29-6-2020
Τώρα που η χρήση των αερομοντελιστικών μηχανών βενζίνης -δίχρονων και τετράχρονων- έχει αρχίσει να γενικεύεται στα μοντέλλα μας, δε θα ήταν κακό να έχουμε μερικές παραπάνω γνώσεις για τη λειτουργία του βενζινοκίνητου κινητήρα μας. Έτσι θα εξασφαλίσουμε την απρόσκοπτη λειτουργία του για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Η αυτανάφλεξη ("πειράκια") και η προανάφλεξη είναι δυο διαφορετικά φαινόμενα στις μηχανές εσωτερικής καύσεως και δεν πρέπει να τα συγχέουμε μεταξύ τους. Και τα δυο έχουν δυσάρεστες (έως καταστροφικές) συνέπειες για τον κινητήρα.
Ας δούμε όμως πρώτα την κανονική λειτουργία της μηχανής. Καθώς το έμβολο στη φάση της συμπίεσης ανέρχεται προς το Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) και μερικές μοίρες πριν από αυτό, περίπου 20 μοίρες (είναι το λεγόμενο "avance" της μηχανής) το μπουζί δίνει τον σπινθήρα και το μείγμα αέρος/καυσίμου ύλης αναφλέγεται. Δεν πρόκειται για έκρηξη (όπως συχνά λέμε από συνήθεια στα μοντελοδρόμια: "δεν κάνει καθόλου έκρηξη η μηχανή") αλλά για μια ομαλή και κανονική διαδικασία καύσης. Ίσως πολύ γρήγορη, αλλά πάντως όχι έκρηξη.
Θα μπορούσαμε να φανταστούμε την κανονική λειτουργία της καύσεως σαν ένα μπαλόνι που φουσκώνει. Αρχίζει να φουσκώνει από τον λαιμό όπου εισέρχεται ο αέρας -στην περίπτωση μας είναι το μπουζί- και επεκτείνεται κανονικά προς τις 3 διαστάσεις του χώρου. Το κέλυφος του μπαλονιού είναι το μέτωπο της φλόγας.
 |
| Σε αυτή την ωραία φωτογραφία φαίνεται η κανονική καύση του μείγματος, μετά τον σπινθήρα του μπουζί. Αριστερά διακρίνεται το μπεκ του injection. Πρόκειται για κινητήρα direct injection |
Αυτό βέβαια μόνο θεωρητικά, καθώς στην πράξη το μέτωπο της φλόγας έχει "δάχτυλα" φλόγας και τυρβώσεις, κάτι που είναι τελικά επιθυμητό στη λειτουργία της μηχανής, αλλά η ανάλυση του εκφεύγει των ορίων αυτής της παρουσίασης.
Αυτανάφλεξη ("πειράκια"):
Η αυτανάφλεξη συμβαίνει πάντα μετά τον σπινθήρα του μπουζί. Σε κάποιο πιο απομακρυσμένο σημείο του κυλίνδρου, εκεί που δεν έχει φτάσει ακόμα το μέτωπο της φλόγας της κανονικής καύσης, μια ποσότητα μείγματος αναφλέγεται ξαφνικά λόγω της αυξημένης (από την κανονική καύση) πίεσης και θερμοκρασίας , αλλά και κάποιου υπέρθερμου υλικού που βρίσκεται τοπικά, π.χ. μια υπερθερμασμένη βαλβίδα εξόδου ή κάποιο σωματίδιο άνθρακα. Η αυτανάφλεξη είναι πολύ ξαφνική και βίαιη και στην περίπτωση αυτή θα μπορούσαμε ίσως να μιλήσουμε για έκρηξη.
 |
| Πολύ ωραία αναπαράσταση της αυτανάφλεξης: στους πράσινους κύκλους φαίνεται το μέτωπο της φλόγας που δημιουργήθηκε από τον σπινθήρα του μπουζί. Δεξιά, στον μπλε κύκλο, φαίνεται η αυτανάφλεξη. Δημιουργήθηκε δεξιά από την βαλβίδα εξόδου, ένα υπέρθερμο σημείο του κυλίνδρου. Μπορεί να έχουμε αυτανάφλεξη σε περισσότερα σημεία μέσα στον κύλινδρο |
 |
| Ένα ακόμη σχήμα στο οποίο απεικονίζεται η κανονική καύση (αριστερά) και η αυτανάφλεξη (δεξιά). Βλέπουμε δεξιά, ότι υπάρχουν δυο εστίες αυτανάφλεξης |
Η αυτανάφλεξη προκαλεί μια ξαφνική, απότομη αύξηση της πιέσεως μέσα στον κύλινδρο, έναν παλμό υψηλής πιέσεως, που κάνει τα μηχανικά μέρη να συντονίζονται και να δονούνται παράγοντας έναν μεταλλικό ήχο ή έναν ήχο σαν να χτυπάει μέταλλο σε γυαλί, που είναι και ο χαρακτηριστικός ήχος της αυτανάφλεξης, αυτό που ονομάζουμε "πειράκια". Ανάλογα αυξάνεται πολύ και η θερμοκρασία.
