Λύσεις — Ενότητα 1.6: Καύσιμα και Συστήματα Αναμεικτήρων Αέρα – Καυσίμου (σελ. 151-152) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 1.6: Καύσιμα και Συστήματα Αναμεικτήρων Αέρα - Καυσίμου

Δέκα ερωτήσεις πάνω στα αεροπορικά καύσιμα (avgas, αριθμός οκτανίου, κρουστική καύση) και στα συστήματα ανάμειξης αέρα - καυσίμου: στοιχειομετρική αναλογία και πλούσιο/φτωχό μείγμα, βασικά τμήματα του συστήματος εισαγωγής, λειτουργία των αναμεικτήρων με πλωτήρα (σύστημα βραδείας λειτουργίας) και πίεσης, το σύστημα έγχυσης νερού-μεθανόλης και τα πλεονεκτήματα των συστημάτων άμεσης έγχυσης καυσίμου.

Προϊόντα καύσης υδρογονανθράκων (Σωστό/Λάθος)

Ερώτηση: Τα προϊόντα καύσης των υδρογονανθράκων περιέχουν ενώσεις του άνθρακα όπως μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα. ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §1.6.1. «Τα προϊόντα καύσης της βενζίνης είναι, εκτός από την παραγωγή θερμότητας, διοξείδιο του άνθρακα (CO2), υδρατμοί, μονοξείδιο του άνθρακα (CO) λόγω ατελούς καύσης, μικρές ποσότητες λαδιού, καπνού, ενώσεις αζώτου, μολύβδου και άλλων πρόσθετων ουσιών στη βενζίνη.»

Σύνοψη: Η πρόταση είναι ΣΩΣΤΗ. Τα προϊόντα καύσης της βενζίνης (υδρογονάνθρακα) περιλαμβάνουν, εκτός από τη θερμότητα, διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και μονοξείδιο του άνθρακα (CO) λόγω ατελούς καύσης, δηλαδή ακριβώς τις δύο ενώσεις του άνθρακα που αναφέρει η πρόταση, μαζί με υδρατμούς και άλλες ουσίες (λάδι, καπνό, ενώσεις αζώτου/μολύβδου).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• ΣΩΣΤΟ — τα προϊόντα καύσης περιλαμβάνουν CO2 και CO (λόγω ατελούς καύσης)

Φαινόμενα και αιτίες κρουστικής καύσης

Ερώτηση: Ποια είναι τα φαινόμενα που παρατηρούνται σε ένα κινητήρα κατά τη διάρκεια κρουστικής καύσης και πού οφείλονται;

Απάντηση:

• §1.6.1. «Το φαινόμενο γίνεται αντιληπτό με κτύπους, τα λεγόμενα "πειράκια", και επιφέρει υπερθέρμανση του κινητήρα, πτώση της απόδοσής του, κόπωση του πείρου, του διωστήρα και του στροφαλοφόρου άξονα. Η συνεχής λειτουργία με αυτές τις συνθήκες μπορεί να προκαλέσει καταστροφή εμβόλου. Οι κυριότεροι παράγοντες που προκαλούν το φαινόμενο είναι η αυξημένη συμπίεση, η αύξηση του φορτίου, η αύξηση της προπορείας και η ελάττωση των στροφών του κινητήρα. Κυρίως, όμως, οφείλεται στο καύσιμο και, συγκεκριμένα, στην εκρηκτικότητά του.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κατά την κρουστική καύση παρατηρούνται κτύποι (τα λεγόμενα «πειράκια»), υπερθέρμανση του κινητήρα, πτώση της απόδοσής του, κόπωση του πείρου, του διωστήρα και του στροφαλοφόρου άξονα, ενώ η συνεχής λειτουργία σε αυτές τις συνθήκες μπορεί να καταστρέψει το έμβολο. Το φαινόμενο οφείλεται στην αυτανάφλεξη ενός μέρους του καύσιμου μείγματος, όταν η πίεση και η θερμοκρασία στο θάλαμο καύσης ξεπερνούν τις τιμές αντοχής της βενζίνης, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται δύο αντίθετα μέτωπα φλόγας που συγκρούονται. Οι κυριότεροι παράγοντες που το προκαλούν είναι η αυξημένη συμπίεση, η αύξηση του φορτίου, η αύξηση της προπορείας και η ελάττωση των στροφών, ενώ κύρια αιτία είναι η εκρηκτικότητα του ίδιου του καυσίμου (τάση προς αυτανάφλεξη, που σχετίζεται με χαμηλό αριθμό οκτανίου).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κτύποι («πειράκια»), υπερθέρμανση, πτώση απόδοσης, κόπωση/καταστροφή εμβόλου· οφείλεται κυρίως στην εκρηκτικότητα (χαμηλό οκτάνιο) του καυσίμου

Βασικά τμήματα συστήματος ανάμειξης αέρα - καυσίμου

Ερώτηση: Αναφέρατε τα βασικά τμήματα ενός συστήματος ανάμειξης αέρα καυσίμου.

