Λύσεις — Ενότητα 3: Κύκλος Λειτουργίας των Μ.Ε.Κ. (σελ. 68) – ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 3: Κύκλος Λειτουργίας των Μ.Ε.Κ.

Λύσεις στις 9 ερωτήσεις της ενότητας 3: μετατροπή χημικής σε μηχανική ενέργεια, έννοιες συμπίεσης-εκτόνωσης, εξαρτήματα του συστήματος εμβόλου-διωστήρα-στροφαλοφόρου, προορισμός στροφαλοφόρου άξονα και σφονδύλου, ορισμός του χρόνου (Stroke), οι 5 διεργασίες του κύκλου Μ.Ε.Κ., διαφορές OTTO/DIESEL κατά την εισαγωγή-συμπίεση, και πλεονεκτήματα/μειονεκτήματα δίχρονων-τετράχρονων κινητήρων.

Από το καύσιμο σε μηχανική ενέργεια/κίνηση εμβόλου

Ερώτηση: Σε μια ΜΕΚ, πώς από το καύσιμο παράγεται μηχανική ενέργεια και άρα κίνηση στο έμβολο;

Απάντηση:

• Σε μια ΜΕΚ, πώς από το καύσιμο παράγεται μηχανική ενέργεια και άρα κίνηση στο έμβολο;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στις Μηχανές Εσωτερικής Καύσης η χημική ενέργεια που περικλείεται στο καύσιμο μετατρέπεται πρώτα σε θερμική ενέργεια μέσω της διαδικασίας της καύσης, και στη συνέχεια μέρος της θερμικής ενέργειας μετατρέπεται σε μηχανική. Αυτό επιτυγχάνεται με αύξηση της πίεσης μέσα στον κύλινδρο (κατά τη συμπίεση και την καύση του μίγματος αέρα-καυσίμου) και στη συνέχεια με την εκτόνωση των παραγόμενων αερίων καύσης: τα καυσαέρια, υπό υψηλή πίεση, ωθούν το έμβολο προς τα κάτω, παράγοντας έτσι μηχανικό έργο. Το ίδιο το καύσιμο, με τα προϊόντα της καύσης του και με τη βοήθεια των μηχανισμών του κινητήρα (κύλινδρος - έμβολο - διωστήρας - στροφαλοφόρος), επενεργεί πλέον ως καυσαέριο και αποδίδει το μηχανικό έργο, το οποίο μέσω του διωστήρα μεταφέρεται στον στροφαλοφόρο άξονα ως περιστροφική κίνηση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Χημική ενέργεια καυσίμου → θερμική (καύση) → μηχανική· η εκτόνωση των καυσαερίων ωθεί το έμβολο και παράγει έργο

Έννοιες συμπίεσης και εκτόνωσης με παραδείγματα

Ερώτηση: Δώστε τις έννοιες της συμπίεσης και της εκτόνωσης και να αναφέρετε απλά παραδείγματα για αυτές τις περιπτώσεις.

Απάντηση:

• Δώστε τις έννοιες της συμπίεσης και της εκτόνωσης και να αναφέρετε απλά παραδείγματα για αυτές τις περιπτώσεις.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Συμπίεση ονομάζεται η φάση κατά την οποία το έμβολο μειώνει τον όγκο του αερίου μέσα σε έναν κύλινδρο· κατά τη φάση αυτή αυξάνεται η πίεση (και η θερμοκρασία) και καταναλώνεται έργο, αφού απαιτείται δύναμη για να μετακινηθεί το έμβολο και να μειωθεί ο όγκος. Παράδειγμα: το έμβολο κινείται προς τα πάνω στον κύλινδρο συμπιέζοντας το μίγμα αέρα-καυσίμου (ή μόνο τον αέρα, στους πετρελαιοκινητήρες) πριν από την καύση. Εκτόνωση ονομάζεται η φάση κατά την οποία το έμβολο αυξάνει τον όγκο του αερίου μέσα στον κύλινδρο· κατά τη φάση αυτή μειώνεται η πίεση και παράγεται έργο — είναι η μόνη ωφέλιμη φάση του κύκλου. Παράδειγμα: μετά την καύση του μίγματος, τα καυσαέρια υπό πίεση σπρώχνουν το έμβολο προς τα κάτω, αυξάνοντας τον όγκο πάνω από αυτό και παράγοντας το μηχανικό έργο που κινεί τελικά το όχημα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Συμπίεση: μειώνεται ο όγκος, αυξάνεται η πίεση, καταναλώνεται έργο· Εκτόνωση: αυξάνεται ο όγκος, μειώνεται η πίεση, παράγεται έργο (ωφέλιμη φάση)

