ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΡΜΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΩΝ

ΜΗΧΑΝΩΝ Ι

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 14

Δυναμομέτρηση και Ενεργειακός Ισολογισμός Δίχρονου Εμβολοφόρου

βενζινοκινητήρα

ΑΣΚΗΣΗ 14: ΔΥΝΑΜΟΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΙΣΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΔΙΧΡΟΝΟΥ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΡΑ Σκοπός της Άσκησης: Το να μάθει ο σπουδαστής: (α) Το πώς λειτουργεί δίχρονος βενζινοκινητήρα (β) Πως γίνεται η δυναμομέτρηση μικρού εμβολοφόρου κινητήρα στη πέδη του εργαστηρίου, (γ) Πως με τη δυναμομέτρηση του κινητήρα υπολογίζουμε χρήσιμες ποσότητες που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία του κινητήρα.

Θεωρητικό μέρος

1. ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΙΔΙΟΣΥΣΚΕΥΗΣ Η ιδιοσυσκευή του δίχρονου βενζινοκινητήρα του Εργαστηρίου Μηχανών Εσωτερικής Καύσης ενδείκνυται για τη κατάστρωση ενεργειακού ισολογισμού μικρών δίχρονων βενζινοκινητήρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μοντέλα τηλεκατευθυνόμενων αεροπλάνων ή αυτοκινήτων.

Σχήμα 1: Δυναμόμετρο δίχρονου βενζινοκινητήρα Η ιδιοσυσκευή που απεικονίζεται στο σχήμα 1, αποτελείται από: (α) Δίχρονο βενζινοκινητήρα (β) Ηλεκτροκινητήρα που δρα σαν γεννήτρια για την εκκίνηση του κινητήρα και σαν πέδη για τη δυναμομέτρηση του κινητήρα (γ) Μετασχηματιστή που χρησιμεύει στην εκκίνηση του κινητήρα και στην

αυξομείωση του ηλεκτρικού φορτίου

(δ) Θάλαμο εφησυχασμού της ροής στην εισαγωγή του κινητήρα (ε) Εξαεριωτή (καρμπυρατέρ) για τη προετοιμασία του μίγματος (στ) θερμόμετρα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας καυσαερίων και

θερμοκρασία του νερού ψύξης του κινητήρα..

Στο σχήμα 2 παρουσιάζεται ο μετασχηματιστής που χρησιμοποιείται για τη τροφοδοσία με συνεχές ρεύμα προς τον ηλεκτροκινητήρα για την εκκίνηση του δίχρονου βενζινοκινητήρα.

Σχήμα 2: Μετασχηματιστής παροχής συνεχούς ρεύματος

Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται μια σχηματική απεικόνιση του πλήρους πεδίου

δοκιμής και παρουσιάζει τα σημεία μέτρησης που πραγματοποιούνται σε αυτή την ιδιοσυσκευή.

ΚΑΥΣΙΜΟΝΕΡΟ ΨΥΞΗΣ

ΟΓΚΟΜΕΤΡΙΚΟΣΣΩΛΗΝΑΣΚΑΥΣΙΜΟΥ

ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ

ΓΕΝΗΤΡΙΑ

ΧΡΟΝΟΣΚΙΝΗΤΗΡΑΣ

ΜΕΤΡΗΤΗΣΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣΕΞΟΔΟΥΚΑΥΣΙΜΟΥ

Σχήμα 3: Σχηματική απεικόνιση της ιδιοσυσκευής δίχρονου βενζινοκινητήρα

Οι τεχνικές λεπτομέρειες είναι οι ακόλουθες: Μήκος βραχίονα ροπής δυναμόμετρου L 123mm Βαθμολογημένος μετρητής όγκου καυσίμου VG l0ml Διάμετρος του θαλάμου εφησυχασμού ροής που μετρά το στόμιο D 8mm Ικανότητα του παροχής νερού που συλλέγει Vw 0,55 λίτρα η δεξαμενή.

1.1 Κινητήρας

H μηχανή είναι ένας δίχρονος μονοκύλινδρος κινητήρας τύπου Viller. Η μηχανή αυτή κανονικά είναι αερόψυκτη εν αντιθέσει με το μοντέλο που χρησιμοποιείται στο στην εργασία αυτή, που υδρόψυκτη κεφαλή.

Οι τεχνικές λεπτομέρειες του κινητήρα είναι: Διάμετρος κυλίνδρου d 35mm Διαδρομή (διαδρομή εμβόλου) s 35mm Όγκος εμβολισμού 35cm3 hV

Ονομαστική ισχύς 0,5KW στις 4000rev/min

Η μηχανή λειτουργεί με προσυμπίεση στο στροφαλοθάλαμο και η σάρωση είναι βροχοειδής. Στις μηχανές αυτού του είδος το μίγμα αέρα/καυσίμου σύρεται στο στρόφαλο ο οποίος είναι συμπιεσμένος πριν από την παράδοση στον κύλινδρο της μηχανής.

