Λύσεις — Κεφάλαιο 1: Θεωρητική λειτουργία των Μ.Ε.Κ. (σελ. 31) – ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 1: Θεωρητική λειτουργία των Μ.Ε.Κ. (σελ. 31)

Λύσεις των 11 ερωτήσεων του κεφαλαίου 1 (όλες ανάπτυξης).

Ερώτηση 1 — Νόμοι των αερίων

Ερώτηση: Ποιοι είναι οι νόμοι των αερίων και τι γνωρίζετε για τον καθένα;

Απάντηση:

• Ένα αέριο λέγεται τέλειο όταν ακολουθεί τους νόμους των τελείων αερίων (σελ. 10-11): Α. Νόμος Boyle-Mariotte — αναφέρεται στην ισόθερμη μεταβολή (σταθερή θερμοκρασία): το γινόμενο πίεσης επί ειδικού όγκου μένει σταθερό, P·v = σταθ. ή P₁·v₁ = P₂·v₂· στο διάγραμμα P-v παριστάνεται με υπερβολή. (Στον κύλινδρο της Μ.Ε.Κ., με την παλινδρόμηση του εμβόλου, μαζί με τον όγκο μεταβάλλονται πίεση και θερμοκρασία — η μεταβολή είναι πολυτροπική.) Β. Νόμος Gay-Lussac (ή Charles) — αναφέρεται στην ισοβαρή μεταβολή (σταθερή πίεση): η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί ανάλογη αύξηση του όγκου, T₁/T₂ = v₁/v₂· ευθεία στο διάγραμμα P-v. Συμπληρωματικά: στην ισόχωρη μεταβολή P₁/T₁ = P₂/T₂, στην αδιαβατική P·v^γ = σταθ. (γ = 1,4 για τον αέρα), στην πολυτροπική P·v^k = σταθ., και η γενική εξίσωση (καταστατική) για σταθερό βάρος αερίου: P₁·v₁/T₁ = P₂·v₂/T₂ (P·v/T = σταθ.). Στην πράξη οι μεταβολές στις μηχανές είναι πολυτροπικές.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Boyle-Mariotte (ισόθερμη): P·v = σταθ., P₁v₁ = P₂v₂ (υπερβολή)· Gay-Lussac/Charles (ισοβαρής): T₁/T₂ = v₁/v₂· + ισόχωρη P₁/T₁ = P₂/T₂, αδιαβατική Pv^γ = σταθ., καταστατική P·v/T = σταθ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο νόμοι + τύποι.

Ερώτηση 2 — Φάσεις λειτουργίας τετράχρονου βενζινοκινητήρα

Ερώτηση: Περιγράψτε τις φάσεις λειτουργίας του τετράχρονου βενζινοκινητήρα.

Απάντηση:

