ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

Η τεχνολογία των δίχρονων κινητήρων…

honda-ns500-freddies-spencer-1983

Το NS500 ήταν η πρώτη αγωνιστική δίχρονη Honda που συμμετείχε στο GP με πολλές διακρίσεις, κυρίως στα χέρια του Freddie Spencer που κέρδισε τον πρώτο τίτλο στην κατηγορία το 1983.clerks_engine

Η πρώτη -ιστορικά- μηχανή εσωτερικής καύσης μάλλον θα πρέπει να αποδοθεί στον Christian Huygens. Συγκεκριμένα, ο Huygens το 1678 πρότεινε μία διάταξη που θα χρησιμοποιούσε ως καύσιμο την πυρίτιδα! Η πρόταση αυτή, αν και ουδέποτε υλοποιήθηκε, θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ο πρόδρομος των σημερινών εμβολοφόρων μηχανών εσωτερικής καύσης. Ακολούθησε μία μεγάλη περίοδος προσπαθειών, όπου διάφορες ιδέες ανακοινώθηκαν και κατοχυρώθηκαν (Robert Street- 1794, Philippe Lebou -1801, Dr. Drake – 1820). Το σύνολο των προσπαθειών αυτών αναφέρονταν σε μηχανές με αέριο καύσιμo. Κάποιες από τις ιδέες που προταθήκαν παρέμειναν στα σχέδια, κάποιες άλλες όμως υλοποιήθηκαν, συνεισφέροντας σημαντικά στην εμφάνιση αυτού που ουσιαστικά θεωρείται ως η πρώτη μηχανή εσωτερικής καύσης, το 1860, από τον Γάλλο Lenoir.

ship-engine-finishedΤο 1876 κι ενώ στο μεσοδιάστημα είχαν ακολουθήσει και άλλες ευρεσιτεχνίες μηχανών εσωτερικής καύσης, ο Otto κατασκεύασε τον πρώτο τετράχρονο κινητήρα με αέριο καύσιμο και συμπίεση, ενώ σχεδόν ταυτόχρονα , ο Άγγλος Clerc τον πρώτο δίχρονο κινητήρα με αέριο καύσιμο. Οι δίχρονοι κινητήρες χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές όπου απαιτείται μεγάλη ισχύς ανά κιλό, λιγότερη συντήρηση και απλότητα στον τρόπο λειτουργίας. Τέτοιες εφαρμογές στον μηχανοκίνητο τομέα εντοπίζονται στις μοτοσικλέτες  ενώ πέρα από αυτές στις εξωλέμβιες μηχανές σκαφών, στα snowmobiles, στα jet ski, στα χορτοκοπτικά, στα αλυσοπρίονα, στα μεγάλα πλοία κ.α.

Δίχρονος βενζινοκινητήρας – Δομή

2-stroke-engine-diagram-1Παρακάτω θα αναλυθεί ο δίχρονος βενζινοκινητήρας, όμως οι αρχές και ο τρόπος λειτουργίας ισχύουν και για τους πετρελαιοκίνητους κινητήρες με μικρές παραλλαγές κυρίως στις διατάξεις .Ο δίχρονος βενζινοκινητήρας λοιπόν απαρτίζεται ουσιαστικά από τρεις δομικές ομάδες και τις πρόσθετες βοηθητικές διατάξεις:

  • Κορμός κινητήρα: Κυλινδροκεφαλή, κύλινδρος στροφαλοθάλαμος
  • Σύστημα διωστήρα στροφάλου: ‘Έμβολο, διωστήρας, στροφαλοφόρος άξονας
  • Σύστημα δημιουργίας μίγματος: εξαερωτήρας ή διάταξη ψεκασμού, σωλήνας αναρρόφησης
  • Βοηθητικές διατάξεις: Σύστημα ανάφλεξης, σύστημα ψύξης κινητήρα, εξάτμιση, αντλία λαδιού λίπανσης (μπορεί να έχει μπορεί και όχι).

Τρόπος λειτουργίας…

Οι αρχές ενός κλασικού δίχρονου κινητήρα είναι πραγματικά πολύ απλές. Αρχικά, δε χρειάζεται ειδικά όργανα για την εναλλαγή των αερίων στον κύλινδρο. Σ’ αυτό έγκειται και η κύρια διαφορά στη δομή του δίχρονου κινητήρα έναντι του τετράχρονου, ο οποίος απαιτεί βαλβίδες, εκκεντροφόρο, καδένες εκκεντροφόρου, καπελότα, γρανάζια κίνησης και άλλα μηχανικά στοιχεία που συναντάμε στους τετράχρονους κινητήρες. Έτσι, ο μειωμένος αριθμός κινούμενων μαζών προσφέρει μεγαλύτερη σταθερότητα και μειωμένες ανάγκες συντήρησης. Η εναλλαγή των αερίων κατευθύνεται από το έμβολο και διοχετεύονται μέσω θυρίδων που υπάρχουν στα τοιχώματα του κυλίνδρου. Επιπλέον, ο δίχρονος κινητήρας χρησιμοποιεί ως καύσιμο βενζίνη ή πετρέλαιο, το οποίο στην πλειονότητα των κατασκευών, αναμιγνύεται με το έλαιο λίπανσης για να σχηματίσει το καύσιμο μίγμα.