Σχήμα 4: Αρχή λειτουργίας 2-χρονης μηχανής του Εργαστηρίου

Αναφερόμενοι στο σχήμα 4, ο εξαερωτής Α επικοινωνεί με μία μικρή δίοδο Β η οποία οδηγεί στη θυρίδα εισαγωγής του κινητήρα. Αυτή η πλευρά είναι ακάλυπτη όταν το έμβολο πλησιάζει το ΑΝΣ, σχήμα 4α και καθώς σ΄ αυτό το στάδιο του κύκλου υπάρχει υποπίεση στο στρόφαλο, το μίγμα αέρα/καυσίμου οδηγείται μέσω του εξαερωτή και έπειτα στο στρόφαλο.

Καθώς το έμβολο αρχίζει να κινείται προς τα κάτω, αυτή η πλευρά είναι κλειστή και αρχίζει η συμπίεση του μίγματος στο στρόφαλο. Ενώ το έμβολο πλησιάζει στο ΚΝΣ, πρώτα αποκαλύπτεται μια έξοδος καυσαερίου στον κύλινδρο και τα θερμά προϊόντα της καύσης απελευθερώνονται. Συνεχίζοντας την κίνηση προς τα

κάτω, το έμβολο αποκαλύπτει την πλευρά μεταφοράς D, η οποία συνδέεται με τον οχετό σάρωσης E. Το προσυμπιεσμένο μίγμα αέρα/καυσίμου στο στρόφαλο, οδηγείται μέσω του οχετού σάρωσης στον κύλινδρο, παρασύροντας τα καυσαέρια προς τη θυρίδα εξαγωγής και τελικά συμπληρώνοντας τον κύλινδρο με νέο μίγμα αέρα και καυσίμου.

Καθώς το έμβολο ανεβαίνει προς το Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ), ο αέρας

συμπιέζεται με μια παράλληλη άνοδο της θερμοκρασίας και ακριβώς πριν από το ΑΝΣ ξεκινά η έναυση του θερμού συμπιεσμένου μίγματος από τον σπινθήρα του αναφλεκτήρα, οδηγώντας σε μία αύξηση της πίεσης και της θερμοκρασίας. Κατά την διάρκεια των συνεχών κινήσεων προς το ΚΝΣ η κίνηση του εμβόλου παράγεται από την εκτόνωση των προϊόντων της καύσης (καυσαερίων), τα οποία βρίσκονται σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία. Η πίεση στον κύλινδρο πέφτει καθώς το έμβολο κινείται προς τα κάτω, στη συνέχεια απελευθερώνεται το καυσαέριο καθώς αποκαλύπτεται η θυρίδα εξόδου του κινητήρα και ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Αυτό είναι γνωστό σαν τον «κύκλο των 2-χρονων μηχανών» γιατί η λειτουργία της μηχανής περιλαμβάνει μόνο δύο χρόνους ανά κύκλο: τη συμπιεσμένη κίνηση προς τα πάνω του εμβόλου και την εκτονωτική κίνηση του εμβόλου προς τα κάτω. Στην περίπτωση της πιο γνωστής 4-χρονης μηχανής, η εκπομπή καυσαερίου και η διαδρομή του φορτίου μέσα στον κύλινδρο λαμβάνει χώρα παράλληλα με περαιτέρω δύο χρόνους του εμβόλου: κίνηση προς τα κάτω του εμβόλου για να εκκενώσει το καυσαέριο και προς τα πάνω για να τραβήξει φορτίο μέσα στον κύλινδρο.

Ένα χαρακτηριστικό του στροφάλου της 2-χρονης μηχανής είναι ότι η λίπανση του εμβόλου και του διωστήρα εξαρτώνται από το καύσιμο που μεταφέρεται μέσω του αέρα στη μηχανή. Για να παρέχει αυτή την απαραίτητη λίπανση, η μηχανή λειτουργεί με ένα μίγμα βενζίνης και λιπαντικού λαδιού.

Για να επιτραπεί η μελέτη των διαδικασιών μέτρησης της πίεσης μέσα στον κύλινδρο, η κεφαλή καλύπτεται με ένα μπουζί 14mm για να προσαρμοστεί σε αυτήν μετατροπέας πίεσης.

Το να γίνει αντιληπτή η επίδραση των αλλαγών στο μίγμα (η αναλογία μεταξύ της μάζας του αέρα και της μάζας του καυσίμου που εισέρχονται στη μηχανή, είναι 14:1) είναι βασικό προκειμένου να πραγματοποιηθεί σωστά η καύση. Για να επιτραπεί η μελέτη αυτής της επίδρασης, ο εξαερωτήρας της μηχανής προσαρμόζεται με έναν "θάλαμο εφησυχασμού ροής", ο οποίος ουσιαστικά είναι ένα δοχείο του οποίου το μέγεθος του στομίου που ελέγχει τη παροχή μάζας του καυσίμου και με τη βοήθεια του εξαερωτή τη ροή της βενζίνης στη μηχανή.

