Λύσεις — Ενότητα 18: Καύσιμο – Λίπανση – Ψύξη – Υπερπλήρωση Diesel (σελ. 292) – ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 18: Καύσιμο - Λίπανση - Ψύξη - Υπερπλήρωση Diesel

Λύσεις στις 5 ερωτήσεις της τελευταίας ενότητας του Κεφ.5 (μηχανές diesel): ο αριθμός κετανίου ως αντίστοιχο μέγεθος του αριθμού οκτανίων, λίπανση και ψύξη πετρελαιομηχανών, η υπερπλήρωση (μηχανική και με καυσαέρια/turbocharger) με τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά της, και οι δύο τύποι σάρωσης (ευθείας ροής και βρογχοειδής) στις δίχρονες μηχανές diesel.

Ο αντίστοιχος όρος του αριθμού οκτανίων στα καύσιμα diesel

Ερώτηση: Στις βενζινομηχανές, μας ενδιαφέρει ο αριθμός οκτανίων του καυσίμου. Στις μηχανές diesel, ποιος είναι ο αντίστοιχος όρος και με ποια ιδιότητα του καυσίμου diesel έχει σχέση;

Απάντηση:

• Στις βενζινομηχανές, μας ενδιαφέρει ο αριθμός οκτανίων του καυσίμου. Στις μηχανές diesel, ποιος είναι ο αντίστοιχος όρος και με ποια ιδιότητα του καυσίμου diesel έχει σχέση;

Σύνοψη: Ο αντίστοιχος όρος, στις μηχανές diesel, με τον αριθμό οκτανίων της βενζίνης είναι ο αριθμός κετανίου του πετρελαίου (diesel). Ο αριθμός κετανίου προσδιορίζεται με μια μέθοδο σύγκρισης, στην οποία η ποιότητα του χρησιμοποιούμενου πετρελαίου συγκρίνεται με μια πρότυπη ποιότητα πετρελαίου σε δοκιμαστική μηχανή, και αποτελεί το μέτρο της ταχύτητας αυτανάφλεξής του, δηλαδή σχετίζεται με τη θερμοκρασία/ικανότητα αυτανάφλεξης του καυσίμου diesel — την ιδιότητα σύμφωνα με την οποία το πετρέλαιο, όταν θερμανθεί (κατά τη φάση της συμπίεσης του αέρα στον κύλινδρο), μπορεί να αναφλεγεί χωρίς τη χρήση κάποιου θερμαντικού στοιχείου ή πηγής φλόγας. Το κετάνιο είναι υδρογονάνθρακας με μεγάλη ταχύτητα αυτανάφλεξης, που χαρακτηρίζεται ως το 100 (ανώτερο σημείο της κλίμακας), ενώ ένας άλλος υδρογονάνθρακας με πολύ μικρή ταχύτητα αυτανάφλεξης χαρακτηρίζεται ως το μηδέν· έτσι, ένα πετρέλαιο με αριθμό κετανίου 55 έχει ταχύτητα αυτανάφλεξης παρόμοια με ένα μίγμα υδρογονανθράκων με περιεκτικότητα 55% σε κετάνιο. Το πετρέλαιο που χρησιμοποιείται στις κυριότερες εφαρμογές έχει αριθμό κετανίου που κυμαίνεται από 45 έως 70. Η θερμοκρασία αυτανάφλεξης (και ο αριθμός κετανίου που τη μετρά) είναι η πιο σημαντική ιδιότητα του καυσίμου diesel, γιατί σ' αυτήν στηρίζεται η ίδια η λειτουργία της μηχανής — σε αντίθεση με τη βενζινομηχανή, όπου η ανάφλεξη του μείγματος προκαλείται από σπινθήρα και όχι από αυτανάφλεξη λόγω συμπίεσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αριθμός κετανίου (αντί οκτανίων) → μέτρο ταχύτητας αυτανάφλεξης του πετρελαίου diesel· κλίμακα 0 (χαμηλή) - 100 (κετάνιο, υψηλή)· εμπορικό πετρέλαιο 45-70

Τι επιτυγχάνεται με την υπερπλήρωση

Ερώτηση: Τι επιτυγχάνεται με την υπερπλήρωση ενός κινητήρα;

Απάντηση:

• Τι επιτυγχάνεται με την υπερπλήρωση ενός κινητήρα;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Με την υπερπλήρωση ενός κινητήρα διοχετεύεται, με τη βοήθεια εξωτερικών παρεμβάσεων (συμπιεστή), μεγαλύτερη ποσότητα αέρα μέσα στους κυλίνδρους απ' όση θα εισέρχονταν με απλή φυσική εισροή λόγω της υποπίεσης που δημιουργεί η κίνηση του εμβόλου. Επειδή, για μια δεδομένη μηχανή, όσο περισσότερος αέρας εισέρχεται στους κυλίνδρους τόσο περισσότερο καύσιμο μπορεί να καεί, το αποτέλεσμα είναι να αυξάνεται η πίεση των καυσαερίων και, άρα, να επιτυγχάνεται αύξηση της ισχύος και της ροπής της μηχανής — χωρίς να αλλάξει το μέγεθος (κυλινδρισμός) της. Στις μηχανές diesel η υπερπλήρωση είναι μάλιστα ακόμα περισσότερο αποδοτική απ' ό,τι στις βενζινομηχανές, γιατί ο χρόνος ανάμιξης καυσίμου-αέρα κατά την καύση είναι πολύ μικρότερος, οπότε υπάρχει μεγαλύτερη ανάγκη για περισσότερο οξυγόνο· με την υπερπλήρωση η μηχανή diesel αξιοποιεί αυτό το επιπλέον οξυγόνο, αυξάνοντας την αποδιδόμενη ισχύ, ενώ παράλληλα η αύξηση του οξυγόνου περιορίζει και την καθυστέρηση της αυτανάφλεξης του καυσίμου, βοηθώντας στην ομαλότερη λειτουργία της μηχανής. Χάρη σε αυτά τα πλεονεκτήματα, οι κατασκευαστές αξιοποιούν την υπερπλήρωση είτε για να αυξήσουν την ισχύ κινητήρων που ήδη χρησιμοποιούνται είτε για να κατασκευάσουν μικρότερες σε μέγεθος μηχανές με μεγάλη, ωστόσο, ισχύ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Περισσότερος αέρας στους κυλίνδρους → περισσότερο καύσιμο → αύξηση ισχύος και ροπής (στα diesel βοηθά και στη μείωση της καθυστέρησης αυτανάφλεξης)

Το βασικό μειονέκτημα του μηχανικού συμπιεστή

Ερώτηση: Ποιο είναι το βασικό μειονέκτημα του μηχανικού συμπιεστή;

Απάντηση:

• Ποιο είναι το βασικό μειονέκτημα του μηχανικού συμπιεστή;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο μηχανικός συμπιεστής υπερπλήρωσης παίρνει την κίνησή του απευθείας, με μηχανική ισχύ, από τον άξονα της ίδιας της μηχανής (τύπου λοβών/Roots, ακτινικού ανεμιστήρα ή με πτερύγια και έκκεντρο άξονα περιστροφής). Το βασικό του μειονέκτημα είναι ακριβώς αυτό: επειδή χρησιμοποιεί μέρος της ίδιας της ισχύος της μηχανής για την ίδια του τη λειτουργία, αυτό έχει άμεση αρνητική επίδραση στις αποδόσεις της μηχανής και στην κατανάλωση καυσίμου — μέρος της παραγόμενης ισχύος «χάνεται» για την κίνηση του συμπιεστή, αντί να διατίθεται στους τροχούς. Ο μηχανικός συμπιεστής έχει βέβαια σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως το ότι η απόκρισή του στην αύξηση του φορτίου είναι άμεση (αφού ο ρυθμός παροχής αέρα είναι ανάλογος με τις στροφές του άξονα), σχετικά απλή κατασκευή, καλή απόδοση και σε χαμηλές στροφές, χωρίς ιδιαίτερη καταπόνηση από υψηλές θερμοκρασίες· αυτό το μειονέκτημα της κατανάλωσης ισχύος, όμως, οδήγησε πολλούς κατασκευαστές στη χρήση συμπιεστών που κινούνται από τα καυσαέρια της μηχανής (turbocharger), ώστε να αξιοποιείται ωφέλιμα ενέργεια που αλλιώς θα χανόταν.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Καταναλώνει μέρος της ισχύος της μηχανής για τη δική του λειτουργία → επίδραση στην απόδοση και στην κατανάλωση καυσίμου

Το βασικό μειονέκτημα του συμπιεστή με καυσαέρια (turbocharger)

Ερώτηση: Ποιο είναι το βασικό μειονέκτημα του συμπιεστή εκείνου που λειτουργεί με τα καυσαέρια της μηχανής;

Απάντηση:

• Ποιο είναι το βασικό μειονέκτημα του συμπιεστή εκείνου που λειτουργεί με τα καυσαέρια της μηχανής;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο συμπιεστής που λειτουργεί με τα καυσαέρια της μηχανής (turbocharger) κινείται από την κινητική ενέργεια των καυσαερίων, μέσω μιας φτερωτής (τουρμπίνας/στροβίλου) που περιστρέφεται λόγω της πρόσκρουσης των καυσαερίων επάνω της, ενώ στην άλλη άκρη του ίδιου άξονα μια δεύτερη φτερωτή αναρροφά αέρα από το περιβάλλον και τον κατευθύνει στους κυλίνδρους. Το βασικό μειονέκτημά του είναι ότι δεν έχει ικανοποιητική απόδοση στις χαμηλές στροφές λειτουργίας της μηχανής, αφού η μικρή ποσότητα καυσαερίων που παράγεται σε χαμηλές στροφές δεν αρκεί ώστε η φτερωτή να περιστραφεί με τις στροφές που θα έπρεπε. Το ίδιο πρόβλημα εμφανίζεται και στις απότομες αυξήσεις της ισχύος της μηχανής, καθώς η φτερωτή του συμπιεστή χρειάζεται κάποιο χρόνο για να αποκτήσει την απαιτούμενη ταχύτητα περιστροφής, ώστε να αρχίσει να ωθεί περισσότερο αέρα προς τους κυλίνδρους — φαινόμενο γνωστό ως «υστέρηση απόκρισης» ή turbo lag. (Δευτερεύον μειονέκτημα, το υψηλό κόστος κατασκευής, αφού οι φτερωτές πρέπει να αντέχουν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, διάβρωση και ρυθμούς περιστροφής έως 100.000 rpm, γεγονός που επιβάλλει τη χρήση ακριβών υλικών, όπως κεραμικά.)

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Χαμηλή απόδοση σε χαμηλές στροφές/απότομες αυξήσεις ισχύος («υστέρηση απόκρισης» - turbo lag)· δευτ.: υψηλό κόστος κατασκευής φτερωτών

Οι τρόποι σάρωσης στις δίχρονες μηχανές diesel

Ερώτηση: Πόσους τρόπους σάρωσης γνωρίζετε και ποιες οι διαφορές μεταξύ τους;

Απάντηση:

• Πόσους τρόπους σάρωσης γνωρίζετε και ποιες οι διαφορές μεταξύ τους;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στις δίχρονες μηχανές diesel υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι (τύποι) σάρωσης του κυλίνδρου: ο τύπος της ευθείας ροής σάρωσης και ο τύπος της βρογχοειδούς σάρωσης. Στη σάρωση ευθείας ροής, η μηχανή έχει συνήθως βαλβίδα εξαγωγής στην κυλινδροκεφαλή, ενώ η παροχή του αέρα σάρωσης ελέγχεται από το έμβολο, το οποίο ανοίγει ή κλείνει τις αντίστοιχες θυρίδες σάρωσης που βρίσκονται στο κάτω άκρο του κυλίνδρου· ο αέρας κατευθύνεται κατά μήκος του κυλίνδρου, στροβιλιζόμενος ταυτόχρονα και γύρω από τον άξονά του, και αυτός ο στροβιλισμός συνεχίζεται ακόμα και όταν κλείσουν οι θυρίδες σάρωσης — γι' αυτό δίνει καλύτερα αποτελέσματα, με πιο αποτελεσματικό καθαρισμό του κυλίνδρου. Στη βρογχοειδή σάρωση, η μηχανή έχει θυρίδες τόσο για την εξαγωγή των καυσαερίων όσο και για τη σάρωση, στα τοιχώματα του κυλίνδρου, και το έμβολο με την κίνησή του ελέγχει και τις δύο ομάδες θυρίδων, ανοίγοντας ή κλείνοντάς τις ανάλογα· είναι πιο απλή στην κατασκευή, αφού δεν διαθέτει βαλβίδες και μηχανισμούς κίνησής τους, και εφαρμόζεται συνήθως σε αργόστροφες μηχανές (όπως οι προωστήριες μηχανές πλοίων), ώστε να υπάρχει αρκετός χρόνος για να εισρεύσει ο αέρας σάρωσης από τις θυρίδες εισόδου, να κινηθεί προς το επάνω μέρος του κυλίνδρου και να σπρώξει τα καυσαέρια προς τις θυρίδες εξαγωγής στο κάτω μέρος του κυλίνδρου. Και στους δύο τύπους, η σάρωση εξασφαλίζει την απομάκρυνση των καυσαερίων και την πλήρωση του κυλίνδρου με νέο καθαρό αέρα, βήμα απαραίτητο για την ολοκλήρωση του κύκλου λειτουργίας μιας δίχρονης μηχανής μέσα σε μόνο δύο διαδρομές του εμβόλου· επειδή δεν κατασκευάζονται δίχρονες μηχανές diesel μικρής ισχύος για αυτοκίνητα, η σάρωση σε αυτές γίνεται σχεδόν πάντα με ανεξάρτητη αντλία σάρωσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο τύποι: (1) ευθείας ροής — βαλβίδα εξαγωγής + θυρίδες σάρωσης, αέρας στροβιλίζεται → καλύτερος καθαρισμός· (2) βρογχοειδής — θυρίδες εξαγωγής+σάρωσης και οι δύο, απλούστερη, σε αργόστροφες μηχανές