Ο πλήρης κύκλος λειτουργίας στο δίχρονο κινητήρα πραγματοποιείται σε κάθε πλήρη περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα (360 μοίρες) ή σε κάθε δύο διαδρομές του εμβόλου (δύο χρόνοι). O κύκλος φαινομενικά είναι στον τετράχρονο και στο δίχρονο κινητήρα βασικά ο ίδιος. ‘Όμως, η εξέλιξη των επιμέρους χρόνων τοπικά και χρονικά είναι διαφορετική. Ένας πλήρης κύκλος λειτουργίας περιλαμβάνει τις «φάσεις» :

1. Αναρρόφηση
2. Συμπίεση
3. Εκτόνωση – παραγωγή έργου
4. Εξαγωγή

Αναλυτικότερα…

1. Όταν το έμβολο κινείται από το κάτω νεκρό σημείο προς το άνω νεκρό σημείο (ΑΝΣ) Αφού το έμβολο κλείσει τη θυρίδα σάρωσης, αναπτύσσεται στο στροφαλοθάλαμο μία υποπίεση, λόγω της αύξησης του όγκου. Όταν το έμβολο απελευθερώσει τη θυρίδα εισαγωγής, τότε λόγω της διαφοράς πίεσης ωθείται στον κύλινδρο η καύσιμη ύλη, δηλαδή το μίγμα αέρα-καυσίμου για τον επόμενο κύκλο λειτουργίας. Σχεδόν ταυτόχρονα το έμβολο θα κλείσει τη θυρίδα εξαγωγής και θα αρχίσει η συμπίεση του μίγματος καυσίμου-αέρα-λαδιού. Λίγο πριν από το ΑΝΣ, προκαλείται η ανάφλεξη.

2. Όταν το έμβολο κινείται από το κάτω νεκρό σημείο προς το κάτω νεκρό σημείο (ΚΝΣ) Κατά την εκτόνωση (παραγωγή έργου), τα αέρια της καύσης κινούν το έμβολο από το ΑΝΣ προς το ΚΝΣ. Αφού το έμβολο κλείσει τη θυρίδα εισόδου, αρχίζει η προσυμπίεση του μίγματος καυσίμου-αέρα-λαδιού στους περίπου 0,3 bar έως 0,8 bar μέσα στον στροφαλοθάλαμο. Κατά τη μετάβαση στον επόμενο κύκλο λειτουργίας, γίνεται η εναλλαγή των αερίων.

2-stroke-engine-diagram

Χρόνος εξαγωγής. Αρχικά, η πάνω ακμή του εμβόλου απελευθερώνει τη θυρίδα εξαγωγής, η οποία βρίσκεται κάπως υψηλότερα, και τα καυσαέρια εξέρχονται. Κατόπιν, απελευθερώνει τη θυρίδα σάρωσης και το προσυμπιεσμένο μίγμα καυσίμου-αέρα-λαδιού κινείται από το στροφαλοθάλαμο, μέσω του οχετού σάρωσης, προς τον κύλινδρο. Εισέρχεται σε αυτόν και αναλαμβάνει τη σάρωση και την απομάκρυνση των καυσαερίων. Λόγω της αρχικής πίεσης στον αγωγό εξαγωγής, τα εναπομείναντα αέρια καύσης, τη στιγμή που ανοίγει η θυρίδα σάρωσης, κινούνται προς το στροφαλοθάλαμο. Έτσι, αυξάνεται η πίεση της προσυμπίεσης από 0,3 bar περίπου στην πίεση σάρωσης 0,8 bar. Όταν το έμβολο, κατά τη διαδρομή του προς το ΚΝΣ, κλείσει τη θυρίδα σάρωσης και κατόπιν τη θυρίδα εξαγωγής, τότε έχει τελειώσει και η φάση της σάρωσης.

Στον τετράχρονο κινητήρα, ο κύκλος λειτουργίας εξελίσσεται μόνο μέσα στον κύλινδρο, και μάλιστα σε τέσσερις διαδρομές του εμβόλου ή σε δύο στροφές του στροφαλοφόρου.

Για να περιοριστεί ο κύκλος λειτουργίας σε δύο διαδρομές του εμβόλου ή σε μία περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα, πρέπει να συνεργάζεται ο κύλινδρος με το στροφαλοθάλαμο. Ο στροφαλοθάλαμος μαζί με το κάτω μέρος του κυλίνδρου και με το έμβολο σχηματίζει μια αντλία. Επειδή σ’ αυτούς του κινητήρες υπάρχουν τρία είδη οχετών, ονομάζονται και δίχρονοι κινητήρες τριών οχετών. Ο δίχρονος κινητήρας τριών οχετών είναι η πλέον απλή μορφή, με έναν οχετό εισαγωγής, έναν εξαγωγής και έναν σάρωσης. Οι οχετοί εισαγωγής και σάρωσης μπορεί να είναι είτε τοποθετημένοι στην ίδια πλευρά είτε αντιδιαμετρικά μέσα στον κύλινδρο.

