Ο ρόλος των ελατηρίων στους σύγχρονους κινητήρες είναι ιδιαίτερα σηµαντικός. Γι’ αυτό το λόγο, το σχήµα τους έχει εξελιχθεί, ώστε να προσαρµόζεται στις σύγχρονες απαιτήσεις.
Θα μιλήσουμε για τους τύπους των ελατηρίων εµβόλου και την εξέλιξή τους για τους σύγχρονους κινητήρες. Πρόκειται να αναφερθούμε στις δύο µεγάλες κατηγορίες ελατηρίων και να παρουσιάσουµε τα ελατήρια συμπίεσης, καθώς και τα ελατήρια απόξεσης λαδιού.
Τα ελατήρια αποτελούν ένα σημαντικό εξάρτημα για τη λειτουργία του σύγχρονου θερμικού κινητήρα. Τα βασικά καθήκοντα που πρέπει να εκπληρώσουν είναι τρία.
Το πρώτο είναι η στεγανότητα του κυλίνδρου και η συγκράτηση των καυσαερίων στον θάλαμο καύσης. Βασικό καθήκον των ελατηρίων είναι να μην επιτρέπουν στα καυσαέρια να περάσουν μεταξύ εμβόλου και χιτωνίου και να φτάσουν τελικά στον στροφαλοθάλαμο.
Στην πλειοψηφία των σύγχρονων κινητήρων, αυτό επιτυγχάνεται μέσω δύο ελατηρίων συμπίεσης. Η διάταξη αυτή δεν εξασφαλίζει 100% στεγανότητα, με αποτέλεσμα μικρές ποσότητες καυσαερίων να περνούν στον στροφαλοθάλαμο. Αυτό θεωρείται φυσιολογικό και δεν μπορεί να αποφευχθεί εντελώς. Ωστόσο, πρέπει να αποφεύγεται η υπερβολική διαρροή καυσαερίων ανάμεσα από τα έμβολα και το τοίχωμα του κυλίνδρου, καθώς έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια ισχύος, την υπερθέρμανση και την αυξημένη κατανάλωση λιπαντικού.
Η επόμενη λειτουργία των ελατηρίων είναι να ξύνουν το λιπαντικό και να ρυθμίζουν το φιλμ λαδιού που μένει στο χιτώνιο για να λιπάνει τα κινούμενα μέρη, αλλά και να συμβάλλει στη στεγανότητα της συναρμογής.
Τα ελατήρια κατανέμουν ομοιόμορφα το λάδι πάνω στο τοίχωμα του κυλίνδρου. Το πλεονάζον λάδι απομακρύνεται κυρίως από το ελατήριο απόξεσης λαδιού (3ο ελατήριο), αλλά και από συνδυασμένα ελατήρια συμπίεσης και απόξεσης (2ο ελατήριο).
Η διαχείριση της θερμοκρασίας του εμβόλου είναι άλλο ένα σημαντικό έργο που αναλαμβάνουν τα ελατήρια. Το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας (περίπου 70%) που απορροφάται από το έμβολο κατά τη διαδικασία της καύσης μεταφέρεται από τα ελατήρια στον κύλινδρο. Σημαντικό ρόλο στη μετάδοση της θερμότητας παίζουν τα ελατήρια συμπίεσης, δηλαδή το 1ο και το 2ο ελατήριο.
Χωρίς αυτή τη συνεχή απαγωγή θερμότητας από τα ελατήρια, το έμβολο μπορεί να αρπάξει, να κολλήσει στο χιτώνιο ή και να λιώσει. Επομένως, τα ελατήρια πρέπει να εξασφαλίζουν καλή επαφή με το τοίχωμα του κυλίνδρου ανά πάσα στιγμή. Αν προκύψουν ανωμαλίες στον κύλινδρο ή στην αυλάκωση των ελατηρίων (εναποθέσεις άνθρακα, ακαθαρσίες, παραμόρφωση), είναι απλά θέμα χρόνου μέχρι η κακή απαγωγή θερμότητας να προκαλέσει φαινόμενα υπερθέρμανσης στο έμβολο.
