Αρχιτεκτονική Κινητήρων

Πριν την ανάλυση της αρχιτεκτονικής του κάθε κινητήρα ειναι σκόπιμο να γίνει μια μικρή αναφορά στους κραδασμούς των κινητήρων,απο την ύπαρξη των οποιων χαρακτηρίζεται ένας κινητήρας ομαλός ή τραχύς.Οι κραδασμοί οφείλονται στην κίνηση των εσωτερικα παλινδρομικά κινούμενων μερών του κινητήρα και ιδικότερα των εμβόλων και τών διωστήρων τους. Τα έμβολα με τους διωστήρες τους κινούνται παλινδρομικά και περιοδικά χωρίς να εξισοροπούνται απο την ανάλογη κίνηση άλλων μηχανικων μερων.


Στην πραγματικότητα ωστόσο ο άξονας κραδασμού δεν είναι ακριβώς κάθετος,διοτι οι διωστήρες δεν ανεβοκατεβαίνουν μόνο όπως τα εμβολα αλλα κινούνται και αριστερα-δεξια.Έτσι λοιπόν δημιουργείται κραδασμός και ώς προς τον οριζόντιο άξονα του κινητήρα.Η μάζα των διωστήρων είναι (συνήθως) μικρότερη απο αυτή των εμβόλων, άρα οι κραδασμοί στον κάθετο άξονα είναι πιο ισχυροι απο αυτούς στον οριζόντιο.


Δικύλινδροι Κινητήρες

εν σειρά


Στον κινητήρα αυτό,οι κύλινδροι είναι παρατεταγμένοι σε μια ευθεία.Τα έμβολα των κυλίνδρων αυτών βρίσκονται ακριβώς στην ίδια θέση την ίδια χρονική στιγμή.Εδω έχουμε ανάφλεξη σε κάθε περιστροφή του στροφάλου,αυτό σημαίνει χοντρικά οτι ο συνολικός κραδασμός είναι διπλάσιος του κραδασμού του μονοκύλινδρου κινητήρα.Επίσης το μεγαλύτερο ποσοστό κραδασμού εμφανίζεται στον κάθετο άξονα του κινητήρα.

Η παραπάνω αρχιτεκτονική είναι η χειρότερη σχετικά με την ομαλότητα λειτουργίας.Ωστόσο η κατασκεύη ενός τετοιου κινητηρα είναι απλή και οικονομική καθως επίσης και οι διαστάσεις του πολύ μικρές.

Δικύλινδροι

σε διάταξη V

Πολλές συγχρονες μοτοσυκλέτες κάνουν χρήση κινητήρων V2.Oι κινητήρες αυτοί ειναι δικύλινδροι,όμως σχηματίζουν οι κυλινδροί μεταξύ τους γωνία.Η γωνια διαφέρει στη σχεδιάση του κάθε κατασκευαστή.Με την αρχιτεκτονική αυτή έχουν καταφέρει να διατηρήσουν τα πλεονεκτήματα του δικύλινδρου κινητήρα, εξαλείφοντας σε μεγάλο βαθμό την τραχύτητα κα τη μη πολιτισμένη λειτουργία της εν σειρα διαταξης


επιπεδοι (Boxer) κινητήρες

όλοι οι επίπεδοι κινητήρες ανεξάρτητα απο τον αριθμό κυλίνδρων με τους οποίυς είναι εφοδιασμένοι, επιτυγχάνουν ιδανική ισσοροπία των κινούμενων μερών τους.Αυτο συμβαίνει διοτι κάθε στιγμή, η κίνηση του κάθε εμβόλου εξισορροπείται απο την κίνηση του απέναντι.Ετσι στους κινητήρες αυτούς παρατηρούμε μια απόλυτα ισσοροπημένη λειτουργία και ισσοροπία δυνάμεων η οποια επιτρέπει στον κινητήρα να λειτουργεί απροβλημάτιστα χωρις να αναγκάζει παντα τους σχεδιαστές να κατασκεύαζουν αντίβαρα και αντικραδασμικούς άξονες.Ωστόσο οι επίπεδοι κινητήρες έχουν μεγάλες διαστάσεις και είναι αρκετα δύσκολο να τοποθετηθούν σε μικρές μηχανές,καθώς επίσης έχουν αρκετα μεγαλύτερο κόστος κατασκευής.

Τρικύλινδρος εν σειρά




Στους κινητήρες αυτου του τύπου βρίσκουμε 3 κυλίνδρους παρατεταγμένους σε μια ευθεία εδω έχουμε ανάφλεξη κάθε 240 μοίρες γωνιακής περιστροφής του στροφάλου ενω η ακολουθία της ανάφλεξης είναι κύλινδρος 1 - κύλινδρος 3 - κύλινδρος 2 (1-3-2) παρατηρώντας την αρχιτεκτονική του κινητήρα αυτού,βλέπουμε πως ο στροφαλοφόρος άξονας δείχνει απολυτα ζυγισμένος.Ασχέτως δηλαδή τις θεσεις των εμβόλων,το κέντρο μάζας όλων των κινούμενων μερών παραμένει στο ίδιο σημείο.Συνεπώς δεν έχουμε εμφάνιση κραδασμών.Τα παραπάνω ισχύουν σε ένα βαθμο αλλα όχι απολύτα.αυτο διοτι ο στροφαλοφόρος άξονας δεν είναι σημείο,αλλα έχει μηκος και μαλιστα σημαντικο.Επίσης οι διωστήρες και τα έμβολα είναι συνδεδεμένα με τον στροφαλο στα άκρα και οχι στο κέντρο αυτου ,αρα οι δυνάμεις που ασκούν στα 3 σημεία συνδεσής τους με τον στροφαλοφόρο δημιουργούν παλινδρομική κίνηση.Στους κινητήρες αυτου του τυπου δεν εμφανίζονται κραδασμοί και αναπηδήσεις στον κάθετο άξονα του κινητήρα αλλα δονήσεις των άκρων ως προς το κέντρο σημμετρίας του κινητήρα που είναι περίπου στο μέσο του στροφάλου.