dixronos-21. Ο οχετός εισαγωγής έρχεται από τον εξαερωτήρα και οδηγεί στο στροφαλοθάλαμο. 2. Ο οχετός εξαγωγής οδηγεί στον αγωγό απαγωγής των καυσαερίων (εξάτμιση). 3. Ο οχετός σάρωσης συνδέει το στροφαλοθάλαμο με τον κύλινδρο, μέσο πλευρικών οπών στο έμβολο ή πλευρικής οπής στον κύλινδρο. Μπορεί να υπάρχουν από ένας ως και τέσσερεις οχετοί σάρωσης σε κάθε κύλινδρο.

dixronosΗ λειτουργία που περιγράφηκε, με τη χρησιμοποίηση του στροφαλοθαλάμου ως αντλίας αέρα, είναι αυτονόητο ότι δεν μπορεί να υλοποιηθεί παρά μόνο σε μονοκύλινδρους κινητήρες. Τούτο, γιατί όταν υπάρχουν περισσότεροι του ενός κύλινδροι, τα μισά έμβολα θα βρίσκονται σε ανοδική πορεία και τα άλλα μισά σε καθοδική, η διαφοροποίηση επομένως του όγκου του στροφαλοθαλάμου θα είναι μηδενική.

Στην περίπτωση αυτή λοιπόν ο δίχρονος κινητήρας γίνεται πιο πολύπλοκος, καθώς απαιτείται πρόσθετη αντλία αέρα, που θα αναλάβει να τροφοδοτεί το σύστημα με αέρα. Η αντλία αυτή, δεδομένου ότι η παροχή της χρησιμεύει όχι μόνο για την πλήρωση αλλά και για την απόπλυση των κυλίνδρων, ονομάζεται αντλία απόπλυσης και προφανώς παίρνει κίνηση από το στροφαλοφόρο του κινητήρα, μειώνοντας αντίστοιχα τη διαθέσιμη σ’ αυτόν ισχύ προς εκμετάλλευση. Στην πράξη όμως, όσο αυξάνονται οι στροφές, η πραγματική λειτουργία αποκλίνει πολύ από το ιδανικό, καθώς δεν εξελίσσονται οι φάσεις με αυτόν τον ιδανικό τρόπο.

2-stroke-engineΌπως αναφέρθηκε λοιπόν, ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του δίχρονου κινητήρα είναι η ανοιχτή εναλλαγή αερίων. Όμως, τούτο πρακτικά σημαίνει ότι σι θυρίδες εξαγωγής και σάρωσης, κατά τη διάρκεια της εναλλαγής των αερίων, είναι σχεδόν ταυτόχρονα ανοιχτές (επικάλυψη θυρίδων).

Αντίθετα, ο τετράχρονος κινητήρας έχει, με εξαίρεση το βραχύ διάστημα της επικάλυψης των βαλβίδων, μια κλειστή εναλλαγή αερίων. Έτσι λοιπόν, όσο προσεκτικά κι αν σχεδιασθεί ο κύλινδρος, οι θυρίδες και το έμβολο, κάποια ποσότητα καυσαερίου θα περάσει στον στροφαλοθάλαμο και θα ανακυκλωθεί στην επόμενη καύση, μειώνοντας την ποιότητα καυσίμου, ενώ κάποια ποσότητα νέου μίγματος θα προλάβει τελικά να φύγει από τον κύλινδρο, περνώντας από τη θυρίδα εξαγωγής. Το τελευταίο αποτελεί μεγάλο μειονεκτήματα του δίχρονου κινητήρα, δεδομένου ότι αυτό δεν είναι μόνο απώλεια αέρα αλλά και καυσίμου.

Εκτός από αυτό, ο δίχρονος κινητήρας στην βασική του μορφή, αν και σε ισχύ και κόστος υπερτερεί έναντι του τετράχρονου, λόγω της διάταξης εμφανίζει κυρίως τα εξής μειονεκτήματα:

1. Αυξημένους ρύπους στα καυσαέρια
2. Μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου και λαδιού
3. Κακή πλήρωση σε καύσιμο και αέρα
4. Στενό φάσμα στροφών βέλτιστης λειτουργίας

Βελτιώσεις, αναβαθμίσεις…

Για τους παραπάνω λόγους λοιπόν, σταδιακά οι κατασκευαστές ανέπτυξαν διάφορες τεχνικές για την βελτίωση των κινητήρων 2 χρόνων. Οι βασικότερες καινοτομίες είναι:

reed-valveΒαλβίδες REED: Αποτελούνται από φύλλα μετάλλου ή πλαστικού και έχουν αποδειχθεί αρκετά αξιόπιστες. Πρόκειται για μονόδρομες βαλβίδες ή αλλιώς και αντεπιστροφής, οι οποίες επιτρέπουν την ροή ρευστού προς μία μόνο κατεύθυνση. Όταν τοποθετηθούν πριν την εισαγωγή και μετά τον εξαερωτήρα, αναγκάζουν το μίγμα που εισέρχεται στον στροφαλοθάλαμο να παραμείνει εκεί και να μην επιστρέψει πίσω στον εξαερωτήρα. Αυτό το στοιχείο βοήθησε να εξελιχθούν μεγαλύτερα διαμετρήματα βαλβίδων εισαγωγής.