Κύρια εξαρτήματα μετατροπής παλινδρομικής σε περιστροφική κίνηση

Ερώτηση: Ποια είναι τα κύρια εξαρτήματα που αποτελούν το σύστημα παραγωγής και μετατροπής της κίνησης από ευθύγραμμη - παλινδρομική σε περιστροφική;

Απάντηση:

• Ποια είναι τα κύρια εξαρτήματα που αποτελούν το σύστημα παραγωγής και μετατροπής της κίνησης από ευθύγραμμη - παλινδρομική σε περιστροφική;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το σύστημα παραγωγής ευθύγραμμης-παλινδρομικής κίνησης, το οποίο τη μετατρέπει σε περιστροφική, αποτελείται από τον βασικό κινηματικό μηχανισμό εμβόλου - διωστήρα - στροφαλοφόρου άξονα και τα κύρια εξαρτήματά του είναι πέντε: 1) το σώμα των κυλίνδρων (μπλοκ ή κορμός), 2) τα έμβολα με τα εξαρτήματά τους (ελατήρια, πείρος), 3) οι διωστήρες (μπιέλες), 4) ο στροφαλοφόρος άξονας και 5) ο σφόνδυλος (βολάν). Το έμβολο εκτελεί την παλινδρομική κίνηση μέσα στον κύλινδρο, ο διωστήρας μεταφέρει την κίνηση στον στροφαλοφόρο άξονα, ο οποίος με τη βοήθεια των στροφάλων τη μετατρέπει σε περιστροφική, ενώ ο σφόνδυλος εξομαλύνει τη λειτουργία διατηρώντας την περιστροφή στους παθητικούς χρόνους.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• 5 εξαρτήματα: σώμα κυλίνδρων (μπλοκ), έμβολα, διωστήρες (μπιέλες), στροφαλοφόρος άξονας, σφόνδυλος (βολάν)

Προορισμός και κύρια μέρη στροφαλοφόρου άξονα

Ερώτηση: Ποιος είναι ο προορισμός του στροφαλοφόρου άξονα και ποια τα κύρια μέρη του;

Απάντηση:

• Ποιος είναι ο προορισμός του στροφαλοφόρου άξονα και ποια τα κύρια μέρη του;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο προορισμός του στροφαλοφόρου άξονα είναι να μετατρέπει, με τη βοήθεια των στροφάλων, την παλινδρομική κίνηση του εμβόλου σε περιστροφική. Κατασκευάζεται συνήθως ενιαίος, από σφυρήλατο χάλυβα, για μεγαλύτερη αντοχή. Τα κύρια μέρη του στροφαλοφόρου άξονα είναι: 1) τα κομβία βάσης (τα σημεία στήριξης του άξονα στο μπλοκ), 2) τα κομβία μπιελών (όπου εφαρμόζουν οι κεφαλές των διωστήρων), 3) οι βραχίονες ή κιθάρες (συνδέουν τα κομβία βάσης με τα κομβία μπιελών), 4) οι αγωγοί λαδιού (για τη λίπανση των εδράνων) και 5) τα αντίβαρα (εξασφαλίζουν την ισορροπία του άξονα κατά την περιστροφή).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Προορισμός: παλινδρομική → περιστροφική κίνηση· μέρη: κομβία βάσης, κομβία μπιελών, βραχίονες/κιθάρες, αγωγοί λαδιού, αντίβαρα

Πώς ο σφόνδυλος διατηρεί την κίνηση στους παθητικούς χρόνους

Ερώτηση: Πώς ο σφόνδυλος επιτυγχάνει να διατηρήσει την κίνηση του στροφαλοφόρου άξονα κατά τους παθητικούς χρόνους;

Απάντηση:

• Πώς ο σφόνδυλος επιτυγχάνει να διατηρήσει την κίνηση του στροφαλοφόρου άξονα κατά τους παθητικούς χρόνους;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο σφόνδυλος (βολάν) είναι ένας αρκετά βαρύς μεταλλικός δίσκος, στερεωμένος στο ένα άκρο του στροφαλοφόρου άξονα. Κατά τον ωφέλιμο χρόνο της εκτόνωσης, το βολάν, λόγω της σχετικά μεγάλης μάζας του, απορροφά και αποθηκεύει (ως κινητική ενέργεια περιστροφής) μέρος της ενέργειας που παράγεται. Στη συνέχεια, χάρη στη μεγάλη του αδράνεια, «παρασύρει» με τη συνεχιζόμενη περιστροφή του τον στροφαλοφόρο άξονα και το έμβολο, ώστε αυτό να μπορέσει να εκτελέσει και τους υπόλοιπους τρεις παθητικούς χρόνους (εισαγωγή, συμπίεση, εξαγωγή), στους οποίους καταναλώνεται και όχι παράγεται έργο. Έτσι εξασφαλίζεται η ομαλή, συνεχής περιστροφή του άξονα χωρίς η μηχανή να «κολλάει» μεταξύ των διαδοχικών ωφέλιμων χρόνων. Όσο περισσότερους κυλίνδρους έχει ένας κινητήρας, τόσο μικρότερο μπορεί να είναι το βάρος του βολάν, αφού οι νεκροί χρόνοι ενός κυλίνδρου καλύπτονται από την εκτόνωση κάποιου άλλου κυλίνδρου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Το βολάν αποθηκεύει κινητική ενέργεια κατά την εκτόνωση και την αποδεσμεύει, «παρασύροντας» τον άξονα στους 3 παθητικούς χρόνους

Ορισμός χρόνου σε τετράχρονη και δίχρονη ΜΕΚ

Ερώτηση: Τι ορίζεται ως χρόνος μιας τετράχρονης ΜΕΚ και μιας αντίστοιχης δίχρονης;

Απάντηση:

• Τι ορίζεται ως χρόνος μιας τετράχρονης ΜΕΚ και μιας αντίστοιχης δίχρονης;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Με τον όρο «χρόνος» (Stroke) εννοούμε μία απλή διαδρομή που εκτελεί το έμβολο ανάμεσα στις δύο ακραίες θέσεις του, το Άνω Νεκρό Σημείο (Α.Ν.Σ.) και το Κάτω Νεκρό Σημείο (Κ.Ν.Σ.). Σε μια τετράχρονη ΜΕΚ, ένας πλήρης κύκλος λειτουργίας πραγματοποιείται σε δύο πλήρεις περιστροφές του στροφαλοφόρου άξονα, που αντιστοιχούν σε τέσσερις απλές διαδρομές (χρόνους) του εμβόλου: εισαγωγή, συμπίεση, καύση-εκτόνωση και εξαγωγή. Σε μια αντίστοιχη δίχρονη ΜΕΚ, ο πλήρης κύκλος λειτουργίας συμπληρώνεται με μία μόνο περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα, που αντιστοιχεί σε δύο απλές διαδρομές (χρόνους) του εμβόλου, καθώς οι διεργασίες της εισαγωγής και της εξαγωγής πραγματοποιούνται σχεδόν ταυτόχρονα με τις άλλες φάσεις μέσα στους δύο αυτούς χρόνους.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Χρόνος = μία απλή διαδρομή εμβόλου ΑΝΣ↔ΚΝΣ· τετράχρονη: 4 χρόνοι/2 περιστροφές· δίχρονη: 2 χρόνοι/1 περιστροφή

Οι διεργασίες του κύκλου των Μ.Ε.Κ.

Ερώτηση: Περιγράψτε ποιες διεργασίες πραγματοποιούνται στον κύκλο των Μ.Ε.Κ.

Απάντηση:

• Περιγράψτε ποιες διεργασίες πραγματοποιούνται στον κύκλο των Μ.Ε.Κ.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένας πλήρης κύκλος λειτουργίας μιας Μ.Ε.Κ. περιλαμβάνει πέντε διεργασίες (φάσεις): α) την εισαγωγή ή αναρρόφηση του αέρα ή του καυσίμου μίγματος μέσα στον κύλινδρο, β) τη συμπίεση του αέρα ή του καυσίμου μίγματος, με το έμβολο να κινείται προς το Άνω Νεκρό Σημείο, γ) την καύση του μίγματος αέρα-καυσίμου, η οποία δημιουργεί καυσαέρια υπό υψηλή πίεση και θερμοκρασία, δ) την εκτόνωση, γνωστή και ως «ωφέλιμος χρόνος», κατά την οποία τα καυσαέρια εκτονούμενα ωθούν το έμβολο και παράγεται το μηχανικό έργο, και ε) την εξαγωγή των καυσαερίων από τον κύλινδρο προς την πολλαπλή της εξάτμισης. Οι φάσεις αυτές πραγματοποιούνται με αυτή τη διαδοχική σειρά, ξεκινώντας πάλι από την εισαγωγή για τον επόμενο κύκλο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• 5 διεργασίες: εισαγωγή, συμπίεση, καύση, εκτόνωση (ωφέλιμος χρόνος), εξαγωγή

Διαφορές OTTO/DIESEL στην εισαγωγή και τη συμπίεση

Ερώτηση: Να αναφέρετε τις βασικές διαφορές ανάμεσα στις ΜΕΚ ΟΤΤΟ και DIESEL, κατά τους χρόνους της εισαγωγής και της συμπίεσης.

