Carotopedia: Κινητήρας

Μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ)

• Πρόκειται για θερμικές μηχανές όπου το έργο παράγεται από την καύση στο εσωτερικό του κινητήρα. Με την καύση απελευθερώνεται η χημική ενέργεια που υπάρχει στο καύσιμο η οποία μετατρέπεται σε θερμική και στη συνέχεια ένα μέρος της σε μηχανική. Στους κινητήρες εξωτερικής καύσης ανήκει π.χ. ένας λέβητας.

• Ο βασικός τύπος καυσίμων που καταναλώνεται από τις ΜΕΚ είναι τα υγρά καύσιμα και λιγότερα τα αέρια (Carotopedia: Κινητήρας, υγραέριο LPG). Ο τύπος καυσίμου ορίζει δύο μεγάλες κατηγορίες, τους βενζινοκινητήρες (Otto) και τους πετρελαιοκινητήρες (Diesel) ενώ με το κατάλληλο σύστημα τροφοδοσίας οι βενζινοκινητήρες μπορούν εναλλακτικά να λειτουργούν με LPG ή CNG. Το συντριπτικό ποσοστό των ΜΕΚ είναι εμβολοφόροι ενώ υπάρχουν και οι περιστροφικοί κινητήρες (Wankel με περιστρεφόμενο έμβολο, αεριοστρόβιλοι με αποκλειστικά περιστρεφόμενα μέρη).

• Οι εμβολοφόροι κινητήρες αποτελούνται από ένα κύλινδρο στο εσωτερικό του οποίου παλινδρομεί ένα έμβολο. Όλα τα εξαρτήματα βρίσκονται στο εσωτερικό του σώματος (μπλοκ κινητήρα) και το πάνω μέρος ονομάζεται κυλινδροκεφαλή (καπάκι). Το έμβολο ωθείται προς τα κάτω εξαιτίας της πίεσης από τα καυσαέρια που παράγονται κατά την καύση. Η παλινδρομική κίνηση του εμβόλου μετατρέπεται σε περιστροφική με του υπόλοιπου κινηματικού μηχανισμού, του διωστήρα και του στροφαλοφόρου άξονα. Στην έξοδο του στροφαλοφόρου προσδένεται το βολάν. Στην διάρκεια του θερμοδυναμικού κύκλου οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής αλλάζουν θέση ανάλογα με την περιστροφή του εκκεντροφόρου.

• Ένας εμβολοφόρος κινητήρας διαχωρίζονται βάση της λειτουργίας και της κατασκευής του. Ένα βασικό χαρακτηριστικό είναι ο χρόνος λειτουργίας του, αν είναι δίχρονος ή τετράχρονος. Το επόμενο στοιχείο έχει να κάνει με την μέθοδο ανάφλεξης του μίγματος, στους βενζινοκινητήρες η ανάφλεξη γίνεται από τους σπινθηριστές (μπουζί) ενώ στους πετρελαιοκινητήρες λόγω της υψηλής σχέσης συμπίεσης και κατά συνέπεια της αύξησης της θερμοκρασίας (αυτανάφλεξη). Κατασκευαστικά το βασικότερο κριτήριο είναι ο αριθμός καθώς και η διάταξη των κυλίνδρων. Ανάλογα με την διάταξη διαμορφώνεται το σύστημα ψύξης και το σύστημα λίπανσης. Υπάρχουν και διάφορα άλλα χαρακτηριστικά όπως είναι η εισαγωγή αέρα με υπερπλήρωση (σύστημα τούρμπο), ο ψεκασμός του καυσίμου (άμεσος κατευθείαν στον κύλινδρο ή στον αυλό εισαγωγής) κ.α.

• Ένας χρόνος στους ΜΕΚ αντιπροσωπεύει μία διαδρομή του εμβόλου (από το ΑΝΣ στο ΚΝΣ ή το αντίθετο) και ισοδυναμεί με περιστροφή 180 μοιρών του στροφαλοφόρου.
• Ένας θερμοδυναμικός κύκλος στους τετράχρονους κινητήρες πραγματοποιείται μετά από τέσσερις διαδρομές του εμβόλου ή δύο περιστροφές του στροφαλοφόρου άξονα (720 μοίρες).
• Ένας θερμοδυναμικός κύκλος στους δίχρονους κινητήρες πραγματοποιείται μετά από δύο διαδρομές του εμβόλου ή μία περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα (360 μοίρες).
• Ο θερμοδυναμικός κύκλος στους τετράχρονους ή δίχρονους βενζινοκινητήρες περιλαμβάνει πέντε φάσεις: 1) εισαγωγή ή αναρρόφηση του μίγματος αέρα-καυσίμου, 2) συμπίεση του μίγματος 3) καύση του μίγματος, 4) εκτόνωση κατά την οποία παράγεται έργο, 5) εξαγωγή καυσαερίων.

