Λύσεις — Ενότητα 14: Συστήματα Υπερπλήρωσης (σελ. 210) – ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 14: Συστήματα Υπερπλήρωσης

Λύσεις στις 5 ερωτήσεις της §4.11: βασικές αρχές υπερπλήρωσης (προσυμπίεση αέρα και καύση μεγαλύτερης ποσότητας καυσίμου), πολλαπλή εισαγωγή μεταβλητού μήκους, μηχανική υπερπλήρωση, φυγοκεντρικός υπερσυμπιεστής καυσαερίων (turbocharger) ως ο πιο διαδεδομένος τύπος, ο υπερσυμπιεστής με εκμετάλλευση των κυμάτων πίεσης και οι καμπύλες ροπής κινητήρων με μόνιμη και μεταβλητή υπερπλήρωση (Σχ.4.129).

Αρκεί η προσυμπίεση μόνο του αέρα;

Ερώτηση: Είναι αρκετή η προσυμπίεση μόνο του αέρα για την αύξηση της απόδοσης ισχύος ενός κινητήρα;

Απάντηση:

• Από τις βασικές αρχές (§4.11.1): η ισχύς είναι ανάλογη της ποσότητας (πυκνότητας) του αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα.
• Σκοπός της υπερπλήρωσης είναι να επιτρέψει την εισαγωγή και καύση μεγαλύτερης ποσότητας καυσίμου.
• Άρα η προσυμπίεση του αέρα μόνη της δεν αρκεί· χρειάζεται και αντίστοιχη αύξηση του καυσίμου που καίγεται.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Δεν αρκεί η προσυμπίεση μόνο του αέρα για να αυξηθεί, αυτή καθαυτή, η αποδιδόμενη ισχύς ενός κινητήρα. Σύμφωνα με τη βασική αρχή της Μηχανικής, η ισχύς ενός κινητήρα είναι ανάλογη με την ποσότητα του εισερχόμενου σ' αυτόν αέρα, και επειδή αυτή η ποσότητα είναι ανάλογη της πυκνότητάς του, η ισχύς -με δεδομένο τον ίδιο κυβισμό και τις ίδιες στροφές λειτουργίας- μπορεί να αυξηθεί με την προσυμπίεση του αέρα πριν αυτός εισέλθει στους κυλίνδρους (δηλαδή με την υπερπλήρωση). Ωστόσο, ο πραγματικός σκοπός της υπερπλήρωσης δεν είναι η ίδια η συμπίεση του αέρα, αλλά να επιτρέψει στον κινητήρα την εισαγωγή και καύση μεγαλύτερης ποσότητας καυσίμου, ώστε να αυξηθεί η αποδιδόμενη ισχύς του. Η προσυμπίεση του αέρα, λοιπόν, είναι απλά το αναγκαίο μέσο -παρέχει τη διαθέσιμη ποσότητα οξυγόνου για την καύση- και όχι αυτοσκοπός: χωρίς αντίστοιχη αύξηση της ποσότητας του καυσίμου που καίγεται μέσα στον κύλινδρο, η προσυμπίεση του αέρα από μόνη της δεν μεταφράζεται σε πραγματική αύξηση ισχύος. Επιπλέον, ο βαθμός υπερπλήρωσης δεν μπορεί να αυξάνεται ανεξέλεγκτα: στους βενζινοκινητήρες περιορίζεται από τον κίνδυνο κρουστικής καύσης, ενώ στους πετρελαιοκινητήρες από τη μέγιστη επιτρεπόμενη πίεση λειτουργίας τους, γι' αυτό και οι κινητήρες turbo έχουν χαμηλότερη σχέση συμπίεσης από τους αντίστοιχους ατμοσφαιρικούς, ενώ συνήθως απαιτείται και ψύξη του συμπιεσμένου αέρα (intercooler) για να διατηρηθεί υψηλή η πυκνότητά του.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Η προσυμπίεση αέρα είναι το μέσο, όχι ο σκοπός: χρειάζεται και αντίστοιχα μεγαλύτερη ποσότητα καυσίμου να καίγεται για να αυξηθεί πράγματι η ισχύς

Τι εξασφαλίζει η πολλαπλή εισαγωγής μεταβλητού μήκους

Ερώτηση: Τι εξασφαλίζει η πολλαπλή της εισαγωγής μεταβλητού μήκους σ' έναν κινητήρα;