 |
| Οι καμπύλες της πίεσης μέσα στον κύλινδρο, σε κανονική καύση και με αυτανάφλεξη. Στην καμπύλη της αυτανάφλεξης μπορείτε να δείτε κάποιες μικρές επιμέρους αιχμές. Είναι αυτές που προκαλούν τον χαρακτηριστικό μεταλλικό ήχο. Η πίεση στο διάγραμμα είναι σε psi. Ένα bar ισούται με 14,5 psi |
Η αύξηση όμως της θερμοκρασίας θα προκαλέσει στον επόμενο κύκλο εντονότερη αυτανάφλεξη κ.ο.κ., το φαινόμενο είναι σαν χιονοστιβάδα.
Μια μηχανή μπορεί γενικά να αντέξει για μεγάλο χρονικό διάστημα κάποια ήπια αυτανάφλεξη, θα θυμάστε τον χαρακτηριστικό ήχο κάποιων παλιών αυτοκινήτων.
Ωστόσο τα αποτελέσματα της αυτανάφλεξης στον κινητήρα, μακροπρόθεσμα είναι σοβαρά. Κατ αρχήν πέφτει η απόδοση της μηχανής, καθώς η καύση δεν γίνεται πλέον με ένα προγραμματισμένο και ομαλό τρόπο. Για να έχει την καλύτερη απόδοση ένας κινητήρας, έχει βρεθεί ότι το (χρονικό) σημείο LPP (μέγιστης πίεσης) είναι 14 μοίρες μετά το Άνω Νεκρό Σημείο. Τότε γίνεται η μέγιστη μεταφορά έργου, συνθήκη όμως η οποία παύει να ισχύει όταν έχουμε αυτανάφλεξη.
Πέραν τούτου όμως, από τον υψηλό παλμό της πίεσης μέσα στον κύλινδρο λόγω της αυτανάφλεξης, προκαλούνται σοβαρές φθορές στα μηχανικά μέρη. Η άνω επιφάνεια του πιστονιού (η "κορώνα") γεμίζει λακουβίτσες, σαν να έχει πυροβοληθεί με σκάγια! Το πιστόνι -ειδικά στην περιφέρεια του- μοιάζει σαν να έχει υποστεί αμμοβολή.
 |
| Αυτανάφλεξη: Η κορώνα του πιστονιού μοιάζει σαν να έχει πυροβοληθεί με σκάγια! |
 |
| Αυτανάφλεξη: Εδώ η κορώνα έχει όπως και στην προηγούμενη εικόνα μικρές λακουβίτσες, αλλά και η περιφέρεια μοιάζει σαν να έχει υποστεί αμμοβολή. Αυτή η εικόνα είναι από πιστόνι δίχρονου κινητήρα βενζίνης |
Λόγω του παλμού της υψηλής πίεσης τη στιγμή της αυτανάφλεξης, συχνά έχουμε σπασμένα ελατήρια ή έδρες ελατηρίων. Από την υψηλή θερμοκρασία διαστέλλεται υπερβολικά το πιστόνι και ακουμπάει στο χιτώνιο, με αποτέλεσμα εκδορές (γρατζουνιές) τόσο στο πιστόνι, όσο και στο χιτώνιο.
 |
| Αυτανάφλεξη: Σπασμένα ελατήρια και έδρες ελατηρίων |
 |
| Αυτανάφλεξη: Αυτό το πιστόνι έχει γεμίσει εκδορές (γρατζουνιές) λόγω της αυτανάφλεξης. Εξ αιτίας της υπερβολικής θερμοκρασίας που αναπτύχθηκε, το πιστόνι διεστάλη υπερβολικά και ακούμπησε στα τοιχώματα του χιτωνίου. Ανάλογες είναι οι εκδορές και στο χιτώνιο |
Πολλά μπορούν να είναι τα αίτια που προκαλούν την αυτανάφλεξη:
- Κακός σχεδιασμός του θαλάμου καύσεως που ευνοεί σημειακές υπερ-θερμοκρασίες
- Καύσιμο με λίγα οκτάνια (θα μιλήσουμε γι αυτά σε ένα μελλοντικό άρθρο)
- Λάθος ρύθμιση του "avance", πολύ "πρώϊμο" avance. Αν το avance ρυθμιστεί πολύ πριν το Α.Ν.Σ. η θερμοκρασία και η πίεση αυξάνονται νωρίς, πράγμα που ευνοεί την αυτανάφλεξη. Μείωση της γωνίας του avance μειώνει την πιθανότητα αυτανάφλεξης, πέφτει όμως η απόδοση της μηχανής.