Απάντηση:

• Να αναφέρετε τις βασικές διαφορές ανάμεσα στις ΜΕΚ ΟΤΤΟ και DIESEL, κατά τους χρόνους της εισαγωγής και της συμπίεσης.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κατά τον χρόνο της εισαγωγής, στον κινητήρα OTTO (βενζινοκινητήρα) εισάγεται στον κύλινδρο μίγμα αέρα-καυσίμου, ενώ στον κινητήρα DIESEL (πετρελαιοκινητήρα) εισάγεται μόνο αέρας — το καύσιμο δεν εισάγεται σε αυτή τη φάση. Κατά τον χρόνο της συμπίεσης, στον OTTO συμπιέζεται το ήδη εισαχθέν μίγμα αέρα-καυσίμου, με αποτέλεσμα να αυξάνονται η πίεση και η θερμοκρασία στον κύλινδρο και να βελτιώνεται η ανάμιξη αέρα-καυσίμου· στον DIESEL συμπιέζεται μόνο ο αέρας, σε πολύ υψηλότερο βαθμό, με αποτέλεσμα να αυξάνεται σημαντικά η θερμοκρασία του, ώστε να προετοιμαστεί η αυτανάφλεξη του καυσίμου που θα εγχυθεί στη συνέχεια. Έτσι, η βασική διαφορά είναι ότι ο OTTO συμπιέζει έτοιμο μίγμα (και χρειάζεται ηλεκτρικό σπινθήρα για την ανάφλεξή του στην επόμενη φάση), ενώ ο DIESEL συμπιέζει μόνο αέρα σε υψηλότερο λόγο συμπίεσης (και δεν χρειάζεται σπινθήρα, λόγω αυτανάφλεξης).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Εισαγωγή: OTTO=μίγμα αέρα-καυσίμου, DIESEL=μόνο αέρας· Συμπίεση: OTTO=μίγμα (αύξηση p,T, καλύτερη ανάμιξη), DIESEL=μόνο αέρας σε υψηλότερο βαθμό (προετοιμασία αυτανάφλεξης)

Πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα δίχρονων και τετράχρονων κινητήρων

Ερώτηση: Να αναφέρετε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα μεταξύ των δίχρονων και των τετράχρονων κινητήρων.

Απάντηση:

• Να αναφέρετε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα μεταξύ των δίχρονων και των τετράχρονων κινητήρων.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένας δίχρονος κινητήρας, όταν συμπιέζει μίγμα αέρα-καυσίμου, αποδίδει 40% έως 50% περισσότερη ισχύ σε σχέση με έναν τετράχρονο κινητήρα αντίστοιχων διαστάσεων και στροφών λειτουργίας — αυτό είναι πλεονέκτημά του, όπως και το ότι, για ίδια περίπου ισχύ, είναι μικρότερου βάρους και μικρότερου κόστους κατασκευής. Ως μειονεκτήματα του δίχρονου κινητήρα αναφέρονται οι αυξημένοι ρυπαντές και η χειρότερη ποιότητα καύσης σε σχέση με τον τετράχρονο, καθώς και η μεγαλύτερη ειδική κατανάλωση καυσίμου και λαδιού λίπανσης (κατά 15%-20% μεγαλύτερη από αυτή του τετράχρονου). Αντίστοιχα, ο τετράχρονος κινητήρας έχει ως πλεονεκτήματα την καλύτερη ποιότητα καύσης, τους λιγότερους ρυπαντές και τη μικρότερη ειδική κατανάλωση καυσίμου/λαδιού, ενώ ως μειονεκτήματα, σε σχέση με τον δίχρονο, έχει τη μικρότερη ισχύ για ίδιες διαστάσεις/στροφές και το μεγαλύτερο βάρος και κόστος κατασκευής.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δίχρονος: +40-50% ισχύ, μικρότερο βάρος/κόστος, αλλά περισσότεροι ρυπαντές και +15-20% κατανάλωση· Τετράχρονος: αντίστροφα