Εισαγωγή στον κινητήρα εσωτερικής καύσης

Εισαγωγή στον κινητήρα εσωτερικής καύσης

Η πρόωση του οχήματος επιτυγχάνεται συνήθως μέσω κινητήρων, γνωστών και ως κινητήρων, δηλαδή μηχανικών συσκευών ικανών να μετατρέψουν τη χημική ενέργεια ενός καυσίμου σε μηχανική ενέργεια. Παρεμπιπτόντως, ο αγγλικός όρος «engine» είναι πιθανό να έχει γαλλική προέλευση στην παλαιά γαλλική λέξη «engin» που με τη σειρά του πιστεύεται ότι προέρχεται από το λατινικό «ingenium» (που μοιράζεται την ίδια ρίζα του «ingénieur» ή « μηχανικός').

Η χημική ενέργεια του καυσίμου αρχικά μετατρέπεται σε θερμότητα μέσω της καύσης και στη συνέχεια η θερμότητα μετατρέπεται σε μηχανικό έργο μέσω ενός μέσου εργασίας. Αυτό το μέσο εργασίας μπορεί να είναι υγρό ή αέριο. Πράγματι, η θερμότητα που παράγεται από την καύση αυξάνει την πίεσή της ή τον ειδικό όγκο της και χάρη στη διαστολή της επιτυγχάνεται μηχανικό έργο.

Στις μηχανές εσωτερικής καύσης (ICE), τα ίδια τα προϊόντα καύσης (π.χ. αέρας και καύσιμο) χρησιμοποιούνται ως μέσο εργασίας, ενώ στις μηχανές εξωτερικής καύσης, τα προϊόντα καύσης μεταφέρουν θερμότητα σε διαφορετικό μέσο εργασίας μέσω εναλλάκτη θερμότητας. Επιπλέον, ενώ στο ICE η καύση γίνεται μέσα στον κύλινδρο, στους κινητήρες εξωτερικής καύσης, η καύση πραγματοποιείται σε ξεχωριστό θάλαμο, που συνήθως ονομάζεται καυστήρας.

Ταξινόμηση τύπων κινητήρων



Δεδομένου ότι το διαδικασία καύσης ενός ICE αλλάζει τα χαρακτηριστικά του μέσου εργασίας, η κυκλική λειτουργία μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω μιας περιοδικής αντικατάστασης του ίδιου του μέσου εργασίας, δηλαδή μέσω ενός ανοιχτού κύκλου. Ο όρος «κύκλος» για το ICE αναφέρεται επομένως στον κύκλο εργασίας του κινητήρα που πρέπει να αντικαθίσταται περιοδικά και όχι σε έναν θερμοδυναμικό κύκλο του ρευστού εργασίας. Τα καύσιμα πρέπει να έχουν χαρακτηριστικά συμβατά με τη λειτουργία ICE, πράγμα που σημαίνει ότι τα προϊόντα καύσης τους θα πρέπει να επιτρέπουν τη χρήση τους ως μέσα εργασίας (π.χ. η καύση δεν πρέπει να σχηματίζει στάχτη όπως στην καμινάδα σας, κάτι που θα προκαλούσε κόλλημα του μηχανισμού του κινητήρα).

Μηχανή εσωτερικής καύσης

Οι παλινδρομικές μηχανές εσωτερικής καύσης επιλέγονται συνήθως για την πρόωση οχημάτων εδάφους με ορισμένες εξαιρέσεις ( ηλεκτροκινητήρες για τραμ, τρόλεϊ ή ηλεκτρικά αυτοκίνητα), λόγω της ευνοϊκής πυκνότητας ισχύος και του σχετικά χαμηλού κόστους κατασκευής και εξυπηρέτησης (σε σύγκριση για παράδειγμα με τους αεριοστρόβιλους).

