Μπεκ

Οι εγχυτήρες (μπεκ) στα συστήματα έγχυσης καυσίμου (fuel injection) είναι τα εξαρτήματα μέσω των οποίων το καύσιμο διασκορπίζεται στο θάλαμο καύσης των πετρελαιοκινητήρων. Είναι τα τελευταία εξαρτήματα στο σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου, παραλαμβάνουν το καύσιμο με υψηλή πίεση από την αντλία έγχυσης, προετοιμάζουν το καύσιμο για ψεκασμό με την βοήθεια των κατάλληλα διαμορφωμένων ακροφυσίων και το διασκορπίζουν στους θαλάμους καύσης του κινητήρα. Το μπεκ είναι το τελευταίο εξάρτημα του συστήματος τροφοδοσίας του κινητήρα. Ο ψεκασμός του καυσίμου πρέπει να μπορεί να δώσει στον κινητήρα τόσο την ελάχιστη ποσότητα καυσίμου (στο ρελαντί ή στην περίπτωση κίνησης χωρίς φορτίο), όσο και την μεγαλύτερη ποσότητα (στο πλήρες φορτίο). Για αυτό, οι διάφορες καταστάσεις λειτουργίας πρέπει να βρίσκονται στην γραμμική χαρακτηριστική ζώνη ψεκασμού του μπεκ. Ο ομοιόμορφος καταμερισμός του μίγματος αέρα-καυσίμου σε όλους τους κυλίνδρους είναι πολύ σημαντικός. Εκτός από τα χαρακτηριστικά της πολλαπλής εισαγωγής, ο καταμερισμός εξαρτάται από την θέση τοποθέτησης και από την ποιότητα διασκορπισμού του μπεκ. Η καλύτερη θέση του μπεκ στο γκρουπ ψεκασμού αποφασίζεται στη φάση σχεδιασμού του κινητήρα. Το μπεκ στηρίζεται σε ένα υποστήριγμα στο πάνω μέρος του γκρουπ ψεκασμού που έχει κατασκευαστεί ώστε να επιτρέπει την τέλεια προετοιμασία του μίγματος και είναι τοποθετημένο, δια μέσου ενός βραχίονα, σε κεντρική θέση ως προς την ροή του εισερχόμενου αέρα. Αυτός ο τρόπος συναρμολόγησης πάνω από την πεταλούδα γκαζιού, έχει ως αποτέλεσμα την πλήρη ανάμιξη του καυσίμου με τον εισερχόμενο αέρα. Για αυτό τον λόγο, το καύσιμο ψεκάζεται μέσα στη ζώνη της μέγιστης διατάραξης που βρίσκεται μεταξύ της πεταλούδας και του γκρουπ ψεκασμού. Η στεγανότητα του μπεκ προς τα έξω εξασφαλίζεται από στεγανοποιητικά δακτυλίδια (o-ring). Ένα πλαστικό ημισφαιρικό κάλυμμα που κλείνει από πάνω τον θάλαμο συναρμολόγησης, περιέχει την ηλεκτρική σύνδεση του μπέκ και εξασφαλίζει την αξονική του στήριξη. Το μπεκ αποτελείται από το σώμα και το συγκρότημα ψεκασμού.