• Ο πλήρης κύκλος (κύκλος Otto) ολοκληρώνεται σε 4 διαδρομές του εμβόλου = 2 περιστροφές (720°) του στροφαλοφόρου (σελ. 13-16): 1. Εισαγωγή (ΑΝΣ → ΚΝΣ): με ανοικτή τη βαλβίδα εισαγωγής, η κάθοδος του εμβόλου δημιουργεί υποπίεση (0,1-0,2 bar) και αναρροφάται μείγμα αέρα-βενζίνης· θεωρητικά ισοβαρής· στην πράξη η βαλβίδα ανοίγει 10-20° πριν το ΑΝΣ και κλείνει 30-45° μετά το ΚΝΣ για καλύτερη πλήρωση. 2. Συμπίεση (ΚΝΣ → ΑΝΣ): με κλειστές και τις δύο βαλβίδες το έμβολο συμπιέζει αδιαβατικά το μείγμα — αύξηση πίεσης (8-20 bar) και θερμοκρασίας (300-600 °C). 3. Καύση - εκτόνωση (ΑΝΣ → ΚΝΣ): λίγο πριν το ΑΝΣ (0-40° ανάλογα με τις στροφές) δίνεται ο σπινθήρας από το μπουζί, το μείγμα καίγεται (θεωρητικά ακαριαία-ισόχωρα· 2000-2800 °C, 30-50 bar) και τα καυσαέρια εκτονώνονται αδιαβατικά ωθώντας το έμβολο προς το ΚΝΣ — ο ενεργητικός χρόνος που παράγει μηχανικό έργο. 4. Εξαγωγή (ΚΝΣ → ΑΝΣ): η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει 30-50 (60)° πριν το ΚΝΣ (εξίσωση πίεσης — θεωρητικά ισόχωρη απαγωγή θερμότητας), το έμβολο ανεβαίνοντας ωθεί τα καυσαέρια έξω (ισοβαρής) και η βαλβίδα κλείνει 0-15 (20)° μετά το ΑΝΣ, με επικάλυψη με το άνοιγμα της εισαγωγής. Ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Σύνοψη: (ενδεικτική) 1) Εισαγωγή μείγματος με υποπίεση (ΑΝΣ→ΚΝΣ, βαλβίδα εισαγωγής ανοικτή)· 2) αδιαβατική συμπίεση με κλειστές βαλβίδες· 3) σπινθήρας πριν το ΑΝΣ, καύση (ισόχωρη θεωρητικά) και εκτόνωση — ενεργητικός χρόνος· 4) εξαγωγή καυσαερίων (ΚΝΣ→ΑΝΣ) με προάνοιγμα και επικάλυψη· 4 διαδρομές = 2 περιστροφές.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τέσσερις φάσεις με είδος μεταβολής και χρονισμό.

Ερώτηση 3 — Φάσεις λειτουργίας τετράχρονου πετρελαιοκινητήρα

Ερώτηση: Περιγράψτε τις φάσεις λειτουργίας ενός τετράχρονου πετρελαιοκινητήρα.

Απάντηση:

• Κύκλος Diesel, 4 διαδρομές/2 περιστροφές (σελ. 17-19): 1. Εισαγωγή: το έμβολο κατεβαίνει με ανοικτή τη βαλβίδα εισαγωγής και εισέρχεται μόνο αέρας (όχι μείγμα), λόγω υποπίεσης· η βαλβίδα ανοίγει 0-30° πριν το ΑΝΣ και κλείνει 30-50° μετά το ΚΝΣ (πλήρωση, σάρωση). 2. Συμπίεση: με κλειστές βαλβίδες ο αέρας συμπιέζεται αδιαβατικά σε υψηλή σχέση συμπίεσης (25-55 bar) και θερμαίνεται στους 600-900 °C, πάνω από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης του πετρελαίου (~350 °C). 3. Καύση - εκτόνωση: προς το τέλος της συμπίεσης το μπεκ ψεκάζει προοδευτικά το πετρέλαιο ως νέφος λεπτών σταγονιδίων στον θερμό αέρα· εξατμίζεται, αναμιγνύεται και αυταναφλέγεται (χωρίς σπινθήρα) μετά από καθυστέρηση 1-2 ms· η καύση αρχίζει 30-10° πριν το ΑΝΣ και τελειώνει 0-30° μετά, θεωρητικά υπό σταθερή πίεση (ισοβαρής), γιατί ο όγκος μεγαλώνει με το έμβολο· τα καυσαέρια (2000-2500 °C, 50-90 bar) εκτονώνονται αδιαβατικά και παράγουν έργο μέχρι 50-35° πριν το ΚΝΣ. 4. Εξαγωγή: ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής, η πίεση πέφτει απότομα στα 3-4 bar και το έμβολο ανεβαίνοντας απομακρύνει τα καυσαέρια (ισοβαρής)· η εξαγωγή κλείνει 5-40° μετά το ΑΝΣ, με επικάλυψη ~20°.

Σύνοψη: (ενδεικτική) 1) Εισαγωγή μόνο αέρα· 2) αδιαβατική συμπίεση σε 600-900 °C (> αυτανάφλεξη 350 °C)· 3) ψεκασμός πετρελαίου προς το τέλος της συμπίεσης, αυτανάφλεξη μετά 1-2 ms, καύση ισοβαρής (θεωρητικά), εκτόνωση-έργο· 4) εξαγωγή καυσαερίων, επικάλυψη ~20°.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τέσσερις φάσεις — μόνο αέρας, αυτανάφλεξη, ισοβαρής καύση.