– Διαβάστε για τους κινητήρες μεταβλητής συμπίεσης
– Διαβάστε για τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων
– Διαβάστε για τον θερμοδυναμικό κύκλο Atkinson και Miller
– Διαβάστε για

ΙΣΤΟΡΙΚΟ

• Το έτος 1483, ο Leonardo daVinci σχεδίασε μία «ιπτάμενη μηχανή», η οποία βέβαια δεν είχε καμία τύχη να πετάξει χωρίς την υποστήριξη της κατάλληλης μηχανικής ισχύος. Αρχικά, τη βασική ιδέα της χρήσης μίας ύλης που εκρήγνυται και κινεί ένα έμβολο για την παραγωγή έργου, ανέπτυξε πρώτος ο Γάλλος Abbe Hautefeuille το 1678. Οι πρώτοι εμβολοφόροι κινητήρες εσωτερικής καύσης σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν τις πρώτες δεκαετίες του 19ου αιώνα. Ένας από αυτούς περιγράφεται από τον Reverend  W. Cecil, το 1820 στην Αγγλία. Ο κινητήρας αυτός χρησιμοποιούσε ως καύσιμο μείγμα υδρογόνου και αέρα.

• Το 1838 ο Άγγλος εφευρέτης William Barnett παρουσίασε έναν κινητήρα μονού κυλίνδρου, μέσα στον οποίο καιγόταν αέριο καύσιμο. Στην πράξη, ο πρώτος εμβολοφόρος κινητήρας εσωτερικής καύσης κατασκευάστηκε το 1860 από το Γάλλο εφευρέτη Jean Joseph Etienne Lenoir. Χρησιμοποιούσε φωταέριο ως καύσιμο και η έναυση πραγματοποιούταν από μπαταρία. Μέσα σε λίγα χρόνια κατασκευάστηκαν περίπου 400 τέτοιοι κινητήρες οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν για την κίνηση μηχανημάτων όπως τόρνοι και εκτυπωτικά συστήματα. Το 1862, ο Γάλλος Beau de Rocas έθεσε τους βασικούς όρους που πρέπει να πληρούνται ώστε ένας εμβολοφόρος κινητήρας να λειτουργεί με μέγιστη απόδοση.

• Ο πρώτος τετράχρονος κινητήρας κατασκευάστηκε από τους Γερμανούς August Otto και Eugen Langen το 1876. Για το λόγο αυτό ο κύκλος λειτουργίας του τετράχρονου κινητήρας εσωτερικής καύσης ονομάζεται κύκλος Otto. Οι Otto και Langen ήταν αυτοί που ανέπτυξαν και το δίχρονο κινητήρα εσωτερικής καύσης, βασισμένοι σε ιδέες των Άγγλων Barnett και Clerk (1878). Στις ΗΠΑ, το 1876, ο μηχανικός George B. Brayton κατασκεύασε έναν κινητήρα που χρησιμοποιούσε ως καύσιμο τη βενζίνη.

• Όμως, ο πρώτος βενζινοκινητήρας που λειτουργούσε σύμφωνα με τον κύκλο των τεσσάρων χρόνων αναπτύχθηκε από τους Γερμανούς Gottlieb Daimler και Karl Benz ξεχωριστά, το 1885. Ο τύπος κινητήρα αυτός έδωσε κίνηση στα πρώτα αυτοκίνητα, ενώ οι κινητήρες των σύγχρονων αυτοκινήτων έχουν διατηρήσει αρκετά χαρακτηριστικά του σε βασικά λειτουργικά τους σημεία. Το 1892, ο Γερμανός Rudolph Diesel πρότεινε έναν κινητήρα στον οποίο πραγματοποιούταν αυτανάφλεξη του μείγματος αέρα – καυσίμου και αποτελεί τον προπομπό των σύγχρονων πετρελαιοκινητήρων.

Πηγή ιστορικής αναφοράς: ΜΕΚ I (Βιβλιογραφία ΤΕΕ)