1.2 Δυναμόμετρο

O στροφαλοφόρος άξονας συνδέεται με έναν ιμάντα και με ένα δυναμόμετρο

το οποίο αποτελείται κυρίως από μία ηλεκτρική γεννήτρια, η οποία συνδέεται χωριστά με μία παροχή 24 Volt, ενώ το ρεύμα που παράγει η γεννήτρια απορροφάται από μία αντίσταση που μεταφέρεται στο πίσω επίπεδο της μηχανής. Ένα βολτόμετρο και ένα αμπερόμετρο πάνω στο επίπεδο δείχνει την ισχύ της γεννήτριας.

Για να επιτραπεί η μέτρηση της μηχανικής ισχύος από τη μηχανή, το περίβλημα της γεννήτριας τοποθετείται στη έδραση των ρουλεμάν έτσι ώστε να μπορεί να περιστρέφεται γύρω από τον άξονα της μηχανής. Η κινητήρια ροπή είναι ίδια με τη ροπή της μηχανής και μετριέται από ένα προσαρμόσιμο ελατήριο (ζυγαριά)

που δείχνει την εφαπτόμενη δύναμη που δρα σε συγκεκριμένη ακτίνα, η οποία είναι απαραίτητη για να ισορροπεί την κινητήρια ροπή της μηχανής.

Το δυναμόμετρο όταν τροφοδοτείται με ηλεκτρική ισχύ από εξωτερική πηγή, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ξεκινήσει τη μηχανή και να την «κινήσει» χωρίς ανάφλεξη και συνάμα να μετρήσει τις μηχανικές απώλειες της μηχανής.

1.3 Παροχή Καυσίμου

Μία δεξαμενή καυσίμου η οποία είναι εγκατεστημένη στο πίσω τμήμα του

δυναμόμετρου τροφοδοτεί τη μηχανή μέσω ενός φίλτρου, μιας βαλβίδας ροής καυσίμου και μέσω ενός μετρητή καυσίμου. Ο μετρητής καυσίμου αποτελείται από ένα δοχείο χωρητικότητας 10ml, όπου κλείνοντας τη βαλβίδα μεταξύ της δεξαμενής καυσίμων και του μετρητή, η μηχανή μπορεί να τροφοδοτηθεί με καύσιμο από το μετρητή και ο χρόνος που λαμβάνεται για να καταναλωθεί μπορεί να παρατηρηθεί.

1.4 Παροχή Αέρα

Ο αέρας που απορροφάται από τη μηχανή οδηγείται σε ένα θάλαμο

εφησυχασμού αέρα, που βρίσκεται στη βάση της μηχανής και συνδέεται με έναν ελαστικό σωλήνα μέσα στο εσωτερικό του εξαερωτήρα. Ο αέρας εισέρχεται στο θάλαμο εφησυχασμού, με σκοπό να αποσβαίνει τους παλμούς στην εισαγωγή, μέσω ενός στομίου που βρίσκεται στην πλευρά του θαλάμου εφησυχασμού, ενώ η πτώση της πίεσης δια μέσου του στομίου υποδεικνύεται με τη βοήθεια ενός μανόμετρου σχήματος "U"(U-tube manometer) που βρίσκεται στο πίσω επίπεδο. Γνωρίζοντας αυτή την πτώση της πίεσης, και σε συνδυασμό με τη θερμοκρασία αέρα και τη βαρομετρική πίεση, μπορεί να υπολογιστεί η παροχή μάζας αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα.

1.5 Παροχή νερού ψύξης

Μια δεξαμενή παροχής νερού βρίσκεται στο πίσω μέρος της μηχανής και

συνδέεται με εύκαμπτους σωλήνες που οδηγούν αντίστοιχα από το κατώτερο σημείο της δεξαμενής στο κατώτερο σημείο του χιτωνίου και από την κυλινδροκεφαλή στην κορυφή της δεξαμενής. Με αυτή τη διάταξη το νερό ανακυκλώνεται μέσω του χιτωνίου και της κυλινδροκεφαλής. Το κρύο νερό εισέρχεται στη δεξαμενή από τους κεντρικούς αγωγούς και η ποσότητα ροής ελέγχεται από μια βαλβίδα που βρίσκεται στο πίσω μέρος της μηχανής. Η υπερχείλιση του καυσίμου από το δοχείο οδηγείται σε ένα ποτήρι που συλλέγει το υγρό και που έχει σωλήνα υπερχείλισης και κάνουλα. Τα θερμόμετρα υδραργύρου δείχνουν τις θερμοκρασίες εισόδου και εξόδου του νερού. Ο ρυθμός ροής της παροχής νερού μπορεί να μετρηθεί με το κλείσιμο της κάνουλας του δοχείο συλλογής και με την παρατήρηση του χρόνου που χρειάζεται για να συμπληρωθεί ο όγκος της παροχής νερού. Αυτές οι παρατηρήσεις επιτρέπουν τον υπολογισμό της θερμότητας στην παροχή νερού.