Για την εξάλειψη του παραπάνω φαινομένου αλλα και γενικότερα των κραδασμών κάθε είδους, οι σχεδιαστές κινητήρων επινόησαν τους αντικραδασμικούς άξονες. Οι αξονες αυτοι τοποθετούνται σε συγκεκριμένες θέσεις παράλληλα με τον στροφαλοφόρο άξονα και είναι εφοδιασμένοι με αντίβαρα.Τα αντίβαρα είναι τοποθετημένα σε αντιστοιχία με την τοποθέτηση διωστήρων και των εμβόλων τον στροφαλο. Οι αντικραδασμικοι λοιπόν παίρνουν κίνηση απο τον στροφαλο και κινούνται με τέτοιο τρόπο ωστε τα αντιβαρά τους να κινούνται αντιδιαμετρικά μετα παλινδρομούντα μέρη του στροφάλου.Με αυτον τον τρόπο "μηδενίζονται" σχεδόν οι κραδασμοί.

Ωστόσο για να κινηθεί ο ένας ή οι περισσότεροι αντικραδασμικοί άξονες απαιτείται κατανάλωση μέρους της ισχύος που δημιουργεί ο κινητήρας.Συνεπώς οσο πιο ομαλή η λειτουργία του κινητήρα τόσο ελαφρύτεροι και λιγότεροι αντικραδασμικοί άξονες χρειάζονται.

Tετρακύλινδρος εν σειρά




Ο τετρακύλινδρος εν σειρά είναι ένας απο τους πιο διαδεδομένους κινητήρες στην βιομηχανία των μοτοσυκλετών.Οι κύλινδροι των κινητήρων αυτής της κατηγορίας παρατάσσονται σε σειρά κατα μήκος του στροφάλου.Επίσης έχει προαναφερθεί κάθε μιση περιστροφή του στροφάλου συμβαίνει και μια ανάφλεξη σερ έναν απο τους κύλινδρους του κινητήρα.Αρα 2 απο τα 4 έμβολα βρίσκονται στην ίδια θέση την ίδια στιγμή και κινούνται στην ίδια κατευθυνση ενω τα αλλα 2 δημιουργούν επίσης ζευγάρι.Ξια να αποφύγουν την παλινδρομική κίνηση απο άκρο σε άκρο του στροφάλου (οπως στον 3κύλινδρο κινητήρα).Ηδιαταξη αυτή είναι απολυτα συμμετρική και για να επιτευχθεί τα έμβολα 1 και 4 δημιούργησαν ένα ζεύγος και άλλο ζεύγος τα 2 και 3.Με αυτόν τον τρόπο η κίνηση του εμβόλου 1 εξισσοροπείται απο τησυμμετρική κίνηση του έμβολου 4.Ομοίως και για τα 2 και 3



Με την παραπάνω διάταξη έχουμε πρακτικά εξάλειψη της παλιδρόμησης των άκρων του κινητήρα.Ομως παραμένει το πρόβλημα των κραδασμών στον κάθετο άξονα.Εκπρώτης όψεως φαίνεται οτι η κίνηση του εμβόλου 1 στον κάθετο άξονα εξισσοροπείται απο την κίνηση του εμβόλου 2,ωστόσο αυτο δεν ισχύει απολύτα.Στην πραγματηκότητα οπως φαίνεται στα παρακάτω σχήματα η διάταξη των περιστρεφόμενων και παλιδρομούμενων μαζών δεν είναι τελείως συμμετρική ως προς τον άξονα περιστροφής του στροφάλου (σε αντίθεση με τον boxer που είναι).Αυτο έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνηση κραδασμών,οι οποίο μάλιστα εντείνονται οσο μεγαλώνει ο ρυθμός περιστροφής και η χωρητικότητα των κινητήρων







όπως φαίνεται στα παραπάνω σχήματα,στον επίπεδο κινητήρα τα ζευγη των εμβόλων βρίσκονται πάντα σε αντίθετες θέσεις,κατευθύνσεις και με αντίθετες ταχύτητες,συνεπώς όλλες οι δυναμεις αλληλοεξουδετερώνονται (θεωριτικά).Δεν συμβαίνει βέβαια το ίδιο στον εν σειρά λόγω της μικρής διαφοράς που εμφανίζουν στην παλινδρόμηση.



τελικά το ερώτημα που προκείπτει απο τα παραπάνω είναι: Γιατι οι κατασκευαστές επιμένουν στο σχεδιασμοκαι χρήση τετρακύλινδρων σήμερα;
Η απάντηση είναια απλή τα πλεονεκτήματα αυτου του κινητήρα είναι τόσα πολλα που είναι προτημότερο να επιλύει το πρόβλημα των κραδασμών με διαφορές τεχνικές παρα να αλλαχτεί όλη η φιλοσοφία κατασκεύης κινητήρων,ο 4κύλινδρος εν σειρά είναι ιδιαίτερα συμπαγής στη κατασκευή του,αρκετα εύκολος στην παραγωγή σε μαζικο επίπεδο και η συμμετρική φιλοσοφία κατασκεύης του επιτρέπει την λειτουργία του σε μεγάλο αριθμό στροφών με οτι αυτο συνεπάγεται.

πηγές:
1.Richard van Basshuysen, Fred Schäfer
Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven
2. John Heywood internal combustion engine Funtamentals
3.Wikipedia.com