MechGens: Ανάλυση τεσσάρων χρόνων μιας μηχανής εσωτερικής καύσης Otto

Είναι της αρεσκείας μου η συνήθεια να πληροφορούμαι για τους προκατόχους πολλών σύγχρονων μηχανών και τεχνολογιών που πρωταγωνιστούν στην καθημερινή μας ζωή. Μέσω της ακαδημαϊκής μου καθημερινότητας, μέχρι τώρα, γνωρίζω για το παρελθόν μιας από τις πιο πολυχρησιμοποιημένες μηχανές σήμερα. Λόγος γίνεται για την μηχανή ενός οχήματος, τεχνολογική καινοτομία η οποία έκανε την εμφάνισή της στα τέλη του 19^ου αιώνα.

Το 1876 ο γνωστός γερμανός Nikolaus Otto, όντας μία από τις ιδιοφυίες της εποχής ως προς τον τρόπο λειτουργίας των μηχανών εσωτερικής καύσης, παρουσίασε μια σημαντικά εξελιγμένη μορφή αυτού του τύπου μηχανής.
Η εφεύρεση του αυτή, στηρίχθηκε σε προγενέστερες ιδέες και μοντέλα άλλων εξίσου πρωτοπόρων μηχανικών, όπως του Étienne Lenoir.

Η σημαντικότερη καινοτομία που επέφερε η συγκεκριμένη μηχανή, ήταν η υιοθέτηση του κύκλου λειτουργίας τεσσάρων φάσεων (τετράχρονος κινητήρας). Η μηχανή αυτή αποτέλεσε τον πρόγονο των σημερινών βενζινοκινητήρων, η οποία για τον λόγω αυτόν και προς τιμήν του γερμανού μηχανικού, ονομάστηκαν κινητήρες Otto. Οι τέσσερεις κύκλοι στον χώρο της μηχανολογίας έχουν αναλυθεί με βάση την επιστήμη της θερμοδυναμικής, εξήγηση η οποία είναι πιο θεωρητική με βάση την δεύτερη επικρατούσα εξήγηση. Η δεύτερη, προσεγγίζει την ρεαλιστική λειτουργία ενός κινητήρα.

Συνοπτικά, οι τέσσερεις χρόνοι λειτουργίας ενός τετράχρονου βενζινοκινητήρα είναι :

1. Εισαγωγή

2. Συμπίεση

3. Καύση-Εκτόνωση

4. Εξαγωγή

Ανάλυση μέσω θεωρητικής-θερμοδυναμικής θεώρησης.

Προτού όμως προχωρήσω στην ανάλυση, θα χρειαστούν αποσαφήνιση κάποιες βασικές έννοιες. ΑΝΣ (TDC) ή Άνω νεκρό σημείο, ονομάζεται το άνω μέρος εντός του κυλίνδρου, όπου όταν βρίσκεται το έμβολο, έχει στιγμιαία μηδενική ταχύτητα. ΚΝΣ (BDC) ή κάτω νεκρό σημείο, ονομάζεται η αντίστοιχη θέση στο κάτω μέρος εντός του κυλίνδρου, όπου το έμβολο όταν βρίσκεται εκεί έχει επίσης μηδενική ταχύτητα. Επιπλέον, κάθε χρόνος λειτουργίας μεταφράζεται θερμοδυναμικά, ως προς τις διεργασίες που συντελούνται μέσα στον κύλινδρο. Κατά τον χρόνο 1-2 (Διάγραμμα 1), η μεταβολή είναι αδιαβατική αντιστρεπτή συμπίεση. Aδιαβατική είναι η μεταβολή που δεν επιτρέπει τη μεταφορά θερμότητας αλλά επιτρέπει την εναλλαγή έργου (W_in). Συγκεκριμένα κατά τον χρόνο 1-2 έχουμε συμπίεση της γόμωσης (μείγματος) Στη μεταβολή 2-3, πραγματοποιείται ισόχωρη πρόσδοση θερμότητας (Q_in), λόγω της ανάφλεξης της γόμωσης. Ισόχωρη είναι μια μεταβολή που πραγματοποιείται υπό σταθερό όγκο. Η 3-4 είναι αδιαβατική και αντιστρεπτή εκτόνωση και έχουμε παραγωγή έργου (W_out). Και τέλος, στην 4-1 έχουμε ισόχωρη απόρριψη θερμότητας(Q_out). Συγκεκριμένα έχουμε εξαγωγή καυσαερίων από τον κύλινδρο και πρόσδοση νέας γόμωσης. Πρέπει να τονιστεί ότι κατά την θεωρητική-θερμοδυναμική λειτουργία μιας τετράχρονης μηχανής εσωτερικής καύσης, η πίεση μέσα στους κυλίνδρους είναι ίση με την ατμοσφαιρική (1atm), όταν οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής είναι ανοιχτές. Άρα κατά την διαδικασία της εισαγωγής το μείγμα απλά εισάγεται μέσα στον κύλινδρο, ενώ κατά την διαδικασία της εξαγωγής τα καυσαέρια εξάγονται από τον κύλινδρο λόγω του εμβόλου.