 Το σώμα του ψεκαστήρα περιέχει την μαγνητική περιέλιξη και τις επαφές. Το συγκρότημα ψεκασμού, περιέχει ένα ακροφύσιο και μια βελόνα, η οποία οδηγείται από τον οπλισμό του ηλεκτρομαγνήτη. Με έλλειψη ρεύματος στη περιέλιξη, ένα ελικοειδές ελατήριο σπρώχνει με την βοήθεια της πίεσης του συστήματος την βαλβίδα στην έδρα της. Όταν η περιέλιξη διεγείρεται, η βελόνα υψώνεται γύρω στα 0,06 χιλιοστά από την έδρα της και το καύσιμο διαφεύγει δια μέσου μιας κυκλικής οπής. Στο κάτω μέρος υπάρχει μια κυλινδρική προεξοχή (ακίδα), η οποία βοηθάει στον σωστό διασκορπισμό του καυσίμου. Οι διαστάσεις του ανοίγματος της βελόνας και του ακροφυσίου, καθορίζουν την «στατική παροχή», δηλ. την ανώτερη ροή καυσίμου με ανοιχτό ψεκαστή. Η «δυναμική παροχή» που είναι ροή με διακοπές, εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του ελατηρίου, από την μάζα της βελόνας, από το μαγνητικό κύκλωμα και από τα χαρακτηριστικά του κυκλώματος εξόδου του «εγκεφάλου». Έχοντας σταθερή την (διαφορική) πίεση του καυσίμου, η πραγματική ποσότητα του μεταβαλλόμενου σε λεπτά σταγονίδια καυσίμου από τον ψεκαστή, εξαρτάται μόνο από την διάρκεια του ανοίγματος (διάρκεια ή χρόνος ψεκασμού). Εξαιτίας των διαδοχικών ηλεκτρικών παλμών ψεκασμού (σε κάθε παλμό ανάφλεξης αντιστοιχεί ένας παλμός ψεκασμού) το μπεκ πρέπει να έχει πολύ χαμηλούς χρόνους αδράνειας. Η πολύ μικρή μάζα της βελόνας και το καλύτερο μαγνητικό κύκλωμα, επιτρέπουν χρόνους ανοιγοκλεισίματος μικρότερους του ενός msec. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται μια ακριβής δόση καυσίμου και σε μικρές παροχές. Το καύσιμο ψεκάζεται με υψηλή πίεση, της οποίας η μέγιστη τιμή φτάνει τα 1.200 Bar ή και περισσότερο. Σε τόσο μεγάλες πιέσεις το καύσιμο δεν μοιάζει ως κανονικό υγρό αλλά αρχίζει και γίνεται συμπιεστό. Ο χρόνος έγχυσης είναι συνήθως 1 χιλιοστό του δευτερολέπτου. Το ακροφύσιο του εγχυτήρα παίζει σπουδαίο ρόλο στο τρόπο διασκορπισμού του καυσίμου. Η διάμετρος και το μήκος της οπής καθώς και η όλη σχεδίαση του ακροφυσίου καθορίζουν τον τρόπο διασκορπισμού του καυσίμου μέσα στον θάλαμο καύσης, με αποτέλεσμα να επηρεάζουν κατά πολύ την ισχύ εξόδου, την κατανάλωση του καυσίμου και τις εκπομπές καυσαερίων. Η τελική παροχή του καυσίμου μέσα στο θάλαμο καύσης προσδιορίζεται επακριβώς από την διατομή του ακροφυσίου και την προς τα πάνω κίνηση της βελόνας του. Επίσης, το ακροφύσιο πρέπει να απομονώνει το σύστημα έγχυσης αφενός από τις υψηλές θερμοκρασίες που επικρατούν στο θάλαμο καύσης (μέχρι 1.000°C), αφετέρου από τα συμπιεσμένα αέρια που επικρατούν μέσα σ' αυτόν. Για να αποφευχθεί η είσοδος των αερίων καύσης στο σύστημα έγχυσης, θα πρέπει καθ' όλη τη διάρκεια έγχυσης που παραμένουν ανοιχτά τα ακροφύσια, η πίεση του καυσίμου να είναι μεγαλύτερη από την πίεση καύσης. Αυτό είναι δύσκολο να επιτευχθεί κυρίως κατά το πέρας της έγχυσης και απαιτείται απόλυτη συνεργασία μεταξύ της αντλίας έγχυσης, του ακροφυσίου και του ελατηρίου πίεσης. Το μπεκ ψυχρής εκκίνησης παρέχει επιπλέον καύσιμο κατά την διάρκεια της εκκίνησης. Αυτό ελέγχεται από ένα θερμικό χρονοδιακόπτη και ένα ρελέ. Το