rotating-valveΠεριστροφική βαλβίδα εισαγωγής: Αποδίδει αρκετά καλυτέρα από τις reed δεδομένου ότι δεν επιφέρει αντίσταση στην εισαγωγή του μίγματος όπως κάνουν τα πέταλα των reed. Η περιστροφική βαλβίδα ακολουθεί την περιστροφή του στροφάλου παίρνοντας κίνηση από ένα γρανάζι που συνεργάζεται με τον στροφαλοφόρο άξονα και εξασφαλίζει άνοιγμα και κλείσιμο σε συγκεκριμένες μοίρες προσομοιώνοντας τον απόλυτο εγκλωβισμό του μίγματος στο στροφαλοθάλαμο. Η περιστροφική βαλβίδα μοιάζει με ημικύκλιο. Τα στελέχη της αποκαλύπτουν και καλύπτουν τις οπές, συναρτήσει των μοιρών που βρίσκονται.

cp-2stroke-piston-300Έμβολα: Η γεωμετρία τους συνδέεται άμεσα με την αεροδυναμική και την συστροφή που θέλουμε να προσδώσουμε στο μίγμα καύσης σε συνδυασμό πάντα με την γωνία εισαγωγής στον στροφαλοθάλαμο, για την βέλτιστη ανάμιξή του με τον αέρα, όπως και παγίδευσή του. Επιπλέον, θέλουμε την καλύτερη δυνατή απόπλυση μετά την έκρηξη. Τα υλικά ήταν πάντα ελαφριά κράματα αλουμινίου προς χάρη της ευστροφίας, με κορυφαία τα σφυρήλατα έμβολα.

pro-circuit-exhaust-pipes-works-pipes_1Εξάτμιση: Μεγάλη έμφαση στην εξέλιξη του δίχρονου δόθηκε στην διαμόρφωση του θαλάμου εξαγωγής καυσαερίων. Αυτός είναι ο λόγος που οι εξατμίσεις των δίχρονων είναι καμπυλωτές και έχουν διαφορετικές διατομές κατά μήκος. Εδώ λαμβάνει χώρα το φαινόμενο της κυματικής υπερσυμπίεσης, ένα είδος υπερσυμπιεστή δηλαδή. Το φαινόμενο είναι γενικότερα αρκετά πολύπλοκο. Ο σκοπός των καμπυλωτών ελλειπτικών εξατμίσεων είναι να εκμεταλλευτούν τα κύματα πίεσης που δημιουργούνται στη θυρίδα εξαγωγής, μετά την έκρηξη κατά τη φάση της εκτόνωσης, έτσι ώστε να συνεισφέρουν στην αναπνοή του κινητήρα.

Αυτό γίνεται εφικτό σχεδιάζοντας έτσι την εξάτμιση, ούτως ώστε τα ισχυρά θετικά και τα αρνητικά κύματα να συναντιούνται ΑΝΤΑΝΑΚΛΩΜΕΝΑ μέσα στη φούσκα διαστολής πίσω στην θυρίδα εξαγωγής ακαριαία, όταν απαιτείται από το φορτίο υψηλή ή χαμηλή πίεση αντίστοιχα. newworkspipeΑυτά τα κύματα ταξιδεύουν με ταχύτητα ήχου, έτσι ο συγχρονισμός είναι ευαίσθητος, δηλαδή η επιστροφή τους πρέπει να βρει την εξαγωγή ανοιχτή για να ενισχύσει το φαινόμενο. Τα αρνητικά κύματα συμπίεσης βοηθούν να σαρώσουν τα καυσαέρια από τον κύλινδρο και τα θετικά κύματα συμπίεσης αναγκάζουν το άκαυτο μίγμα αέρα βενζίνης να επιστρέψει πίσω στον θάλαμο καύσης για τη μετάκαυσή του. Η ταχύτητα των κυμάτων αυτών είναι συνάρτηση κυρίως της θερμοκρασίας που επικρατεί στον θάλαμο των καυσαερίων και λιγότερο των στροφών του στροφάλου. Αυτό ταυτόχρονα σημαίνει ότι μια εξάτμιση συγκεκριμένης γεωμετρίας θα αποδίδει ιδανικά σε ένα περιορισμένο αριθμό στροφών του κινητήρα και όχι σε όλο το εύρος .