Τα ελατήρια τα χωρίζουµε σε δύο µεγάλες κατηγορίες:
- τα ελατήρια συµπίεσης
- τα ελατήρια λαδιού
Υπάρχουν επίσης και τα συνδυασµένα ελατήρια που ικανοποιούν και τις δύο κατηγορίες.
Τα ελατήρια συµπίεσης
Ο όρος ορθογώνιο ελατήριο αναφέρεται σε ελατήρια με ορθογώνια διατομή, όπου οι δύο πλευρές είναι παράλληλες μεταξύ τους. Αυτή η έκδοση είναι ο πιο εύκολος και συχνός τύπος για τα ελατήρια συμπίεσης. Σήμερα, χρησιμοποιείται κυρίως στη θέση του πρώτου ελατηρίου σε όλους τους βενζινοκινητήρες επιβατικών αυτοκινήτων και μερικές φορές σε πετρελαιοκινητήρες για επαγγελματικά οχήματα. Οι εσωτερικές λοξοτμήσεις και τα εσωτερικά σκαλοπάτια προκαλούν στρέψη του ελατηρίου κατά τη λειτουργία του υπό φόρτιση.
Οι ξύστρες
Αυτά τα ελατήρια έχουν διπλό ρόλο. Λειτουργούν σαν ελατήρια συμπίεσης και σαν ελατήρια λαδιού ρυθμίζοντας το φιλμ του λαδιού. Έχουν κωνική διατομή στην επιφάνεια ολίσθησης. Η γωνία της απόκλισης από την κάθετο είναι περίπου 45 με 60 λεπτά της μοίρας ανάλογα με την έκδοση.
Οι ξύστρες χρησιµοποιούνται σε όλους τους τύπους κινητήρων και τοποθετούνται συνήθως στο λούκι.
Λόγω του σχήματος, αυτό το ελατήριο ακουμπά μόνο στην κάτω άκρη. Αυτό προκαλεί υψηλή επιφανειακή πίεση στην περιοχή αυτή και οδηγεί σε μία επιθυμητή αφαίρεση υλικού. Αυτή η φθορά έχει ως αποτέλεσμα ένα τέλειο κυκλικό σχήμα, μετά από λίγο χρόνο λειτουργίας, και επιτυγχάνει καλό αποτέλεσμα στεγανοποίησης. Έπειτα από μία διάρκεια λειτουργίας 100.000 χλμ., η φθορά έχει ως αποτέλεσμα τη μετατροπή του ελατηρίου σε ορθογωνικό. Έτσι το ελατήριο που ξεκίνησε να λειτουργεί σαν κωνικό μετατρέπεται σε ορθογωνικό και διατηρεί τα κατάλληλα χαρακτηριστικά στεγανοποίησης. Η συμπίεση του κυλίνδρου μειώνεται λίγο, ενώ περιορίζεται και η φθορά του χιτωνίου.
Εκτός από τη λειτουργία ως ελατήρια συμπίεσης, οι ξύστρες έχουν επίσης σωστά χαρακτηριστικά ως ελατήρια απόξεσης λαδιού. Αυτό επιτυγχάνεται με την επαναφορά του άνω άκρου του ελατηρίου. Κατά τη μετακίνηση από το κάτω νεκρό σημείο προς το άνω νεκρό σημείο, το ελατήριο ολισθαίνει πάνω σε φιλμ λαδιού. Λόγω υδροδυναμικών δυνάμεων (σχηματισμός σφήνας λιπαντικού), το ελατήριο ανυψώνεται ελαφρά από την επιφάνεια του κυλίνδρου. Κατά τη διάρκεια της κίνησης προς το κάτω νεκρό σημείο, η κάτω ακμή του ελατηρίου εισέρχεται στο φιλμ του λαδιού το ξύνει και το απορρίπτει προς τον στροφαλοθάλαμο.