Ερώτηση 4 — Τι απεικονίζουν τα διαγράμματα λειτουργίας και τι συμπεράσματα δίνουν

Ερώτηση: Τι απεικονίζουν τα διαγράμματα λειτουργίας του κινητήρα και τι συμπεράσματα βγάζουμε από αυτά;

Απάντηση:

• Τα διαγράμματα λειτουργίας (P-v ή P-γωνία στροφάλου) απεικονίζουν, σε σύστημα αξόνων πίεσης (κατακόρυφα) - ειδικού όγκου/διαδρομής εμβόλου (οριζόντια), τις πιέσεις που επικρατούν στον κύλινδρο σε κάθε θέση του εμβόλου κατά τη διάρκεια ενός πλήρους κύκλου — δηλαδή τις μεταβολές κατάστασης της εργαζόμενης ουσίας (εισαγωγή, συμπίεση, καύση, εκτόνωση, εξαγωγή) (σελ. 14, 30). Το θεωρητικό διάγραμμα σχηματίζεται κατά τους νόμους των τελείων αερίων (ιδανικές μεταβολές), το πραγματικό (ενδεικτικό/δυναμοδεικτικό) από μετρήσεις στον κύλινδρο. Συμπεράσματα: ① το έργο που αποδίδεται στο έμβολο ανά κύκλο = το εμβαδόν της κλειστής καμπύλης (× εκτονώσεις/λεπτό = ενδεικτική ισχύς)· όσο μεγαλύτερη η συμπίεση, τόσο μεγαλύτερη η επιφάνεια/το έργο· ② η μέση πίεση (εμβαδομέτρηση)· ③ η διαδοχή και διάρκεια των φάσεων, ο χρονισμός βαλβίδων/ανάφλεξης (στο σπειροειδές/κυκλικό διάγραμμα σε μοίρες)· ④ οι διαφορές θεωρητικής-πραγματικής λειτουργίας (απώλειες, υποπίεση, προάνοιγμα)· ⑤ η ποιότητα της καύσης — κανονική (ομαλή πίεση) ή κρουστική/αυτανάφλεξη (απότομη αύξηση με ταλάντωση) στα διαγράμματα πίεσης-χρόνου· ⑥ η κατάσταση του κινητήρα (συμπίεση, στεγανότητα) για διάγνωση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Απεικονίζουν πίεση κυλίνδρου σε συνάρτηση με θέση εμβόλου/γωνία στροφάλου σε έναν κύκλο (θεωρητικό/πραγματικό)· συμπεράσματα: έργο ανά κύκλο = εμβαδόν (→ ενδεικτική ισχύς, μέση πίεση), φάσεις-χρονισμός, διαφορές θεωρητικού-πραγματικού, κανονική vs κρουστική καύση, κατάσταση κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τι δείχνουν + έργο/εμβαδόν + καύση.

Ερώτηση 5 — Διαφορές πραγματικού-θεωρητικού διαγράμματος τετράχρονης μηχανής

Ερώτηση: Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ του πραγματικού και του θεωρητικού διαγράμματος λειτουργίας μίας τετράχρονης μηχανής;

Απάντηση:

• Στο θεωρητικό διάγραμμα οι μεταβολές είναι ιδανικές (ισοβαρείς-αδιαβατικές-ισόχωρες με ευθείες/καμπύλες τελείων αερίων) και οι βαλβίδες ανοίγουν-κλείνουν και η ανάφλεξη γίνεται ακριβώς στα νεκρά σημεία. Στο πραγματικό (σελ. 15-16, 19, 30-31): ① Εισαγωγή: ο κύλινδρος γεμίζει με υποπίεση 0,1-0,2 bar κάτω από την ατμοσφαιρική (ταχύτητα εμβόλου, τριβές, στραγγαλισμός στη βαλβίδα, θέρμανση στην πολλαπλή) → η γραμμή είναι καμπύλη κάτω από την ατμοσφαιρική και όχι οριζόντια ευθεία· η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει πριν το ΑΝΣ και κλείνει μετά το ΚΝΣ. ② Συμπίεση: όχι καθαρά αδιαβατική (ανταλλαγή θερμότητας με τα τοιχώματα — πολυτροπική), αρχίζει μετά το κλείσιμο της εισαγωγής. ③ Καύση: ο σπινθήρας (ή ο ψεκασμός) δίνεται πριν το ΑΝΣ και η καύση δεν είναι ακαριαία (διαρκεί μοίρες) → η αύξηση της πίεσης είναι στρογγυλεμένη, όχι κατακόρυφη (ούτε ακριβώς ισοβαρής στον ντίζελ)· η μέγιστη πίεση λίγο μετά το ΑΝΣ. ④ Εκτόνωση: πολυτροπική με απώλειες θερμότητας· η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει πριν το ΚΝΣ → η πίεση πέφτει προοδευτικά, χάνεται μέρος του έργου («γωνία» της καμπύλης κόβεται). ⑤ Εξαγωγή: με υπερπίεση πάνω από την ατμοσφαιρική (αντίσταση εξάτμισης) — καμπύλη πάνω από την ισοβαρή· κλείσιμο μετά το ΑΝΣ, επικάλυψη. ⑥ Συνολικά η επιφάνεια (έργο) του πραγματικού είναι μικρότερη από του θεωρητικού και εμφανίζεται ο αρνητικός βρόχος αντλίας (εισαγωγή-εξαγωγή).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Θεωρητικό: ιδανικές μεταβολές, βαλβίδες/ανάφλεξη στα νεκρά σημεία. Πραγματικό: υποπίεση εισαγωγής (0,1-0,2 bar, καμπύλη), προάνοιγμα-καθυστέρηση βαλβίδων και επικάλυψη, καύση πριν το ΑΝΣ και όχι ακαριαία (στρογγυλεμένη), πολυτροπικές συμπίεση-εκτόνωση με απώλειες, υπερπίεση εξαγωγής, μικρότερο εμβαδόν/έργο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σημείο-σημείο ανά φάση.

Ερώτηση 6 — Διαφορές πραγματικού-θεωρητικού διαγράμματος δίχρονης μηχανής

Ερώτηση: Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ του πραγματικού και του θεωρητικού διαγράμματος λειτουργίας μίας δίχρονης μηχανής;

Απάντηση:

• Θεωρητικά (σελ. 21-22): η καύση γίνεται ακαριαία στο ΑΝΣ (ισόχωρη Δ→Ε), η εκτόνωση αδιαβατική μέχρι το άνοιγμα των θυρίδων, η πίεση πέφτει ακαριαία στην ατμοσφαιρική στο άνοιγμα της εξαγωγής και μένει σταθερή (ίση με την ατμοσφαιρική) όσο οι θυρίδες σάρωσης-εξαγωγής είναι ανοικτές, και μόλις κλείσουν αρχίζει αδιαβατική συμπίεση· οι θυρίδες θεωρούνται ότι ανοίγουν-κλείνουν σε καθορισμένα σημεία χωρίς απώλειες. Πραγματικά (κυκλικό διάγραμμα, σελ. 23): ① ο σπινθήρας δίνεται 10-30° πριν το ΑΝΣ και η καύση διαρκεί (έως 5° μετά) — η κορυφή της πίεσης είναι στρογγυλεμένη· ② η εκτόνωση τελειώνει 60-80° πριν το ΚΝΣ με το άνοιγμα της θυρίδας εξαγωγής και η πίεση πέφτει προοδευτικά, όχι ακαριαία· ③ κατά τη σάρωση (50-70° πριν έως 50-70° μετά το ΚΝΣ) η πίεση δεν είναι ακριβώς ατμοσφαιρική — λίγο μεγαλύτερη (προσυμπιεσμένο μείγμα) και κυμαινόμενη, ενώ μέρος του φρέσκου μείγματος διαφεύγει από την εξαγωγή και μέρος των καυσαερίων μένει (ατελής απόπλυση)· ④ η συμπίεση αρχίζει μόνο αφού κλείσει η θυρίδα εξαγωγής (60-80° μετά το ΚΝΣ) — μικρότερη ωφέλιμη διαδρομή, πολυτροπική· ⑤ στον στροφαλοθάλαμο η αναρρόφηση (50-60° πριν έως 50-60° μετά το ΑΝΣ) και η προσυμπίεση καταναλώνουν έργο· ⑥ μικρότερο εμβαδόν (έργο) και μεγαλύτερες απώλειες από τον θεωρητικό, γι' αυτό μικρότερος βαθμός απόδοσης από τον 4χρονο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Θεωρητικό: ακαριαία καύση στο ΑΝΣ, ακαριαία πτώση πίεσης στο άνοιγμα εξαγωγής, σταθερή ατμοσφαιρική πίεση κατά τη σάρωση, αδιαβατική συμπίεση. Πραγματικό: σπινθήρας 10-30° πριν το ΑΝΣ και καύση με διάρκεια, προοδευτική πτώση πίεσης από 60-80° πριν το ΚΝΣ, σάρωση με κυμαινόμενη πίεση και απώλεια μείγματος/υπόλοιπα καυσαερίων, συμπίεση μόνο μετά το κλείσιμο εξαγωγής, έργο στροφαλοθαλάμου, μικρότερο εμβαδόν.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σύγκριση ανά φάση του 2χρονου.

Ερώτηση 7 — Γιατί οι βαλβίδες μένουν ταυτόχρονα ανοικτές (επικάλυψη)

Ερώτηση: Για ποιο λόγο οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής παραμένουν ταυτόχρονα ανοικτές για ένα χρονικό διάστημα;

Απάντηση:

• Η φάση κατά την οποία και η βαλβίδα εισαγωγής και η βαλβίδα εξαγωγής είναι ανοικτές (γύρω από το ΑΝΣ στο τέλος της εξαγωγής — η εξαγωγή κλείνει 0-20° μετά το ΑΝΣ, η εισαγωγή ανοίγει 10-20° πριν) ονομάζεται επικάλυψη (σελ. 16). Σκοπός: ① διευκολύνει την εξαγωγή των καυσαερίων από τον κύλινδρο — η ροή των εξερχόμενων καυσαερίων (αδράνεια της στήλης αερίων στην εξάτμιση) δημιουργεί υποπίεση στην περιοχή της βαλβίδας εισαγωγής, οπότε το φρέσκο μείγμα ωθείται προς τον κύλινδρο πριν ακόμη αρχίσει η κάθοδος του εμβόλου και «σαρώνει» τα υπολείμματα καυσαερίων· ② βελτιώνει την πλήρωση του κυλίνδρου με καινούργιο μείγμα (μεγαλύτερος βαθμός πλήρωσης → περισσότερη ισχύς)· ③ μειώνει τη θερμοκρασία που αναπτύσσεται στον θάλαμο καύσης (ψύξη από το εισερχόμενο μείγμα)· ④ αξιοποιεί τη δυναμική των αερίων στις υψηλές στροφές, όπου ο διαθέσιμος χρόνος ανά φάση είναι μικρός. Η επικάλυψη είναι ωφέλιμη στις υψηλές στροφές, ενώ στις χαμηλές/ρελαντί προκαλεί διαφυγή καυσαερίων στην εισαγωγή και μείγματος στην εξαγωγή (ασταθές ρελαντί) — γι' αυτό ο μεταβλητός χρονισμός (κεφ. 2). Στους πετρελαιοκινητήρες η επικάλυψη είναι συνήθως ~20°.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Επικάλυψη: η ροή των καυσαερίων δημιουργεί υποπίεση στην εισαγωγή → το φρέσκο μείγμα μπαίνει νωρίτερα και σαρώνει τα υπολείμματα· καλύτερη εξαγωγή καυσαερίων, καλύτερη πλήρωση (ισχύς), χαμηλότερη θερμοκρασία θαλάμου, αξιοποίηση της δυναμικής των αερίων στις υψηλές στροφές.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ορισμός + τέσσερις λόγοι.