Απάντηση:

• §1.6.2.1. «Τα βασικά του τμήματα, ανεξάρτητα από άλλες διαφοροποιήσεις, είναι: Οι αγωγοί εισαγωγής του ατμοσφαιρικού αέρα... Η αντλία καυσίμου, ο αναμεικτήρας (carburetor) και τα λοιπά εξαρτήματα για την κανονική λειτουργία του συστήματος, και Οι αγωγοί εισαγωγής του μείγματος αέρα - καυσίμου από τον αναμεικτήρα προς τους κυλίνδρους.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα βασικά τμήματα ενός συστήματος ανάμειξης (εισαγωγής) αέρα - καυσίμου είναι τρία: οι αγωγοί εισαγωγής του ατμοσφαιρικού αέρα (ξεκινούν από την εξωτερική επικάλυψη του αεροσκάφους και καταλήγουν στον αναμεικτήρα, με την είσοδο του αέρα να ελέγχεται από θυρίδα)· η αντλία καυσίμου, ο αναμεικτήρας (carburetor) και τα λοιπά εξαρτήματα κανονικής λειτουργίας του συστήματος· και οι αγωγοί εισαγωγής του μείγματος αέρα - καυσίμου από τον αναμεικτήρα προς τους κυλίνδρους. Στους αεραγωγούς τοποθετούνται επίσης φίλτρο σκόνης, σύστημα θέρμανσης (για αποφυγή παγοποίησης) και αισθητήρας θερμοκρασίας στην είσοδο του αναμεικτήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αγωγοί εισαγωγής αέρα, αντλία καυσίμου/αναμεικτήρας, αγωγοί εισαγωγής μείγματος προς τους κυλίνδρους

Ορισμός πλούσιου μείγματος αέρα-καυσίμου

Ερώτηση: Το μείγμα αέρα-καυσίμου ονομάζεται πλούσιο όταν ισχύει κάποιο από τα παρακάτω: Α) Η αναλογία του μείγματος αέρα-καυσίμου βρίσκεται μεταξύ 8:1 και 15:1 Β) Η αναλογία του μείγματος αέρα-καυσίμου βρίσκεται μεταξύ 15:1 και 20:1. Γ) Το καύσιμο στο μείγμα περιέχει περισσότερα από 110 οκτάνια. Δ) Κανένα από τα παραπάνω.

Απάντηση:

• §1.6.2.1. «Το μείγμα βενζίνης - αέρα ονομάζεται πλούσιο (rich mixture) όταν βρίσκεται στην περιοχή μεταξύ 8:1 και 15:1, περιέχει δηλαδή περισσότερη βενζίνη από τη στοιχειομετρική αναλογία. Αντίθετα, το μείγμα ονομάζεται φτωχό (lean mixture) όταν περιέχει λιγότερη βενζίνη από τη στοιχειομετρική αναλογία, οπότε και βρίσκεται στην περιοχή μεταξύ 15:1 και 20:1.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Α) Η αναλογία του μείγματος αέρα-καυσίμου βρίσκεται μεταξύ 8:1 και 15:1. Το μείγμα αέρα-καυσίμου ονομάζεται πλούσιο (rich mixture) όταν περιέχει περισσότερη βενζίνη από τη στοιχειομετρική αναλογία (14,7:1), δηλαδή στην περιοχή 8:1 έως 15:1. Η επιλογή Β περιγράφει το φτωχό μείγμα (15:1-20:1), ενώ ο αριθμός οκτανίου (επιλογή Γ) δεν καθορίζει αν το μείγμα είναι πλούσιο ή φτωχό.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πλούσιο μείγμα: 8:1 έως 15:1 — απάντηση Α

Ορισμός και μονάδες ειδικής κατανάλωσης καυσίμου

Ερώτηση: Πώς ορίζεται η ειδική κατανάλωση καυσίμου και ποιες είναι οι μονάδες που χρησιμοποιούμε;

Απάντηση:

• §1.6.2.1. «Ως μέτρο της οικονομικής λειτουργίας του κινητήρα - και της απόδοσής του - έχει καθιερωθεί η ειδική κατανάλωση καυσίμου (specific fuel consumption, sfc)... τον αριθμό των kg καυσίμου που καίγονται στη μονάδα του χρόνου (hr) για την παραγωγή κάθε μονάδας ισχύος (hp).»

