - ψυγείο αέρα)... ο οποίος θα ψύχει τον συμπιεσμένο αέρα εισαγωγής.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Γ) Για τη μείωση του φαινομένου αυταναφλέξεων στον κινητήρα. Κατά τη συμπίεση ο αέρας θερμαίνεται σημαντικά, γεγονός που αυξάνει την πιθανότητα αυτανάφλεξης του καυσίμου (πρόωρη ή ανεξέλεγκτη καύση, τα «πειράκια»), μειώνοντας την απόδοση του κινητήρα ή ακόμη προκαλώντας βλάβη του. Για να αποφευχθεί αυτό, χρησιμοποιείται εναλλάκτης θερμότητας (intercooler) που ψύχει τον συμπιεσμένο αέρα πριν την είσοδό του στους κυλίνδρους.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Γ) Μείωση του φαινομένου αυτανάφλεξης — η θέρμανση του αέρα κατά τη συμπίεση αυξάνει τον κίνδυνο «πειρακίων»

Θέση μηχανικών υπερσυμπιεστών σε αστεροειδείς κινητήρες

Ερώτηση: 7. Σε ποια θέση συναντάμε συνήθως τους υπερσυμπιεστές άμεσης μετάδοσης κίνησης σε αστεροειδείς εμβολοφόρους κινητήρες και γιατί;

Απάντηση:

• §1.7.2. «Ως προς τη θέση, οι υπερσυμπιεστές διακρίνονται σε αυτούς που τοποθετούνται πριν από τον αναμεικτήρα και σε αυτούς που τοποθετούνται μεταξύ του αναμεικτήρα και του κινητήρα.» §1.7.2.1. «Οι μηχανικοί υπερσυμπιεστές παίρνουν κίνηση απευθείας από το στροφαλοφόρο άξονα κάτω από μία σταθερή σχέση μετάδοσης.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στους αστεροειδείς εμβολοφόρους κινητήρες, οι μηχανικοί (άμεσης μετάδοσης) υπερσυμπιεστές τοποθετούνται συνήθως στο πίσω τμήμα του κινητήρα, ανάμεσα στον αναμεικτήρα (εξαεριωτή) και τους κυλίνδρους. Αυτό γίνεται γιατί εκεί βρίσκεται και το σημείο λήψης κίνησης από τον στροφαλοφόρο άξονα (μέσω γραναζιών, με τη σταθερή σχέση μετάδοσης που χρειάζεται ο μηχανικός υπερσυμπιεστής), ενώ παράλληλα ο υπερσυμπιεστής συμπιέζει το ήδη σχηματισμένο μείγμα αμέσως πριν αυτό διανεμηθεί ομοιόμορφα στους γύρω-γύρω τοποθετημένους κυλίνδρους του αστεροειδούς κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πίσω τμήμα του κινητήρα, μεταξύ αναμεικτήρα και κυλίνδρων — για άμεση λήψη κίνησης από τον στροφαλοφόρο άξονα και ομοιόμορφη διανομή του συμπιεσμένου μείγματος

Τύπος υπερσυμπιεστή με τη μικρότερη απώλεια ισχύος

Ερώτηση: 8. Ποιος από τους τύπους υπερσυμπιεστών δημιουργεί την μικρότερη απώλεια ισχύος σε έναν κινητήρα και γιατί;

Απάντηση:

• §1.7.2.2. «Ως πλεονεκτήματα των στρόβιλο-υπερπληρωτών θεωρεί κανείς ότι για την κίνησή τους απαιτούν αμελητέα ισχύ του κινητήρα...» (σε αντίθεση με §1.7.2.1: «...κατανάλωση μεγάλης ισχύος για την κίνησή τους [των μηχανικών υπερσυμπιεστών] (της τάξης των 50hp για έναν κινητήρα 500hp).»