Στο παλινδρομικό ICE, η κίνηση ενός εμβόλου σε έναν κύλινδρο, κλειστό στο αντίθετο άκρο από την κυλινδροκεφαλή, παράγει μια κυκλική μεταβολή του όγκου του κυλίνδρου. Το έμβολο συνδέεται με μια ράβδο και ένας στρόφαλος στον άξονα, η σταθερή περιστροφή του οποίου προκαλεί μια κυκλική κίνηση του εμβόλου μεταξύ δύο ακραίων θέσεων, του Top Dead Center (TDC, πιο κοντά στην κυλινδροκεφαλή) και του Bottom Dead Center (BDC, μεγαλύτερη απόσταση από την κυλινδροκεφαλή). Αυτές οι δύο θέσεις αντιστοιχούν αντίστοιχα στον ελάχιστο όγκο κυλίνδρου (όγκος διάκενου, Vc) και στον μέγιστο όγκο κυλίνδρου (ολικός όγκος, Vt). Η διαφορά μεταξύ μέγιστου και ελάχιστου όγκου ονομάζεται όγκος σάρωσης ή μετατόπιση κυλίνδρου και ονομάζεται Vd. Και τέλος, η αναλογία μεταξύ μέγιστου και ελάχιστου όγκου ονομάζεται λόγος συμπίεσης (rc).

ορισμός ICE

Ταξινόμηση ICE

Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης μπορούν να ταξινομηθούν σε διάφορες κατηγορίες. Τα δύο πιο σημαντικά βασίζονται στη διαδικασία καύσης (ανάφλεξη με σπινθήρα έναντι ανάφλεξης με συμπίεση) και στον κύκλο εργασίας (2 διαδρομές έναντι 4 διαδρομές). Η πρόσθετη ταξινόμηση μπορεί να βασίζεται στην εισαγωγή αέρα (φυσική αναρρόφηση ή υπερτροφοδοτούμενο), στην τροφοδοσία καυσίμου (έμμεση ή άμεση έγχυση) και σύστημα ψύξης (αερόψυκτο ή υδρόψυκτο). Σε αυτό το άρθρο, θα παρουσιαστούν μόνο οι διαφορές μεταξύ των διαδικασιών καύσης.

Ταξινόμηση ICE

Ανάφλεξη με σπινθήρα και ανάφλεξη με συμπίεση

Ανάφλεξη με σπινθήρα

Σε κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα, χρησιμοποιούνται καύσιμα με σχετικά χαμηλή αντιδραστικότητα, όπως η βενζίνη, το συμπιεσμένο φυσικό αέριο (CNG) ή το υγροποιημένο αέριο πετρελαίου (GPL). Τέτοια καύσιμα αναμιγνύονται με αέρα για να σχηματίσουν το εύφλεκτο, ομοιογενές μείγμα αέρα/καυσίμου και στη συνέχεια συμπιέζονται στον κινητήρα για να φτάσουν σε θερμοκρασίες περίπου 700 K (400 °C) και πιέσεις περίπου 20 bar, χωρίς καμία αυθόρμητη ανάφλεξη.

Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να εξηγηθεί με βάση τα χαρακτηριστικά του μορίου του καυσίμου: τα καύσιμα υδρογονανθράκων που χρησιμοποιούνται στους κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα (SI) είναι κατασκευασμένα από μόρια μικρής αλυσίδας, άκαμπτης και συμπαγούς δομής (όπως CH4 για CNG ή ισο-οκτάνιο C8h28 για βενζίνη) για που ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, ο χρόνος που χρειάζεται για να ξεκινήσει η διαδικασία καύσης είναι αρκετά μεγάλος. Ωστόσο, αυτή η ιδέα δεν πρέπει να συγχέεται με την ικανότητα ενός υγρού καυσίμου να εξατμίζεται σε θερμοκρασία δωματίου και να σχηματίζει ένα εύφλεκτο μείγμα στον αέρα του περιβάλλοντος. Αυτή η ικανότητα είναι υψηλή με τη βενζίνη και καθορίζει τον κίνδυνο έκρηξης εάν παρέχεται πηγή ανάφλεξης.