2-stroke_engine_animation

Εδώ ακριβώς εντοπίζεται και το στενό φάσμα λειτουργίας του δίχρονου κινητήρα Όταν έχουμε τον απόλυτο συντονισμό στην εξάτμιση, ο κινητήρας “ξεσπάει” υστερικά αλλά αυτό διαρκεί σε ένα μικρό εύρος περιστροφής. Το αν θα είναι ψηλά ή χαμηλά, έχει να κάνει με τα χαρακτηριστικά που θα προσδώσει στην εξάτμιση ο κατασκευαστής. Οι κατασκευαστές εφάρμοσαν λύσεις μεταβλητής διατομής στην εξαγωγή και πολύπλοκες γεωμετρίες, έτσι ώστε να ανοίξουν το εύρος του συντονισμού σε μεγαλύτερο φάσμα στροφών του στροφάλου για να αποκτήσει ο δίχρονος γραμμικότητα και να πέσει η κατανάλωση. Επίσης, το μήκος και η διατομή της εξάτμισης είναι μεγάλης σημασίας για την σωστή λειτουργία. Έτσι, με φυγοκεντρικές βαλβίδες και ξεχωριστούς θαλαμίσκους καύσης μεταβάλλεται κατάλληλα ο όγκος (όσο αυτό είναι δυνατό) για να έχουμε τα επιθυμητά αποτελέσματα…

6-3-two-strokecompressionignitionΒαλβίδες εξαγωγής με εκκεντροφόρο: Είναι δυνατή η κατασκευή δίχρονου κινητήρα με μία ή και δύο βαλβίδες εξαγωγής στην κυλινδροκεφαλή, ενώ διατηρούνται οι θυρίδες εισαγωγής στο κάτω μέρος του κυλίνδρου Στην περίπτωση αυτή βέβαια είναι απαραίτητη και η ύπαρξη εκκεντροφόρου, για την κίνηση των βαλβίδων, απαίτηση που φυσικά αυξάνει περαιτέρω την πολυπλοκότητα του κινητήρα.

kylindros-elegxouΈλεγχος εξαγωγής με κύλινδρο: Μία ακόμα καινοτομία είναι ο έλεγχος εξαγωγής να γίνεται μ’ έναν κύλινδρο ελέγχου (power valve system). Ο κύλινδρος ελέγχου, τοποθετημένος εγκάρσια προς τον οχετό εξαγωγής, έχει μία εντομή με αιχμηρές ακμές ελέγχου. Σε συνάρτηση με τις στροφές, μειώνεται η διατομή του οχετού εξαγωγής με στροφή του κυλίνδρου ελέγχου. Στις χαμηλές και τις μέσες στροφές, μετατοπίζεται η άνω ακμή της θυρίδας εξαγωγής προς τα κάτω.

Αυτό γίνεται με στροφή του κυλίνδρου ελέγχου, πράγμα που μειώνει το ύψος της θυρίδας εξαγωγής. Έτσι, μειώνονται οι γωνίες εξαγωγής και ο χρόνος εξαγωγής και εμποδίζεται η εισροή νέου μίγματος στον οχετό εξαγωγής. Ταυτό-χρονα, αυξάνεται η ωφέλιμη διαδρομή του εμβόλου (η συμπίεση αρχίζει νωρίτερα) και ο πραγματικός λόγος συμπίεσης. Λίγο πριν από τις μέγιστες στροφές, ο κύλινδρος ελέγχου στρέφεται και αφήνει ελεύθερη ολόκληρη τη διατομή του οχετού εξαγωγής.

Έτσι, πραγματοποιείται μεγάλη γωνία εξαγωγής και μεγαλύτερος χρόνος εξαγωγής. Η στροφή του κυλίνδρου ελέγχου μπορεί να γίνει είτε με τη φυγόκεντρη δύναμη είτε με ιδιαίτερο κινητήρα επενεργείας. Εδώ, αυτός ο κινητήρας παίρνει ως μέγεθος αναφοράς το πλήθος των παλμών ανάφλεξης. Επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και επίπεδοι σύρτες με έλεγχο συμπιεσμένου αέρα.

thalamos-sintonismouΈλεγχος εξαγωγής με θάλαμο συντονισμού: Η διεύρυνση του συντονισμού γίνεται με ζεύξη ενός θαλάμου συντονισμού. Το άνοιγμα και το κλείσιμο αυτού του θαλάμου γίνεται με ένα σύρτη κυλινδρικής μορφής. Ένας κινητήρας επενεργεί μέσω οδοντοτροχών και συρματόσχοινου, ώστε να στραφεί ο κύλινδρος ελέγχου. Ο κινητήρας αυτός δέχεται ως μέγεθος αναφοράς το πλήθος των παλμών ανάφλεξης. Έως τις 6500 στρoφές, ένα μέρος των καυσαερίων οδηγείται στο θάλαμο συντονισμού. Έτσι, αυξάνεται ο όγκος της διάταξης εξαγωγής καυσαερίων και μειώνεται η έξοδος άκαυστου μίγματος. Στις υψηλές στροφές, ο κύλινδρος κλείνει το θάλαμο συντονισμού. Έτσι, μειώνεται ο όγκος της εξαγωγής και ρυθμίζεται η αναγκαία “αντίθλιψη”.

separate-lubricationΧωριστή λίπανση: Τέλος, στους δίχρονους κινητήρες μπορεί να υπάρχουν χωριστά δοχεία για το καύσιμο και για το λάδι. Το λάδι λίπανσης προωθείται από τη δεξαμενή στον εξαερωτήρα με μία δοσομετρική αντλία και εκεί, πριν από το κύριο ακροφύσιο, αναμιγνύεται με το καύσιμο. Το έμβολο της δοσομετρικής αντλίας περιστρέφεται με ένα μηχανισμό από τον κινητήρα, πράγμα που συνδέει την παροχή με τις στροφές του κινητήρα. Η διαδρομή του εμβόλου της αντλίας εξαρτάται από το άνοιγμα της πεταλούδας του γκαζιού. Έτσι, όμως, και η παροχή της δοσομετρικής αντλίας αλλάζει ανάλογα με το άνοιγμα της πεταλούδας, είναι δηλαδή συνάρτηση του φορτίου.

