Λύσεις — Κεφάλαιο 2: Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Μ.Ε.Κ. (σελ. 62) – ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 2: Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Μ.Ε.Κ. (σελ. 62)

Λύσεις των 11 ερωτήσεων του κεφαλαίου 2 (όλες ανάπτυξης).

Ερώτηση 1 — Οβάλ και κωνικότητα φθαρμένου κινητήρα

Ερώτηση: Τι είναι το οβάλ και η κωνικότητα σε έναν κινητήρα που έχει υποστεί φθορά;

Απάντηση:

• Είναι οι δύο μορφές φθοράς των κυλίνδρων (σελ. 39-40), που προέρχονται από την τριβή των ελατηρίων του εμβόλου στα τοιχώματα, ιδίως στην κατεύθυνση της κλίσης της μπιέλας (συνισταμένη της πίεσης των καυσαερίων και της αντίστασης του στροφάλου) και στην αντίθετη πλευρά (αδράνεια εμβόλου), επιδεινωμένες από σκόνη, κακό/παλιό λιπαντικό και κατάλοιπα καύσης. Οβάλ (ελλειψοειδής φθορά): ο κύλινδρος χάνει την κυκλική διατομή και αποκτά ελλειπτική μορφή, γιατί η φθορά είναι μεγαλύτερη στη διεύθυνση της κλίσης της μπιέλας· διαπιστώνεται με μικρόμετρο τοποθετημένο σταυρωτά — μια φορά παράλληλα και μια κάθετα προς τον άξονα του στροφάλου (η διαφορά των δύο διαμέτρων = οβάλ). Κωνικότητα: η διάμετρος του κυλίνδρου είναι μεγαλύτερη στην επάνω περιοχή (ΑΝΣ) από ό,τι κάτω — ο κύλινδρος γίνεται κωνικός — γιατί εκεί η καταπόνηση είναι μεγαλύτερη: υψηλές θερμοκρασίες, μεγάλες διαστολές-συστολές κρύου-ζεστού κινητήρα, συσσώρευση καταλοίπων καύσης, μεγαλύτερες δυνάμεις στην έναρξη της εκτόνωσης· μετριέται με μικρόμετρο που κινείται από πάνω προς τα κάτω σε διάφορα σημεία της περιφέρειας. Τα όρια ορίζει ο κατασκευαστής (επισκευαστικά βιβλία)· μεγάλες αποκλίσεις → καυσαέρια στον στροφαλοθάλαμο (αναθυμιάσεις στο φίλτρο, υπερθέρμανση λαδιού), μειωμένη συμπίεση και απόδοση → ρεκτιφιέ κυλίνδρων (επανεπεξεργασία και έμβολα μεγαλύτερης διαμέτρου).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οβάλ = ελλειπτική παραμόρφωση της διατομής του κυλίνδρου (φθορά στη διεύθυνση κλίσης της μπιέλας), μέτρηση με μικρόμετρο σταυρωτά· κωνικότητα = μεγαλύτερη διάμετρος στην επάνω περιοχή/ΑΝΣ (θερμοκρασία, διαστολές, κατάλοιπα, δυνάμεις), μέτρηση από πάνω προς τα κάτω· υπέρβαση ορίων → καυσαέρια στον στροφαλοθάλαμο, χαμένη συμπίεση → ρεκτιφιέ κυλίνδρων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο ορισμοί + αίτια + μέτρηση.