Ελατήρια µε πατούρα (napier)
Στα ελατήρια με πατούρα ή με δόντι, στο κάτω άκρο της επιφάνειας ολίσθησης του ελατηρίου υπάρχει ένα περιμετρικό αυλάκι, συνήθως ορθογωνικής διατομής, που προσφέρει επίσης ένα αποτέλεσμα απόξεσης λαδιού επιπλέον της στεγανοποίησης. Η εσοχή αυτή δημιουργεί έναν χώρο, όπου μπορεί να συλλεχθεί το λάδι από την απόξεση, πριν φτάσει στον στροφαλοθάλαμο.
Στο παρελθόν, αυτά τα ελατήρια είχαν χρησιμοποιηθεί ως δεύτερα ελατήρια συμπίεσης. Πλέον, χρησιμοποιούνται συνήθως τα κωνικά ελατήρια με πατούρα. Το αποτέλεσμα απόξεσης λαδιού αυξάνεται από την κωνική επιφάνεια ολίσθησης. Τα ελατήρια αυτά, εκτός από το δεύτερο λούκι, μπορούν να τοποθετηθούν και στο πρώτο.
Σε μερικά κωνικά ελατήρια με πατούρα, το αυλάκι που σχηματίζει το δόντι δεν εκτείνεται σε όλο το μήκος της περιφέρειας, για καλύτερα χαρακτηριστικά στεγανοποίησης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μειώνονται τα καυσαέρια που περνούν στον στροφαλοθάλαμο (blow-by).
Τραπεζοειδή ελατήρια
Τα τραπεζοειδή ελατήρια (keystone), ή τα τραπεζοειδή από τη μία πλευρά, χρησιμοποιούνται για την καταπολέμηση των εναποθέσεων άνθρακα στα λούκια των ελατηρίων, που ενδέχεται να προκαλέσουν κόλλημα των ελατηρίων. Ιδιαίτερα όταν εμφανίζονται εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες μέσα στα λούκια, υπάρχει κίνδυνος το λάδι του κινητήρα να ενανθρακώνεται. Στους πετρελαιοκινητήρες, σχηματίζεται επιπλέον αιθάλη και αυτό επιβαρύνει την κατάσταση στα λούκια. Εάν τα ελατήρια κολλήσουν με αυτές τις εναποθέσεις, τα θερμά καυσαέρια περνούν ανάμεσα στο έμβολο και το χιτώνιο, προκαλώντας υπερθέρμανση του εμβόλου και ενδεχομένως σημαντική ζημιά σε αυτό.
Κατά προτίμηση, τοποθετούνται στο πρώτο λούκι σε πετρελαιοκινητήρες λόγω των υψηλότερων θερμοκρασιών και του σχηματισμού αιθάλης. Ωστόσο, μερικές φορές τα συναντάμε και στο δεύτερο λούκι. Τα τραπεζοειδή ελατήρια συνήθως δεν τοποθετούνται σε ορθογωνικά λούκια. Για να χρησιµοποιηθούν, θα πρέπει τα έµβολα να φέρουν ανάλογα λούκια.
Στα τραπεζοειδή ελατήρια, η τομή του ελατηρίου δεν είναι ορθογώνια, οι δύο πλευρές δεν είναι παράλληλες, αλλά σχηματίζουν σχήμα τραπεζίου. Η γωνία είναι συνήθως 6°, 15° ή 20°.
Στα τραπεζοειδή μονής πλευράς, η κάτω πλευρά του δακτυλίου δεν σχηματίζει γωνία και είναι κάθετη με την ολισθαίνουσα επιφάνεια του ελατηρίου του εμβόλου.
Λειτουργία καθαρισμού
Λόγω του σχήματος των τραπεζοειδών ελατηρίων και της κίνησης του ελατηρίου στο λούκι, οι εναποθέσεις άνθρακα απομακρύνονται μηχανικά.
Τα ελατήρια λαδιού
Τα ελατήρια ελέγχου λαδιού διανέμουν το λάδι στο τοίχωμα του κυλίνδρου, αλλά και αποξύουν το πλεονάζον λάδι. Συνήθως έχουν δύο επιφάνειες απόξεσης για καλύτερη απόδοση και κάθε μία από αυτές απομακρύνει το πλεονάζον λάδι από το χιτώνιο του κυλίνδρου.