Διάγραμμα 1 – Ο θεωρητικός κύκλος κινητήρα Otto.

Γενικά, η θεωρία μπορεί να χρησιμεύσει στην απλοποίηση ενός φαινομένου, ώστε να μπορεί να μελετηθεί αρχικά απαλλαγμένο από κάποιους φυσικούς περιορισμούς. Κατ’ αυτό τον τρόπο το φαινόμενο καθίσταται πιο κατανοητό. Όμως η σφαιρική κατανόηση αυτού, απαιτεί και την ρεαλιστική του προσέγγιση. Οι διαφορές λοιπόν μεταξύ θεωρητικής και ρεαλιστικής ανάλυσης των χρόνων είναι οι ακόλουθες. α) Η εργαζόμενη ουσία, δηλαδή το μείγμα αερίου-καυσίμου, δεν είναι ιδανικό αέριο. β) Υπάρχουν όρια πίεσης και θερμοκρασίας κατά την εκτέλεση του κάθε κύκλου, λόγω περιορισμένων μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών μίας μηχανής. γ) Υπάρχουν όρια στην σχέση συμπίεσης (βλ. επόμενο άρθρο), λόγω των περιορισμένων ιδιοτήτων των καυσίμων. δ) Η μεταβολές της συμπίεσης και της εκτόνωσης, στην πραγματικότητα δεν είναι αδιαβατικές διεργασίες, αλλά πολυτροπικές. Αυτό σημαίνει ότι κατά τις προαναφερθείσες μεταβολές, στην πραγματικότητα, εκτελείται μεταφορά θερμότητας από τους κυλίνδρους στο περιβάλλον, μέσω των μεταλλικών τοιχωμάτων του κινητήρα. ε) Κατά την εκκίνηση ενός νέου κύκλου υπάρχουν απώλειες πλήρωσης αναγόμωσης στα όργανα διανομής του μείγματος (πολλαπλή εισαγωγή, βαλβίδες). ζ) Επίσης κατά την εκτέλεση ενός κύκλου, υπάρχουν απώλειες ενός έργου κατά την αλλαγή γόμωσης ή και λόγω του περιορισμού της διαδρομής του εμβόλου.

Ρεαλιστική θεώρηση:

Η ρεαλιστική ανάλυση του κύκλου λειτουργιάς ενός τετράχρονου κινητήρα , μπορούμε να την περιγράψουμε με το πραγματικό διάγραμμα πίεσης-όγκου(P-V) σε έναν κύλινδρο (Διάγραμμα 3) και το αντίστοιχο σπειροειδές που απεικονίζει τη πραγματική λειτουργία ενός κινητήρα, σε μοίρες στροφαλοφόρου ατράκτου (Διάγραμμα 2).

Στην φάση της εισαγωγής (διαδρομή Α-Β), στο σημείο Α, 10^ο έως 20^ο πριν το ΑΝΣ, ανοίγει η βαλβίδα εισαγωγής, ενώ η βαλβίδα εξαγωγής δεν έχει κλείσει τελείως. Η επιταχυνόμενη κίνηση του εμβόλου από το ΑΝΣ στο ΚΝΣ δημιουργεί υποπίεση μέσα στον κύλινδρο και η νέα γόμωση εισέρχεται σε αυτόν. Πρέπει να αναφερθεί ότι η βαλβίδα εισαγωγής δεν κλείνει στο ΚΝΣ και η πλήρωση του κυλίνδρου συνεχίζεται και μετά την αντιστροφή της κίνησης του εμβόλου (αρχή χρόνου συμπίεσης) για μια μικρή γωνία τις στροφαλοφόρου ατράκτου, λόγο του φαινομένου της αδρανείας της ροής του νέου μίγματος. Η βαλβίδα εισαγωγής κλείνει στο σημείο Β, 30^οέως50^ο μετά το ΚΝΣ, την στιγμή που η πίεση εντός του κυλίνδρου εξισώνεται με την πίεση της ατμόσφαιρας.