Ερώτηση 2 — Στρεβλώσεις στροφάλου: ποιες ελέγχουμε και πώς

Ερώτηση: Ποιες στρεβλώσεις στροφάλου μπορούμε να ελέγξουμε και πώς;

Απάντηση:

• Ο στροφαλοφόρος από τη χρήση και την καταπόνηση παρουσιάζει αποκλίσεις που ελέγχονται με μικρόμετρο, φίλλερ ή πλαστιγκέιτς (σελ. 41-43): 1. Χαραγές, γραμμώσεις ή ρωγμές — με απλή παρατήρηση. 2. Μείωση των διαμέτρων (κυλινδρική παραμόρφωση από φθορά) — με μικρόμετρο. 3. Ελλειπτικές παραμορφώσεις (οβάλ κομβίων/στροφέων) — μικρόμετρο περιφερειακά γύρω από τη διατομή· επιτρεπτή διαφορά ≤ 0,025 mm. 4. Κωνικότητα των στροφέων (κακή εφαρμογή κουζινέτων) — μικρόμετρο, ≤ 0,020 mm. 5. Πλαστιγκέιτς (χρονοβόρο, ακριβές): πλαστικό σύρμα μεταξύ κομβίου και καβαλέτου, σύσφιγξη κατά προδιαγραφή, αποσύνδεση, σύγκριση του επιπεδωμένου σύρματος με κλίμακα → ανοχές σε διάφορα σημεία. 6. Αξονική μετατόπιση (ανοχή αξονικών εδράνων) — μικρόμετρο σε μαγνητική βάση ή φίλλερ. 7. Στρέβλωση (κάμψη) — συνήθως στο μέσον, με μικρόμετρο σε μαγνητική βάση και τα δύο άκρα σταθερά στηριγμένα, περιστρέφοντας τον άξονα. 8. Απόκλιση από στρέψη — με σταθερά στηριγμένο στρόφαλο, μέτρηση της γωνιακής απόκλισης δύο ακραίων παράλληλων κομβίων (μικρόμετρο, μαγνητική βάση). 9. Αξονική ανοχή (τζόγος) μπιέλας-στροφάλου — με φίλλερ, 0,25-0,50 mm. Ειδικά «στρεβλώσεις» με την έννοια της γεωμετρικής παραμόρφωσης του άξονα: κάμψη (7) και στρέψη (8), συν την ελλειπτικότητα/κωνικότητα των στροφέων (3, 4).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κάμψη (στρέβλωση στο μέσον — μικρόμετρο σε μαγνητική βάση, άκρα στηριγμένα), στρέψη (γωνιακή απόκλιση ακραίων παράλληλων κομβίων), έλλειψη κομβίων (≤ 0,025 mm), κωνικότητα στροφέων (≤ 0,020 mm), μείωση διαμέτρων, αξονική μετατόπιση, ρωγμές (παρατήρηση), ανοχές με πλαστιγκέιτς/φίλλερ (τζόγος μπιέλας 0,25-0,50 mm).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Οι εννέα έλεγχοι με μέσο και όριο.

Ερώτηση 3 — Τι είναι ο μεταβλητός χρονισμός

Ερώτηση: Τι είναι ο μεταβλητός χρονισμός;

Απάντηση:

• Μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων είναι η δυνατότητα του κινητήρα να μεταβάλλει, κατά τη λειτουργία και ανάλογα με τις στροφές/το φορτίο, τη χρονική στιγμή (γωνία στροφάλου) στην οποία ανοίγουν και κλείνουν οι βαλβίδες — δηλαδή τις επικαλύψεις εισαγωγής-εξαγωγής και τις προπορείες — και σε ορισμένες κατασκευές και το βύθισμα (διαδρομή ανοίγματος) ή τη διάρκεια ανοίγματος (σελ. 46-47). Επιτυγχάνεται με γωνιακή μετατόπιση του εκκεντροφόρου εισαγωγής σε σχέση με τον εκκεντροφόρο εξαγωγής (ή με το γρανάζι/αλυσοτροχό του), ή με εναλλαγή έκκεντρων/ζυγώθρων, εκκεντροφόρους τρισδιάστατης καμπυλότητας, ή με ηλεκτρομαγνητική/υδραυλική κίνηση των βαλβίδων ελεγχόμενη από τον εγκέφαλο. Έτσι ο κινητήρας έχει μικρή επικάλυψη στις χαμηλές στροφές (σταθερό ρελαντί, καλή ανταπόκριση) και μεγάλη επικάλυψη στις υψηλές (εκμετάλλευση της δυναμικής των αερίων, καλύτερη πλήρωση), αντί για έναν σταθερό συμβιβασμό.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η δυνατότητα μεταβολής, κατά τη λειτουργία, της στιγμής ανοίγματος-κλεισίματος των βαλβίδων (επικαλύψεις, προπορείες) — και σε ορισμένες κατασκευές του βυθίσματος — ανάλογα με τις στροφές, με γωνιακή μετατόπιση του εκκεντροφόρου εισαγωγής ως προς την εξαγωγή ή άλλους μηχανισμούς.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ορισμός + πώς.