Ερώτηση 8 — Η καύση στον πραγματικό κύκλο του πετρελαιοκινητήρα

Ερώτηση: Πώς γίνεται η καύση στον πραγματικό κύκλο λειτουργίας του πετρελαιοκινητήρα;

Απάντηση:

• Στον πραγματικό κύκλο (σελ. 19): προς το τέλος της συμπίεσης, όταν ο αέρας έχει θερμοκρασία σημαντικά υψηλότερη από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης του πετρελαίου (~350 °C· πραγματικά 600-900 °C, 25-55 bar), γίνεται προοδευτικά ο ψεκασμός του πετρελαίου από το μπεκ μέσα στον θερμό αέρα του θαλάμου καύσης, με τη μορφή νέφους λεπτών σταγονιδίων. Το πετρέλαιο εξατμίζεται, οι ατμοί του αναμειγνύονται με τον θερμό αέρα και αυταναφλέγονται (χωρίς σπινθήρα)· από τον ψεκασμό μέχρι την αυτανάφλεξη μεσολαβεί η καθυστέρηση αυτανάφλεξης, 1-2 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Ο ψεκασμός ρυθμίζεται έτσι ώστε, όταν φτάσει η κύρια ποσότητα καυσίμου, να έχουν ήδη αναφλεγεί οι πρώτες ποσότητες. Η καύση ξεκινά 30-10° πριν το ΑΝΣ και τελειώνει 0-30° μετά· περίπου 3° πριν το ΑΝΣ το μείγμα αναφλέγεται στο σύνολό του προκαλώντας απότομη αύξηση της πίεσης (50-90 bar, 2000-2500 °C). Όταν το έμβολο κινείται προς το ΚΝΣ διακόπτεται ο ψεκασμός, η πίεση μειώνεται ομαλά λόγω αύξησης του όγκου, ενώ καίγονται και τα τελευταία σταγονίδια για να ολοκληρωθεί η καύση· η εκτόνωση διαρκεί μέχρι 50-35° πριν το ΚΝΣ. Έτσι η πραγματική καύση είναι εν μέρει ισόχωρη (απότομη ανάφλεξη) και εν μέρει ισοβαρής (συνεχιζόμενος ψεκασμός) — όχι καθαρά ισοβαρής όπως στο θεωρητικό.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ψεκασμός προοδευτικά στο τέλος της συμπίεσης μέσα σε αέρα > θερμοκρασίας αυτανάφλεξης· εξάτμιση-ανάμιξη-αυτανάφλεξη μετά καθυστέρηση 1-2 ms· οι πρώτες ποσότητες αναφλέγονται πριν φτάσει η κύρια· καύση 30-10° πριν → 0-30° μετά ΑΝΣ, ολική ανάφλεξη ~3° πριν (απότομη πίεση)· διακοπή ψεκασμού, καύση τελευταίων σταγονιδίων στην εκτόνωση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Διαδικασία με μοίρες και καθυστέρηση.

Ερώτηση 9 — Υπολογισμός πραγματικού/ωφέλιμου έργου ανά κύκλο

Ερώτηση: Πώς υπολογίζεται το πραγματικό ή ωφέλιμο έργο που αποδίδει ο κινητήρας σε ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας του;

Απάντηση:

• Από το δυναμοδεικτικό (ενδεικτικό) διάγραμμα πίεσης-όγκου του κυλίνδρου, που λαμβάνεται με δυναμοδείκτη (σελ. 16, 26-27): το έργο που αποδίδουν τα αέρια στο έμβολο σε έναν πλήρη κύκλο ισούται με το εμβαδόν της κλειστής επιφάνειας που περικλείεται από τις γραμμές συμπίεσης και εκτόνωσης (P·dV — η πίεση επί τη μεταβολή όγκου), μείον το εμβαδόν του μικρού βρόχου εισαγωγής-εξαγωγής (έργο άντλησης). Το εμβαδόν μετριέται με εμβαδόμετρο ή με γραφική/αριθμητική εμβαδομέτρηση· διαιρούμενο με το μήκος του διαγράμματος δίνει τη μέση (ενδεικνυόμενη) πίεση pm, οπότε W = pm · Vh (Vh = όγκος εμβολισμού). Το έργο ανά κύκλο επί τον αριθμό των εκτονώσεων ανά λεπτό (n/2 για 4χρονο, n για 2χρονο, × αριθμό κυλίνδρων) δίνει την ενδεικτική ισχύ· αφαιρώντας τις απώλειες (τριβές, θερμότητα, εισαγωγή/άντληση) προκύπτει το πραγματικό-ωφέλιμο έργο/ισχύς στον στροφαλοφόρο, που μετριέται άμεσα με δυναμόμετρο (ροπή × στροφές: kW = T·RPM/9429). Όσο μεγαλύτερη η συμπίεση, τόσο μεγαλύτερη η επιφάνεια και το έργο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Από το δυναμοδεικτικό διάγραμμα P-V: έργο ανά κύκλο = εμβαδόν της κλειστής καμπύλης συμπίεσης-εκτόνωσης (− βρόχος εισαγωγής/εξαγωγής), με εμβαδομέτρηση → μέση πίεση × όγκος εμβολισμού· × εκτονώσεις/λεπτό = ενδεικτική ισχύς, − απώλειες = ωφέλιμο (ή άμεσα με δυναμόμετρο, kW = T·RPM/9429).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Εμβαδόν → μέση πίεση → ισχύς − απώλειες.

Ερώτηση 10 — Σπειροειδές ή κυκλικό διάγραμμα

Ερώτηση: Τι είναι το σπειροειδές ή το κυκλικό διάγραμμα;

Απάντηση:

• Είναι η γραφική παράσταση της πραγματικής λειτουργίας και του χρονισμού ενός κινητήρα σε μοίρες γωνίας στροφάλου (σελ. 16-17, 23). Ονομάζεται σπειροειδές (4χρονοι) γιατί οι δύο περιστροφές του στροφαλοφόρου (720°) σχεδιάζονται ως σπείρα (δύο κύκλοι ο ένας μέσα στον άλλο), ή κυκλικό (2χρονοι, 360°) όταν αρκεί ένας κύκλος. Στο πάνω μέρος βρίσκεται το ΑΝΣ και στο κάτω το ΚΝΣ· ξεκινώντας από τις 0° με δεξιόστροφη φορά σημειώνονται οι γωνίες κάθε φάσης (εισαγωγή, συμπίεση, καύση, εκτόνωση, εξαγωγή, σάρωση) ως τόξα, καθώς και οι μοίρες πριν ή μετά το ΑΝΣ/ΚΝΣ στις οποίες ανοίγουν και κλείνουν οι βαλβίδες (ή οι θυρίδες) και δίνεται ο σπινθήρας/ψεκασμός — π.χ. εισαγωγή ανοίγει 10-20° πριν ΑΝΣ, εξαγωγή ανοίγει 30-60° πριν ΚΝΣ, επικάλυψη. Δείχνει έτσι με μια ματιά τη διάρκεια κάθε φάσης, τις επικαλύψεις και τις προπορείες· χρησιμοποιείται για κατανόηση των διαφορών θεωρητικού-πραγματικού κύκλου και για τον χρονισμό (εκκεντροφόρος, αβάνς).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Γραφική παράσταση της πραγματικής λειτουργίας/χρονισμού σε μοίρες στροφάλου: σπείρα 720° (4χρονος) ή κύκλος 360° (2χρονος), ΑΝΣ πάνω-ΚΝΣ κάτω, δεξιόστροφα, με τόξα των φάσεων και τις μοίρες ανοίγματος-κλεισίματος βαλβίδων/θυρίδων και σπινθήρα (επικαλύψεις, προπορείες).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ορισμός + τι σημειώνεται.