Σύνοψη: Η ειδική κατανάλωση καυσίμου (specific fuel consumption, sfc) ορίζεται ως ο αριθμός των kg καυσίμου που καίγονται στη μονάδα του χρόνου (ανά ώρα, hr) για την παραγωγή κάθε μονάδας ισχύος (hp) του κινητήρα. Αποτελεί μέτρο της οικονομικής λειτουργίας και της απόδοσης του κινητήρα· οι μονάδες που χρησιμοποιούνται είναι kg καυσίμου ανά ώρα ανά μονάδα ισχύος (kg/hr/hp).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• sfc = kg καυσίμου/hr ανά hp παραγόμενης ισχύος — μέτρο οικονομικής λειτουργίας του κινητήρα

Σκοπός, είδη και διαφοροποίηση συστημάτων εισαγωγής αέρα-καυσίμου

Ερώτηση: Αναφέρατε το σκοπό των συστημάτων εισαγωγής αέρα-καυσίμου και τα είδη τους. Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά σύμφωνα με τα οποία διαφοροποιούμε τα είδη των συστημάτων εισαγωγής;

Απάντηση:

• §1.6.2.2. «Τα συστήματα εισαγωγής αέρα - καυσίμου έχουν ως σκοπό να "υπολογίσουν" την ποσότητα του αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα και να προσθέσουν σε αυτήν μία αντίστοιχη ποσότητα καυσίμου ώστε να δημιουργηθεί ο κατάλληλος λόγος αέρα - καυσίμου... Τα συστήματα εισαγωγής αέρα - καυσίμου διακρίνονται σε: 1. Συστήματα έμμεσης έγχυσης καυσίμου ή αναμεικτήρες (carburetors)... 2. Συστήματα άμεσης έγχυσης καυσίμου (fuel injection systems)...»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο σκοπός των συστημάτων εισαγωγής αέρα - καυσίμου είναι να υπολογίζουν την ποσότητα του εισερχόμενου αέρα και να προσθέτουν σε αυτήν την αντίστοιχη ποσότητα καυσίμου, ώστε να δημιουργείται ο κατάλληλος λόγος αέρα - καυσίμου. Διακρίνονται σε δύο βασικά είδη: (1) συστήματα έμμεσης έγχυσης καυσίμου ή αναμεικτήρες (carburetors), όπου το καύσιμο αναρροφάται λόγω της υποπίεσης που δημιουργείται στη ροή του εισερχόμενου αέρα, και (2) συστήματα άμεσης έγχυσης καυσίμου (fuel injection systems), όπου το καύσιμο ψεκάζεται με αντλία πίεσης στη ροή του αέρα ή απευθείας στον κύλινδρο. Το βασικό χαρακτηριστικό που διαφοροποιεί τα δύο είδη είναι ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται η ροή/πίεση του καυσίμου: στους αναμεικτήρες βασίζεται στη διαφορά πίεσης (υποπίεση) που δημιουργεί η ροή του αέρα μέσα από μία στένωση Venturi, ενώ στα συστήματα άμεσης έγχυσης βασίζεται σε αντλία πίεσης, χωρίς εκμετάλλευση της πτώσης πίεσης στο Venturi. Μέσα στους αναμεικτήρες γίνεται περαιτέρω διάκριση ανάλογα με τον τρόπο τροφοδοσίας καυσίμου (πλωτήρα ή πίεσης) και με τη φορά ροής του αέρα (ανοδικοί ή καθοδικοί).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σκοπός: σωστός λόγος αέρα-καυσίμου· είδη: αναμεικτήρες (έμμεση έγχυση, υποπίεση Venturi) ή άμεση έγχυση (αντλία πίεσης)· διαφοροποίηση: τρόπος δημιουργίας πίεσης καυσίμου, τύπος τροφοδοσίας, φορά ροής αέρα

Αιτία υποπίεσης εισροής μείγματος στους κυλίνδρους

Ερώτηση: Η υποπίεση που προκαλεί την εισροή του μείγματος αέρα καυσίμου στους κυλίνδρους ενός εμβολοφόρου κινητήρα προκαλείται από: Α) Τη διαμόρφωση Ventouri του αναμεικτήρα. Β) Την πίεση της δεξαμενής του καυσίμου. Γ) Τη στένωση Bernoulli του αναμεικτήρα. Δ) Την πτώση της πίεσης που δημιουργούν τα έμβολα του κινητήρα διαδοχικά κατά την φάση της εισαγωγής.

