Λύσεις — Ενότητα 04: Κύκλος Λειτουργίας – Σπειροειδή/Κυκλικά Διαγράμματα (σελ. 77) – ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 04: Κύκλος Λειτουργίας - Σπειροειδή/Κυκλικά Διαγράμματα

Λύσεις στις 7 ερωτήσεις της §4.1: σπειροειδές διάγραμμα του 4χρονου βενζινοκινητήρα, το «παλάντζο» (επικάλυψη βαλβίδων), ωφέλιμοι/παθητικοί χρόνοι, κυκλικό διάγραμμα του 2χρονου βενζινοκινητήρα, σάρωση, γιατί η συμπίεση στο 2χρονο είναι μικρότερη, και οι κυριότερες διαφορές μεταξύ 4χρονου και 2χρονου βενζινοκινητήρα.

Το σπειροειδές διάγραμμα του 4χρονου βενζινοκινητήρα

Ερώτηση: Να περιγράφει το σπειροειδές διάγραμμα του 4χρονου βενζινοκινητήρα.

Απάντηση:

• Να περιγράφει το σπειροειδές διάγραμμα του 4χρονου βενζινοκινητήρα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το σπειροειδές διάγραμμα αποτυπώνει τις διαδικασίες του 4χρονου βενζινοκινητήρα σε δύο πλήρεις περιστροφές του στροφαλοφόρου άξονα, δείχνοντας τα ακριβή σημεία (σε μοίρες πριν ή μετά το Α.Ν.Σ./Κ.Ν.Σ.) στα οποία ανοίγουν και κλείνουν οι βαλβίδες, καθώς και το σημείο της ανάφλεξης. Στον 1ο χρόνο (εισαγωγή/αναρρόφηση, τόξο ΑΒ), η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει στο σημείο Α, 10°-20° πριν το Α.Ν.Σ. (ενώ η βαλβίδα εξαγωγής είναι ακόμη ανοικτή, γίνεται σύντομος καθαρισμός του κυλίνδρου), το έμβολο κατεβαίνει και αναρροφά το μίγμα, και η βαλβίδα εισαγωγής κλείνει στο σημείο Β, 30°-40° μετά το Κ.Ν.Σ., για καλύτερη πλήρωση. Το τμήμα ΑΔ, όπου και οι δύο βαλβίδες είναι ανοικτές ταυτόχρονα, λέγεται «επικάλυψη» ή «παλάντζο». Στον 2ο χρόνο (συμπίεση, τόξο ΒΓ) το έμβολο ανεβαίνει με κλειστές βαλβίδες και το μίγμα συμπιέζεται (8-15 at, 250-380 °C) μέχρι το σημείο Γ. Στον 3ο χρόνο (καύση-εκτόνωση, τόξο ΓΔΕ) ο σπινθήρας δίνεται στο σημείο Γ (5°-45° πριν το Α.Ν.Σ., η «προπορεία»/αβάνς), το μίγμα καίγεται (1500-2500 °C, 25-50 at) και η εκτόνωση (τόξο ΔΕ) δίνει το ωφέλιμο έργο. Στον 4ο χρόνο (εξαγωγή, τόξο ΕΖ) η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει στο σημείο Ε (30°-50° πριν το Κ.Ν.Σ.) και κλείνει στο σημείο Ζ (10° μετά το Α.Ν.Σ.), ολοκληρώνοντας τον κύκλο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο περιστροφές άξονα, σημεία Α-Ζ: εισαγωγή (ΑΒ) → συμπίεση (ΒΓ) → καύση-εκτόνωση (ΓΔΕ, σπινθήρας στο Γ) → εξαγωγή (ΕΖ)· τμήμα ΑΔ = «παλάντζο»

Το «παλάντζο» (επικάλυψη βαλβίδων)

Ερώτηση: Τι είναι το «παλάντζο» και γιατί γίνεται;

Απάντηση:

• Τι είναι το «παλάντζο» και γιατί γίνεται;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το «παλάντζο» (ή «επικάλυψη», overlap) είναι το χρονικό διάστημα (τμήμα ΑΔ του σπειροειδούς διαγράμματος) κατά το οποίο, στον 4χρονο κινητήρα, οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής είναι ταυτόχρονα ανοικτές: η βαλβίδα εισαγωγής έχει ήδη ανοίξει στο σημείο Α (10°-20° πριν το Α.Ν.Σ.) πριν κλείσει η βαλβίδα εξαγωγής στο σημείο Ζ του προηγούμενου κύκλου (λίγο μετά το Α.Ν.Σ.). Γίνεται σκόπιμα, επειδή τα καυσαέρια που φεύγουν με μεγάλη ταχύτητα από την ανοικτή βαλβίδα εξαγωγής δημιουργούν μια μικρή επιπλέον αναρρόφηση μέσα στον κύλινδρο· ανοίγοντας λίγο ενωρίτερα τη βαλβίδα εισαγωγής, εκμεταλλευόμαστε αυτή την αναρρόφηση για να μπει ενωρίτερα το νέο μίγμα, ενώ ταυτόχρονα επιτυγχάνεται και ένας σύντομος καθαρισμός του κυλίνδρου από τα τελευταία καυσαέρια του προηγούμενου κύκλου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Παλάντζο = ταυτόχρονο άνοιγμα βαλβίδων εισαγωγής/εξαγωγής (τμήμα ΑΔ)· εκμεταλλεύεται την αναρρόφηση των εξερχόμενων καυσαερίων για καλύτερη πλήρωση/καθαρισμό

Ωφέλιμοι και παθητικοί χρόνοι

Ερώτηση: Ποιοι είναι οι ωφέλιμοι και ποιοι οι παθητικοί χρόνοι;

Απάντηση:

• Ποιοι είναι οι ωφέλιμοι και ποιοι οι παθητικοί χρόνοι;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ωφέλιμος (ή κινητήριος) χρόνος στον 4χρονο κινητήρα είναι ο 3ος χρόνος, η «καύση-εκτόνωση»: σε αυτόν το καιγόμενο μίγμα ωθεί το έμβολο προς το Κ.Ν.Σ. με μεγάλη δύναμη, παράγοντας το έργο που χρειάζεται ο κινητήρας για να λειτουργήσει. Παθητικοί (ή βοηθητικοί) χρόνοι είναι οι υπόλοιποι τρεις: ο 1ος χρόνος (εισαγωγή/αναρρόφηση), ο 2ος χρόνος (συμπίεση) και ο 4ος χρόνος (εξαγωγή) — ονομάζονται έτσι επειδή, αντί να παράγουν έργο, το απορροφούν (καταναλώνουν κινητική ενέργεια που έχει αποθηκευτεί στον στρόφαλο/σφόνδυλο από τον προηγούμενο ωφέλιμο χρόνο, για να κινήσουν το έμβολο).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ωφέλιμος = 3ος χρόνος (καύση-εκτόνωση, παράγει έργο)· παθητικοί = 1ος, 2ος, 4ος χρόνος (εισαγωγή, συμπίεση, εξαγωγή — απορροφούν έργο)

Το κυκλικό διάγραμμα του 2χρονου βενζινοκινητήρα

Ερώτηση: Να περιγράφει το κυκλικό διάγραμμα του 2χρονου βενζινοκινητήρα.