1.6 Σύστημα εξάτμισης

Τα καυσαέρια της μηχανής εισέρχονται σε έναν αγωγό, στον οποίο βρίσκεται ένα

θερμόμετρο υδράργυρου που δείχνει τη θερμοκρασία των καυσαερίων, και από εκεί σε έναν εύκαμπτο σωλήνα, ησυχαστήρα (silencer) και οδηγούνται στον εξωτερικό χώρο του

εργαστηρίου.

1.7 Όργανα Μετρήσεων Η μετρητική ιδιοσυσκευή του εργαστηρίου αποτελείται από: α) Ζυγαριά ελατηρίου για τη μέτρηση στρεπτικής δύναμης στον άξονα του κινητήρα. β) Ταχύμετρο για τη μέτρηση της ταχύτητας περιστροφής της μηχανής. Αυτό είναι ένα ψηφιακό ηλεκτρονικό όργανο που απαιτεί ένα ηλεκτρικό σήμα από τη παροχή ρεύματος. γ) Βολτόμετρο και αμπερόμετρο για τη μέτρηση του δυναμόμετρου με ηλεκτρική ενέργεια. δ) Μετρητική διάταξη μέτρησης ροής καυσίμου. ε) Μετρητή ροής με το μανόμετρο που περιέχει υγρό για τη μέτρηση παροχής μάζας του αέρα. στ) Βαθμονομημένα θερμόμετρα για τη ροή της παροχής νερού ζ) Βολτόμετρο και αμπερόμετρο για τη μέτρηση της ηλεκτρικής παραγωγής του δυναμόμετρου. η) Θάλαμο εφησυχασμού ροής εξαερωτήρων για την ανεξάρτητη ρύθμιση της ροής καυσίμου.

2. ΔΥΝΑΜΟΔΕΙΚΤΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ

Το σχήμα 5 που αναπαριστά τη κατανομή πίεσης – όγκου εντός του κυλίνδρου σε ένα κύκλο λειτουργία του κινητήρα, δείχνει σε γενικές γραμμές τις διεργασίες που εξελίσσονται στον κύλινδρο κατά τη διάρκεια της εναλλαγής των αερίων (τμήμα 4ΓΔΓ), όταν δηλαδή το κινούμενο έμβολο καλύπτει ή αποκαλύπτει τις θυρίδες εισαγωγής (Θ.Σ.) ή εξαγωγής (Θ.Ξ.). Για ιδανική εναλλαγή αερίων, τα τμήματα ΓΔ και ΔΓ, που αντιστοιχούν όταν είναι συγχρόνως ανοικτές και οι δύο θυρίδες (απόπλυση), συμπίπτουν επάνω στην ισοβαρή σPP = , όπου είναι της τάξης του

σP

aP⋅ ÷1,3)(1,2

aP. Η πίεση του σημείου 1 αντιστοιχεί στην πίεση

περιβάλλοντος .

Σχήμα 5: Δυναμοδεικτικό διάγραμμα δίχρονου κινητήρα

Σχετικά με τον X−2 κινητήρα δίνονται οι πιο κάτω ορισμοί :

=hV τυπικός ή ολικός όγκος εμβολισμού ( )1( ) =⋅−=−= hhhh VVVV ξξξ σσ 1 ουσιαστικός όγκος ( )2

( ) =−= hh VV σσ σ1 συμβατικός όγκος εμβολισμού ( )3( ) =+= chc VVV /ε τυπικός βαθμός συμπίεσης ( )4( ) =+= chc VVV /ξξε ουσιαστικός βαθμός συμπίεσης ( )5

( ) =+= chc VVV /σε συμβατικός βαθμός συμπίεσης ( )6∗

Όπου σσ = σχετικό άνοιγμα εισαγωγής, με τιμές 14,009,0 ÷ για βραδύστροφους και

για ταχύστροφους κινητήρες και 18,012,0 ÷ ξσ = σχετικό άνοιγμα εξαγωγής, με

τιμές 0,20 ÷ 0,30 για βραδύστροφους και 0,28 ÷ 0,40 για ταχύστροφους κινητήρες. Ώστε ενώ η μηχανή έχει κατασκευασθεί με όγκο εμβολισμού , μόνο ένα

