Λύσεις — Ενότητα 09: Κυλινδρισμός – Σχέση/Πίεση Συμπίεσης (σελ. 121) – ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 09: Κυλινδρισμός - Σχέση/Πίεση Συμπίεσης

Λύσεις στις 9 ερωτήσεις του §4.6: ορισμός και τύπος υπολογισμού του κυλινδρισμού V=(π·d²/4)·l, η σχέση συμπίεσης και ο θάλαμος καύσης (νεκρός χώρος), το νόημα μιας δοσμένης αναλογίας συμπίεσης, οι τεχνικές παρεμβάσεις που τη μεταβάλλουν, τα ανώτατα όριά της και ο ρόλος των αντικροτικών, καθώς και η πίεση συμπίεσης — τι είναι, γιατί ανεβαίνει απότομα μετά την ανάφλεξη και γιατί μειώνεται με τη φθορά των ελατηρίων των εμβόλων.

Ορισμός κυλινδρισμού

Ερώτηση: Πώς ορίζεται ο κυλινδρισμός ενός κινητήρα;

Απάντηση:

• Πώς ορίζεται ο κυλινδρισμός ενός κινητήρα;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κυλινδρισμός ονομάζεται ο όγκος που διαγράφεται κατά τη διαδρομή του εμβόλου μέσα στον κύλινδρο από το Κ.Ν.Σ. (Κάτω Νεκρό Σημείο) μέχρι το Α.Ν.Σ. (Άνω Νεκρό Σημείο). Κατ' επέκταση, ο κυλινδρισμός ενός (πολυκύλινδρου) κινητήρα είναι το άθροισμα των κυλινδρισμών όλων των κυλίνδρων του. Τα βασικά στοιχεία για τον υπολογισμό του είναι η εσωτερική διάμετρος d του κυλίνδρου και το μήκος της διαδρομής l του εμβόλου (από το Κ.Ν.Σ. μέχρι το Α.Ν.Σ.): ο κυλινδρισμός υπολογίζεται ως ο όγκος ενός κυλίνδρου με βάση διάμετρο ίση με d και ύψος ίσο με l, δηλαδή V = Ε · l, και επειδή το εμβαδόν της βάσης είναι Ε = π·d²/4, προκύπτει ο τύπος V = (π·d²/4)·l, όπου π = 3,14. Αν ο κινητήρας έχει πολλούς κυλίνδρους, ο συνολικός κυλινδρισμός προκύπτει αθροίζοντας τους επιμέρους κυλινδρισμούς όλων των κυλίνδρων (π.χ. ένας 4κύλινδρος κινητήρας με d=8cm και l=10cm έχει κυλινδρισμό 500 cm³ ανά κύλινδρο, άρα συνολικά 2.000 cm³ ή 2 λίτρα). Ο κυλινδρισμός αποτελεί ένα από τα κύρια στοιχεία καθορισμού της ισχύος του κινητήρα, γι' αυτό και λαμβάνεται υπόψη στον υπολογισμό της φορολογήσιμης ισχύος των αυτοκινήτων και μοτοσυκλετών.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κυλινδρισμός = όγκος διαδρομής εμβόλου Κ.Ν.Σ.→Α.Ν.Σ.· V=(π·d²/4)·l· άθροισμα όλων των κυλίνδρων· καθορίζει την ισχύ (και τη φορολόγηση)

Σχέση συμπίεσης και θάλαμος καύσης

Ερώτηση: Τι είναι η σχέση συμπίεσης και τι ονομάζεται θάλαμος καύσης;

Απάντηση:

• Τι είναι η σχέση συμπίεσης και τι ονομάζεται θάλαμος καύσης;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η σχέση συμπίεσης (ή βαθμός συμπίεσης) των κινητήρων είναι ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά τους, γιατί προσδιορίζει την απόδοσή τους και την ποιότητα του καυσίμου που μπορούν να χρησιμοποιήσουν. Είναι ο λόγος του όγκου που καταλαμβάνει το μίγμα του καυσίμου όταν το έμβολο βρίσκεται στο Κ.Ν.Σ., δια του όγκου στον οποίο συμπιέζεται το ίδιο μίγμα όταν το έμβολο έρχεται στο Α.Ν.Σ. (λ = V/Vσυμπ = 1 + Vκυλ/Vσυμπ, όπου Vκυλ ο κυλινδρισμός και Vσυμπ ο όγκος του θαλάμου καύσης). Θάλαμος καύσης ονομάζεται ακριβώς ο χώρος στον οποίο συμπιέζεται τελικά το μίγμα και στον οποίο γίνεται η καύση του — ονομάζεται και νεκρός χώρος ή θάλαμος συμπίεσης. Είναι ο πολύ μικρότερος όγκος που απομένει στον κύλινδρο, όταν το έμβολο βρίσκεται στο Α.Ν.Σ., δηλαδή στο τέλος της διαδρομής συμπίεσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σχέση συμπίεσης = λόγος όγκου μίγματος στο Κ.Ν.Σ. προς τον όγκο στο Α.Ν.Σ. (λ=1+Vκυλ/Vσυμπ)· θάλαμος καύσης = ο τελικός χώρος συμπίεσης/καύσης (νεκρός χώρος)

