Λειτουργία-Τυποι Πετρελαιοκινητήρων

H λειτουργία ενός τετράχρονου diesel

• 1η φάση-εισαγωγής: Το έμβολο ακολουθεί καθοδική πορεία δημιουργώντας υποπίεση. Όση ώρα η βαλβίδα εισαγωγής παραμένει ανοικτή ο θάλαμος καύσης γεμίζει με ατμοσφαιρικό αέρα που μπορεί να περιέχει και καυσαέρια αν υπάρχει σύστημα επανακυκλοφορίας.

• 2η φάση-συμπίεσης: Την στιγμή που όλες οι βαλβίδες κλείνουν, το πιστόνι κινείται προς τα πάνω μέχρι να φτάσει στο άνω νεκρό σημείο. Η αυξημένη συμπίεση (25-55bar) προκαλεί την αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα (600-900⁰C) η οποία είναι σχεδόν η διπλάσια από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης του καυσίμου.

• 3η φάση-ανάφλεξη & εκτόνωση: Προς το τέλος του χρόνου συμπίεσης πραγματοποιούνται οι ψεκασμοί του καυσίμου στην μορφή ατμών οι οποίοι αναμειγνύονται με το θερμό αέρα. Τότε αυτοαναφλέγονται σε πύρινο περιβάλλον που φτάνει τους 2.500 C και σε πίεση μπορεί να αγγίξει και τα 100bar. Από τη στιγμή που θα ψεκαστεί το καύσιμο, μέχρι την ανάφλεξη του, υπάρχει καθυστέρηση της αυτανάφλεξης που διαρκεί 0,5-2 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Για αυτό στα πρόσφατα συστήματα πραγματοποιείται από πριν ένας μικροψεκασμός που μειώνει και το χαρακτηριστικό κροτάλισμα των κινητήρων diesel.

• 4η φάση-εξαγωγή: Όταν η φάση εκτόνωσης πλησιάζει στην ολοκλήρωση της και αφού το πιστόνι έχει αρχίσει να ξανανεβαίνει ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής ώστε να βγουν τα καυσαέρια. Η πίεση μειώνεται απότομα στα 3-4bar και προοδευτικά αγγίζει την ατμοσφαιρική και η βαλβίδα εξαγωγής κλείνει με ένα μικρό βαθμό επικάλυψης με τις εισαγωγής (συνήθως 20 μοίρες).

Τύποι πετρελαιοκινητήρων

Οι κινητήρες diesel χωρίζονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες, με βάσητον τρόπο που πραγματοποιείται ο ψεκασμός και η καύση:

Σε αυτούς με προθάλαμο καύσης ή θάλαμο στροβιλισμού και σε εκείνους με άμεσο ψεκασμό, με αποκορύφωμα τα συστήματα common rail. Στην πρώτη περίπτωση το πετρέλαιο ψεκάζεται στο προθάλαμο καύσης αναμειγμένο με συμπιεσμένο αέρα. Από εκεί, ξεκινά η ανάφλεξη η οποία μετέπειτα μεταβιβάζεται στο κυρίως θάλαμο καύσης. Βασικό τους μειονέκτημα είναι η δυσκολία στην ψυχρή εκκίνηση όπου απαιτείται προθερμαντήρας. Από την άλλη, οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού εμφανίζουν τον υψηλότερο βαθμό απόδοσης, την μικρότερη καθυστέρηση στην καύση, καλύτερη ποιότητα, χαμηλότερη κατανάλωση και μεγαλύτερη ευκολία στην ψυχρή εκκίνηση.

Χάρη στην εξέλιξη των ηλεκτρονικών συστημάτων κατασκευάστηκαν αρχικά ηλεκτρονικά ελεγχόμενα συστήματα όπως οι ανεξάρτητες ελεγχόμενες μονάδες ψεκασμού (EUI, Electronic Unit Injector) και αργότερα το σύστημα κοινής τροφοδοσίας (common rail). Το τελευταίο αποτελεί διαφορετική εκδοχή του πρώτου καθώς η αντλία είναι ενσωματωμένη μαζί με το μπεκ τα οποία ελέγχονται από τον εγκέφαλο του μοτέρ.

Συγκεντρωτικά, χάρη σε αυτά τα συστήματα, η πίεση που το καύσιμο ψεκάζεται στο θάλαμο καύσης αγγίζει με τα σημερινά δεδομένα έως και τα 2.000bar. Γιατί όμως απαιτείται τόσο μεγάλη τιμή; Η βέλτιστη διασπορά των σταγονιδίων καυσίμου στο θάλαμο επηρεάζει άμεσα την ποιότητα καύσης η οποία προσφέρει όχι μόνο καλύτερη απόδοση αλλά μειωμένους ρύπους και λιγότερα άκαυστα σωματίδια.