Ερώτηση 11 — Δυναμοδείκτες και δυναμόμετρα

Ερώτηση: Τι γνωρίζετε για τους δυναμοδείκτες και για τα δυναμόμετρα;

Απάντηση:

• Δυναμοδείκτες (σελ. 26-27): ειδικά όργανα που καταγράφουν την πίεση μέσα στον κύλινδρο σε συνάρτηση με τη θέση του εμβόλου (όγκο) ή τον χρόνο/γωνία στροφάλου, δίνοντας το δυναμοδεικτικό διάγραμμα = πραγματικό διάγραμμα λειτουργίας ενός κυλίνδρου. Οι παλιοί μηχανικοί δυναμοδείκτες ήταν κατάλληλοι μόνο για μεγάλες, αργόστροφες μηχανές (μικρή ακρίβεια στις ταχύστροφες)· σήμερα ηλεκτρικοί/ηλεκτρονικοί (αισθητήρας πίεσης) που αποτυπώνουν το διάγραμμα σε χαρτί, φιλμ ή παλμογράφο. Από το διάγραμμα υπολογίζεται με εμβαδομέτρηση το έργο ανά κύκλο και η μέση πίεση, φαίνεται η διαδοχή των φάσεων, και στα διαγράμματα πίεσης-χρόνου διακρίνεται η κανονική από την κρουστική καύση/αυτανάφλεξη (απότομη αύξηση με ταλάντωση). Δυναμόμετρα (σελ. 27-30): συσκευές μέτρησης της πραγματικής ισχύος (έργο/χρόνο) του κινητήρα — υδραυλικά ή ηλεκτρικά — που εφαρμόζουν τεχνητό φορτίο (φρενάρουν τον στροφαλοφόρο, γι' αυτό λέγονται και πέδες) και μετρούν ροπή στρέψης και στροφές: kW = T·RPM/9429, BHP = T·RPM/5252 (T σε N·m ή kp·m)· βαθμονόμηση σε kW ή BHP (ωφέλιμη ιπποδύναμη). Υδραυλικό: ο άξονας του κινητήρα στρέφει πτερύγια μέσα σε τύμπανο με νερό, το κέλυφος με αντίστοιχα πτερύγια συμπαρασύρεται και ισορροπεί με βραχίονα και βάρη. Ηλεκτρικό (σήμερα, ακρίβεια-ταχύτητα): ο κινητήρας, εκτός οχήματος με τα όργανά του, συνδέεται με τον άξονα ηλεκτρομηχανής (γεννήτριας) της οποίας ο στάτης ισορροπεί με βάρη σε δύο βραχίονες· η τροφοδοσία της περιέλιξης φρενάρει — όσο μεγαλύτερο ρεύμα, τόσο μεγαλύτερη αντίσταση· η γεννήτρια παράγει ρεύμα που μετατρέπεται σε ισχύ. Η δυναμομέτρηση γίνεται για διαγνωστικό έλεγχο νέου ή επισκευασμένου κινητήρα, έλεγχο συμπεριφοράς λειτουργίας και μέτρηση μηχανικών απωλειών. (Ενδεικτική ισχύς − απώλειες τριβών/θερμότητας/εισαγωγής = πραγματική.)

Σύνοψη: (ενδεικτική) Δυναμοδείκτες: όργανα (μηχανικά παλιά, ηλεκτρικά σήμερα) που καταγράφουν την πίεση κυλίνδρου vs θέση εμβόλου/χρόνο → δυναμοδεικτικό διάγραμμα (έργο = εμβαδόν, μέση πίεση, φάσεις, κρουστική καύση). Δυναμόμετρα (πέδες): υδραυλικά/ηλεκτρικά, εφαρμόζουν τεχνητό φορτίο και μετρούν ροπή-στροφές → πραγματική ισχύς kW = T·RPM/9429, BHP = T·RPM/5252· για διαγνωστικό έλεγχο, συμπεριφορά, μηχανικές απώλειες.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο όργανα, λειτουργία, τύπος, σκοποί.