Σε κινητήρες SI, η διαδικασία καύσης μπορεί επομένως να ξεκινήσει μόνο (τουλάχιστον για μια κλασική καύση) με μια εξωτερική πηγή ενέργεια όπως ένα ηλεκτρικό σπίθα. Η ενέργεια που προστίθεται στο μείγμα από την ηλεκτρική εκκένωση είναι μικρή (περίπου 10 mJ μέγεθος) αλλά είναι ούτως ή άλλως απαραίτητη για την έναρξη της διαδικασίας καύσης.Σχέδιο κυλίνδρου ανάφλεξης με συμπίεση

Από τον πρώτο πυρήνα που αναφλέγεται από τον σπινθήρα, η καύση εξαπλώνεται στη συνέχεια μέσω του μείγματος: στρώμα μετά από στρώμα, το μέτωπο της φλόγας ταξιδεύει μέσα από τον θάλαμο, κυρίως χάρη σε μια μεταφορά θερμότητας μεταξύ των καυσαερίων και του φρέσκου μείγματος, μέχρι τις τελευταίες ζώνες (ονομάζονται « τελικό αέριο») φτάνουν μακριά από τον σπινθήρα.

Η μπροστινή ταχύτητα της φλόγας είναι περίπου 20-40 m/s και αυξάνεται σημαντικά με τον στροβιλισμό στο εσωτερικό του μείγματος (ο στροβιλισμός αυξάνει την επιφάνεια μεταξύ φρέσκου και καμένου αερίου, επομένως αυξάνεται η ανταλλαγή θερμότητας και έτσι η ταχύτητα διάδοσης της φλόγας). Εφόσον η ένταση του στροβιλισμού αυξάνεται με την ταχύτητα του κινητήρα και η μπροστινή ταχύτητα της φλόγας είναι ανάλογη με την ένταση του στροβιλισμού, η μπροστινή ταχύτητα της φλόγας αυξάνεται με την ταχύτητα του κινητήρα, αντισταθμίζοντας έτσι τη μείωση του διαθέσιμου χρόνου για την καύση. Χάρη σε αυτό, δεν υπάρχει σχεδόν κανένας περιορισμός όσον αφορά ταχύτητα κινητήρα για κινητήρες SI από την καύση άποψη (ο κινητήρας της Formula 1 μπορεί να τρέξει έως και 20 000 στροφές ανά λεπτό).

Ωστόσο, το μείγμα αέρα/καυσίμου, όταν διατηρείται σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις για παρατεταμένο χρονικό διάστημα, μπορεί τελικά να υποστεί αυτοανάφλεξη. Για το λόγο αυτό, μπορεί να προκύψουν μη φυσιολογικές καύσεις όταν το τελικό αέριο αναφλέγεται αυτόματα πριν από την άφιξη του μετώπου της φλόγας. Αυτή η μη φυσιολογική καύση προκαλεί απότομη αύξηση του πίεση κυλίνδρου ακολουθούμενα από κύματα πίεσης στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης που μεταδίδονται μέσω της δομής του κινητήρα στο περιβάλλον. Αυτό ονομάζεται 'Knock' και μπορεί να προκαλέσει ζημιές στο έμβολο και τον κύλινδρο λόγω των καταπονήσεων θερμικής κόπωσης. Για να αποφευχθεί η εμφάνιση κρουσμάτων, ο κινητήρας SI πρέπει να συμμορφώνεται με αρκετούς περιορισμούς σχετικά με το μέγιστο μήκος διαδρομής φλόγας (που περιορίζει τη μέγιστη διάμετρο του κυλίνδρου που ονομάζεται διάτρηση σε περίπου 100 mm) και τη μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία και πίεση του ακραίου (φρέσκου) αερίου (που περιορίστε τόσο τον λόγο συμπίεσης όσο και την πίεση υπερπλήρωσης).