μέρος αυτού του όγκου, το hV

( ) hh VV ⋅−= ξξ σ1 , αξιοποιείται για την ουσιαστική συμπίεση. Επομένως και ο ουσιαστικός βαθμός συμπίεσης ξε θα καθορίζεται από τον και όχι από τον . ξhV hVΓια την συγκρότηση του ιδανικού πρότυπου κύκλου μπορεί να ληφθεί υπόψη για τους υπολογισμούς ένα ¨συμβατικός¨ βαθμός συμπίεσης ε, ίσον είτε με τον τυπικό βαθμό συμπίεσης ε είτε με τον ουσιαστικό βαθμό συμπίεσης ξε . Στην μεν πρώτη περίπτωση θα έχουμε τον κύκλο Ε 1 2 2 3 3 Α Ε, με επιπλέον έργο παριστώμενο κατά προσέγγιση από το εμβαδόν (4 Γ 1 Ε Α 4), στη δε δεύτερη τον κύκλο 1 2 3 4 1 με λιγότερο έργο κατά το (4 Γ 1 4 ). Μεταξύ των δύο ακραίων αυτών περιπτώσεων

μπορούμε να πάρουμε σαν «συμβατικό βαθμό συμπιέσης» το κατά τη σχέση (6) και επομένως σαν ιδανικό πρότυπο κύκλο τον 1 2 2 3 3

∗ε∗1 ∗4 (οι 11∗ και είναι

προεκτάσεις των ισεντροπικών μεταβολών 2 1 και 3 4). Στην περίπτωση αυτή είναι βολικό να δεχθούμε στο σημείο ατμοσφαιρικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας

∗1 ∗44

∗1( )aa TP , .

3. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΜΕΓΕΘΩΝ 3.1 Υπολογισμός Ροπής Στρέψης και Ισχύος

Η παραγόμενη ροπή στρέψης που μετράται από το δυναμόμετρο δίνεται κατά προσέγγιση από τον παρακάτω τύπο (βλέπε Παράρτημα Α):

1000

LF ⋅= (1) T

Η ωφέλιμη ισχύς του κινητήρα δίνεται σε KWatt από την εξίσωση:

TNP ⋅⋅⋅

=2 π (1α) 1000

Συνδυασμός των εξισώσεων (1) και (1α)

71062 ⋅

=⋅ ⋅ ⋅×

FLNP π [KWatt] (1β)

P υποδεικνύεται από μια εξίσωση που καταγράφεται στο δυναμόμετρο της μορφής

1KnF ⋅

= (2) P

Από τις εξισώσεις (1β) και (2)

L

K⋅⋅

×=

π2106 7

1 (2α)

Η απόδοση της μηχανής αναφέρεται συνήθως σε όρους της μέσης απόδοσης πιέσεως της πέδησης. Αυτό είναι η υπολογίσιμη μέση ενεργός πίεση που θα έπρεπε να ενεργήσει επάνω στα έμβολα κατά τη διάρκεια κάθε κίνησης εργασίας για να επιτύχει την παρατηρηθείσα παραγωγή δύναμης εάν δεν υπήρξε καμία μηχανική απώλεια. Η παραγωγή μηχανικής ισχύος, σε επίπεδο b.m.e.p. δίνεται από:

4106 ×⋅⋅ hVNbmep

=P (3)

Ο όγκος εμβολισμού δίνεται από:

6

2

104 ×⋅⋅

=sdV s

π (4)

Λύνοντας την εξίσωση (3) ως προς τη μέση ενεργό πίεση:

hVNPbmep

⋅×

=4106 (5)

Συνδυασμός της εξίσωσης (5) με τις εξισώσεις (2) ή (3) μπορούμε να γράψουμε:

hVKFbmep

1

4106 ×= (6)

3.2 Υπολογισμός της κατανάλωσης καυσίμου Η κατανάλωση καυσίμου υπολογίζεται όπως ακολουθεί:

t

VV G⋅

=3600

(7)

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό μιας μηχανής εσωτερικής καύσης είναι η συγκεκριμένη κατανάλωση καυσίμου δίνει ένα μέτρο της θερμικής απόδοσης της μηχανής. Καθορίζεται ως εξής:

PVv = (8)

3.3 Μέτρηση κατανάλωσης αέρα

Η ταχύτητα που αναπτύσσεται από ένα αέριο που κινείται από την επιρροή μιας διαφοράς πίεσης αρκετά μικρής (όπως στην παρούσα περίπτωση) για τις πολύ μικρές μεταβολές της πυκνότητας (δηλ. ασυμπίεστη ροή) δίνεται από:

2

2UP ⋅=Δ

ρ (9)

Όπου : ΔP = διαφορά πίεσης, Newton/meter² Η διαφορά πίεσης μετριέται στα εκατοστόμετρα του ύδατος και από τότε: 1cm H2O = 98,1 N/m² Η εξίσωση (9) γίνεται:

2

1,98 20 Uh

P⋅⋅

=Δ (10)

Η πυκνότητα του αέρα δίνεται από:

aa

a TRP

P⋅=

410 (11)

Συνδυασμός των εξισώσεων (10) και (11):

a

ao

PTh

U⋅

⋅≈ 3103,237 (12)