μπεκ ψυχρής εκκίνησης ψεκάζει μια πρόσθετη ποσότητα καυσίμου μέσα στον θάλαμο ηρεμίας της πολλαπλής εισαγωγής. Έτσι κάθε κύλινδρος, όταν ανοίγει η βαλβίδα εισαγωγής, δέχεται την ποσότητα του ψεκαζόμενου καυσίμου από το βασικό μπεκ και μια πρόσθετη ποσότητα καυσίμου από το μπεκ ψυχρής εκκίνησης. Έτσι γίνεται ο εμπλουτισμός του μίγματος κατά την ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα. Τα μπεκ ψεκασμού είναι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες που ανοιγοκλείνουν σύμφωνα με τα σήματα που λαμβάνονται από τον εγκέφαλο. Η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στην κίνηση ενός πυρήνα, ο άξονας του οποίου καταλήγει σε μια βελονοειδή βαλβίδα, μέσα σε ένα πηνίο. Όταν ο εγκέφαλος στείλει ένα ηλεκτρικό σήμα, τροφοδοτείται με ρεύμα το πηνίο, έλκεται ο πυρήνας, ο οποίος υπερνικά την δύναμη του ελατηρίου και ανοίγει η οπή ψεκασμού από την βελονοειδή βαλβίδα. Μόλις το σήμα διακοπεί από τον εγκέφαλο τότε το ελατήριο σπρώχνει τον πυρήνα και κλείνει η οπή ψεκασμού από την βελονοειδή βαλβίδα. Τοποθετούνται στην πολλαπλή εισαγωγης ή στην κυλινδροκεφαλή μαζί με μια ελαστική μόνωση, ώστε να αποφεύγονται: α) Η δημιουργία υψηλών θερμοκρασιών στην άκρη των μπεκ. β) Η εξάτμιση του καυσίμου, που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία φυσαλίδων. Τα μπεκ συνδέονται μεταξύ τους παράλληλα και τροφοδοτούνται από τον διακλαδωτήρα, ώστε να ψεκάζουν με συγκεκριμένη γωνία ψεκασμού πριν την βαλβίδα εισαγωγής. Η διάρκεια του χρόνου ψεκασμού καθορίζεται από τον εγκέφαλο συναρτήσει πολλών παραγόντων Τα μηχανικά μπεκ είναι πολύ πιο απά από τα ηλεκτρομαγνητικά μπεκ και μετατρέπουν το καύσιμο σε μικρότατα σταγονίδια βενζίνης. Υπάρχει μια βαλβίδα στο στόμιο έξοδο καυσίμου του μπεκ και ένα ελατήριο που την κρατά κλειστή. Η βαλβίδα ανοίγει σε μια συγκεκριμένη πίεση καυσίμου και το μπεκ ψεκάζει καύσιμο συνέχεια πριν από την βαλβίδα εισαγωγής. Μόλις ανοίξει η βαλβίδα εισαγωγής το καύσιμο παρασύρεται και εισέρχεται στον κύλινδρο του κινητήρα. Ανάλογα με τον τύπο του θαλάμου καύσης του κινητήρα, εάν δηλαδή υπάρχει προθάλαμος καύσης, προθάλαμος στροβιλισμού ή απευθείας έγχυσης επιλέγεται και ο κατάλληλος τύπος εγχυτήρα. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι εγχυτήρων, οι εγχυτήρες με ακροφύσιο στραγγαλισμού βελόνας και οι εγχυτήρες με οπές. Οι εγχυτήρες αυτοί χρησιμοποιούνται όταν ο κινητήρας έχει ξεχωριστό προθάλαμο καύσης ή θάλαμο στροβιλισμού. Το ακροφύσιο αυτού του τύπου των εγχυτήρων ψεκάζει ομοαξονική δέσμη καυσίμου και κατά το άνοιγμα του η βελόνα του ακροφυσίου μετακινείται προς το εσωτερικό του εγχυτήρα. Ο εγχυτήρας συνοδεύεται με τον συγκρατητήρα του ο οποίος έχει εσωτερικό σπείρωμα για την συγκράτηση του εγχυτήρα και εξωτερικό σπείρωμα για την συγκράτηση του στη κυλινδροκεφαλή. Χαρακτηριστικό γνώρισμα των εγχυτήρων τύπου βελόνας είναι ο τρόπος ελέγχου της διατομής παροχής καυσίμου. Η ποσότητα καυσίμου που ψεκάζεται είναι συνάρτηση της ανύψωσης της βελόνας του ακροφυσίου. Αν είναι μικρή η ανύψωση της βελόνας του ακροφυσίου, τότε αυτή εξακολουθεί να παραμένει εντός