Τι σημαίνει σχέση συμπίεσης 10,5:1

Ερώτηση: Τι εννοούμε, όταν λέμε ότι ένας κινητήρας έχει συμπίεση 10,5:1;

Απάντηση:

• Τι εννοούμε, όταν λέμε ότι ένας κινητήρας έχει συμπίεση 10,5:1;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Όταν λέμε ότι ένας κινητήρας έχει σχέση συμπίεσης 10,5:1, εννοούμε ότι ο όγκος του θαλάμου καύσης (του νεκρού χώρου, δηλαδή του χώρου που απομένει όταν το έμβολο βρίσκεται στο Α.Ν.Σ.) είναι το 1/10,5 του συνολικού όγκου του κυλίνδρου (δηλαδή του όγκου που καταλαμβάνει το μίγμα όταν το έμβολο βρίσκεται στο Κ.Ν.Σ.). Με άλλα λόγια, κατά τη διαδρομή συμπίεσης, το μίγμα καυσίμου-αέρα που αρχικά καταλάμβανε 10,5 «μονάδες» όγκου συμπιέζεται μέχρι να καταλάβει μόλις 1 «μονάδα» όγκου μέσα στο θάλαμο καύσης, πριν από την ανάφλεξή του. Όσο μεγαλύτερος είναι αυτός ο αριθμός (π.χ. 10,5 έναντι 8), τόσο πιο έντονη είναι η συμπίεση του μίγματος πριν την καύση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ο όγκος του θαλάμου καύσης είναι το 1/10,5 του συνολικού όγκου του κυλίνδρου· το μίγμα συμπιέζεται από 10,5 «μονάδες» όγκου σε 1

Πώς αλλάζει η σχέση συμπίεσης

Ερώτηση: Πώς μπορεί να αλλάξει η σχέση συμπίεσης σε έναν κινητήρα;

Απάντηση:

• Πώς μπορεί να αλλάξει η σχέση συμπίεσης σε έναν κινητήρα;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Σε έναν κινητήρα η σχέση συμπίεσης είναι σταθερή και δεν μεταβάλλεται από μόνη της, εφόσον καθορίζεται αποκλειστικά από τη γεωμετρία των εξαρτημάτων που ορίζουν τον κυλινδρισμό και τον όγκο του θαλάμου καύσης. Μπορεί, ωστόσο, να αλλάξει μόνο αν γίνουν τεχνικές παρεμβάσεις στο έμβολο (π.χ. αλλαγή του ύψους/σχήματος της κορυφής του εμβόλου, που μεταβάλλει τον όγκο του θαλάμου καύσης), στο διωστήρα (π.χ. αλλαγή μήκους, που επηρεάζει τη διαδρομή του εμβόλου), στα χιτώνια (π.χ. αλλαγή διαμέτρου κυλίνδρου) ή στην κυλινδροκεφαλή (π.χ. φρεζάρισμα/επεξεργασία της επιφάνειας που μεταβάλλει τον όγκο του θαλάμου καύσης). Τέτοιες παρεμβάσεις γίνονται συνήθως σε μη εγκεκριμένες από τον κατασκευαστή μετατροπές του κινητήρα, με σκοπό την αύξηση της απόδοσής του, αλλά με τον κίνδυνο να προκληθεί υπερβολική αύξηση της πίεσης συμπίεσης και, τελικά, αυτανάφλεξη του καυσίμου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Παραμένει σταθερή, εκτός αν γίνουν τεχνικές παρεμβάσεις στο έμβολο, στο διωστήρα, στα χιτώνια ή στην κυλινδροκεφαλή

Γιατί υπάρχουν ανώτατα όρια στη συμπίεση

Ερώτηση: Γιατί η συμπίεση δεν μπορεί να υπερβεί κάποια ανώτατα όρια;

Απάντηση:

• Γιατί η συμπίεση δεν μπορεί να υπερβεί κάποια ανώτατα όρια;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η αύξηση της σχέσης συμπίεσης βελτιώνει την απόδοση του κινητήρα, γι' αυτό η σχέση συμπίεσης στα αυτοκίνητα με απλή βενζίνη κυμαίνεται από 6,5 μέχρι 8,7:1, στα αυτοκίνητα με βενζίνη σούπερ από 7,8 μέχρι 11,0:1 και στα αγωνιστικά αυτοκίνητα από 10 μέχρι 12:1 ή και υψηλότερη. Παρά τα πλεονεκτήματα αυτά, όμως, η συμπίεση δεν μπορεί να υπερβεί κάποια ανώτατα όρια, γιατί, αν αυτά παραβιασθούν, προξενούν την αυτανάφλεξη του καυσίμου, εξαιτίας της αυξημένης πίεσης (και θερμοκρασίας) συμπίεσης που αναπτύσσεται μέσα στον κύλινδρο. Η αυτανάφλεξη σημαίνει ότι το μίγμα καίγεται μόνο του, πριν από την κανονική στιγμή που θα έπρεπε να δοθεί ο σπινθήρας, με τη μορφή απότομης, εκρηκτικής (κρουστικής) καύσης — φαινόμενο που προκαλεί κτύπους («πειράκια»), υπερθέρμανση, πτώση απόδοσης, φθορά ή και καταστροφή εξαρτημάτων (π.χ. τρύπημα εμβόλου), αυξημένη κατανάλωση και αυξημένους ρύπους στα καυσαέρια.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πέρα από κάποιο όριο η αυξημένη πίεση/θερμοκρασία συμπίεσης προκαλεί αυτανάφλεξη (κρουστική καύση) του καυσίμου, με βλάβες/φθορές, πτώση απόδοσης, αυξημένη κατανάλωση/ρύπους

Τι είναι τα «αντικροτικά»

Ερώτηση: Τι είναι τα «αντικροτικά» και γιατί προστίθενται στη βενζίνη;

Απάντηση:

• Τι είναι τα «αντικροτικά» και γιατί προστίθενται στη βενζίνη;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα «αντικροτικά» είναι ειδικές ουσίες που προστίθενται στη βενζίνη με σκοπό να αποφευχθεί το φαινόμενο της αυτανάφλεξης του καυσίμου, το οποίο εμφανίζεται σε κινητήρες με υψηλή σχέση συμπίεσης εξαιτίας της αυξημένης πίεσης συμπίεσης. Χωρίς τα αντικροτικά, ένας κινητήρας υψηλής σχέσης συμπίεσης θα εμφάνιζε συχνά κρουστική καύση («πειράκια»), με τις γνωστές αρνητικές συνέπειες (υπερθέρμανση, φθορές, πτώση απόδοσης, αυξημένη κατανάλωση). Προστίθενται, λοιπόν, στη βενζίνη ακριβώς για να επιτρέψουν τη χρήση υψηλότερων σχέσεων συμπίεσης χωρίς κίνδυνο αυτανάφλεξης, βελτιώνοντας έτσι την αντικροτική ικανότητα (τον «βαθμό οκτανίων») του καυσίμου. Το βιβλίο σημειώνει, ωστόσο, ότι πολλά από τα αντικροτικά αυτά μολύνουν την ατμόσφαιρα κατά την έξοδό τους μαζί με τα καυσαέρια, γι' αυτό και η χρήση τους έχει περιοριστεί με την πάροδο του χρόνου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ειδικές ουσίες που προστίθενται στη βενζίνη για να αποτρέψουν την αυτανάφλεξη σε υψηλή σχέση συμπίεσης· μειονέκτημα: μόλυνση της ατμόσφαιρας από τα καυσαέρια

Γιατί η πίεση ανεβαίνει 3-4 φορές μετά την ανάφλεξη

Ερώτηση: Γιατί, αμέσως μετά την ανάφλεξη του μίγματος του καυσίμου, η πίεση στον κύλινδρο ανεβαίνει 3 με 4 φορές πάνω από την πίεση συμπίεσης;

Απάντηση:

• Γιατί, αμέσως μετά την ανάφλεξη του μίγματος του καυσίμου, η πίεση στον κύλινδρο ανεβαίνει 3 με 4 φορές πάνω από την πίεση συμπίεσης;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Αμέσως μετά την ανάφλεξη του μίγματος του καυσίμου, το μίγμα καίγεται με μεγάλη ταχύτητα, απελευθερώνοντας απότομα μεγάλη ποσότητα χημικής ενέργειας ως θερμότητα μέσα στον περιορισμένο (σχεδόν σταθερό, αφού το έμβολο δεν έχει ακόμη κινηθεί σημαντικά) όγκο του θαλάμου καύσης. Αυτή η ξαφνική απελευθέρωση θερμότητας ανεβάζει απότομα τη θερμοκρασία των καυσαερίων μέσα στον κύλινδρο, με αποτέλεσμα, σύμφωνα με τους νόμους των αερίων, να αυξάνεται εξίσου απότομα και η πίεσή τους — έτσι η πίεση στον κύλινδρο ανεβαίνει 3 με 4 φορές πάνω από την πίεση συμπίεσης που υπήρχε πριν την ανάφλεξη. Αυτή ακριβώς η μεγάλη αύξηση της πίεσης, λόγω της καύσης, είναι εκείνη που ωθεί το έμβολο να κατέβει (διαδρομή εκτόνωσης) και να αποδώσει ωφέλιμο έργο στον στροφαλοφόρο άξονα. Καθώς το έμβολο κατεβαίνει, ο όγκος αυξάνεται και η πίεση μειώνεται απότομα, ώσπου, τη στιγμή που ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής, να έχει πέσει στα 4-6 Kg/cm², φθάνοντας τελικά κάτω και από την ατμοσφαιρική πίεση (1 Kg/cm²) μόλις η βαλβίδα ανοίξει τελείως.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Η απότομη καύση απελευθερώνει θερμότητα μέσα σε σχεδόν σταθερό όγκο → απότομη άνοδος θερμοκρασίας και πίεσης, 3-4 φορές πάνω από την πίεση συμπίεσης· μετά μειώνεται απότομα καθώς κατεβαίνει το έμβολο

Ορισμός πίεσης συμπίεσης

Ερώτηση: Τι είναι η πίεση συμπίεσης;

Απάντηση:

• Τι είναι η πίεση συμπίεσης;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Πίεση συμπίεσης είναι η μέγιστη πίεση του μίγματος καυσίμου-αέρα που μπορεί να μετρηθεί μέσα στον κύλινδρο, τη στιγμή που το έμβολο βρίσκεται στο Α.Ν.Σ., χωρίς όμως να έχει γίνει καύση του μίγματος. Πρόκειται, δηλαδή, για την πίεση που αναπτύσσεται αποκλειστικά λόγω της μηχανικής συμπίεσης του αερίου μίγματος από το έμβολο, στο τέλος της διαδρομής συμπίεσης, και όχι λόγω της χημικής ενέργειας που απελευθερώνεται κατά την καύση (εκείνη η πολύ μεγαλύτερη πίεση εμφανίζεται μόνο μετά την ανάφλεξη). Η τιμή της πίεσης συμπίεσης σχετίζεται άμεσα με τη σχέση συμπίεσης του κινητήρα: όσο μεγαλύτερη είναι η σχέση συμπίεσης, τόσο μεγαλύτερη είναι και η πίεση (και η θερμοκρασία) συμπίεσης που αναπτύσσεται.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πίεση συμπίεσης = η μέγιστη πίεση του μίγματος στο Α.Ν.Σ., χωρίς καύση (καθαρά από τη μηχανική συμπίεση)

Γιατί αλλάζει η πίεση συμπίεσης

Ερώτηση: Γιατί η πίεση συμπίεσης αλλάζει σε έναν κινητήρα και πότε συμβαίνει αυτό;

Απάντηση:

• Γιατί η πίεση συμπίεσης αλλάζει σε έναν κινητήρα και πότε συμβαίνει αυτό;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Σε αντίθεση με τη σχέση συμπίεσης, που είναι σταθερή σε έναν κινητήρα (εκτός αν γίνουν τεχνικές παρεμβάσεις στη γεωμετρία του), η πίεση συμπίεσης δεν είναι σταθερή μεγέθος και μπορεί να μεταβληθεί κατά τη διάρκεια ζωής του κινητήρα. Αυτό συμβαίνει, συγκεκριμένα, όταν αρχίζουν να φθείρονται τα ελατήρια των εμβόλων και δεν εφαρμόζουν πλέον στεγανά στο εσωτερικό των κυλίνδρων (δηλαδή χάνεται η στεγανότητα ανάμεσα στο έμβολο και το τοίχωμα του κυλίνδρου): μέρος του συμπιεζόμενου μίγματος «διαφεύγει» τότε προς το στροφαλοθάλαμο, με αποτέλεσμα η μέγιστη πίεση που αναπτύσσεται στο Α.Ν.Σ. να είναι χαμηλότερη από την κανονική, δηλαδή η πίεση συμπίεσης να μειώνεται. Η φθορά αυτή αυξάνεται όσο γερνάει ο κινητήρας, γι' αυτό και ο έλεγχος της πίεσης συμπίεσης (με ειδικό όργανο, το κομπρεσόμετρο) χρησιμοποιείται στην πράξη ως ένδειξη της γενικής κατάστασης φθοράς των εμβόλων/ελατηρίων και των κυλίνδρων ενός κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Η πίεση συμπίεσης (σε αντίθεση με τη σταθερή σχέση συμπίεσης) μειώνεται όταν φθαρούν τα ελατήρια των εμβόλων και χάνουν τη στεγανότητά τους στους κυλίνδρους