Στους παλαιότερους κινητήρες, τα ελατήρια λαδιού απλά συγκέντρωναν και στράγγιζαν τα λάδια στο κάρτερ. Στους σύγχρονους κινητήρες, χωρίς να επηρεάζεται ο λιπαντικός προορισμός του λαδιού, αξιοποιείται η στεγανοποιητική του ιδιότητα, εμποδίζοντας όμως τη δίοδό του στον θάλαμο καύσης.
Το λάδι που αποξέεται από την επάνω επιφάνεια απόξεσης περνά πίσω από το ελατήριο, γι’ αυτό και το ελατήριο δεν είναι μασίφ, αλλά έχει ανάλογες εγκοπές ή ραβδώσεις σε όλο το μήκος του. Έτσι, το λάδι περνά πίσω και κάτω από το ελατήριο λαδιού.
Από εκεί, η περαιτέρω αποστράγγιση του αποξεσμένου λαδιού μπορεί να πραγματοποιηθεί με διάφορους τρόπους. Μία μέθοδος είναι να οδηγηθεί στην αύλακα απόξεσης λαδιού στην εσωτερική πλευρά του εμβόλου, διαμέσου οπών. Μπορεί επίσης το λάδι να επιστρέφει μέσω διόδων αποστράγγισης από την εσοχή του ελατηρίου, προς την προεξοχή του πείρου, στην εξωτερική πλευρά του εμβόλου. Ωστόσο συχνά χρησιμοποιείται και ένας συνδυασμός των δύο εκδοχών, που έχουν αποδειχθεί κατάλληλες για την αποστράγγιση του αποξεσμένου λαδιού. Ανάλογα με το σχήμα του εμβόλου, τη διαδικασία καύσης ή τη χρήση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μία ή η άλλη μέθοδος.
Μονοκόµµατα ελατήρια
Τα µονοκόµµατα ελατήρια λαδιού δεν χρησιµοποιούνται πλέον στους σύγχρονους κινητήρες. Σε αυτά, η προφόρτιση εξαρτάται αποκλειστικά και µόνο από τη διατοµή του ελατηρίου. Πρόκειται για ελατήρια σχετικώς άκαµπτα, µε περιορισµένη ικανότητα ροής επιστροφής και ικανότητα στεγανοποίησης. Κατασκευάζονται από φαιό χυτοσίδηρο και στο µέσον του ύψους τους υπάρχει περιφερειακή ορθογωνική αύλακα. Στην αύλακα υπάρχουν θυρίδες που ξεπερνούν το πάχος του ελατηρίου και οδηγούν το λάδι στην εσωτερική περιφέρεια του ελατηρίου.
Οι συνηθέστεροι τύποι από µονοκόµµατα ελατήρια λαδιού είναι:
- Ελατήριο λαδιού µε θυρίδες: Πρόκειται για την απλούστερη σχεδίαση µε ορθογώνιες θυρίδες και λούκια για την αποστράγγιση του λαδιού.
- Ελατήριο λαδιού µε διπλή λοξότµηση: Στο ελατήριο αυτό (Double-bevelled) οι επιφάνειες απόξεσης είναι λοξοτοµηµένες, ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερη επιφανειακή πίεση.
- Ελατήριο µε άνω λοξότµηση: Σε αυτό το ελατήριο (Top-bevelled) υπάρχει λοξότµηση µόνο προς την πλευρά του θαλάµου καύσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την ισχυρότερη απόξεση λαδιού κατά τη διάρκεια της διαδροµής του εµβόλου προς τα κάτω.
Ελατήρια λαδιού µε εξπάντερ
Τα ελατήρια λαδιού με εξπάντερ (spiral expander – σπειροειδής εκτατήρας) αποτελούνται από δύο μέρη: ένα δακτυλιοειδές σώμα και ένα ελικοειδές ελατήριο, πίσω από αυτό. Το σώμα του δακτυλίου έχει σημαντικά μικρότερη διατομή συγκριτικά με τα μονοκόμματα ελατήρια λαδιού. Αυτό σημαίνει ότι το ελατήριο είναι σχετικά εύκαμπτο και έχει εξαιρετικά καλή ικανότητα ροής. Το αυλάκι στο εσωτερικό του δακτυλιοειδούς σώματος είναι είτε ημικυκλικό είτε σχήματος V.