Επειδή, λοιπόν, η παροχή της δοσομετρικής αντλίας εξαρτάται από τις στροφές και τη διαδρομή του εμβόλου, έχουμε ποσότητες, οι οποίες εξαρτώνται από τις στροφές και το φορτίο. Το ελικοειδές ελατήριο πιέζει το έμβολο, μέσω του στελέχους του, επάνω στο έκκεντρο. Κατά την αναρρόφηση, το λάδι ρέει στο στοιχείο της αντλίας κάτω από το έμβολο. Κατά την περιστροφή του στοιχείου της αντλίας, το στέλεχος και το έκκεντρο ενεργούν μαζί.

Κατά την κατάθλιψη του εμβόλου, προωθείται το λάδι στο σωλήνα αναρρόφησης. Μέσω της χειρολαβής γκαζιού, μεταβάλλεται η θέση του έκκεντρου, δηλαδή η παρεχόμενη ποσότητα λαδιού, άρα όπως αναφέρθηκε εξαρτάται από το φορτίο. Η βαλβίδα αντεπιστροφής εμποδίζει την εκκένωση του αγωγού λαδιού. Έτσι λοιπόν, σε συνάρτηση με την παροχή από τις στροφές και το φορτίο πραγματοποιείται μεγάλη οικονομία λαδιού (λόγος ανάμιξης 1:100, ή και λιγότερο).

Πιο αποδοτικοί, λιγότεροι “καθαροί”…

Παρόλα αυτά, οι ρύποι των καυσαερίων των δίχρονων κινητήρων, αν και με όλα αυτά τα συστήματα έχουν μειωθεί σημαντικά, φαίνεται ότι εξακολουθούν να είναι σε υψηλά επίπεδα αναφορικά με τους κανονισμούς οι οποίοι ισχύουν τις δύο τελευταίες δεκαετίες για τα ιδιωτικά οχήματα μαζικής παραγωγής. Επιπλέον, σήμερα, κυρίως λόγω της προσπάθειας που γίνεται παγκοσμίως για περιορισμό της επιβάρυνσης της ατμόσφαιρας από τις μηχανές εσωτερικής καύσης, ο ρόλος του δίχρονου κινητήρα έχει συρρικνωθεί σημαντικά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ποιότητα του παραγόμενου καυσαερίου δεν μπορεί να γίνει αποδεκτή και ταυτόχρονα η σύνθεση αυτού είναι τέτοια που δεν είναι εύκολη η καταλυτική του επεξεργασία. Το χαρακτηριστικό αυτό έχει ελαχιστοποιήσει, αν όχι εκμηδενίσει, τη χρήση του στα δίκυκλα, ενώ έχει ουσιαστικά εξαφανίσει το δίχρονο κινητήρα από τα επιβατικά αυτοκίνητα.

electronic-injection-2-strokeΗ εμφάνιση ξανά στο προσκήνιο του δίχρονου κινητήρα όμως, ίσως να μην αργήσει να έρθει. Τούτο ίσως οφείλεται στην υλοποίηση της ιδέας του ηλεκτρονικού ελέγχου ψεκασμού στους δίχρονους κινητήρες, όπως συμβαίνει εδώ και δεκαετίες στους τετράχρονους κινητήρες. Ο ηλεκτρονικός έλεγχος ψεκασμού είναι, εξ’ ορισμού, ο έλεγχος από ένα κεντρικό εγκέφαλο ,της χρονικής στιγμής και της ποσότητας του μίγματος, η οποία θα ψεκαστεί στον κύλινδρο.

Στο τεχνικό σκέλος έχουμε μικρούς σωληνοειδείς αγωγούς που απολήγουν σε πιεζοηλεκτρικές βαλβίδες(ακροφύσια). Αυτοί οι σωλήνες στην άλλη τους πλευρά απολήγουν σε αγωγό, ο οποίος τροφοδοτείται από αντλία βυθισμένη σε καύσιμο και παράγει υπερυψηλή πίεση έως και 50 bar. Ο εκχυτήρας ψεκάζει καύσιμο κατευθείαν μέσα στο κύλινδρο. Αποτέλεσμα της τεράστιας πίεσης και ταχύτητας με την οποία ψεκάζεται το καύσιμο είναι ο “διαμερισμός” του σε απειροστά μικρά σωματίδια, γεγονός που οδηγεί στην πλήρη ανάμιξη του με τον αέρα. Αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε καλύτερη καύση και άρα μεγαλύτερη ισχύς και λιγότερους ρίπους.