Ερώτηση 4 — Γιατί χρησιμοποιούνται υδραυλικά ωστήρια

Ερώτηση: Γιατί χρησιμοποιούνται τα υδραυλικά ωστήρια στους σύγχρονους κινητήρες;

Απάντηση:

• Η αύξηση της θερμοκρασίας, το υλικό και η φθορά αλλάζουν τις διαστάσεις των εξαρτημάτων κίνησης των βαλβίδων → μεταβάλλεται το διάκενο (μεγάλο κρύο, μικρό ζεστό). Μικρό διάκενο → η βαλβίδα μένει ανοικτή και καίγεται από τα θερμά καυσαέρια· μεγάλο → δεν ανοίγει αρκετά → μειωμένη πλήρωση/ισχύς, δυσκολία εξαγωγής, καταπόνηση από επιταχύνσεις, θόρυβος· η μεταβολή του διακένου αλλάζει και τον χρονισμό (σελ. 43-44). Τα υδραυλικά ωστήρια αντισταθμίζουν τις φθορές και ρυθμίζουν αυτόματα το διάκενο, χρησιμοποιώντας το λάδι του κινητήρα και την ιδιότητά του να είναι ασυμπίεστο: ο θάλαμος λαδιού με μονόδρομη βαλβίδα γεμίζει όταν το ωστήριο είναι ελεύθερο (ελατήριο επαναφοράς το κρατά σε επαφή με το έκκεντρο) και «κλειδώνει» όταν το έκκεντρο πιέζει, μεταδίδοντας την κίνηση χωρίς κενό — έτσι το διάκενο μένει πάντοτε σταθερό ανεξάρτητα από θερμοκρασία/φθορά/μήκος καλαμιών. Πλεονεκτήματα: καμία ρύθμιση βαλβίδων στη συντήρηση (μειώνονται πολύ οι εργασίες), σωστή λειτουργία για όλη τη ζωή του κινητήρα, αθόρυβη λειτουργία, σταθερός χρονισμός, προστασία των βαλβίδων· απλά αντικαθίστανται όταν χαλάσουν.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Γιατί το διάκενο των βαλβίδων αλλάζει με θερμοκρασία και φθορά (μικρό → κάψιμο βαλβίδας, μεγάλο → κακή πλήρωση, θόρυβος)· τα υδραυλικά ωστήρια, με το ασυμπίεστο λάδι και μονόδρομη βαλβίδα, κρατούν αυτόματα το διάκενο σταθερό → χωρίς ρυθμίσεις συντήρησης, αθόρυβη-σωστή λειτουργία σε όλη τη ζωή του κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πρόβλημα διακένου + λύση + οφέλη.

Ερώτηση 5 — Σε τι αποσκοπεί ο μεταβλητός χρονισμός

Ερώτηση: Σε τι αποσκοπεί ο μεταβλητός χρονισμός;

Απάντηση:

• Στις υψηλές στροφές το πρόωρο άνοιγμα και το καθυστερημένο κλείσιμο των βαλβίδων (μεγάλες επικαλύψεις) αξιοποιούν τη δυναμική των αερίων → καλύτερη πλήρωση και εξαγωγή. Στις χαμηλές στροφές και στο ρελαντί όμως η ίδια επικάλυψη αφήνει χρόνο να διαφύγουν καυσαέρια στην εισαγωγή και μείγμα στην εξαγωγή → ασταθές ρελαντί, κακή ανταπόκριση στις επιταχύνσεις (γι' αυτό οριακές επικαλύψεις μόνο σε αγωνιστικά). Ένας σταθερός χρονισμός είναι συμβιβασμός. Ο μεταβλητός χρονισμός αποσκοπεί (σελ. 47): ① να έχει μικρή επικάλυψη στις χαμηλές στροφές (μέγιστη απόδοση, σταθερό ρελαντί) και μεγάλη στις υψηλές (πάντα η καλύτερη δυνατή ροπή)· ② να επιτύχει μεγαλύτερη ισχύ, διατηρώντας σε ολόκληρο το φάσμα στροφών τη ροπή στρέψης σε υψηλά επίπεδα (επίπεδη καμπύλη ροπής, ελαστικότητα)· ③ να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου και τους εκπεμπόμενους ρύπους (καλύτερη καύση, εσωτερική ανακυκλοφορία καυσαερίων)· ④ πρακτικά: μετατόπιση της στιγμής ανοίγματος-κλεισίματος, μείωση επικάλυψης χαμηλά/αύξηση ψηλά, και σε ορισμένες κατασκευές μεταβολή βυθίσματος και διάρκειας.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Να προσαρμόζει τις επικαλύψεις στις στροφές — μικρή στις χαμηλές (σταθερό ρελαντί, ανταπόκριση), μεγάλη στις υψηλές (πλήρωση) — ώστε να επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ισχύς με υψηλή ροπή σε όλο το φάσμα στροφών, μικρότερη κατανάλωση και λιγότεροι ρύποι.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πρόβλημα σταθερού χρονισμού + στόχοι.

Ερώτηση 6 — Κατασκευαστικές λύσεις μεταβλητού χρονισμού

Ερώτηση: Αναφέρετε ορισμένες κατασκευαστικές λύσεις μεταβλητού χρονισμού.

Απάντηση:

• Οι λύσεις του βιβλίου (σελ. 47-50): 1. Ρυθμιζόμενος τεντωτήρας αλυσίδας (Vario Cam — Porsche): οι δύο εκκεντροφόροι συνδέονται με αλυσίδα· η υδραυλική μετατόπιση του τεντωτήρα (πάνω στις χαμηλές, κάτω στις υψηλές στροφές, με μαγνητική βαλβίδα-πίρο-ρυθμιστικό έμβολο) αλλάζει τα μήκη των δύο κλάδων της αλυσίδας και στρέφει γωνιακά τον εκκεντροφόρο εισαγωγής ως προς τον εξαγωγής (θέση «αργά»/«νωρίς»). 2. Σύστημα μεταβολής προπορείας εκκεντροφόρου (Vanos — BMW): μηχανισμός με ελικοειδή γρανάζια μεταξύ του αλυσοτροχού και του εκκεντροφόρου εισαγωγής· ένα υδραυλικό έμβολο, ελεγχόμενο από ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα (ηλεκτρονικά, κατά τις στροφές), μετακινείται αξονικά και μέσω της οδόντωσης στρέφει τον εκκεντροφόρο νωρίς/αργά· το διπλό Vanos στρέφει και τους δύο εκκεντροφόρους (ροπή σε χαμηλές-μεσαίες)· ανάλογο Mercedes με πηνίο-έμβολο-ελικοειδές γρανάζι. 3. Σύστημα μεταβολής της κίνησης των βαλβίδων (Honda VTEC): αλλάζει στιγμή ανοίγματος και βύθισμα — τρία ζύγωθρα (πρωτεύον, μεσαίο, δευτερεύον) από τρία έκκεντρα (χαμηλών/υψηλών στροφών)· στις χαμηλές οι βαλβίδες κινούνται από τα ακραία, στις υψηλές η μαγνητική βαλβίδα στέλνει πίεση λαδιού σε άξονα/έμβολα εμπλοκής που συνδέουν τα τρία ζύγωθρα → οι βαλβίδες από το μεσαίο έκκεντρο (μεγαλύτερη διάρκεια, μέγιστο βύθισμα)· εξαρτάται από στροφές, φορτίο, θερμοκρασία. 4. Συνεχής μεταβολή χρονισμού (FIAT): εκκεντροφόροι με τρισδιάστατη καμπυλότητα που μετακινούνται αξονικά → συνεχής μεταβολή βυθίσματος και χρονισμού (ωστήρια με κινητά εξαρτήματα). 5. Ηλεκτρομαγνητική κίνηση βαλβίδων: ηλεκτρομαγνήτες ανοίγουν τις βαλβίδες ενάντια σε ελατήριο, με χρονισμό από την ECU — χωρίς εκκεντροφόρους, ακριβής επικάλυψη, ελάχιστη ισχύς. 6. Υδραυλική κίνηση βαλβίδων: υδραυλικό έμβολο ανά βαλβίδα, με ηλεκτρομαγνητική (ψηφιακή) βαλβίδα λαδιού από τον εγκέφαλο → ρύθμιση βυθίσματος, επικάλυψης, ακόμη και ταχύτητας ανοίγματος (πρώτα σε μοτοσυκλέτες).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Vario Cam (υδραυλικός τεντωτήρας αλυσίδας — γωνιακή μετατόπιση εκκεντροφόρου εισαγωγής)· Vanos BMW (ελικοειδή γρανάζια + υδραυλικό έμβολο, μαγνητική βαλβίδα· διπλό Vanos)· Honda VTEC (τρία ζύγωθρα/έκκεντρα, εμπλοκή υδραυλικά → χρονισμός + βύθισμα)· συνεχής μεταβολή FIAT (3D εκκεντροφόροι, αξονική μετακίνηση)· ηλεκτρομαγνητική κίνηση βαλβίδων (ECU)· υδραυλική κίνηση βαλβίδων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Έξι λύσεις με αρχή λειτουργίας.

Ερώτηση 7 — Τι επιτυγχάνεται με τον συντονισμό της πολλαπλής εισαγωγής

Ερώτηση: Τι επιτυγχάνεται με το συντονισμό της πολλαπλής εισαγωγής;

Απάντηση:

• Με τον σχεδιασμό των αυλών εισαγωγής σε συγκεκριμένο μήκος και διάμετρο (σελ. 51-52) εκμεταλλευόμαστε την παλμική κίνηση της στήλης αέρα: όταν κλείνει η βαλβίδα, ο αέρας/μείγμα συνεχίζει από αδράνεια και συμπυκνώνεται μπροστά της· όταν ανοίξει, εισχωρεί με πίεση αφήνοντας πίσω υποπίεση· τα κύματα πίεσης-υποπίεσης εναλλάσσονται κατά μήκος του αυλού. Αν το μήκος υπολογιστεί ώστε τη στιγμή που ανοίγει η βαλβίδα εισαγωγής να υπάρχει μπροστά της κύμα υψηλής πίεσης, επιτυγχάνεται η μεγαλύτερη δυνατή πίεση πριν τον κύλινδρο → βελτιωμένη πλήρωση των κυλίνδρων (μεγαλύτερος βαθμός πλήρωσης, ένα είδος «φυσικής υπερπλήρωσης») και άρα υψηλή ροπή/ισχύς — όμως σε συγκεκριμένες στροφές του κινητήρα, ενώ στο υπόλοιπο φάσμα η ροπή χειροτερεύει (αν η βαλβίδα ανοίξει τη στιγμή της υποπίεσης το αποτέλεσμα είναι αντίθετο)· γι' αυτό παλιά μόνο σε αγωνιστικά και δίχρονες μοτοσυκλέτες. Με μεταβλητούς αυλούς (αλλαγή μήκους, διαμέτρου ή όγκου με κλαπέτα) ο συντονισμός επεκτείνεται: σταθερή πλήρωση και υψηλή ροπή σε μεγάλο φάσμα στροφών, δηλαδή ρύθμιση της συχνότητας των κυμάτων πίεσης ανάλογα με την περιοχή λειτουργίας → αύξηση βαθμού πλήρωσης και ροπής.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Αξιοποίηση των κυμάτων πίεσης στους αυλούς ώστε, όταν ανοίγει η βαλβίδα, να υπάρχει μέγιστη πίεση πριν τον κύλινδρο → βελτιωμένη πλήρωση και υψηλή ροπή σε συγκεκριμένες στροφές (με σταθερούς αυλούς) ή σε μεγάλο φάσμα στροφών (με μεταβλητούς αυλούς).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μηχανισμός + αποτέλεσμα + περιορισμός.