Η προένταση προέρχεται από ένα σπειροειδές ελατήριο που είναι κατασκευασμένο από ανθεκτικό στη θερμότητα χάλυβα ελατηρίων. Αυτό βρίσκεται πίσω από το σώμα του ελατηρίου και το πιέζει στο χιτώνιο του κυλίνδρου. Η κατανομή της ακτινικής πίεσης είναι πάντα συμμετρική στα ελατήρια λαδιού με εξπάντερ, επειδή η πίεση ασκείται σε ολόκληρη την περιφέρεια του σπειροειδούς ελατηρίου.
Τα ελατήρια αυτά κατασκευάζονται είτε από φαιό χυτοσίδηρο είτε από χάλυβα.
Οι συνηθέστεροι τύποι είναι:
- Ελατήριο λαδιού µε εξπάντερ: Πρόκειται για το απλούστερο µοντέλο µε καλύτερα χαρακτηριστικά από τα µονοκόµατα ελατήρια λαδιού µε θυρίδες.
- Ελατήριο λαδιού µε εξπάντερ και άνω λοξότµηση: Παρόµοιο σχήµα επιφάνειας ολίσθησης µε το ελατήριο λαδιού µε άνω λοξότµηση, αλλά µε αποτελεσµατικότερη στεγανοποίηση.
- Ελατήριο λαδιού διπλής λοξότµησης µε εξπάντερ: Το ίδιο σχήµα επιφάνειας ολίσθησης µε το ελατήριο λαδιού διπλής λοξότµησης, αλλά µε αποτελεσµατικότερη στεγανοποίηση. Αυτός είναι ο πιο διαδεδοµένος τύπος ελατηρίου λαδιού. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί σε οποιαδήποτε έκδοση κινητήρα.
- Ελατήριο λαδιού διπλής λοξότµησης µε εξπάντερ και χρωµιωµένες επιφάνειες απόξεσης: Τα ίδια χαρακτηριστικά µε το ελατήριο λαδιού διπλής λοξότµησης µε εξπάντερ, αλλά µε αυξηµένη αντοχή στη φθορά και, ως αποτέλεσµα, µεγαλύτερη ανθεκτικότητα. Αυτό το καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλο για κινητήρες Diesel.
- Ελατήριο λαδιού διπλής λοξότµησης µε εξπάντερ από χάλυβα µε επιφανειακή εναζώτωση: Αυτό το ελατήριο λαδιού κατασκευάζεται από χαλύβδινο προφίλ που έχει προστατευτική επίστρωση σε όλες τις πλευρές. Είναι εξαιρετικά εύκαµπτο και λιγότερο επιρρεπές σε θραύση σε σχέση µε τα παραπάνω ελατήρια από χυτοσίδηρο. Η απόξεση του λαδιού επιτυγχάνεται µέσω στρογγυλών ανοιγµάτων µε διάτρηση. Χρησιµοποιείται κυρίως σε πετρελαιοκινητήρες.
Τριπλά ελατήρια λαδιού
Τα τριπλά ελατήρια αποτελούνται από δύο χαλύβδινες ταινίες που πιέζονται στα τοιχώματα του κυλίνδρου με τη βοήθεια ενός αποστάτη – ελατηρίου διαστολής. Τα ελατήρια αυτά χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με χρωμιωμένα χιτώνια ή χιτώνια που έχουν υποστεί επιφανειακή εναζώτωση. Έχουν εξαιρετικά καλή ικανότητα ροής και χρησιμοποιούνται κυρίως σε βενζινοκινητήρες επιβατικών αυτοκινήτων.
ΠΗΓΗ: MS MOTORSERVICE – KOLBENSCHMIDT