Common Rail

Μια κλασική διάταξη common rail αποτελείται από τρία βασικά κυκλώματα. Αυτό της χαμηλής πίεσης, περιλαμβάνει τη γραναζωτή αντλία του καυσίμου από το ρεζερβουάρ, το φίλτρο συν το ψύκτη καυσίμου καθώς και τις σωληνώσεις χαμηλής πίεσης. Η συνήθως ηλεκτρονικά ελεγχόμενη εμβολοφόρα αντλία, ο διακλαδωτής rail και τα μπεκ συγκαταλέγονται στο κύκλωμα υψηλής πίεσης. Το ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου απαρτίζεται από την ηλεκτρονική μονάδα του κινητήρα (ECU), ένα σύνολο αισθητήρων, τις ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες και τον αισθητήρα πίεσης στο διακλαδωτή rail.

Για να δούμε, πως συνεργάζονται όλα αυτά τα εξαρτήματα μεταξύ τους. Η αντλία χαμηλής πίεσης (5-10bar) ρουφά το καύσιμο από το ρεζερβουάρ το οποίο όμως περνά πρώτα από ένα φίλτρο που αποτελείται από πορώδες υλικό (χαρτί, μέταλλο ή κεραμικό) με διαπερατότητα 3-6μm. Αξίζει να σημειωθεί πως τo φίλτρο αυτό μαζί με τις υδατοπαγίδες συγκρατούν την υγρασία που υπάρχει στο πετρέλαιο και μπορεί να καταλήξει στη καταστροφή πανάκριβων εξαρτημάτων, όπως είναι οι αυτολιπαινόμενες αντλίες (το κόστος των οποίων κυμαίνεται συνήθως από 1.000-3.500 ευρώ).

Εν συνεχεία, η γραναζωτή αντλία στέλνει το καθαρισμένο πετρέλαιο στο κύκλωμα υψηλής πίεσης, με σταθερή παροχή (περίπου 100-200 λίτρα/ώρα). Σε μερικές περιπτώσεις υπάρχει ηλεκτρική αντλία που στέλνει το καύσιμο από το μοτέρ χωρίς να γίνεται αναρρόφηση από την γραναζωτή. Επειδή η ποσότητα του πετρελαίου είναι αρκετές φορές μεγαλύτερη από όσο απαιτείται το πλεονάζον επιστρέφει από μια βαλβίδα τύπου by pass στο ρεζερβουάρ την στιγμή που μια δεύτερη διατηρεί σταθερή την εσωτερική πίεση (στη ίδια την αντλία) ανεξάρτητα από τις στροφές της.

Κατόπιν, η αντλία, παλινδρομικού ή περιστρεφόμενου εμβόλου, διανέμει το καύσιμο, προς το κάθε κύλινδρο, μέσα από ξεχωριστά rail. O αριθμός των παλινδρομήσεων που πραγματοποιεί το έμβολο της αντλίας, κατά τη διάρκεια μιας ολόκληρης περιστροφής του άξονα του, ισούται με τον αριθμό των κυλίνδρων του κινητήρα. Σε μεγαλύτερη ποσότητα το καύσιμο προωθείται από εκεί προς το διακλαδωτή rail στον οποίο -θεωρητικά- επικρατούν σταθερές συνθήκες πίεσης λόγω του όγκου του καυσίμου που υπάρχει στο κύκλωμα.

Η πίεση ρυθμίζεται ηλεκτρονικά από την ECU, μέσω του αισθητήρα πίεσης, και συνήθως κυμαίνεται από 400 έως 1.600bar, ανάλογα με το φορτίο και τις στροφές του μοτέρ. Η έναρξη του ψεκασμού καθορίζεται επίσης από την ECU που ενεργοποιεί τις ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες. Όπως είναι κατανοητό η ποσότητα του καυσίμου που θα ψεκαστεί στο θάλαμο καύσης καθορίζεται από τη χρονική διάρκεια όπου το μπεκ θα παραμείνει ανοιχτό. Το σύστημα common rail προσφέρει μεγάλα πλεονεκτήματα όπως η δυνατότητα υψηλών πιέσεων ψεκασμού, η μεταβαλλόμενη πίεση ψεκασμού ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας του μοτέρ και η ευκολία τοποθέτησης του όλου συστήματος.