Ερώτηση 8 — Εξαρτήματα μεταβολής της πολλαπλής εισαγωγής

Ερώτηση: Αναφέρετε τα εξαρτήματα που συντελούν στη μεταβολή μιας πολλαπλής εισαγωγής.

Απάντηση:

• Στις πολλαπλές με μεταβλητούς αυλούς (σελ. 52-54) η μεταβολή της γεωμετρίας (μήκος, διάμετρος, όγκος — «τρομπόνι»/«τρομπέτα») γίνεται με: ① πεταλούδες (κλαπέτα) που ανοίγουν και κλείνουν διόδους, δημιουργώντας αυλούς συγκεκριμένου μήκους ή όγκου — π.χ. πολλαπλή από 4 τμήματα με 2 πεταλούδες → 3 μήκη αυλού (Audi)· ② μεμβράνες υποπίεσης (ενεργοποιητές) που κινούν τα κλαπέτα, τροφοδοτούμενες μέσω ηλεκτρομαγνητικών βαλβίδων υποπίεσης· ③ ο ηλεκτρονικός έλεγχος (εγκέφαλος) που ενεργοποιεί την πεταλούδα ανάλογα με στροφές/υποπίεση — π.χ. στις 4000 rpm· ④ κύριοι αυλοί (μακρύτεροι, για χαμηλές στροφές) και δευτερεύοντες αυλοί (κοντύτεροι, για υψηλές), με πεταλούδα που ανοίγει τη δίοδο προς τους δευτερεύοντες· ⑤ κοινός θάλαμος/χώρος αντήχησης μεταβλητού όγκου· ⑥ σε άλλες κατασκευές ένας απλός μηχανισμός (περιστρεφόμενο τύμπανο/τηλεσκοπικός αυλός) που μεταβάλλει το μήκος του αυλού συνεχώς· ⑦ η πεταλούδα γκαζιού (ηλεκτρικό γκάζι) στην είσοδο. Ανάλογα με υποπίεση και στροφές ανοίγουν διαδοχικά τα κλαπέτα ώστε ο αέρας να «συντονίζεται» πριν τον θάλαμο καύσης.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κλαπέτα/πεταλούδες που ανοίγουν-κλείνουν διόδους (π.χ. 4 τμήματα, 2 κλαπέτα, 3 μήκη), μεμβράνες υποπίεσης και ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες που τα κινούν, ηλεκτρονικός έλεγχος (π.χ. στις 4000 rpm), κύριοι-δευτερεύοντες αυλοί, χώρος αντήχησης, μηχανισμός μεταβολής μήκους αυλού.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λίστα εξαρτημάτων + ρόλος.