Απάντηση:

• Το σύστημα χρησιμοποιεί «πεταλούδες» ή «κλαπέτα» για επιλεκτική σύνδεση/αποσύνδεση των αυλών εισαγωγής ανάλογα με τις στροφές.
• Έτσι εξασφαλίζεται υψηλή ροπή σε μεγάλο φάσμα στροφών λειτουργίας.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το σύστημα της πολλαπλής εισαγωγής μεταβλητού μήκους χρησιμοποιεί «πεταλούδες», «κλαπέτα» ή άλλους μηχανισμούς για την επιλεκτική σύνδεση και αποσύνδεση των αυλών εισαγωγής που οδηγούν στους κυλίνδρους, ανάλογα πάντοτε με τις στροφές λειτουργίας του κινητήρα. Έτσι το μήκος της διαδρομής που ακολουθεί ο εισερχόμενος αέρας διαφοροποιείται με τις στροφές: σε κάποιες στροφές ο αέρας ακολουθεί μια μακρύτερη διαδρομή εισαγωγής, ενώ σε άλλες μια συντομότερη, ανάλογα με ποιος συνδυασμός μήκους αυλού αξιοποιεί καλύτερα τα φαινόμενα δυναμικής συμπεριφοράς (κύματα πίεσης) του αέρα στη συγκεκριμένη περιοχή στροφών. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται η διατήρηση της ροπής του κινητήρα σε υψηλά επίπεδα σε ένα μεγάλο φάσμα στροφών λειτουργίας, και όχι μόνο σε μία μικρή, στενή περιοχή στροφών, όπως θα συνέβαινε με μια πολλαπλή εισαγωγής σταθερού (ενιαίου) μήκους, βελτιστοποιημένη μόνο για μία περιοχή στροφών. Πρακτικά, ο κινητήρας αποκτά έτσι πιο «ευέλικτη» και ομαλή καμπύλη ροπής σε όλο το φάσμα λειτουργίας του, με καλύτερη οδηγική συμπεριφορά τόσο σε χαμηλές όσο και σε υψηλές στροφές.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μεταβλητό μήκος αυλών εισαγωγής (μέσω πεταλούδων/κλαπέτων) ανάλογα με τις στροφές → διατηρεί υψηλή ροπή σε μεγάλο φάσμα στροφών, όχι μόνο σε μία στενή περιοχή

Ο περισσότερο διαδεδομένος τύπος υπερσυμπιεστή

Ερώτηση: Ποιος, κατά την γνώμη σας, είναι ο περισσότερο διαδεδομένος τύπος υπερσυμπιεστή και γιατί;

Απάντηση:

• Συγκρίνουμε τους τύπους υπερπλήρωσης: μηχανική, με καυσαέρια (turbocharger), με κύματα πίεσης.
• Ο turbocharger εκμεταλλεύεται την ενέργεια των καυσαερίων που αλλιώς χάνεται, χωρίς να καταναλώνει ισχύ του κινητήρα.
• Γι' αυτό είναι ο περισσότερο διαδεδομένος στους σύγχρονους υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο περισσότερο διαδεδομένος τύπος υπερσυμπιεστή σήμερα είναι ο φυγοκεντρικός υπερσυμπιεστής καυσαερίων, γνωστός και ως turbocharger. Η θεωρία το επιβεβαιώνει ρητά, αναφέροντας ότι «σήμερα, στους σύγχρονους υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες, η ενέργεια των καυσαερίων μετατρέπεται σε κινητική μέσω μιας τουρμπίνας που κινείται από τα καυσαέρια», ο συνδυασμός της οποίας με τον υπερσυμπιεστή δίνει ακριβώς τον υπερσυμπιεστή καυσαερίων ή turbocharger. Ο λόγος για τον οποίο έχει επικρατήσει έναντι των άλλων τύπων είναι ότι εκμεταλλεύεται ενέργεια που, στους ατμοσφαιρικούς κινητήρες, χάνεται εξαιτίας των συνθηκών εκτόνωσης που επιβάλλει ο μηχανισμός στροφαλοφόρου-μπιέλας, αντί να καταναλώνει ισχύ του ίδιου του κινητήρα -όπως συμβαίνει με τη μηχανική υπερπλήρωση, όπου ο υπερσυμπιεστής κινείται απευθείας από τον κινητήρα και αυξάνει την κατανάλωση καυσίμου. Το turbocharger προσφέρει, έτσι, αισθητή αύξηση ισχύος για διάφορους κυβισμούς, βελτιωμένη καμπύλη ροπής σε όλη την ωφέλιμη περιοχή στροφών, αισθητή βελτίωση της κατανάλωσης καυσίμου σε σύγκριση με ατμοσφαιρικούς κινητήρες ίσης ισχύος, και βελτίωση της ποιότητας των καυσαερίων. Τα μειονεκτήματά του (ανάγκη ανθεκτικών σε θερμότητα υλικών, χώρος για τον υπερσυμπιεστή και το intercooler, χαμηλή ροπή στις χαμηλές στροφές, καθυστερημένη απόκριση/«turbo lag») είναι λιγότερο σοβαρά και πιο εύκολα διαχειρίσιμα (π.χ. με κατάλληλη σχεδίαση τουρμπίνας) απ' όσο τα αντίστοιχα προβλήματα των άλλων δύο τύπων (αυξημένη κατανάλωση στη μηχανική υπερπλήρωση, θόρυβος και περιορισμένη ευελιξία τοποθέτησης στον υπερσυμπιεστή κυμάτων πίεσης), γι' αυτό και έχει επικρατήσει ως ο κατά κύριο λόγο χρησιμοποιούμενος τύπος στους σύγχρονους πετρελαιοκινητήρες και σε πολλούς σύγχρονους βενζινοκινητήρες.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Φυγοκεντρικός υπερσυμπιεστής καυσαερίων (turbocharger): εκμεταλλεύεται ενέργεια των καυσαερίων που αλλιώς χάνεται, με καλύτερη ισχύ/ροπή/κατανάλωση σε σχέση με τους άλλους τύπους

Εφαρμογή του υπερσυμπιεστή κυμάτων πίεσης σήμερα

Ερώτηση: Έχει σήμερα εφαρμογή ο υπερσυμπιεστής με εκμετάλλευση των κυμάτων πίεσης και, αν ναι, σε ποια αυτοκίνητα;

Απάντηση:

• Καταγράφουμε τα πλεονεκτήματα του υπερσυμπιεστή κυμάτων πίεσης: γρήγορη απόκριση, υψηλή συμπίεση στις χαμηλές στροφές.
• Καταγράφουμε τα μειονεκτήματά του: περιορισμένη ευελιξία τοποθέτησης, θορυβώδης λειτουργία, ευαισθησία στην αντίσταση χαμηλής πίεσης.
• Συμπεραίνουμε ότι η εφαρμογή του είναι περιορισμένη, σε λίγα πετρελαιοκίνητα επιβατικά αυτοκίνητα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο υπερσυμπιεστής με εκμετάλλευση των κυμάτων πίεσης δεν έχει σήμερα ευρεία εφαρμογή στη μαζική παραγωγή αυτοκινήτων. Το σύστημα αυτό επιτυγχάνει άμεση ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ των καυσαερίων και του εισερχόμενου αέρα, με ταχύτητα ήχου, εκμεταλλευόμενο τις διαφορετικές ταχύτητες σωματιδίων καυσαερίων και κυμάτων πίεσης, γεγονός που του προσφέρει πραγματικά πλεονεκτήματα: πολύ γρήγορη απόκριση στις αλλαγές φορτίου του κινητήρα και υψηλή συμπίεση ήδη στις χαμηλές στροφές λειτουργίας. Ωστόσο, τα μειονεκτήματά του είναι σοβαρά: περιορισμένη ευελιξία στην τοποθέτηση του μηχανισμού λόγω της παρουσίας ιμάντα μετάδοσης κίνησης και αγωγών αερίων, αυξημένες ποσότητες καυσαερίων και αέρα σάρωσης, θορυβώδης λειτουργία, και πολύ μεγάλη ευαισθησία στην αυξημένη αντίσταση στην πλευρά χαμηλής πίεσης. Ακριβώς εξαιτίας αυτών των μειονεκτημάτων, η εφαρμογή του είναι περιορισμένη: έχει χρησιμοποιηθεί σε μικρό αριθμό πετρελαιοκίνητων επιβατικών αυτοκινήτων, ενώ στη μαζική παραγωγή υστερεί σαφώς μπροστά στον απλούστερο, πιο ήσυχο και ευέλικτο φυγοκεντρικό υπερσυμπιεστή καυσαερίων (turbocharger), ο οποίος έχει επικρατήσει ως η κυρίαρχη τεχνολογία υπερπλήρωσης στα σύγχρονα αυτοκίνητα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Υπερσυμπιεστής κυμάτων πίεσης: περιορισμένη εφαρμογή, σε λίγα πετρελαιοκίνητα επιβατικά αυτοκίνητα· λόγω θορύβου και περιορισμένης ευελιξίας τοποθέτησης επικράτησε ο turbocharger

