Βαθμος πληρωσης

Βαθμος πληρωσης ειναι ενα μεγεθος που στην πραξη μετραει την ποιοτητα πληρωσης ενος κυλινδρου. Ειναι ο λογος της μαζας αερα που μπηκε στο κυλινδρο (για εναν κυκλο λειτουργιας) προς την μεγιστη μαζα γομωσης που θεωρητικα θα μπορουσε να εισελθει. Απ αυτον εξαρταται η ροπη και η ισχυς του κινητηρα.
Η θεωρητικα μεγιστη μαζα γομωσης βγαινει απο την θεωρητικη λειτουργια του κυκλου του κινητηρα. Δηλαδη, οταν ανοιγει ακαριαια η βαλβιδα εξαγωγης και καθαριζει ολος ο κυλινδρος απο καυσαεριο, κλεινει ξανα ακαριαια και ανοιγει ακαριαια η βαλβιδα εισαγωγης για να γεμισει πληρως ο κυλινδρος, με θερμοκρασια και πιεση περιβαλλοντος.
Στην πραγματικοτητα ομως ολα τα παραπανω δεν ειναι δυνατον να γινουν. Οπως ειναι ευκολο να καταλαβει κανεις οι βαλβιδες εισαγωγης και εξαγωγης δεν ανοιγουν ακαριαια αλλα προοδευτικα, αναλογα με το προφιλ του εκκεντρου. Εκτος ομως απ αυτο κατα την εισαγωγη και εξαγωγη καυσαεριου, η αναρροφηση και η υπερπιεση, αντιστοιχα, που δημιουργει το εμβολο βρισκουν απεναντι τους πολλες αντιστασεις που μεταφραζονται σε πτωσεις πιεσης του ρευστου (αερα η μιγματος καυσιμου και καυσαεριων). Οι κυριες αντιστασεις που αντιμετωπιζουν ειναι:

•  απο τα διαφορα συστηματα εισαγωγης και εξαγωγης (φιλτρα αερα, καναλια εισαγωγης εξαγωγης, πολλαπλες εισαγωγης-εξαγωγης, καταλυτες, σιγαστηρες κτλ) που εχουν τραχεια επιφανεια, πολυπλοκη γεωμετρια, μικρες διατομες και προκαλουν αντιστασεις, με αποτελεσμα να μην καθαριζει τελειως ο κυλινδρος απο την καυση του προηγουμενου κυκλου και παραλληλα να μην μπορει να πληρωθει πληρως με νεα γομωση,
• οι αδρανεια των αεριων,
• ο στραγγαλισμος του αερα απο την πεταλουδα (στους βενζινοκινητηρες)
• και τα θερμα τοιχωματα των κυλινδρων που αυξανουν την θερμοκρασια του αερα και μειωνουν την πυκνοτητα του.

Για να βελτιωθει ο βαθμος πληρωσης ενος κινητηρα οι μηχανικοι χρησιμοποιουν διαφορες λυσεις και στοχευουν σε συγκεκριμενα πραγματα.

• Προσπαθουν να μειωσουν τις απωλειες πιεσης σε αγωγους, πολλαπλες και συσκευες. Βελτιωνουν το φιλτρο αερα ωστε να παρουσιαζει την μικροτερη δυνατη αντισταση με κοστος ομως την καθαροτητα του αερα που εισερχεται. Παραλληλα προσπαθουν να μειωσουν τις αντιστασεις στην πλευρα της εξαγωγης βελτιωνοντας καταλυτες και εξατμισεις. Επιπροσθετως προσπαθουν να μειωσουν τις απωλειες στους αγωγους και τις πολλαπλες ειτε μειωνοντας το μηκος, ειτε χρησιμοποιωντας πιο ευγενη υλικα (με μικροτερη τραχυτητα) ειτε απλουστευοντας τη γεωμετρια. Ολα ομως τα παραπανω συνεπαγονται μεγαλυτερο κοστος, οποτε σ αυτη τη περιπτωση οι δυνατοτητες ειναι περιορισμενες.
• Χρησιμοποιουν πολυβαλβιδες κυλινδροκεφαλες. Το αθροισμα των διαμετρων των βαλβιδων προφανως πρεπει να ειναι μικροτερο της διαμετρου του κυλινδρου. Αυτο σημαινει οτι εχουμε περιορισμους στο μεγεθος των βαλβιδων καθως και η αποσταση μεταξυ τους πρεπει να ειναι συγκεκριμενη. Εχει αποδειχθει οτι χρησιμοποιοντας παραπανω απο 2 βαλβιδες ανα κυλινδρο πετυχαινουμε καλυτερη πληρωση και απορριψη καυσαεριων, διοτι το συνολικο ωφελιμο εμβαδoν τους ειναι μεγαλυτερο των 2 βαλβιδων (μεγαλυτερου μεγεθους).

