Λύσεις — Ενότητα 1.2: Βενζινοκινητήρες – Πετρελαιοκινητήρες (σελ. 146-147) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 1.2: Βενζινοκινητήρες - Πετρελαιοκινητήρες

Δεκατρείς ερωτήσεις (μίγμα ανοιχτών, πολλαπλής επιλογής και Σωστού-Λάθους) για την Ενότητα 1.2: τα στοιχειώδη μέρη εμβολοφόρων κινητήρων, τη διάκριση τετράχρονων/δίχρονων κινητήρων, τους τέσσερις χρόνους λειτουργίας του τετράχρονου βενζινοκινητήρα (κύκλος Otto) και πετρελαιοκινητήρα (κύκλος Diesel) με έμφαση στην κατάσταση των βαλβίδων σε κάθε χρόνο, τις διαφορές Otto-Diesel, και τη λειτουργία των δίχρονων βενζινοκινητήρων και πετρελαιοκινητήρων (θυρίδες, σάρωση, βαθμός συμπίεσης).

Αρχή λειτουργίας των εμβολοφόρων κινητήρων

Ερώτηση: Καθορίστε την αρχή λειτουργίας των εμβολοφόρων κινητήρων.

Απάντηση:

• §1.2.1. «Οι εμβολοφόροι κινητήρες αποτελούνται από ένα σύστημα κυλίνδρου - εμβόλου. Το έμβολο εκτελεί παλινδρομική κίνηση μέσα στον κύλινδρο υπό την πίεση που ασκούν σε αυτό τα καυσαέρια από την καύση του καυσίμου. Η παλινδρομική αυτή κίνηση του εμβόλου μεταδίδεται ως περιστροφική στον άξονα του κινητήρα με κατάλληλο μηχανισμό που αποτελείται από το διωστήρα και το στρόφαλο. Ο άξονας του κινητήρα δίνει το μηχανικό έργο.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι εμβολοφόροι κινητήρες στηρίζονται σε ένα σύστημα κυλίνδρου - εμβόλου: το έμβολο εκτελεί παλινδρομική κίνηση μέσα στον κύλινδρο υπό την πίεση που ασκούν πάνω του τα καυσαέρια από την καύση του καυσίμου. Η παλινδρομική αυτή κίνηση του εμβόλου μεταδίδεται ως περιστροφική στο στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα μέσω κατάλληλου μηχανισμού που αποτελείται από το διωστήρα και το στρόφαλο. Ο στροφαλοφόρος άξονας είναι αυτός που τελικά αποδίδει το μηχανικό έργο του κινητήρα (π.χ. κινεί τον έλικα του αεροσκάφους).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Παλινδρομική κίνηση εμβόλου μέσα στον κύλινδρο → μετατροπή σε περιστροφική κίνηση του άξονα μέσω διωστήρα-στροφάλου

Ορισμός του όγκου εμβολισμού

Ερώτηση: Πώς ορίζεται ο όγκος εμβολισμού;

Απάντηση:

• §1.2.2. «Το σημείο του κυλίνδρου όπου το έμβολο βρίσκεται στη μεγαλύτερη απόσταση από το διαμήκη άξονα του στροφαλοφόρου, ονομάζεται Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ)... το σημείο στο οποίο το έμβολο απέχει τη μικρότερη απόσταση... ονομάζεται Κάτω Νεκρό Σημείο (ΚΝΣ)... Η διαφορά μεταξύ των τιμών του όγκου στα δύο αυτά σημεία ονομάζεται όγκος εμβολισμού.»

Σύνοψη: Ο όγκος εμβολισμού ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ των τιμών του όγκου του θαλάμου καύσης στο Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) και στο Κάτω Νεκρό Σημείο (ΚΝΣ) του εμβόλου. Στο ΑΝΣ ο όγκος λαμβάνει την ελάχιστη τιμή του, ενώ στο ΚΝΣ τη μέγιστη· η διαφορά αυτών των δύο τιμών όγκου είναι ο όγκος εμβολισμού.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Διαφορά όγκου θαλάμου καύσης μεταξύ ΑΝΣ (ελάχιστος όγκος) και ΚΝΣ (μέγιστος όγκος)

Ορισμός του χρόνου (stroke) ενός κινητήρα

Ερώτηση: Τι καλείται χρόνος ενός κινητήρα;

Απάντηση:

• §1.2.2. «Ο όρος χρόνος δηλώνει μία διαδρομή του εμβόλου από το ΑΝΣ προς το ΚΝΣ, ή το αντίθετο και αντιστοιχεί σε στροφή 180° του στροφαλοφόρου άξονα.»