Η αυστραλιανή εταιρία Orbital…

έχει τα πρωτεία στην ανάπτυξη του λεγόμενου συστήματος άμεσου ψεκασμού (direct injection system) για τους δίχρονους κινητήρες, ενώ αντίστοιχα συστήματα έχουν αναπτυχθεί και από άλλες εταιρίες (π.χ. Enviro-fit είναι το σύστημα που έχει αναπτύξει η KTM). Σύμφωνα με τις κατασκευάστριες εταιρίες αλλά και επιπλέον έρευνες, η εφαρμογή της καινοτομίας βελτιώνει σημαντικά τα περισσότερα από τα μειονεκτήματα του δίχρονου που αναφέρθηκαν. Αναλυτικότερα:

1. Με τον άμεσο ψεκασμό το καύσιμο δεν μπορεί να υγροποιηθεί στα τοιχώματα της εισαγωγής, και έτσι δεν εμφανίζονται απώλειες από συμπύκνωση.

2. Η ποσότητα του καυσίμου που ψεκάζεται είναι συνάρτηση των απαιτήσεων του κινητήρα. Αυτό σημαίνει ότι κάθε στιγμή ψεκάζεται ακριβώς όσο καύσιμο απαιτείται με αποτέλεσμα την ομαλότερη λειτουργία και την μειωμένη κατανάλωση.

3. Η απώλεια καυσίμου ουσιαστικά παύει να υφίσταται, αφού ελέγχεται απόλυτα η χρονική στιγμή του ψεκασμού ώστε να μην υπάρχει μεγάλη επικάλυψη των οχετών εισόδου εξόδου, και κυρίως για την απόπλυση (απομάκρυνση εναπομεινάντων καυσαερίων) δεν χρησιμοποιείται καύσιμο μίγμα αλλά μόνο αέρας.

orbital-injection1Το σύστημα αυτό σε συνδυασμό με τις άλλες τεχνολογικές καινοτομίες που αναφέρθηκαν, εφαρμόζεται ήδη σε πλοία, εξωλέμβιες μηχανές και σε snowmobiles με πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Όμως δεν έχει γίνει ακόμα χρήση του σε δίχρονους κινητήρες μοτοσικλετών μαζικής παραγωγής. Οι απαντήσεις σε αυτό το θέμα είναι πολλές και ποικίλουν. Ένα ζήτημα που έχει τεθεί υπόψη πολλών, είναι ότι η εταιρεία που κατέχει τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας για το σύστημα άμεσου ψεκασμού, η Orbital, ζητάει υπέρογκα ποσά για να χρησιμοποιήσουν την τεχνολογία της.

orbital-injection2Υπαρκτές είναι φήμες για κερδοσκοπικά παιχνίδια των μεγάλων κατασκευαστών, οι οποίοι έχοντας επενδύσει δισεκατομμύρια στην ανάπτυξη τετράχρονων κινητήρων, δεν προτίθενται να υλοποιήσουν ένα διαφορετικό σύστημα. Επιπλέον, δίνεται βάση στο τεχνικό θέμα των πολλών χιλιάδων στροφών (έως και 9000 στροφές) που ίσως να μην επιτρέπει την εφαρμογή του σε μοτοσικλέτες δρόμου . Σύμφωνα με τους υποστηρικτές τις τελευταίας άποψης, η αιτία εντοπίζεται στην έλλειψη χρόνου, αφού απαιτείται ένας ψεκασμός ανά περιστροφή του στροφάλου, ενώ σε έναν τετράχρονο κινητήρα, ο διαθέσιμος χρόνος για έναν άμεσο ψεκασμό διαρκεί έως και μια ολόκληρη περιστροφή του στροφάλου από την στιγμή που ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής, μέχρι και την στιγμή που ολοκληρώνεται ο χρόνος συμπίεσης. Το σίγουρο πάντως είναι πως δεν μπορεί να δοθεί μια απάντηση με σαφήνεια.

Άποψη…

Τέλος, θεωρείται σκόπιμο να αναφερθεί μία άποψη ενός εμπειρογνώμονα αναφορικά με τη σύγκριση δίχρονων και τετράχρονων κινητήρων. Ο Michael Harrison από την ομάδα DeepScience BIGENZ, λέει: «Πολλά από αυτά που είναι γραμμένα σαν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των δίχρονων κινητήρων έναντι των τετράχρονων, δεν είναι ακριβώς σωστά. Πάρτε για παράδειγμα το θέμα της λίπανσης στις δίχρονες μηχανές, παραδείγματος χάριν τους μικρούς κινητήρες σε αλυσοπρίονα. Μπορεί το λάδι να αναμειγνύεται με το καύσιμο πριν την καύση, αλλά αυτό δεν είναι άμεσο αποτέλεσμα του ότι ο κινητήρας είναι δίχρονος, αυτό σημαίνει ότι κάποιος σχεδίασε μία πολύ απλή μηχανή. Ρίξτε μια ματιά σε οποιοδήποτε μεγάλο Caterpillar, ή Ντιτρόιτ δίχρονο κινητήρα, όπως αυτά που έχουν τα συμβατικά πετρελαιοφόρα, ο οποίος έχει , ηλεκτρονικό σύστημα ψεκασμού και πλήρη συστήματα λίπανσης υπό πίεση και είναι δίχρονος!”.