Προανάφλεξη:
Η προανάφλεξη είναι η ανάφλεξη του μείγματος αέρος/καυσίμου πριν τον σπινθήρα του μπουζί.
Για να συμβεί η προανάφλεξη πρέπει να υπάρχει κάποιο ήδη πυρωμένο σημείο μέσα στον κύλινδρο, συνήθως η ακίδα του μπουζί. Όμως μπορεί να είναι και κάποιο σημείο στην βαλβίδα εξόδου ή ακόμη και κάποιο σωματίδιο άνθρακα.
Οι δυνάμεις -και η θερμοκρασία- που ασκούνται σε αυτή την περίπτωση στο πιστόνι είναι τεράστιες και δεν έχουν καμία σχέση με αυτές στην αυτανάφλεξη. Αυτό είναι εύκολο να το καταλάβουμε, εάν φανταστούμε το πιστόνι που προσπαθεί να κινηθεί προς τα επάνω, είτε λόγω της ορμής που έχει αποκτήσει από την έλικα της μηχανής μας, είτε -πολύ περισσότερο- από την κίνηση των υπόλοιπων πιστονιών, εάν η μηχανή είναι πολυκύλινδρη.
Έχουμε λοιπόν ένα πιστόνι που ανεβαίνει προς τα επάνω και ένα μείγμα που έχει αναφλεγεί, εκτείνεται και προσπαθεί να κινήσει το έμβολο προς τα κάτω!
Είναι λοιπόν δυο συγκρουόμενες δυνάμεις! Η πίεση που αναπτύσσεται καθώς το έμβολο προσπαθεί να συμπιέσει ένα ήδη εκτεινόμενο αέριο είναι τεράστια, όπως και η θερμοκρασία, γιατί στην θερμότητα που παράγεται από την καύση του μείγματος προστίθεται και αυτή που παράγεται από την συμπίεση του μείγματος (όταν ένα αέριο συμπιέζεται, θερμαίνεται)!
 |
| Στο διάγραμμα φαίνεται συγκριτικά η πίεση κατά την κανονική καύση και αυτή στην προανάφλεξη. Όπως μπορούμε να δούμε, η πίεση που αναπτύσσεται είναι τεράστια. Σημειώστε ότι σε αυτό το διάγραμμα η πίεση είναι σε bar |
Αν συγκρίνετε την πίεση της προανάφλεξης με αυτήν της αυτανάφλεξης θα δείτε ότι είναι σχεδόν διπλάσια. Η σύγκριση θα γίνει με το προηγούμενο διάγραμμα της αυτανάφλεξης. Μην μπερδευτείτε όμως, εκεί η πίεση ήταν σε psi, εδώ είναι σε bar.
Η μηχανή δεν μπορεί να αντέξει για πολύ τα αποτελέσματα της προανάφλεξης. Αντίθετα με την ήπια αυτανάφλεξη όπου η μηχανή μπορεί να δουλεύει για μεγάλα χρονικά διαστήματα χωρίς σημαντικές βλάβες (παθαίνοντας βέβαια κάποιες φθορές), στην προανάφλεξη η καταστροφή είναι σχεδόν άμεση, έρχεται μετά από μερικά δευτερόλεπτα!
Ο πρώτος που "την πληρώνει" είναι ασφαλώς το πιστόνι, που δεν έχει σχεδιαστεί να αντέχει τόσο τεράστιες πιέσεις και θερμοκρασίες οι οποίες έχουν μάλιστα μεγάλη χρονική διάρκεια.
Τα πιστόνια είναι συνήθως κατασκευασμένα από υπερ-ευτηκτικά κράματα αλουμινίου με πυρίτιο. Η προσθήκη πυριτίου ελαττώνει τον συντελεστή θερμικής διαστολής του κράματος, άρα με απλά λόγια, το πιστόνι δεν διαστέλλεται και τόσο πολύ, γίνεται όμως πιο εύθραυστο. Πέραν τούτου, το κράμα που βρίσκεται σχετικά κοντά στο ευτηκτικό σημείο, δεν αντέχει μεγάλες θερμοκρασίες, λιώνει.
 |
| Προανάφλεξη: Το εύθραυστο υπερ-ευτηκτικό πιστόνι δεν μπόρεσε να αντέξει τις τεράστιες πιέσεις και έσπασε στο μέσον της κορώνας |
Το πρώτο λοιπόν που θα συμβεί, είναι το σπάσιμο ή το λιώσιμο του πιστονιού, με μια μεγάλη τρύπα στη μέση της κορώνας (της άνω επιφάνειας του) ! Αν στην κανονική λειτουργία της μηχανής η θερμοκρασία του πιστονιού είναι περίπου στους 300 βαθμούς, κατά την προανάφλεξη μπορεί να φτάσει τους 1000! Εννοείται ότι σε αυτή την θερμοκρασία το αλουμινιένο πιστόνι λιώνει!