H ογκομετρική παροχή, από τις εξισώσεις (11) και (12) είναι:

a

aa T

PhKDV⋅

⋅⋅⋅⋅= −

303

23

103.237

410 π (13)

H μαζική παροχή τότε δίνεται:

4

10 32

6 KDm aπ

⋅= − 30 10827,0 ×⋅⋅a

a

TPh

(14)

Υποθέτοντας μία τιμή του συντελεστή της στένωσης του στομίου του θαλάμου εφησυχασμού της ροής: K3 = 0,6 Από τις εξισώσεις (13) και (14) μειώνονται:

a

aoa P

ThDV ⋅⋅= 2003536,0 (13α)

a

aoa T

PhDm ⋅⋅= 200001232,0 (14α)

η ογκομετρική απόδοση είναι η αναλογία του όγκου του αέρα που απορροφάται volnαπό τη μηχανή ανά μονάδα χρόνου στον όγκο που σαρώθηκε έξω από το έμβολο στο ίδιο διάστημα:

s

avol Vn

Vn

⋅⋅

=60

(15)

Η αναλογία αέρα/καυσίμου είναι η αναλόγια του συνολικού αέρα προς το σύνολο του καυσίμου ανά μονάδα χρόνου :

Vm

AFf

a

⋅⋅

=ρ

3600 (16)

3.4 Μέτρηση Θερμότητας στη Παροχή Νερού Ποσοστό ροής της παροχής νερού:

w

w

tV

q = (17)

Ειδική θερμότητα νερού C KgKJ/ 4187,8=w

Θερμότητα νερού ψύξης ( )23 TTqCQ www −⋅⋅⋅= ρ (18)

Ο πραγματικός βαθμός απόδοσης του κινητήρα αποτελεί το πηλίκο της πραγματικής ισχύος προς την εισερχόμενη ενέργεια : bI BQ

uB

b

B

bb m

IQI

nΘ⋅

== (19)

Έχοντας προσδιορίσει τον πραγματικό βαθμό απόδοσης, μπορεί κανείς να υπολογίσει την ειδική κατανάλωση καυσίμου, δηλ. την κατανάλωση καυσίμου ανά μονάδα ισχύος του κινητήρα:

ubnsfc

Θ⋅=

1 (20)

Η παραπάνω εξίσωση δίνει την ειδική κατανάλωση καυσίμου Kg/J. Επειδή όμως η μονάδα αυτή δεν χρησιμοποιείται σε πρακτικές εφαρμογές, έχει επικρατήσει να υπολογίζεται η ειδική κατανάλωση είτε σε g/KWh με την εξίσωση:

ubnsfc

Θ⋅⋅

=6106,3 (21)

όπου η θερμογόνος δύναμη του καυσίμου μετράται σε KJ/Kg.

3.5 Ανάλυση των Χαρακτηριστικών Αποτελεσμάτων του πειράματος Τα αποτελέσματα αυτής της μεθόδου εξηγούνται παρακάτω: Ροπή Στρέψης ( )1 FT ⋅= 123,0 [Nm]

Πραγματική Ισχύς ( )b1 37 1064,771061232

×⋅

=×

⋅⋅Ν⋅⋅=

FNFIbπ = [KW]

Κ1= 31064,77 ×

Συνολικός όγκος εμβολισμού μηχανής ( )4 6

2

1043535

×××

=π

hV = 0,034 lt

Η μέση ενδεικνύμενη πίεση (6) 034,01064,77

1063

4

××××

=Fbmep = 22,73 F [KN/m²]

κατανάλωση καυσίμου (7) tt

V f3601,03600

=×

= lt/hour

Κατανάλωση αέρα (13α) a

ao

PTh

V×

= 003536,0α

a

ao

PTh ×

= 226,0 [lt/s]

= ××

1000322133 Ένδειξη

μανόμετρου mm Hg

(14α) a

aoa T

Phm

×××= 6400001332,0

a

ao

TPh ×

×= 00079,0 kg/s

(15) =voln N

VN

V aa ×=

⋅⋅ 1765

034,060

Θερμoγόνος Δύναμη καυσίμου UΘ = 41,9 j/kg 610×

Πυκνότητα των καυσίμου fρ = 0.75 kg/l

Λόγος αέρα - καυσίμου (16) AF = V

ma×4800

Ποσότητα της παροχής νερού ψύξης slt

qw

/55,0=

Πυκνότητα νερού ψύξης lkgw /1=ρ

)( 23 TTqCQ www −⋅⋅⋅= ρ Θερμότητα νερού ψύξης

Θερμότητα των καυσαερίων 3600

75,0109,41 6 VQR⋅××

=

Συμβολισμοί

Οι παρακάτω συμβολισμοί χρησιμοποιούνται για την λήψη και επεξεργασία των μετρήσεων:

Παράμετρος και μεθοδολογία ή τόπος μέτρησης Μονάδες

n : αριθμός στροφών κινητήρα, ένδειξη στην κονσόλα μετρήσεων RPM

F : Δύναμη Ν

T1: έξοδος καυσαερίου, ένδειξη πάνω στη μηχανή °C

T2: θερμοκρασία εισόδου νερού ψύξης, ένδειξη στην κονσόλα μετρήσεων °C

Τ3: θερμοκρασία εξόδου νερού ψύξης, ένδειξη στην κονσόλα μετρήσεων °C

T: θερμοκρασία περιβάλλοντος μετράται από θερμόμετρο °C

Vf: ογκομετρική κατανάλωση καυσίμου, μετράται με ογκομετρικό σωλήνα και χρονόμετρο

m³/s

Pα: ατμοσφαιρική πίεση Pa

Md: Στρεπτική Ροπή, μέτρηση του ενεργού μήκους του μοχλοβραχίονα επί την καθαρή ενεργούσα δύναμη

Νm

Β.Μ.Ε.P. : Mέση πραγματική πίεση ΚN/m²

q : Παροχή νερού lt/s

ma :Παροχή μάζας αέρα Kg/s

fρ :Πυκνότητα καυσίμου για τη δεδομένη θερμοκρασία Kg/m³

Hu: Κατωτέρα θερμογόνος δύναμη του καυσίμου J/Kgf

Cp: Ειδική θερμοχωρητικότητα αέρα και καυσίμου J/Kg°K

Tin : Απόλυτη θερμοκρασία του αέρα εισαγωγής °Κ

Τοut: Απόλυτη θερμοκρασία των καυσαερίων °Κ

wρ : Πυκνότητα νερού ψύξης Kg/m³

Vw: Ογκομετρική παροχή νερού ψύξης m³/s

Δθw : Διαφορά θερμοκρασιών εισόδου - εξόδου από την μηχανή του νερού ψύξης °C

Ηουτ: Ροή ενθαλπίας καυσαερίων στην θερμοκρασία απομάκρυνσης τους Τοut °Κ

Ηin: Ροή ενθαλπίας καυσαερίων στη θερμοκρασία εισαγωγής του αέρα Tin °Κ

QB : Χημική ενέργεια μέσω του καυσίμου w

QR : Ισχύς καυσαερίων w

Qw: Ισχύς ψυκτικού μέσου w

Qα: Άδηλες απώλειες w

bI : Ωφέλιμη ισχύς w

fρ : Πυκνότητα καυσίμου για δεδομένη θερμοκρασία Kg/m³

Μονάδες μετρήσεων Φυσικών Μεγεθών στο S.I. Μια εισαγωγή στις έννοιες της εργασίας, της δύναμης και της ενέργειας (στο διεθνές σύστημα S.I. μονάδων). Έργο = δύναμη απόσταση που κινείται από τη δύναμη. × Η μονάδα της δύναμης είναι το Newton (N). 1 Newton = δύναμη που απαιτείται για να επιταχύνει μια μάζα 1 kg από 1 m/s 2. Η μονάδα της απόστασης είναι το μέτρο (m). Η μονάδα του έργου είναι το joule (J). 1 joule = έργο που εκτελείται από μια

δύναμη Newton ενεργώντας μέσω μιας απόστασης ενός μέτρου. 1 J = 1 Nm Η μονάδα της δύναμης είναι Watt. 1 Watt = 1 Newton-μέτρο ανά δευτερόλεπτο (s). 1 W = 1 J/s = 1 Nm/s

Η μονάδα της ενέργειας είναι επίσης το Joule. Αυτό ισχύει για την ενέργεια σε όλες τις μορφές του: ατομικός, χημικός, θερμικός, ηλεκτρικός, μηχανικός. Όλες αυτές οι μορφές ενέργειας είναι, από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, οπωσδήποτε σε γενικές γραμμές αμοιβαία μετατρέψιμες. Η ισχύς που μεταφέρει ένας περιστρεφόμενο; Άξονας δίνεται από την εξίσωση: TI b ⋅= ω [σε Watt] όπου ω = γωνιακή ταχύτητα του άξονα, ακτίνια/δεύτερολεπτο.

T = ροπή στρέψης, σε Nm Εάν η δύναμη απορροφάται από την πέδη, η οποία αποτρέπεται από την περιστροφή από μια δύναμη F Newtons ενεργώντας στα μέτρα L της ακτίνας:

LFT ⋅= [σε Nm] Έτσι λόγω της προηγούμενης εξίσωσης, η ισχύς P μπορεί να γραφεί:

LFIb ⋅⋅= ω [σε Watt] Εάν η πηγή ενέργειας είναι μια μηχανή που καταναλώνει m γραμμάρια καυσίμου ανά δευτερόλεπτο, και εάν η θερμιδική αξία των καυσίμων είναι Q Joules/grammar: Ποσό (χημικής) ενεργειακής εισαγωγής στη μηχανή:

Qmq ⋅= [σε Watt]

Η θερμική απόδοση της μηχανής, η αναλογία της παραγωγής μηχανικής δύναμης (στη χημική) εισαγωγή δύναμης:

QmLF

QmPnth ⋅

⋅⋅⋅=

⋅⋅=

ω100100

Το διεθνές σύστημα των μονάδων (S.I.) υιοθετείται. Θερμοκρασίες: Τ(°C) + Τ(Κ) +273

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ 1.Διαδικασία εκκίνησης της βενζινομηχανής Στη συνέχεια περιγράφονται αναλυτικά η διαδικασία εκκίνησης, αλλά και η διαδικασία σβησίματος της εργαστηριακής μηχανής Plint. Η διαδικασία αυτή πρέπει να τηρηθεί πιστά, έτσι ώστε να μην δημιουργηθεί πιθανότητα μερικής ή ολικής καταστροφής της βενζινομηχανής:

1. Γεμίζουμε με μίγμα βενζίνης λαδιού το μετρητικό δοχείο.

2. Ανοίγουμε τη βάνα τροφοδότησης νερού του δικτύου.

3. Δίνουμε λίγο γκάζι.

4. Γρασάρουμε τα έδρανα του δυναμόμετρου (αν χρειάζεται).

5. Ελέγχουμε το ελατήριο του μοχλοβραχίονα ώστε να είναι στην ένδειξη μηδέν.

6. Ανοίγουμε το διακόπτη της μπαταρίας, παράλληλα στέλνοντας ρεύμα από το

δίκτυο το οποίο γίνεται 12V μέσω του μετασχηματιστή. Στη συνέχεια το

ρεύμα οδηγείται στη γεννήτρια η οποία λειτουργεί σαν μίζα.

7. Περιμένουμε μερικά λεπτά ώστε να κυκλοφορήσει το νερό στον κινητήρα.

8. Ρυθμίζουμε το γκάζι στο μέσο της διαδρομής και παράλληλα προσθέτουμε

φορτίο κατεβάζοντας τον μοχλό.

2. Διαδικασία σβησίματος της βενζινομηχανής 1. Λειτουργούμε την μηχανή σε χαμηλές στροφές.

2. Κατεβάζουμε το μοχλό του φορτίου και παράλληλα ελαττώνουμε το γκάζι

μέχρι τέλους.

3. Κλείνουμε τη βάνα τροφοδοσίας του καυσίμου.

4. Κλείνουμε τη βάνα τροφοδοσίας του νερού.

5. Κλείνουμε το γενικό διακόπτη

Υπόδειγμα φύλου μετρήσεων 2-χρονου κινητήρα στην ιδιοσυσκευή του εργαστηρίου.

ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Μονάδες Α Β Γ

Στροφές λειτουργίας n rpm

Δύναμη F N

Θερμοκρασία εισόδου νερού T2 °C

Θερμοκρασία εξόδου νερού T3 °C

Θερμοκρασία εξόδου καυσαερίων T1 °C

Ατμοσφαιρική πίεση Pa bar

Ατμοσφαιρική θερμοκρασία αέρα °C

Χρόνος κατανάλωσης καυσίμου sec

Υποπίεση νερού ho mm

tw sec

Πυκνότητα καυσίμου ρf Kg/m³

Κατ. θερμογόνος δύναμη του καυσίμου J/Kgf

Θερμοχωρητικότητα νερού Cw J/Kg°K

Πρακτικό μέρος (α) Λειτουργώντας την ιδιοσυσκευή, να πάρετε τρία σετ μετρήσεων συμπληρώνοντας τον παραπάνω πίνακα και να υπολογίσετε τον Ενεργειακό Ισολογισμό του δίχρονου κινητήρα. (β) Για καθένα από τα τρία σετ μετρήσεων που πήρατε, να υπολογίσετε τα μεγέθη που βρίσκονται στον παρακάτω πίνακα:

Α Β Γ F = Ν

Power Ib = KW

Torque T = Nm

bmep = KN/m²

Vf = lt/hour

Vw = lt/sec

Va = lt/sec

nvol =

ma = kg/sec

AF =

QB = W

Ib = W

QR = W

Qw = W

Qa = W

sfc = g/KWh

Ib / QΒ = %

QR/QB = %

QW/QB = %

Qa/QB = %

(γ) Έχοντας συμπληρώσει τον παραπάνω πίνακα, να κάνετε το ενεργειακό ισοζύγιο του κινητήρα για κάθε μια από τις τρεις μετρήσεις. (δ) Να κάνετε τις γραφικές παραστάσεις:

(i) του πραγματικού βαθμού απόδοσης 100*B

bQ

I σε συνάρτηση με

τη μέση ενδεικνύμενη πίεση (bmep). (ii) της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου (sfc) σε συνάρτηση με τη μέση ενδεικνύμενη πίεση (bmep).