Απάντηση:

• Να περιγράφει το κυκλικό διάγραμμα του 2χρονου βενζινοκινητήρα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το κυκλικό διάγραμμα αποτυπώνει τις διαδικασίες του 2χρονου βενζινοκινητήρα σε μία μόνο περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα, δείχνοντας τις γωνίες στις οποίες ανοίγουν/κλείνουν οι τρεις θυρίδες: (Α) εισαγωγή καυσίμου στον κύλινδρο, (Β) εξαγωγή καυσαερίων, (Γ) εισαγωγή καυσίμου στον στροφαλοθάλαμο. Στον 1ο χρόνο (το έμβολο κατεβαίνει) γίνεται η καύση (τόξο ΕΖ, γύρω από το Α.Ν.Σ.), η εκτόνωση (τόξο ΖΓ), η αρχή της σάρωσης (πρώτο τμήμα του τόξου ΓΔ, 60°-80° πριν το Κ.Ν.Σ., όταν αποκαλύπτεται η θυρίδα εξαγωγής Β), η προσυμπίεση στον στροφαλοθάλαμο (τόξο ΘΑ) και η αρχή της εισαγωγής στον κύλινδρο (πρώτο τμήμα του τόξου ΑΒ, όταν αποκαλύπτεται η θυρίδα Α και το προσυμπιεσμένο μίγμα μπαίνει με πίεση ~20% πάνω από την ατμοσφαιρική, καθαρίζοντας τον κύλινδρο από τα καυσαέρια). Στον 2ο χρόνο (το έμβολο ανεβαίνει) ολοκληρώνεται η εισαγωγή στον κύλινδρο (δεύτερο τμήμα του τόξου ΑΒ, όταν καλύπτεται η θυρίδα Α) και η σάρωση (δεύτερο τμήμα του τόξου ΓΔ), γίνεται η συμπίεση στον κύλινδρο (τόξο ΔΕ, μετά το κλείσιμο και της θυρίδας Β, μέχρι λίγο πριν το Α.Ν.Σ. όπου δίνεται ο σπινθήρας) και, παράλληλα, η εισαγωγή νέου μίγματος στον στροφαλοθάλαμο (τόξα ΒΗ-ΗΘ) μέσω υποπίεσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μία περιστροφή, θυρίδες Α (εισαγωγή κύλινδρο), Β (εξαγωγή), Γ (εισαγωγή στροφαλοθάλαμο): κατέβασμα = καύση-εκτόνωση-αρχή σάρωσης/εισαγωγής· ανέβασμα = ολοκλήρωση σάρωσης/εισαγωγής, συμπίεση, γέμισμα στροφαλοθαλάμου

Τι ονομάζεται σάρωση

Ερώτηση: Τι ονομάζεται σάρωση;

Απάντηση:

• Τι ονομάζεται σάρωση;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Σάρωση ονομάζεται, στον 2χρονο κινητήρα, η φάση κατά την οποία η εξαγωγή των καυσαερίων του προηγούμενου κύκλου (τόξο ΓΔ, μέσω της θυρίδας Β) και η εισαγωγή του νέου καύσιμου μίγματος στον κύλινδρο (τόξο ΑΒ, μέσω της θυρίδας Α) γίνονται σχεδόν ταυτόχρονα, με αποτέλεσμα το εισερχόμενο μίγμα να «σκουπίζει» και να απομακρύνει τα υπολειπόμενα καυσαέρια από τον κύλινδρο. Η εξαγωγή διαρκεί χρονικά λίγο περισσότερο από την εισαγωγή, ώστε ο κύλινδρος να καθαρίζει καλύτερα πριν κλείσουν και οι δύο θυρίδες για να αρχίσει η συμπίεση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σάρωση = σχεδόν ταυτόχρονη εξαγωγή καυσαερίων + εισαγωγή νέου μίγματος στον κύλινδρο, που καθαρίζει τον κύλινδρο (2χρονος)

Γιατί η συμπίεση στο 2χρονο είναι μικρότερη

Ερώτηση: Γιατί στο 2χρονο κινητήρα η συμπίεση είναι μικρότερη;

Απάντηση:

• Γιατί στο 2χρονο κινητήρα η συμπίεση είναι μικρότερη;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στον 2χρονο κινητήρα η σχέση (βαθμός) συμπίεσης είναι μικρότερη κατά 10 με 20% από την αντίστοιχη του τετράχρονου, επειδή δεν αξιοποιείται ολόκληρος ο όγκος του κυλίνδρου για τη συμπίεση: εκμεταλλευόμαστε μόνο το 80 με 90% αυτού του όγκου, ενώ το υπόλοιπο 10 με 20% μένει ανεκμετάλλευτο εξαιτίας των ανοιγμάτων που δημιουργούν οι θυρίδες εισαγωγής και εξαγωγής στο τοίχωμα του κυλίνδρου (σε αντίθεση με τον τετράχρονο, όπου οι βαλβίδες βρίσκονται στην κυλινδροκεφαλή και δεν «τρώνε» χώρο από τη διαδρομή συμπίεσης του εμβόλου).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Θυρίδες εισαγωγής/εξαγωγής στο τοίχωμα κυλίνδρου → αχρησιμοποίητο 10-20% του όγκου → βαθμός συμπίεσης 10-20% μικρότερος απ' τον τετράχρονο

Κυριότερες διαφορές 4χρονου - 2χρονου βενζινοκινητήρα

Ερώτηση: Ποιες είναι οι κυριότερες διαφορές μεταξύ του 4χρονου και του 2χρονου βενζινοκινητήρα;

Απάντηση:

• Ποιες είναι οι κυριότερες διαφορές μεταξύ του 4χρονου και του 2χρονου βενζινοκινητήρα;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι κυριότερες διαφορές μεταξύ 4χρονου και 2χρονου βενζινοκινητήρα είναι: (1) Κύκλος λειτουργίας: ο 4χρονος ολοκληρώνει τον κύκλο του σε τέσσερις κινήσεις του εμβόλου/δύο περιστροφές του άξονα, ο 2χρονος σε δύο κινήσεις/μία περιστροφή. (2) Μηχανισμός εναλλαγής αερίων: ο 4χρονος έχει βαλβίδες εισαγωγής-εξαγωγής στην κυλινδροκεφαλή (κινούμενες από εκκεντροφόρο), ο 2χρονος έχει απλές θυρίδες στο τοίχωμα του κυλίνδρου που ανοίγουν/κλείνουν με την ίδια την κίνηση του εμβόλου. (3) Καθαρισμός κυλίνδρου: στον 4χρονο η εξαγωγή γίνεται σε δικό της ξεχωριστό χρόνο, ενώ στον 2χρονο εξαγωγή και εισαγωγή γίνονται σχεδόν ταυτόχρονα μέσω της σάρωσης. (4) Ρόλος στροφαλοθαλάμου: μόνο ο 2χρονος χρησιμοποιεί τον στροφαλοθάλαμο για προσυμπίεση του μίγματος πριν αυτό μπει στον κύλινδρο. (5) Σχέση συμπίεσης: μικρότερη κατά 10-20% στον 2χρονο, λόγω των θυρίδων. (6) Προπορεία (αβάνς): μεταβλητή (ανάλογα με στροφές/φορτίο, μέσω φυγοκεντρικών μηχανισμών ή υποπίεσης) στον 4χρονο, σταθερή (καθορισμένη μία φορά από τον κατασκευαστή) στον απλό 2χρονο. (7) Παραγωγή έργου: ο 2χρονος παράγει μία εκτόνωση σε κάθε περιστροφή του άξονα, ενώ ο 4χρονος μία εκτόνωση κάθε δύο περιστροφές — γι' αυτό ο 2χρονος έχει θεωρητικά μεγαλύτερη ειδική ισχύ ανά κυλινδρισμό, αλλά υποφέρει από ατελέστερη σάρωση/απόδοση σε σχέση με τον 4χρονο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κύκλος (4 vs 2 κινήσεις), βαλβίδες vs θυρίδες, ξεχωριστή εξαγωγή vs σάρωση, ρόλος στροφαλοθαλάμου, μικρότερη συμπίεση στον 2χρονο, μεταβλητή vs σταθερή προπορεία, εκτόνωση ανά περιστροφή