Τι είναι λοιπόν καλύτερο;

Στο τέλος, νικητής πιθανότατα θα αποδειχθεί αυτός που έχει περισσότερα χρήματα και τεχνολογία να δαπανώνται γι’ αυτόν. Στη σημερινή εποχή της παγκοσμιοποίησης, των γρήγορων και φτηνών προγραμμάτων παραγωγής, δεν μπορείτε να το πάρετε ως δεδομένο ότι οι τετράχρονοι κινητήρες είναι καλύτεροι οι χειρότεροι. Έτσι, για να επιλέξετε ποιος από τους δύο τύπους κινητήρα είναι καλύτερος για την εφαρμογή που τον θέλετε, κάντε μία λίστα με τα χαρακτηριστικά που επιθυμείτε να έχει και επιλέξτε με βάση τι σας ταιριάζει καλύτερα και μη πάρετε μία απόφαση βασισμένη σε λίστες που χάνουν το πραγματικό νόημα της διαφοράς και της σύγκρισης ».

O Δημήτρης Μουδιώτης (dimimoud@auth.gr) είναι φοιτητής του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών στο Πολυτεχνείο του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Μετά από επικοινωνία του με το caroto.gr επιθυμεί να αναρτηθεί η κάτωθι έκθεση του που αναλύει την τεχνολογία των δίχρονων μηχανών εσωτερικής καύσης. Το θέμα είναι ανοικτό για σχολιασμό καθώς και για οποιαδήποτε επισήμανση, προσθήκη ή διόρθωση. Το caroto.gr καλωσορίζει το Δημήτρη στην κοινότητα και ενθαρρύνει αντίστοιχες προσεγγίσεις για όσους επιθυμούν την ανάρτηση άρθρου, αναφοράς, ανάλυσης κ.α.

Βιβλιογραφία
Συγγράμματα
-Κυριακής Ν., Μηχανές Εσωτερικής Καύσης, εισαγωγή στη χρήση και τη λειτουργία, Εκδόσεις σοφία, Θεσσαλονίκη2006 -Ferguson C., Kirkpatick A.,
-Μηχανές εσωτερικής καύσης, ενεργειακή συμπεριφορά, Εκδόσεις Grapholine, Φοίνικας
-Bohner M. , Gscheidle R., Keil W. ,Leyer S., Saier W., Schmidt H., Siegmayer P., Wimmer A., Zwickel H.,
-ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ 1, Μηχανές Εσωτερικής Καύσης ,3η Ελληνική Έκδοση, Ευρωπαϊκές Τεχνολογικές Εκδόσεις, Αθήνα

Διαδικτυακοί τόποι
http://www.deepscience.com/articles/engines.html http://mxin.gr/
http://www.kawasaki-bikers.gr http://www.mybike.gr http://en.wikipedia.org
http://science.howstuffworks.com http://scholar.google.com

Ετικέτες

Σχόλια

  1. Εκεί όπου έχουμε μεγάλη μάχη μεταξύ των κατασκευαστών δίχρονων και τετράχρονων κινητήρων , είναι ο κλάδος των εξωλέμβιων κινητήρων. Εκεί η EVINRUDE μόνη της ενάντια σε όλους και όλα υπερασπίζεται το “κόλλημά” της , τον δίχρονο κινητήρα.Έτσι τα καινούρια μοντέλα της E-TEC εκτός του πλεονεκτήματος του χαμηλότερου βάρους και του άμεσου “αρπάγματος” , πολύ σημαντικά στη θάλασσα, έχουν μικρότερη κατανάλωση και λιγότερους ρύπους έναντι των κύριων ανταγωνιστών ( MERCURY-YAMAHA-SUZUKI-HONDA).Βέβαια το σημαντικότερο στη θάλασσα είναι η αξιοπιστία, οπότε θα πρέπει να περιμένουμε κάποια χρόνια δοκιμασιών για εξάγουμε τα συμπεράσματά μας σε αυτόν τον τομέα.

  2. Χαίρετε, είμαι καινούργιος στο site και βρήκα πάρα πολύ ενδιαφέρον το άρθρο σχετικά με τους δίχρονους κινητήρες. Θα ήθελα να ρωτήσω αν ξέρει κάποιος τις ανωτέρω τεχνολογίες εξέλιξης που αναφέρει το άρθρο (περιστροφικές βαλβίδες εισαγωγής, έλεγχος εξαγωγής με θάλαμο συντονισμού και κύλινδρο ελέγχου κ.λ.π. ) εφαρμόζονται στον κινητήρα της vespas px150 του 2011 που βγήκε δεδομένου ότι μου αρέσει πάρα πολύ το συγκεκριμένο δίκυκλο αλλά με προβληματίζει ο δίχρονος κινητήρας του σχετικά με την βρόμα του καμένου λαδιού που έχουν συνήθως οι δίχρονοι. Επίσης οι ανωτέρω τεχνολογίες πέρα από τα οφέλη που αναφέρει εξαλείφουν αυτή την μυρουδιά του καμένου λαδιού. Οποιαδήποτε βοήθεια δεκτή. Ευχαριστώ εκ των προτέρων.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Back to top button
Close
Close