Σύνοψη: Χρόνος (stroke) ενός κινητήρα ονομάζεται μία διαδρομή του εμβόλου από το Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) προς το Κάτω Νεκρό Σημείο (ΚΝΣ), ή αντίστροφα. Κάθε χρόνος αντιστοιχεί σε στροφή 180° του στροφαλοφόρου άξονα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μία διαδρομή του εμβόλου ΑΝΣ↔ΚΝΣ = στροφή 180° του στροφαλοφόρου άξονα

Κατάσταση βαλβίδων στην αρχή του 3ου χρόνου (καύση-εκτόνωση)

Ερώτηση: Στην αρχή του 3ου χρόνου του θεωρητικού κύκλου λειτουργίας του τετράχρονου βενζινοκινητήρα: Α) οι βαλβίδες εισαγωγής είναι κλειστές. Β) οι βαλβίδες εξαγωγής είναι ανοιχτές. Γ) οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής είναι κλειστές. Δ) οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής είναι ανοιχτές.

Απάντηση:

• §1.2.3.1, 3ος χρόνος. «Κατά τη διάρκεια του χρόνου αυτού οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής παραμένουν κλειστές. Το έμβολο αρχικά βρίσκεται στο ΑΝΣ και τότε πραγματοποιείται έναυση του μείγματος... Με τις βαλβίδες πάντα κλειστές, η υψηλή πίεση μετακινεί το έμβολο προς το ΚΝΣ.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Γ) οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής είναι κλειστές. Στον 3ο χρόνο (καύση-εκτόνωση) και οι δύο βαλβίδες παραμένουν κλειστές καθ' όλη τη διάρκειά του: αρχικά γίνεται η έναυση του μείγματος με το σπινθηριστή στο ΑΝΣ, και στη συνέχεια η υψηλή πίεση των καυσαερίων ωθεί το έμβολο προς το ΚΝΣ (εκτόνωση), χωρίς καμία βαλβίδα να ανοίξει μέχρι το τέλος του χρόνου αυτού.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Στην καύση-εκτόνωση (3ος χρόνος): και οι δύο βαλβίδες κλειστές — απάντηση Γ

Προπορεία/αργοπορεία βαλβίδων στους τετράχρονους βενζινοκινητήρες

Ερώτηση: Στους τετράχρονους βενζινοκινητήρες παρατηρείται: Α) προπορεία στη σπινθηροδότηση. Β) αργοπορεία στο άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής. Γ) προπορεία στο κλείσιμο της βαλβίδας εξαγωγής. Δ) αργοπορεία στο άνοιγμα της βαλβίδας εισαγωγής.

Απάντηση:

• §1.2.3.2. «Γενικά, λοιπόν, στους τετράχρονους βενζινοκινητήρες παρατηρούνται: Προπορεία στο άνοιγμα της βαλβίδας εισαγωγής. Αργοπορεία στο κλείσιμο της βαλβίδας εισαγωγής. Προπορεία στη σπινθηροδότηση - που συνήθως ονομάζεται προανάφλεξη ή αβάνς (advance). Προπορεία στο άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής. Αργοπορεία στο κλείσιμο της βαλβίδας εξαγωγής.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Α) προπορεία στη σπινθηροδότηση (γνωστή και ως προανάφλεξη ή αβάνς). Οι υπόλοιπες επιλογές είναι λανθασμένες: υπάρχει προπορεία (όχι αργοπορεία) στο άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής (Β λάθος), αργοπορεία (όχι προπορεία) στο κλείσιμο της βαλβίδας εξαγωγής (Γ λάθος), και προπορεία (όχι αργοπορεία) στο άνοιγμα της βαλβίδας εισαγωγής (Δ λάθος).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό: προπορεία στη σπινθηροδότηση (αβάνς) — απάντηση Α

Συνέπειες απόκλισης θεωρητικού - πραγματικού κύκλου Otto

Ερώτηση: Ποιες είναι οι συνέπειες από την απόκλιση που παρουσιάζεται μεταξύ του θεωρητικού και του πραγματικού κύκλου Otto;

Απάντηση:

• §1.2.3.2. «κάποιες άλλες συνέπειες που προκύπτουν από την απόκλιση του πραγματικού κύκλου από τον αντίστοιχο θεωρητικό είναι: Απώλεια θερμότητας προς το περιβάλλον. Μείωση του αποδιδόμενου έργου. Μείωση της απόδοσης του κινητήρα. Μείωση της επιτυγχανόμενης μέγιστης θερμοκρασίας καύσης.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι συνέπειες από την απόκλιση του πραγματικού κύκλου του τετράχρονου βενζινοκινητήρα από τον αντίστοιχο θεωρητικό κύκλο Otto είναι: απώλεια θερμότητας προς το περιβάλλον (μέρος της θερμότητας της καύσης μεταφέρεται στα τοιχώματα του κυλίνδρου και από εκεί, μέσω του συστήματος ψύξης, στο περιβάλλον), μείωση του αποδιδόμενου έργου, μείωση της απόδοσης (βαθμού απόδοσης) του κινητήρα, και μείωση της επιτυγχανόμενης μέγιστης θερμοκρασίας καύσης σε σχέση με την ιδανική διεργασία.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Απώλεια θερμότητας, μείωση αποδιδόμενου έργου, μείωση απόδοσης, μείωση μέγιστης θερμοκρασίας καύσης

Κυριότερες διαφορές κύκλων Otto και Diesel

Ερώτηση: Να αναφερθούν οι κυριότερες διαφορές μεταξύ των κύκλων Otto και Diesel.

Απάντηση:

• §1.2.4.1. «Οι κυριότερες διαφορές που παρουσιάζουν οι κινητήρες Otto και Diesel είναι: Στο σύστημα ψεκασμού του καυσίμου: Οι κινητήρες Diesel δε διαθέτουν αναμεικτήρα (carburetor) και ο ψεκασμός γίνεται απευθείας στον κύλινδρο... Οι πετρελαιοκινητήρες δε χρησιμοποιούν σπινθηριστές για την ανάφλεξη του μείγματος. Αυτή επιτυγχάνεται με την υψηλή θερμοκρασία που αναπτύσσεται κατά τη συμπίεση μέσα στον κύλινδρο. Η υψηλή θερμοκρασία απαιτεί την υψηλή πίεση του αέρα στο εσωτερικό του κυλίνδρου. Λόγω των υψηλών πιέσεων που αναπτύσσονται, τα μέρη του πετρελαιοκινητήρα πρέπει να έχουν μεγάλη αντοχή. Για το λόγο αυτό, ένας πετρελαιοκινητήρας είναι βαρύτερος από έναν βενζινοκινητήρα της ίδιας ισχύος.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι κυριότερες διαφορές μεταξύ κύκλου Otto (βενζινοκινητήρα) και κύκλου Diesel (πετρελαιοκινητήρα) είναι: 1) στο σύστημα ψεκασμού καυσίμου — οι κινητήρες Diesel δε διαθέτουν αναμεικτήρα (carburetor), ο ψεκασμός του καυσίμου γίνεται απευθείας στον κύλινδρο, ενώ οι περισσότεροι κινητήρες Otto χρησιμοποιούν αναμεικτήρα· 2) οι πετρελαιοκινητήρες δε χρησιμοποιούν σπινθηριστές — η ανάφλεξη επιτυγχάνεται με την υψηλή θερμοκρασία που αναπτύσσεται κατά τη συμπίεση· 3) η υψηλή αυτή θερμοκρασία απαιτεί υψηλότερη πίεση αέρα στον κύλινδρο σε σχέση με τον βενζινοκινητήρα· 4) λόγω των υψηλότερων πιέσεων, τα μέρη του πετρελαιοκινητήρα πρέπει να έχουν μεγαλύτερη αντοχή, με αποτέλεσμα ο πετρελαιοκινητήρας να είναι βαρύτερος από βενζινοκινητήρα ίδιας ισχύος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Χωρίς αναμεικτήρα/απευθείας ψεκασμός, χωρίς σπινθηριστή/αυτανάφλεξη, υψηλότερη πίεση/θερμοκρασία, μεγαλύτερη αντοχή-βάρος

Στοιχειώδη μέρη των δίχρονων κινητήρων

Ερώτηση: Ποια είναι τα στοιχειώδη μέρη των δίχρονων κινητήρων;

Απάντηση:

• §1.2.6. «Η πιο χαρακτηριστική από αυτές είναι η απουσία βαλβίδων από το δίχρονο βενζινοκινητήρα. Το έργο τους επιτελείται από το ίδιο το έμβολο, το οποίο κατά την κίνησή του προς το ΚΝΣ ανοίγει ή κλείνει μία σειρά από θυρίδες... Οι υπόλοιπες επικοινωνούν με το στροφαλοθάλαμο, ο οποίος είναι στεγανός και επικοινωνεί με το εξάρτημα του εξαερωτή μέσω αγωγού που φέρει διάφραγμα.» §1.2.7.1. «στο δίχρονο πετρελαιοκινητήρα χρησιμοποιείται η αντλία σάρωσης... η εξαγωγή των καυσαερίων από τον κύλινδρο πραγματοποιείται με τη βοήθεια βαλβίδων τοποθετημένων στην κεφαλή του κυλίνδρου.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι δίχρονοι κινητήρες διατηρούν τα βασικά μέρη κάθε εμβολοφόρου κινητήρα (κύλινδρος, έμβολο, διωστήρας, στροφαλοφόρος άξονας/στρόφαλος, στροφαλοθάλαμος, έδρανα), αλλά με μια κρίσιμη διαφορά στη διάταξη εισαγωγής-εξαγωγής: στο δίχρονο βενζινοκινητήρα δεν υπάρχουν βαλβίδες — το ρόλο τους παίζει το ίδιο το έμβολο, το οποίο κατά την κίνησή του κοντά στο ΚΝΣ ανοιγοκλείνει θυρίδες εισαγωγής και εξαγωγής τοποθετημένες περιφερειακά στο τοίχωμα του κυλίνδρου· ο στροφαλοθάλαμος είναι στεγανός και χρησιμεύει ως προθάλαμος συμπίεσης του μείγματος, επικοινωνώντας με τον εξαερωτή μέσω αγωγού με διάφραγμα. Στο δίχρονο πετρελαιοκινητήρα προστίθεται μια αντλία σάρωσης (για τη συμπίεση/παροχή του αέρα σάρωσης) και η εξαγωγή των καυσαερίων γίνεται με βαλβίδες στην κεφαλή του κυλίνδρου αντί για θυρίδες, ενώ ο αέρας εισάγεται από θυρίδες στο κάτω μέρος του κυλίνδρου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κοινά: κύλινδρος, έμβολο, διωστήρας, στρόφαλος, στροφαλοθάλαμος· διαφορά: θυρίδες αντί βαλβίδων (βενζινοκινητήρας) ή θυρίδες εισαγωγής + βαλβίδες εξαγωγής στην κεφαλή + αντλία σάρωσης (πετρελαιοκινητήρας)

Στροφή άξονα για ολοκλήρωση κύκλου δίχρονου κινητήρα

Ερώτηση: Για την ολοκλήρωση του θερμοδυναμικού κύκλου ενός δίχρονου κινητήρα ο στροφαλοφόρος άξονας πραγματοποιεί στροφή: Α) 180° - Β) 360° - Γ) 540° - Δ) 720°.

Απάντηση:

• §1.2.2. «Στους δίχρονους, λοιπόν, κινητήρες απαιτούνται δύο διαδρομές του εμβόλου (360°) για την ολοκλήρωση του θερμοδυναμικού κύκλου.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Β) 360°. Στους δίχρονους κινητήρες ο θερμοδυναμικός κύκλος ολοκληρώνεται σε δύο διαδρομές (χρόνους) του εμβόλου, που αντιστοιχούν σε μία πλήρη στροφή (360°) του στροφαλοφόρου άξονα — σε αντίθεση με τους τετράχρονους κινητήρες, όπου απαιτούνται τέσσερις διαδρομές (720°, δηλαδή δύο πλήρεις στροφές).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δίχρονος: 360° (μία στροφή) — απάντηση Β

Μόνο η εκτόνωση παράγει έργο στο δίχρονο βενζινοκινητήρα (Σωστό/Λάθος)

Ερώτηση: Σε ένα δίχρονο βενζινοκινητήρα μόνο ο χρόνος της εκτόνωσης παράγει μηχανικό έργο. ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §1.2.6.1. «Μόνον ο 2ος χρόνος, κατά τον οποίον γίνεται η εκτόνωση των καυσαερίων, παράγει μηχανικό έργο για τον κινητήρα.»

Σύνοψη: Η πρόταση είναι ΣΩΣΤΗ. Στο δίχρονο βενζινοκινητήρα, από τους δύο χρόνους λειτουργίας, μόνο ο 2ος χρόνος —κατά τον οποίο γίνεται η εκτόνωση των καυσαερίων— παράγει μηχανικό έργο για τον κινητήρα· ο 1ος χρόνος περιλαμβάνει την καύση και την αρχή της εκτόνωσης, αλλά και τις διεργασίες εισαγωγής/εξαγωγής (σάρωσης) που δεν παράγουν έργο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• ΣΩΣΤΟ — μόνο ο 2ος χρόνος (εκτόνωση) παράγει μηχανικό έργο

Βαθμός συμπίεσης τετράχρονου έναντι δίχρονου βενζινοκινητήρα (Σωστό/Λάθος)

Ερώτηση: Ο βαθμός συμπίεσης του τετράχρονου βενζινοκινητήρα είναι μεγαλύτερος από αυτόν ενός δίχρονου. ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §1.2.6.1. «ο βαθμός συμπίεσης του δίχρονου βενζινοκινητήρα είναι μικρότερος από αυτόν του αντίστοιχου τετράχρονου. Αυτό συμβαίνει γιατί η συμπίεση δεν επιτυγχάνεται σε όλη τη διαδρομή του εμβόλου από το ΚΝΣ προς το ΑΝΣ, αλλά σε ένα τμήμα αυτής που αντιστοιχεί στο 70% έως 80% αυτής.»