Μπεκ ψεκασμού

Η λειτουργία του common rail θα ήταν αδύνατη αν δεν υπήρχε εξέλιξη στους εγχυτήρες, τα ευρέως γνωστά μπεκ. Μια τυπική διάταξη αποτελείται από μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα της οποίας το εσωτερικό πηνίο τροφοδοτείται με ηλεκτρικό ρεύμα που διαχειρίζεται η ηλεκτρονική μονάδα του κινητήρα. Το πηνίο αυτό είναι έμμεσα συνδεδεμένο με το ελατήριο που ελέγχει το άνοιγμα ή το κλείσιμο της βελόνας (ακροφύσιο) που ψεκάζει το καύσιμο στο εσωτερικό του κυλίνδρου.

Το πηνίο και η βαλβίδα είναι η καρδιά του εγχυτήρα και ελέγχουν με απόλυτη ακρίβεια το καύσιμο που θα περάσει από το μύτη της βελόνας της οποίας το άνοιγμα κυμαίνεται στα περίπου στα 1,5-3 μm (χιλιοστά του χιλιοστού!). Πρακτικά η μεγαλύτερη πρόκληση που αντιμετωπίζουν οι μηχανικοί έχει να κάνει με το πότε και το πόσο θα παραμείνει ανοιχτή η μύτη της βελόνας του μπεκ, διαδικασία η οποία συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 150-800μsec. Το καύσιμο φτάνει στα μπεκ μέσα από τις σωληνώσεις υπό πίεση περίπου 1..400-1.800bar.

Στα πρώτης γενιάς common rail, μια ηλεκτρονικά ελεγχόμενη βαλβίδα σήκωνε τη βελόνα και έτσι περνούσε το καύσιμο. Στα νέα συστήματα ο ψεκασμός εξαρτάται από την διαφορά πίεσης ανάμεσα στη  βαλβίδα και το ακροφύσιο. Στο εσωτερικό του μπεκ υπάρχει εξισορρόπηση της πίεσης μέχρι η ECU να στείλει ηλεκτρικό ρεύμα και να υπάρξει υποπίεση και να σηκωθεί η βελόνα επιτρέποντας το ψεκασμό του καυσίμου. Όταν ο εγκέφαλος διακόψει τη ηλεκτρική διέγερση η βαλβίδα κλείνει και η πίεση αυξάνεται ξανά, πάνω από την βελόνα. Η πίεση εξισορροπείται και η βαλβίδα κατεβαίνει για ακόμα μια φορά ολοκληρώνοντας το ψεκασμό. Στα προηγούμενης τεχνολογίας μπεκ η βαλβίδα ανοίγει όταν η πίεση ξεπεράσει κάποια τιμή χωρίς να προσφέρουν καλύτερη διασπορά του καυσίμου.

Αναφορικά με το σύστημα ψεκασμού η κάθε αυτοκινητοβιομηχανία διαθέτει διαφορετική διαχείριση. Τα μπεκ αποτελούν ιδιαίτερα ευαίσθητες κατασκευές που με τον καιρό μπορεί να αποσυντονισθούν από την σωστή τους λειτουργία. Για να αποφευχθεί το συγκεκριμένο φαινόμενο, το οποίο επηρεάζει άμεσα την ποιότητα της καύσης, τα μπεκ διαθέτουν barcode. Όταν εγκαθίστανται στο σύστημα ψεκασμού του πετρελαιοκινητήρα, το κάθε μπεκ φακελώνεται ξεχωριστά στην μνήμη του εγκέφαλου του μοτέρ (ECU). Έτσι, η ECU μπορεί να γνωρίζει ανά πάσα στιγμή τη συμπεριφορά κάθε μπεκ και να ρυθμίζει με ακρίβεια την ποσότητα του καυσίμου που ψεκάζεται από αυτό στο θάλαμο. Πολύ μεγάλης σημασίας στους diesel έχει ο αισθητήρας που αντιλαμβάνεται τους κραδασμούς του μπλοκ (knock sensor) ο οποίος έμμεσα μειώνει το παραγόμενο θόρυβο.

Tip: Χρησιμοποιηστε το Power Service Diesel Kleen+Cetane Boost σε κάθε γέμισμα για τον καθαρισμό των μπεκ εσωτερικά και εξωτερικά, καθώς και την διατήρηση άψογης λειτουργίας του συστήματος τροφοδοσίας του πετρελαιοκινητήρα σας.