Ερώτηση 9 — Λειτουργία στροβιλοσυμπιεστή

Ερώτηση: Πώς λειτουργεί ένας στροβιλοσυμπιεστής;

Απάντηση:

• Ο στροβιλοσυμπιεστής (turbo) αποτελείται από δύο στροβιλομηχανές συνδεδεμένες σε κοινό άξονα: μια τουρμπίνα και έναν συμπιεστή (σελ. 56-57, εικ. 2.5.4-2.5.5). Μέρος των καυσαερίων του κινητήρα, πριν καταλήξει στην εξάτμιση, περνά μέσα από την τουρμπίνα και με την ενέργειά τους (πίεση-θερμοκρασία-ταχύτητα) την περιστρέφει· η τουρμπίνα κινεί τον συμπιεστή (φτερωτή στην πλευρά εισαγωγής), ο οποίος αναρροφά αέρα από το φίλτρο, τον συμπιέζει και εφοδιάζει τους κυλίνδρους με αέρα υπό πίεση (0,2-1,2 bar, σπάνια 2,2) μέσω της πολλαπλής εισαγωγής — έτσι μπαίνει μεγαλύτερη μάζα αέρα (και ανάλογα περισσότερο καύσιμο) → αύξηση ισχύος και ροπής χωρίς αύξηση κυβισμού. Για να είναι μικρό το μέγεθος, περιστρέφεται με 50.000-240.000 στροφές/λεπτό· οι στροφές του δεν εξαρτώνται από τις στροφές του κινητήρα αλλά από την ισορροπία ισχύος τουρμπίνας-συμπιεστή (ποσότητα καυσαερίων). Επειδή ο συμπιεσμένος αέρας θερμαίνεται (έως 180 °C), ψύχεται σε intercooler (~40 °C) για μεγαλύτερη πυκνότητα και αποφυγή αυταναφλέξεων (γι' αυτό μικρότερη σχέση συμπίεσης 7-9:1)· η πίεση ελέγχεται με βαλβίδα εκτόνωσης (wastegate) που παρακάμπτει καυσαέρια, και η βαλβίδα ανακύκλωσης αποφεύγει την υπερπίεση στην επιβράδυνση. Απαιτεί αμελητέα ισχύ από τον κινητήρα, αλλά ενεργοποιείται σε μεσαίες-υψηλές στροφές με κάποια καθυστέρηση (lag).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τουρμπίνα + συμπιεστής σε κοινό άξονα: τα καυσαέρια περιστρέφουν την τουρμπίνα (50.000-240.000 rpm, ανεξάρτητα από τον κινητήρα), αυτή κινεί τον συμπιεστή που στέλνει αέρα υπό πίεση (0,2-1,2 bar) στους κυλίνδρους → περισσότερη μάζα αέρα/καυσίμου → ισχύς-ροπή· intercooler, wastegate, βαλβίδα ανακύκλωσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δομή + κύκλος ενέργειας + βοηθητικά.

Ερώτηση 10 — Πλεονεκτήματα στροβιλοσυμπιεστή έναντι μηχανικών συστημάτων

Ερώτηση: Ποια είναι τα πλεονεκτήματα ενός στροβιλοσυμπιεστή έναντι άλλων μηχανικών συστημάτων;

Απάντηση:

• Σε σχέση με τους μηχανικούς υπερσυμπιεστές (Roots, ελικοειδείς, περιστρεφόμενου εμβόλου — κίνηση από τον στρόφαλο), ο στροβιλοσυμπιεστής έχει (σελ. 55-57): 1. για την κίνησή του απαιτείται αμελητέα ισχύς του κινητήρα — αξιοποιεί την ενέργεια των καυσαερίων που αλλιώς χάνεται, ενώ οι μηχανικοί καταναλώνουν μέχρι και 20 kW από τον στρόφαλο· 2. έχει μικρό βάρος και μικρό μέγεθος (πολύ υψηλές στροφές 50.000-240.000 rpm), ενώ οι μηχανικοί έχουν μεγαλύτερο βάρος-όγκο· 3. δεν απαιτούνται γρανάζια, τροχαλίες ή ιμάντες μετάδοσης κίνησης — απλούστερη εγκατάσταση, χωρίς φθορές μετάδοσης· επιπλέον καλύτερη οικονομία καυσίμου και ρύπων για ίδια ισχύ. Μειονεκτήματα (πλεονεκτήματα των μηχανικών): ενεργοποιείται μόνο σε μεσαίες-υψηλές στροφές και έχει καθυστερημένη ανταπόκριση στις απότομες αλλαγές (turbo lag), ενώ οι μηχανικοί δίνουν σταθερή σχέση πιέσεων, ταχεία ανάπτυξη πίεσης και υψηλή ροπή από τις χαμηλές στροφές — μειονεκτήματα που αντιμετωπίζονται με ρυθμιζόμενα πτερύγια, βαλβίδα ανακύκλωσης και ηλεκτρονική ρύθμιση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Αμελητέα απαίτηση ισχύος (ενέργεια καυσαερίων αντί έως 20 kW από τον στρόφαλο), μικρό βάρος και μέγεθος, χωρίς γρανάζια-τροχαλίες-ιμάντες· (μειονεκτήματα: λειτουργία σε μεσαίες-υψηλές στροφές, καθυστέρηση απόκρισης).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρία πλεονεκτήματα + αντιστάθμιση.