Απάντηση:

• §1.6.2.2.1. «Κατά τη φάση εισαγωγής μειώνεται η πίεση στον κύλινδρο του κινητήρα και εξαναγκάζεται η εισαγωγή αέρα σε αυτόν. Αυτή η ροή αέρα περνά από την περιοχή Venturi, μειώνει την πίεση και, στη συνέχεια, εξαναγκάζει την ροή καυσίμου από τον αναβρυτήρα.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Δ) Την πτώση της πίεσης που δημιουργούν τα έμβολα του κινητήρα διαδοχικά κατά την φάση της εισαγωγής. Η κίνηση των εμβόλων κατά τη φάση εισαγωγής μειώνει την πίεση μέσα στους κυλίνδρους και αυτή η υποπίεση είναι που αναγκάζει το μείγμα αέρα - καυσίμου να εισρεύσει σε αυτούς. Η στένωση Venturi του αναμεικτήρα (επιλογές Α, Γ) δημιουργεί ξεχωριστή υποπίεση που χρησιμεύει για την αναρρόφηση του καυσίμου από τον αναβρυτήρα μέσα στη χοάνη — δεν είναι αυτή που τραβά το μείγμα μέσα στους κυλίνδρους. Η πίεση της δεξαμενής καυσίμου (επιλογή Β) δεν σχετίζεται με την είσοδο του μείγματος στους κυλίνδρους.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Η υποπίεση εισροής στους κυλίνδρους δημιουργείται από την κίνηση των εμβόλων στη φάση εισαγωγής — απάντηση Δ

Σκοπός και φάση λειτουργίας συστήματος βραδείας λειτουργίας αναμικτήρα με πλωτήρα

Ερώτηση: Για ποιον λόγο χρησιμοποιείται το σύστημα βραδείας λειτουργίας ενός αναμικτήρα με πλωτήρα και σε ποια φάση της λειτουργίας του;

Απάντηση:

• §1.6.2.2.1, Σύστημα βραδείας λειτουργίας. «Η αναγκαιότητά του προκύπτει από το γεγονός ότι κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του κινητήρα σε στροφές λειτουργίας κάτω από τις 1000rpm, η δικλείδα ισχύος είναι σχεδόν κλειστή και η ροή αέρα μέσω της στένωσης Venturi δεν είναι αρκετή ώστε να προκαλέσει υποπίεση τέτοιου μεγέθους που θα οδηγήσει σε παροχή καυσίμου από τη δεξαμενή.»

Σύνοψη: Το σύστημα βραδείας λειτουργίας (Idling System) χρησιμοποιείται επειδή, όταν ο κινητήρας λειτουργεί σε στροφές κάτω από τις 1000rpm, η δικλείδα ισχύος είναι σχεδόν κλειστή και η ροή αέρα μέσα από τη στένωση Venturi δεν είναι αρκετή ώστε να δημιουργήσει την υποπίεση που απαιτείται για την κανονική παροχή καυσίμου από τον αναβρυτήρα. Το σύστημα, μέσω ειδικών οπών (idle discharge ports) στο σώμα της χοάνης, τροφοδοτεί τότε καύσιμο χάρη στην υποπίεση που επικρατεί στο άνω σημείο της σχεδόν κλειστής δικλείδας. Χρησιμοποιείται, επομένως, στη φάση της βραδείας λειτουργίας (ρελαντί) του κινητήρα, δηλαδή σε πολύ χαμηλές στροφές, όπου ο κύριος αναβρυτήρας δεν θα μπορούσε από μόνος του να τροφοδοτήσει καύσιμο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Χρησιμοποιείται στη βραδεία λειτουργία/ρελαντί (κάτω από 1000rpm), όπου η υποπίεση Venturi δεν αρκεί για κανονική τροφοδοσία καυσίμου