• Εκμεταλλευονται τις αδρανειακες δυναμεις. Οι αδρανειακες δυναμεις αναφερθηκαν πριν ως παραγοντας πτωσης πιεσης. Ομως με καταλληλο σχεδιασμο οι μηχανικοι μπορουν να χρησιμοποιησουν τις αδρανειακες δυναμεις με τετοιο τροπο ωστε να βοηθησουν την πληρωση του κινητηρα. Οταν ανοιγει η βαλβιδα εισαγωγης το ρευστο (αερα η μιγμα καυσιμου) αποκτα μια ταχυτητα η οποια εξακολουθει να υπαρχει για ενα χρονικο διαστημα αφοτου κλεισει η βαλβιδα, για τη συμπιεση, δημιουργοντας ενα κυμα ρευστου που χτυπαει πανω στην βαλβιδα. Οταν χτυπησει πανω στην βαλβιδα τοτε επιστρεφει προς τα πισω, δλδ προς το περιβαλλον. Στην πορεια του βρισκει διαφορα εμποδια οπως τους αυλους εισαγωγης, την πολλαπλη κλπ και ενα μερος του επιστρεφει πισω προς την βαλβιδα (σαν μια ταλαντωση). Οι μηχανικοι λοιπον, οσο τους επιτρεπει το κοστος της κατασκευης, προσπαθουν να φτιαξουν καποια "εμποδια" για να αναγκασουν μεγαλυτερο κομματι απο το κυμα αερα να επιστρεψει προς την εισαγωγη και την ωρα που ανοιξει ξανα η βαλβιδα εισαγωγης να μπει μες στον κυλινδρο. Κατι τετοιο ειναι εφικτο επειδη στην πραγματικοτητα η χρονικη διαρκεια του κυκλου ειναι πολυ μικρη . Καποτε αυτη τεχνικη χρησιμοποιηθηκε και ως μεθοδος αυτουπερπληρωσης αλλα απετυχε λογω κοστους-αποδοσης. Επισης γι αυτο το λογο η βαλβιδια εισαγωγης δεν κλεινει στο ΚΝΣ αλλα λιγο μετα απ αυτο ωστε να αξιοποιησει πληρως τις αδρανειακες δυναμεις. Κατι παρομοιο αλλα το ακριβως αντιθετο συμβαινει και με την εξαγωγη. Επιπροσθετα η βαλβιδα εξαγωγης ανοιγει πριν το ΚΝΣ, δηλαδη πριν την πληρη εκτονωση τους, για να εκμεταλλευτουν τα καυσαερια την μεγαλυτερη απ την ατμοσφαιρικη πιεση που εχουν και να βγουν απ τον κυλινδρο. Ολα λοιπον τα παραπανω ρυθμιζονται με τον καταλληλο χρονισμο των βαλβιδων. Απο τα παραπανω γινεται κατανοητο οτι για ενα χρονικο διαστημα (σε μοιρες γωνιας στροφαλου) οι βαλβιδες εξαγωγης ειναι ανοιχτη μαζι με τις βαλβιδες εισαγωγης. Αυτο ονομαζεται γωνια επικαλυψης βαλβιδων και εξαρταται απο την γεωμετρια του εκκεντρου η οποια ρυθμιζεται απο τον κατασκευαστη και εχει ως παραγοντες τις επιθυμητες στροφες βελτιστης λειτουργειας (μεγιστης ροπης), την χρηση του κινητηρα, το αν ειναι υπερπληρουμενος η οχι κλπ κλπ.
• Η επικαλυψη των βαλβιδων ομως εχει και αλλο ενα θετικο στοιχειο. Οσο οι δυο βαλβιδες ειναι ανοιχτες, ο εισερχομενος αερας (η μιγμα καυσιμου) σπρωχνει και εκτοπιζει το υπολοιπο καυσαεριο που εχει μεινει στον κυλινδρο ενω παραλληλα τον ψυχει. Στην πραξη ομως ο καθε εκκεντροφορος (αυτο που λεμε περισσοτερο η λιγοτερο αγριος), δηλαδη τελικα το ποσο θα μεινουν ανοιχτες οι βαλβιδες εισαγωγης και εξαγωγης ταυτοχρονα, εξαρταται απο το ποιο φασμα στροφων θελουμε να εχουμε μεγιστη ροπη διοτι οταν αυξανουν οι στροφες αυξανει η ταχυτητα και οι αντιστασεις, οποτε η επικαλυψη των βαλβιδων πρεπει να εχει μεγαλυτερο χρονικο διαστημα, παραλληλα ομως ενας "αγριος" εκκεντροφορος χανει καποιο αερα ( η μιγμα καυσιμου) στις χαμηλες στροφες γιατι η παρατεταμενη επικαλυψη αφηνει χρονο ωστε το ρευστο απο την εισαγωγη να διαρευσει απο τις βαλβιδες εξαγωγης. Αν η επικαλυψη ειναι μικρη τοτε εχουμε καλυτερο βαθμο πληρωσης στις χαμηλες στροφες, αρα και καλυτερη ροπη, αλλα στην ουσια πνιγουμε τον κινητηρα στις ψηλες. Οι κατασκευαστες στα επιβατικα οχηματα ρυθμιζουν για μεγαλυτερη ροπη στις μεσαιες στροφες, σε αγροτικα και φορτηγα προτιμουν τις μικρες στροφες, ενω σε υψηλων επιδοσεων τις μεγιστες στροφες οπου εχουμε και την μεγιστη ισχυ. Αυτο το "διλημα" των κατασκευαστων τινει σιγα σιγα να λυθει με τον μεταβλητο χρονισμο των βαλβιδων.

Ο βαθμος πληρωσης ειναι ενα απο τα πολλα ζητηματα που προκυπτουν κατα την σχεδιαση μιας ΜΕΚ και μεχρι προτινως ηταν ενα σοβαρο ζητημα διοτι οι κατασκευαστες θα επρεπε να αποφασισουν απο που θα "θυσιασουν" ροπη και που θα εχουν την μεγιστη. Η τεχνολογια ομως εξελισσεται και μας δινει λυσεις για καθε προβλημα. Οπως ηδη αναφερθηκε ο μεταβλητος χρονισμος βοηθαει στην καλυτερη λειτουργια του κινητηρα που εχει σημαντικα ωφελη, οπως ειναι η μειωση της καταναλωσης καυσιμου και η αυξηση της ροπης σε ολο το φασμα των στροφων και ετσι δεν χρειαζεται οι σχεδιαστες να αποφασισουν και να συμβιβαζονται για το που θα "κοψουν" για να προσθεσουν καπου αλλου.