Ερώτηση 11 — Λειτουργία στροβιλοσυμπιεστή με ρυθμιζόμενα πτερύγια

Ερώτηση: Πώς λειτουργεί ένας στροβιλοσυμπιεστής με ρυθμιζόμενα πτερύγια;

Απάντηση:

• Οι στροβιλοσυμπιεστές με ρυθμιζόμενα πτερύγια εισαγωγής του καυσαερίου (μεταβλητής γεωμετρίας) καλύπτουν την ανάγκη για υψηλή ροπή στις χαμηλές στροφές και ταυτόχρονα αποφυγή μεγάλων πιέσεων στο μεγάλο φορτίο (σελ. 59-60, εικ. 2.5.9-2.5.10). Γύρω από την τουρμπίνα υπάρχει στεφάνη κινητών οδηγητικών πτερυγίων, που στρέφονται μέσω δακτυλίου από ηλεκτρομαγνητική/πνευματική βαλβίδα ελεγχόμενη ηλεκτρονικά. Σε λειτουργία με μικρές ποσότητες καυσαερίου (χαμηλές στροφές/φορτίο): τα πτερύγια παίρνουν κλίση που στενεύει τον δίαυλο εισόδου των καυσαερίων → τα αέρια αποκτούν μεγάλη ταχύτητα και κατευθύνονται προς την ακραία πλευρά των πτερυγίων του ρότορα (μεγαλύτερη ακτίνα επενέργειας = μεγαλύτερος βραχίονας ροπής) → οι στροφές της τουρμπίνας αυξάνονται, άρα η πίεση υπερπλήρωσης και η ροπή του κινητήρα μεγαλώνουν ήδη από χαμηλά (χωρίς lag). Σε λειτουργία με μεγάλο όγκο καυσαερίων (υψηλές στροφές/φορτίο): τα πτερύγια ανοίγουν, η διατομή εισόδου μεγαλώνει, τα καυσαέρια καλύπτουν όλο το μήκος των περιστρεφόμενων πτερυγίων με μικρότερη ταχύτητα → η τουρμπίνα δέχεται μεγάλες ποσότητες καυσαερίου χωρίς η πίεση να ανέβει σε επικίνδυνα επίπεδα — δεν χρειάζεται βαλβίδα εκτόνωσης. Έτσι ο συμπιεστής αποδίδει σε όλο το φάσμα στροφών (συνηθισμένος στους turbo diesel).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κινητά οδηγητικά πτερύγια στην είσοδο της τουρμπίνας (ηλεκτρονικός/πνευματικός έλεγχος): με λίγα καυσαέρια κλείνουν → στενός δίαυλος, μεγάλη ταχύτητα αερίων στην άκρη των πτερυγίων → περισσότερες στροφές, πίεση, ροπή χαμηλά· με πολλά καυσαέρια ανοίγουν → μεγάλη διατομή, χαμηλή ταχύτητα → μεγάλη παροχή χωρίς επικίνδυνη πίεση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο καταστάσεις λειτουργίας + σκοπός.