Λόγοι έγχυσης μείγματος νερού-μεθανόλης

Ερώτηση: Για ποιους λόγους χρησιμοποιείται έγχυση μείγματος νερού μεθανόλης στο μείγμα αέρα καυσίμου ενός αεροπορικού εμβολοφόρου κινητήρα;

Απάντηση:

• §1.6.2.3. «Η έγχυση νερού πραγματοποιείται στο μείγμα αέρα - καυσίμου ώστε να μειωθεί η θερμοκρασία του μείγματος και των κυλίνδρων με σκοπό να παραχθεί μεγαλύτερη ισχύς από τον κινητήρα χωρίς τον κίνδυνο εμφάνισης αυτεκρήξεων... δε χρησιμοποιείται καθαρό νερό αλλά ένα μείγμα νερού και μεθανόλης, η οποία εμποδίζει το σχηματισμό πάγου σε μεγάλα ύψη αλλά και τις κρύες ημέρες. Επίσης, εμπεριέχεται και μικρή ποσότητα υδατοδιαλυτού λαδιού με σκοπό την αποφυγή εμφάνισης διάβρωσης.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η έγχυση μείγματος νερού - μεθανόλης χρησιμοποιείται για να μειωθεί η θερμοκρασία του καύσιμου μείγματος και των κυλίνδρων, ώστε να παραχθεί μεγαλύτερη ισχύς (π.χ. κατά την απογείωση, όπου απαιτείται λειτουργία σε πλήρη ισχύ) χωρίς τον κίνδυνο εμφάνισης αυτεκρήξεων (κρουστικής καύσης) — χωρίς αυτό, η λειτουργία σε πλήρη ισχύ θα απαιτούσε πολύ πλούσιο μείγμα (περίπου 10:1). Δεν χρησιμοποιείται καθαρό νερό, αλλά μείγμα νερού - μεθανόλης, γιατί η μεθανόλη εμποδίζει το σχηματισμό πάγου σε μεγάλα ύψη και σε κρύες ημέρες. Προστίθεται επίσης μικρή ποσότητα υδατοδιαλυτού λαδιού για την αποφυγή διάβρωσης από την κυκλοφορία του μείγματος. Το νερό επιτρέπει μεγαλύτερες πιέσεις λειτουργίας και ο λόγος αέρα-καυσίμου προσεγγίζει την οικονομικότερη τιμή του 12:1, με αποτέλεσμα αύξηση της απόδοσης ισχύος κατά 8%-15% στην απογείωση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μείωση θερμοκρασίας μείγματος/κυλίνδρων → μεγαλύτερη ισχύς χωρίς αυτεκρήξεις· μεθανόλη κατά της παγοποίησης· λάδι κατά της διάβρωσης

Πλεονεκτήματα συστημάτων άμεσης έγχυσης καυσίμου

Ερώτηση: Αναφέρατε τα πλεονεκτήματα των συστημάτων άμεσης έγχυσης καυσίμου.

Απάντηση:

• §1.6.2.4. «Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η χρήση ενός τέτοιου συστήματος είναι σημαντικά: Μικρός κίνδυνος εμφάνισης παγοποίησης... Πολύ καλή ανάμειξη και αποτελεσματικός έλεγχος του καύσιμου μείγματος... Εγγυημένη και άμεση επιτάχυνση του κινητήρα από τη βραδεία λειτουργία. Αυξημένη απόδοση του κινητήρα λόγω της μείωσης της κατανάλωσης και της υπερθέρμανσης των κυλίνδρων.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα συστήματα άμεσης έγχυσης καυσίμου παρουσιάζουν τα εξής πλεονεκτήματα: μικρό κίνδυνο εμφάνισης παγοποίησης, αφού η έγχυση και η ανάμιξη του καυσίμου γίνονται πολύ κοντά στην εισαγωγή του κυλίνδρου· πολύ καλή ανάμειξη και αποτελεσματικό έλεγχο του καύσιμου μείγματος, λόγω του τρόπου με τον οποίο επιτυγχάνεται η απαιτούμενη πίεση λειτουργίας· εγγυημένη και άμεση επιτάχυνση του κινητήρα από τη βραδεία λειτουργία· και αυξημένη απόδοση του κινητήρα λόγω της μείωσης της κατανάλωσης καυσίμου και της υπερθέρμανσης των κυλίνδρων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μικρός κίνδυνος παγοποίησης, καλή ανάμειξη/έλεγχος μείγματος, άμεση επιτάχυνση, αυξημένη απόδοση (λιγότερη κατανάλωση/υπερθέρμανση)