Σύνοψη: Η πρόταση είναι ΣΩΣΤΗ. Ο βαθμός συμπίεσης του δίχρονου βενζινοκινητήρα είναι μικρότερος από αυτόν του αντίστοιχου τετράχρονου (άρα ο τετράχρονος έχει μεγαλύτερο βαθμό συμπίεσης), γιατί στο δίχρονο η συμπίεση δεν πραγματοποιείται σε όλη τη διαδρομή του εμβόλου από το ΚΝΣ προς το ΑΝΣ, αλλά μόνο σε ένα τμήμα της (περίπου 70%-80% αυτής), αφού μέρος της διαδρομής καταλαμβάνεται από τη σάρωση/εισαγωγή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• ΣΩΣΤΟ — δίχρονος έχει μικρότερο βαθμό συμπίεσης από τον τετράχρονο

Θυρίδα που ανοίγει πρώτη στην εκτόνωση δίχρονου πετρελαιοκινητήρα

Ερώτηση: Ποια είναι η θυρίδα που ανοίγει πρώτη κατά τη διάρκεια της εκτόνωσης στον κύκλο λειτουργίας του δίχρονου πετρελαιοκινητήρα;

Απάντηση:

• §1.2.7.2, 1ος χρόνος. «Ακολουθεί η εκτόνωση των καυσαερίων η οποία ωθεί το έμβολο προς το ΚΝΣ. Πριν το έμβολο φτάσει εκεί, ανοίγει διαδοχικά τις θυρίδες εξαγωγής - οπότε και μεγάλο μέρος των καυσαερίων εξέρχονται του κυλίνδρου - και εισαγωγής οπότε και η πίεση των υπόλοιπων καυσαερίων γίνεται μικρότερη από την πίεση του αέρα στο χώρο γύρω από τις θυρίδες εισαγωγής.»

Σύνοψη: Πρώτα ανοίγει η θυρίδα (ή βαλβίδα) εξαγωγής. Κατά τη διάρκεια της εκτόνωσης στο δίχρονο πετρελαιοκινητήρα, καθώς το έμβολο πλησιάζει το ΚΝΣ, ανοίγουν διαδοχικά πρώτα η θυρίδα εξαγωγής (ώστε να εξέλθει το μεγαλύτερο μέρος των καυσαερίων μειώνοντας την πίεση στον κύλινδρο) και στη συνέχεια η θυρίδα εισαγωγής, ώστε ο καθαρός αέρας να εισρεύσει και να σαρώσει τα υπόλοιπα καυσαέρια.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πρώτα ανοίγει η θυρίδα εξαγωγής, μετά η θυρίδα εισαγωγής

Σπινθηριστές στους πετρελαιοκινητήρες

Ερώτηση: Χρησιμοποιούνται σπινθηριστές για την ανάφλεξη του καύσιμου μίγματος στους πετρελαιοκινητήρες; Δικαιολογήστε την απάντησή σας.

Απάντηση:

• §1.2.4.1. «Οι πετρελαιοκινητήρες δε χρησιμοποιούν σπινθηριστές για την ανάφλεξη του μείγματος. Αυτή επιτυγχάνεται με την υψηλή θερμοκρασία που αναπτύσσεται κατά τη συμπίεση μέσα στον κύλινδρο.»

Σύνοψη: Όχι. Οι πετρελαιοκινητήρες δε χρησιμοποιούν σπινθηριστές για την ανάφλεξη του μείγματος. Η ανάφλεξη (αυτανάφλεξη) επιτυγχάνεται χάρη στην υψηλή θερμοκρασία που αναπτύσσεται μέσα στον κύλινδρο κατά τη συμπίεση του αέρα (600-700°C περίπου)· όταν ψεκαστεί το καύσιμο μέσα σε αυτόν τον καυτό, συμπιεσμένο αέρα, αναφλέγεται από μόνο του, χωρίς να χρειάζεται ηλεκτρική εκκένωση σπινθηριστή όπως στο βενζινοκινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Όχι — αυτανάφλεξη λόγω υψηλής θερμοκρασίας συμπίεσης, όχι σπινθηριστής