Στην φάση της συμπίεσης (B-C), στο σημείο Β όπου κλείνει η βαλβίδα εισαγωγής αρχίζει η πολυτροπική συμπίεση του μίγματος εντός του κυλίνδρου. Ο χρόνος αυτός είναι καθοριστικός για την πλήρη ανάμιξη του μίγματος. Με την ολοκλήρωση του δεύτερου χρόνου της συμπίεσης, πραγματοποιείται 1/2 μία πλήρες λειτουργίας, αυτό μεταφράζεται σε μια πλήρη περιστροφή της στροφαλοφόρου ατράκτου (360^ο).

Στην φάση της καύσης-εκτόνωσης (C-D-E), σε αυτή τη φάση οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής παραμένουν κλειστές . Πρέπει να αναφερθεί ότι ο χρόνος αυτός διαιρείτε σε δύο ημίχρονα. Όταν το έμβολο βρίσκεται στο σημείο C, δηλαδή 0^ο έως 40^οπριν το ΑΝΣ (προπορεία έναυσης ή αβάνς), τότε αρχίζει το πρώτο ημίχρονο, που είναι η ανάφλεξη (σπινθηροδότηση και έναρξη καύσης) της γόμωσης του κυλίνδρου. Το τελευταίο συμβαίνει επειδή η πλήρης καύση του μίγματος απαιτεί κάποια χρονική διάρκεια. Με την ολοκλήρωση της καύσης (σημείο D) ακολουθεί η εκτόνωση όπου και είναι το δεύτερο ημίχρονο (διαδρομή εμβόλου D-E) του εν λόγω χρόνου. Στην φάση της εκτόνωσης έχουμε την παραγωγή ωφέλιμου έργου, και για τον λόγο αυτό λέμε ότι ο χρόνος αυτός είναι ενεργητικός χρόνος, σε αντίθεση με τους υπόλοιπους χρόνους όπου καταναλώνεται έργο. Εξού και η προσφώνηση τους ως παθητικοί χρόνοι.

Στην φάση της εξαγωγής (E-G), η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει στο σημείο Ε, 30^οέως 50^ο πριν το ΚΝΣ. Αυτό γίνετε για την ποιο ομαλή εξαγωγή των καυσαερίων, με αποτέλεσμα να δαπανούμε λιγότερο έργο κατά την εξαγωγή. Με άλλα λόγια τα καυσαέρια εκτονώνονται με το άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής πριν το ΑΝΣ και έχουμε την πιο ομαλή βεβιασμένη εξαγωγή του καυσίμου. Καθώς συνεχίζεται η εξαγωγή του καυσαερίου από την ανοιγμένη βαλβίδα εξαγωγής, ανοίγει και η βαλβίδα εισαγωγής στο σημείο Α, 10^ο έως 20^ο πριν το ΑΝΣ, όπως αναφέρεται στη περιγραφή του πρώτου χρόνου. Τέλος, η βαλβίδα εξαγωγής κλείνει στο σημείο G, 0^ο έως 20^ο μετά το ΑΝΣ. Με το πέρας του τέταρτου χρόνου, ολοκληρώνεται μία πλήρης λειτουργία ενός τετράχρονου βενζινοκινητήρα Otto. Αυτό μεταφράζεται σε δύο πλήρεις περιστροφές της στροφαλοφόρου ατράκτου (720^ο).

Κατά την ανάλυση του τελευταίου χρόνου, αναφέρθηκε ότι οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής, διάστημα(A-G), παραμένουν ανοικτές (τέλος εξαγωγής-αρχή εισαγωγής). Η συγκεκριμένη γωνία κατ την οποία συμβαίνει αυτό, ονομάζεται γωνία επικάλυψης βαλβίδων (overlap).

Ακολουθεί σχετικό video http://www.youtube.com/watch?v=M1h9eU9YH5o