Σύνοψη: Ο στρόβιλο-υπερπληρωτής (turbo-supercharger) δημιουργεί τη μικρότερη απώλεια ισχύος στον κινητήρα, γιατί κινείται από την ενέργεια των καυσαερίων εξαγωγής — ενέργεια που διαφορετικά θα χανόταν — και έτσι απαιτεί αμελητέα ισχύ από τον ίδιο τον κινητήρα. Αντίθετα, ο μηχανικός υπερσυμπιεστής παίρνει κίνηση απευθείας από τον στροφαλοφόρο άξονα και καταναλώνει σημαντικό ποσοστό της ισχύος του κινητήρα (π.χ. ~50hp σε κινητήρα 500hp).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ο στρόβιλο-υπερπληρωτής — κινείται από ενέργεια καυσαερίων που αλλιώς θα χανόταν, όχι από ισχύ του κινητήρα

Θέση εναλλάκτη (intercooler) στο ρεύμα αέρα

Ερώτηση: 9. Ο εναλλάκτης του συστήματος εισαγωγής του κινητήρα τοποθετείται στο ρεύμα αέρα του σκάφους για την αποτελεσματικότερη λειτουργία του.

ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §1.7.3. «...χρησιμοποιείται και η λύση της τοποθέτησης ενός εναλλάκτη θερμότητας (intercooler - ψυγείο αέρα)... ο οποίος θα ψύχει τον συμπιεσμένο αέρα εισαγωγής.» Σχήμα 1.85: «εναλλάκτης αέρα - αέρα» σε υπερτροφοδοτούμενο κινητήρα.

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: ΣΩΣΤΟ. Ο εναλλάκτης θερμότητας (intercooler) του συστήματος εισαγωγής είναι τύπου αέρα-αέρα και τοποθετείται όντως στο ρεύμα αέρα του αεροσκάφους, ώστε να εκμεταλλεύεται τη ροή του εξωτερικού αέρα κατά την πτήση για την αποτελεσματικότερη ψύξη του συμπιεσμένου αέρα εισαγωγής, περιορίζοντας τη θερμοκρασία του σε περίπου 40°C πριν αυτός εισέλθει στους κυλίνδρους.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• ΣΩΣΤΟ — το intercooler τύπου αέρα-αέρα εκμεταλλεύεται το ρεύμα αέρα του αεροσκάφους για αποτελεσματικότερη ψύξη

Ρόλος της βαλβίδας ελέγχου πίεσης του υπερσυμπιεστή

Ερώτηση: 10. Ποιος είναι ο ρόλος της βαλβίδας ελέγχου πίεσης του υπερσυμπιεστή;

Απάντηση:

• §1.7.2.2. «...χρησιμοποιείται η βαλβίδα ελέγχου της πίεσης (βαλβίδα εκτόνωσης - Booster) που περιορίζει την πίεση του στρόβιλο-υπερπληρωτή στις υψηλές στροφές λειτουργίας του... Όταν η πίεση ξεπεράσει μία προκαθορισμένη τιμή, η βαλβίδα ανοίγει μία δίοδο για τα καυσαέρια προς την εξαγωγή. Με τον τρόπο αυτόν, ο στρόβιλος λειτουργεί με περιορισμένη παροχή και η πίεση μειώνεται στα επιθυμητά επίπεδα.»

Σύνοψη: Ο ρόλος της βαλβίδας ελέγχου πίεσης (βαλβίδα εκτόνωσης - Booster) είναι να περιορίζει την πίεση υπερπλήρωσης του στρόβιλο-υπερπληρωτή στις υψηλές στροφές λειτουργίας, ώστε να αποφεύγεται υπερβολική αύξηση πίεσης στους κυλίνδρους. Ρυθμίζεται από έμβολο που ενεργοποιείται από την πίεση στην πολλαπλή σωλήνωση εισαγωγής· όταν η πίεση ξεπεράσει προκαθορισμένη τιμή, η βαλβίδα ανοίγει δίοδο εκτροπής καυσαερίων προς την εξαγωγή, ώστε ο στρόβιλος να λειτουργεί με περιορισμένη παροχή και η πίεση να μειωθεί στα επιθυμητά επίπεδα. Ο έλεγχός της γίνεται είτε από τον χειριστή είτε αυτόματα, μέσω ρυθμιστή πυκνότητας και ρυθμιστή διαφορικής πίεσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Περιορίζει την πίεση υπερπλήρωσης στις υψηλές στροφές, εκτρέποντας καυσαέρια από τον στρόβιλο προς την εξαγωγή