της οπής του ακροφυσίου και υπάρχει μόνο μια μικρή δακτυλιοειδής διατομή μεταξύ της βελόνας και των τοιχωματων της οπής για τη δίοδο του καυσίμου. Αν η βελόνα ανυψωθεί περισσότερο, η βελόνα εξέρχεται της οπής και η διατομή διόδου του καυσίμου καλύπτει ολόκληρη την οπή. Έτσι η ποσότητα καυσίμου που ψεκάζεται μέσα στο θάλαμο καύσης στη μονάδα του χρόνου, είναι απευθείας συνάρτηση της διαδρομής της βελόνας του ακροφυσίου. Η διάμετρος και οι ανοχές κατεργασίας της οπής του ακροφυσίου πρέπει να εξασφαλίζουν τη σωστή λειτουργία του κινητήρα. Κατά την διάρκεια λειτουργίας δημιουργούνται ανθρακώματα, τα οποία φράζουν μερικά ή ολικά τα ακροφύσια. Ο σχηματισμός αυτών των ανθρακωμάτων γίνεται ανώμαλα και εξαρτάται από την ποιότητα του καυσίμου και τον τρόπο λειτουργίας του κινητήρα. Έτσι μετά από σχετικά μικρό χρονικό διάστημα λειτουργίας, μόνο το 30% της διατομής παραμένει ανοιχτό για την δίοδο του καυσίμου. Μια ειδική παραλλαγή ακροφυσίου είναι αυτό με την «επίπεδη» βελόνα, στο οποίο πρακτικά δεν υπάρχει διάκενο μεταξύ βελόνας και οπής και το οποίο φράζεται λιγότερο από ανθρακώματα κατά την λειτουργία του. Η βελόνα αυτού του τύπου του ακροφυσίου έχει μεγάλη διατομή και όταν ανυψώνεται, ανοίγει ολόκληρη σχεδόν τη δίοδο εξόδου του καυσίμου που σχηματίζεται από την οπή του ακροφυσίου. Δημιουργείται τότε μια φλέβα καυσίμου που συμβάλλει στον αυτοκαθαρισμό του ακροφυσίου από τα ανθρακώματα. Επειδή θερμοκρασίες πάνω από 220 °C αρχίζουν να δημιουργούν ανθρακώματα στα ακροφύσια, χρησιμοποιούνται προστατευτικές πλάκες και καλύμματα έναντι της θερμότητας που αναπτύσσεται στον προθάλαμο καύσης, ώστε να απομακρύνουν την θερμότητα και επομένως την αύξηση της θερμοκρασίας από το ακροφύσιο. Οι εγχυτήρες τύπου οπής χρησιμοποιούνται σε κινητήρες άμεσης έγχυσης που δεν διαθέτουν προθάλαμο καύσης. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία εγχυτήρων τύπου οπής και των αντίστοιχων συγκρατητήρων τους στην αγορά. Οι οπές ψεκασμού του καυσίμου είναι σε διάφορες γωνίες στο σώμα των ακροφυσίων και για τον λόγο αυτό όταν τοποθετούνται οι εγχυτήρες στον κινητηρα πρέπει οι άξονες των οπών να ευθυγραμμίζονται απολύτως σε σχέση με τον θάλαμο καύσης. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιούνται ειδικοί τρόποι στερέωσης των εγχυτήρων στην κυλινδροκεφαλή, με βίδες ασφαλείας καθώς και με χρήση ειδικού εξαρτήματος μανδάλωσης του ακροφυσίου στη σωστή θέση. Οι εγχυτήρες τύπου οπής έχουν βελόνες διαμέτρου 4 έως 6 χιλιοστών. Τα ελατήρια των εγχυτήρων είναι υπολογισμένα σε σχέση με την διάμετρο της βελόνας και των πιέσεων ανοίγματος των ακροφυσίων που είναι μεγαλύτερες από 180 Bar. Η μόνωση του ακροφυσίου από τα θερμά καυσαέρια κατά το πέρας της έγχυσης, είναι ένας σοβαρός παράγοντας που λαμβάνεται υπόψη, γιατί επιστροφή αερίων καύσης εντός του εγχυτήρα, προκαλεί υδραυλικές ανωμαλίες κατά την έγχυση ή ακόμα και καταστροφή του ακροφυσίου. J.B. Snell (1973). Mechanical Engineering: Railways. Arrow Books. ISBN 978-0-09-908170-8. J.T. Hodgson· C.S. Lake (1954). Locomotive Management (Tenth έκδοση). Tothill Press. φωτό φωτό φωτό φωτό