Επιπλέον, υψηλές τιμές ταχύτητας φλόγας μπορούν να επιτευχθούν μόνο εάν η αναλογία αέρα/καυσίμου είναι αρκετά κοντά στη στοιχειομετρική αναλογία: επομένως, όταν ένας κινητήρας SI πρέπει να λειτουργεί με μερικό φορτίο, είναι αδύνατο να μειωθεί μόνο το καύσιμο διατηρώντας αμετάβλητο το μάζα αέρα στον κύλινδρο. Στη συνέχεια, απαιτείται η χρήση μιας συσκευής για τη μείωση της ροής μάζας αέρα για τον έλεγχο του φορτίου (συχνά επιλέγεται γκάζι εισαγωγής) ακόμη και αν προκαλεί κυρώσεις απόδοσης σε μερικό φορτίο.

[colored_box variation=”moss green” title=”Τι είναι η στοιχειομετρία;”]Στοιχειομετρία ορίζεται ως το σημείο όπου, στο μείγμα, όλο το οξυγόνο καταναλώνεται και όλο το καύσιμο καίγεται. Για τη βενζίνη, η αναλογία μάζας είναι 14,7:1 (14,7 γραμμάρια αέρα για 1 γραμμάριο καυσίμου). [/colored_box]

Ανάφλεξη με συμπίεση

Εξέλιξη θερμοκρασίας στον θάλαμο καύσηςΌταν χρησιμοποιούνται καύσιμα με υψηλότερη αντιδραστικότητα, όπως το ντίζελ, δεν μπορούν να αναμειχθούν με τον αέρα και στη συνέχεια να συμπιεστούν στον κύλινδρο γιατί διαφορετικά η διαδικασία καύσης θα ξεκινούσε αυθόρμητα κατά τη διάρκεια της διαδρομής συμπίεσης. Πράγματι, το καύσιμο ντίζελ είναι ένα μείγμα υδρογονανθράκων που μπορεί να αναπαρασταθεί από το κετάνιο, C16H34, με ένα μόριο μακράς ευθείας αλυσίδας στο οποίο οι προκαταρκτικές αντιδράσεις της διαδικασίας οξείδωσης προχωρούν αρκετά γρήγορα σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις.

Επομένως, Το καύσιμο ντίζελ εγχέεται ως υψηλή πίεση ψεκάστε υγρό στον ήδη συμπιεσμένο αέρα, αμέσως πριν την επιθυμητή έναρξη της καύσης (σε περίπτωση κλασικής καύσης ντίζελ). Οι μικρές σταγόνες καυσίμου (διάμετρος περίπου 10 μm), που περιβάλλονται από ζεστό πεπιεσμένο αέρα (περίπου 900 K), εξατμίζονται γρήγορα και η διαδικασία καύσης ξεκινά αυθόρμητα με μια εξαιρετικά μικρή καθυστέρηση ανάφλεξης.

Διαφορετικά από τους κινητήρες SI, η διαδικασία καύσης στον κινητήρα ντίζελ δεν μπορεί να προσαρμόσει τα χαρακτηριστικά της στον διαθέσιμο χρόνο για την εκτέλεση καύσης που σχετίζεται με την αύξηση της ταχύτητας του κινητήρα (δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται για την εξάτμιση του καυσίμου, την ανάμειξη και την καθυστέρηση ανάφλεξης δεν θα μειωθεί με την αύξηση της ταχύτητας του κινητήρα) . Επομένως, αυτοί οι κινητήρες δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε ταχύτητες μεγαλύτερες από 5000 σ.α.λ.

Τέλος, διαφορετικά από τους κινητήρες SI, δεν υπάρχουν αυστηρές απαιτήσεις όσον αφορά την αναλογία αέρα/καυσίμου για αυτού του είδους την καύση. Σε μερικό φορτίο, η ποσότητα του ψεκαζόμενου καυσίμου μειώνεται διατηρώντας την ίδια ποσότητα επαγόμενου αέρα, χωρίς να απαιτείται συσκευή στραγγαλισμού και στη συνέχεια χωρίς πρόσθετη απώλεια.