Καμπύλες ροπής του Σχ.4.129 — ποιος υπερσυμπιεστής υπερτερεί

Ερώτηση: Παρατηρώντας το Σχ.4.129 ποιος υπερσυμπιεστής, κατά την γνώμη σας, υπερτερεί και γιατί;

Απάντηση:

• Διαβάζουμε τις τρεις καμπύλες ροπής του Σχ.4.129 ως προς τις στροφές (από 1/4 έως 1/1 των μέγιστων στροφών).
• Ο κινητήρας μόνιμης υπερπλήρωσης δίνει τη μεγαλύτερη ροπή ήδη από τις χαμηλές-μεσαίες στροφές· ο κινητήρας μεταβλητής υπερπλήρωσης έχει μικρή ροπή στις χαμηλές στροφές και φτάνει στη μέγιστη ροπή του αργότερα.
• Διατυπώνουμε τεκμηριωμένη άποψη για το ποιος υπερτερεί.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το Σχ.4.129 δείχνει τις καμπύλες ροπής ως προς τις στροφές (από το 1/4 έως το 1/1 των μέγιστων στροφών) για τρεις κινητήρες: τον ατμοσφαιρικό, τον κινητήρα μόνιμης υπερπλήρωσης και τον κινητήρα μεταβλητής υπερπλήρωσης. Ο ατμοσφαιρικός κινητήρας έχει σχεδόν επίπεδη καμπύλη ροπής. Ο κινητήρας μόνιμης υπερπλήρωσης, ξεκινώντας από χαμηλή τιμή, αυξάνει γρήγορα τη ροπή του, ξεπερνά τον ατμοσφαιρικό ήδη από τις χαμηλές στροφές και φτάνει τη μεγαλύτερη ροπή όλων γύρω στο μισό των στροφών. Ο κινητήρας μεταβλητής υπερπλήρωσης έχει στις χαμηλές στροφές μικρότερη ροπή ακόμη και από τον ατμοσφαιρικό· η ροπή του αυξάνεται αργότερα και κορυφώνεται γύρω στα 3/4 των στροφών, χωρίς να φτάνει το μέγιστο του κινητήρα μόνιμης υπερπλήρωσης. Κατά συνέπεια, με βάση το σχήμα, υπερτερεί ο κινητήρας μόνιμης υπερπλήρωσης, γιατί δίνει μεγαλύτερη ροπή σε μεγαλύτερο εύρος στροφών και ιδιαίτερα στις χαμηλές-μεσαίες στροφές, όπου λειτουργεί συνήθως ένα όχημα. Η χαμηλή ροπή στις χαμηλές στροφές του κινητήρα μεταβλητής υπερπλήρωσης αντιστοιχεί σε μειονέκτημα που το βιβλίο αναφέρει για την υπερπλήρωση με εκμετάλλευση της ενέργειας των καυσαερίων (χαμηλή ροπή στις χαμηλές στροφές). Στις πολύ υψηλές στροφές (κοντά στο 1/1) οι τρεις καμπύλες συγκλίνουν.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ανάγνωση του σχήματος: μόνιμη υπερπλήρωση → υψηλή ροπή νωρίς (μέγιστο περίπου στο 1/2 των στροφών)· μεταβλητή υπερπλήρωση → χαμηλή ροπή στις χαμηλές στροφές, μέγιστο περίπου στα 3/4
• Η επιλογή να τεκμηριώνεται με το εύρος στροφών όπου η ροπή είναι υψηλή