Επίσης λιώνει τελείως (και εξαφανίζεται) η ακίδα του μπουζί, ενώ μπορεί να τρυπήσει και η "ποδιά" (το κυλινδρικό μέρος - λέγεται και "φούστα") του εμβόλου. Πολλές φορές λιώνει ακόμα και η πορσελάνη του μπουζί, τόσο μεγάλες είναι οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται!
 |
| Εδώ η προανάφλεξη είχε σαν αποτέλεσμα μια μεγαλοπρεπή τρύπα στο μέσον της κορώνας! Η μεγάλη θερμοκρασία έλιωσε το πιστόνι |
 |
| Εδώ η προανάφλεξη ήταν μάλλον ..."κάπως" έντονη! Δεν έμεινε σχεδόν τίποτα από την κορώνα του πιστονιού! |
 |
| Η υπερβολική θερμοκρασία δεν κατέστρεψε μόνο την ακίδα του μπουζί, αλλά και την πορσελάνη! |
Γιατί μπορεί να συμβεί όμως η προανάφλεξη στον κινητήρα μας; Και πάλι οι αιτίες είναι πολλές:
- Κατ αρχήν η αυτανάφλεξη ευνοεί την προανάφλεξη. Όπως είδαμε στην αυτανάφλεξη αυξάνεται η θερμοκρασία μέσα στον κύλινδρο, στον επόμενο κύκλο ακόμα περισσότερο κ.ο.κ., το φαινόμενο είναι σαν την χιονοστιβάδα και κάποια στιγμή από την υπερβολική θερμοκρασία δεν αποκλείεται να πυρώσει η ακίδα του μπουζί, πράγμα που θα έχει ως αποτέλεσμα την προανάφλεξη.
- Πολύ "θερμά" μπουζί
- Όχι καλά σφιγμένα μπουζί, που δεν επιτρέπουν την μετάδοση της θερμότητας προς το σώμα του κυλίνδρου και υπερθερμαίνονται/πυρώνουν.
- "Φτωχό" μείγμα (να ένας ακόμα λόγος να πετάμε τις μηχανές μας κάπως "πλούσιες")
- Υπερ-πουσαρισμένοι κινητήρες. Η ροή του καυσίμου είναι μεγάλη, οι στροφές πολλές και η θερμότητα που αναπτύσσεται, πολύ μεγάλη.
Μηχανές Glow μεθανόλης: Στα προηγούμενα είπαμε ότι αν υπάρχει κάτι πυρωμένο στον κύλινδρο, αυτό ευνοεί την προανάφλεξη. Τι γίνεται λοιπόν στις μηχανές Glow όπου το πυρόνημα είναι συνέχεια αναμμένο;
Εδώ δεν μπορούμε να μιλάμε ακριβώς για προανάφλεξη, δεδομένου ότι δεν έχουμε σπινθήρα μπουζί.
Η μεθανόλη είναι ένα καύσιμο πολύ υψηλών οκτανίων. Αντέχει πολύ υψηλές συμπιέσεις προτού αναφλεγεί. Προκειμένου λοιπόν να γίνεται η ανάφλεξη στις 20 περίπου μοίρες πριν το ΑΝΣ, μας ευνοεί η "προανάφλεξη" του μείγματος από το ερυθροπυρωμένο μπουζί. Υποτίθεται ότι ο σχεδιασμός του κινητήρα είναι τέτοιος, ώστε η ανάφλεξη να γίνεται τη δεδομένη -βέλτιστη- χρονική στιγμή.
Για τις O.S. και τις SAITO δεν έχουμε αμφιβολία, για τις Κινέζικες ...ελπίζουμε να έχουν κάνει σωστή αντιγραφή!
Σε ένα επόμενο άρθρο θα εξετάσουμε τα οκτάνια των καυσίμων και πως οι εταιρείες πετρελαιοειδών εξαπατούν τους καταναλωτές υποσχόμενες οικονομία στα καύσιμα και περισσότερα χιλιόμετρα, εάν χρησιμοποιούν βενζίνη υψηλότερων οκτανίων.
Γ. Καρασούλας