Πώς λειτουργεί ο τετράχρονος κινητήρας: οδηγός κύκλου καύσης

Ο τετράχρονος κινητήρας αποτελεί τον πυρήνα της συντριπτικής πλειονότητας των σύγχρονων οχημάτων. Είναι ένα ευφυές σύστημα που μετατρέπει την χημική ενέργεια του καυσίμου σε μηχανική ενέργεια μέσω τεσσάρων φάσεων. Αυτός ο κύκλος, γνωστός και ως κύκλος Otto για κινητήρες βενζίνης ή κύκλος Diesel για κινητήρες ντίζελ, επαναλαμβάνεται διαρκώς για να παράγει την ισχύ που χρειάζεται το όχημα να κινηθεί.

Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες: κινητήρες με ανάφλεξη μέσω συμπίεσης (ντίζελ) και κινητήρες με ανάφλεξη μέσω σπινθήρα (βενζίνη). Και οι δύο χρησιμοποιούν το ίδιο βασικό στυλ τεσσάρων φάσεων, με διαφορές στον τρόπο ανάφλεξης του μείγματος αέρα-καυσίμου.

Δομή και βασικά εξαρτήματα

• Έμβολο: κινητό στοιχείο που κινείται μέσα στον κύλινδρο
• Κύλινδρος: ο χώρος όπου διεξάγεται η διαδικασία καύσης
• Βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής: ελέγχουν την είσοδο και έξοδο των ρευστών
• Στροφαλοφόρος άξονας: μετατρέπει την γραμμική κίνηση του εμβόλου σε περιστροφική κίνηση
• Μπουζί (στην βενζίνη) ή εγχυτήρας καυσίμου (στη ντίζελ): εξασφαλίζει ανάφλεξη ή έγχυση καυσίμου

Κύκλος 1: Εισαγωγή - εισαγωγή του μίγματος

Ο έμβολος κινείται προς τα κάτω, προς τον στροφαλοφόρο άξονα, δημιουργώντας ένα μερικό κενό στον κύλινδρο που επιτρέπει την εισαγωγή του μίγματος καύσιμου-αέρα. Σε αυτή τη φάση:

• Οι βαλβίδες εισαγωγής είναι πλήρως ανοιχτές
• Οι βαλβίδες εξαγωγής παραμένουν ερμητικά κλειστές
• Στους βενζινοκινητήρες, το μείγμα καύσιμου-αέρος προετοιμάζεται εκ των προτέρων
• Στους ντίζελ κινητήρες, εισέρχεται μόνο καθαρός αέρα

Η απόδοση αυτής της φάσης επηρεάζει άμεσα την ισχύ του κινητήρα. Μια ελαττωματική εισαγωγή μπορεί να μειώσει σημαντικά την απόδοση.

Κύκλος 2: Συμπίεση - προετοιμασία για καύση

Σε αυτή τη φάση, τόσο η εξαγωγή όσο και η εισαγωγή είναι κλειστά, δημιουργώντας έναν πλήρως ερμητικά σφραγμένο χώρο. Ο έμβολος αρχίζει να ανεβαίνει στον κύλινδρο, συμπιέζοντας το μείγμα σε ένα πολύ μικρότερο όγκο αρχικού.

Παράμετροι σημαντικοί για την συμπίεση:

• Λόγος συμπίεσης: κυμαίνεται από 8:1-12:1 στα βενζινοκίνητα και 14:1-23:1 στα ντίζελ
• Άνοδος θερμοκρασίας: ο αέρας θερμαίνεται από την συμπίεση σε 300-500°C
• Συμπίεση πίεσης: αυξάνεται σε 12-20 bar για βενζίνη και 30-55 bar για ντίζελ

Στα ντίζελ κινητήρες, η υψηλή θερμοκρασία που δημιουργείται από τη σφιχτή συμπίεση αρκεί για την αυτοανάφλεξη του καυσίμου όταν εγχέεται στη φάση που ακολουθεί.

Κύκλος 3: Καύση και διαστολή - παραγωγή ισχύος

Αυτό το σημείο είναι όπου η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια. Το μείγμα καυσίμου στο εσωτερικό του κυλίνδρου ανάβει:

• Στην βενζίνη: μέσω ανάφλεξης που προκαλεί το μπουζί
• Στα ντίζελ: μέσω αυτοανάφλεξης λόγω της υψηλής θερμοκρασίας από τη συμπίεση

Παράμετροι καύσης:

• Πίεση: φτάνει τα 30-40 bar στη βενζίνη και μέχρι 150 bar στα ντίζελ
• Θερμοκρασία: ξεπερνά τους 2200°C, φτάνοντας πιθανώς και τους 2500°C
• Διάρκεια: η πλήρης καύση διαρκεί μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου

Χάρη σε αυτή τη τεράστια πίεση, το έμβολο ωθείται προς τα κάτω, μεταφέροντας τις δυνάμεις της καύσης μέσω του στροφαλοφόρου άξονα.

Κύκλος 4: Εξαγωγή - απομάκρυνση των καυσαερίων

Στο τελικό στάδιο, η βαλβίδα εισαγωγής παραμένει κλειστή, ενώ η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει για να απομακρύνει τα καυσαέρια από την καύση.

Αναλυτικές τεχνικές λεπτομέρειες:

• Η εξαγωγική βαλβίδα ανοίγει πριν το έμβολο φτάσει στο κάτω νεκρό σημείο
• Αυτή η πρώιμη άνοιξη εξασφαλίζει την βέλτιστη απομάκρυνση των καυσαερίων
• Τα καυσαέρια έχουν θερμοκρασίες 400-900°C
• Η πίεση εξαγωγής κυμαίνεται μεταξύ 1,2-1,8 bar

Συντονισμός και επανάληψη του κύκλου

Οι τέσσερις χρονικές φάσεις εκτελούνται κατά δύο πλήρεις στροφές του στροφαλοφόρου άξονα (720°). Ο τέλειος συντονισμός εξασφαλίζεται από:

• Άξονας εκκεντροφόρων: ελέγχει το άνοιγμα και κλείσιμο των βαλβίδων
• Σύστημα διανομής: ιμάντας ή αλυσίδα διανομής
• Βολάν: διατηρεί την αδράνεια μεταξύ κύκλων

Σε έναν κινητήρα που λειτουργεί στους 3000 rpm, αυτός ο κύκλος επαναλαμβάνεται 1500 φορές ανά λεπτό ανά κύλινδρο, αποδεικνύοντας την ακρίβεια που απαιτείται για τη σωστή λειτουργία.

Αποδοτικότητα και σύγχρονες βελτιστοποιήσεις

Οι σύγχρονοι τετράχ towers κινητήρες επωφελούνται από πολλές βελτιώσεις:

• Άμεση έγχυση καυσίμου: βελτιώνει την απόδοση καύσης
• Τουρμποπρέσιμα: αυξάνει την ισχύ με την αύξηση της πυκνότητας αέρα
• Μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων: βελτιστοποιεί το άνοιγμα των βαλβίδων ανά λειτουργία
• Συστήματα ανάκυκλώσεις καυσαερίων (EGR): μειώνουν τις εκπομπές ρύπων

Η κατανόηση αυτών των τεσσάρων θεμελιωδών φάσεων του τετράχρονου κύκλου καύσης δίνει μια ισχυρή βάση για την κατανόηση οποιουδήποτε κινητήρα εσωτερικής καύσης, τόσο για τους ενθουσιώδες αυτοκινήτου όσο και για όσους επιθυμούν να κατανοήσουν βαθύτερα το όχημά τους.