ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

Ευάγγ. Γ. Γιακουμής, Αναπλ. Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, Ε.Μ.Π.

Αθήνα, 2015

Ε.Γ. ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ – ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

2

ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Το παρόν τεύχος ασκήσεων αποτελεί συνοδευτικό κείμενο του βιβλίου Κ.Δ.

Ρακόπουλος, Ε.Γ. Γιακουμής, «Εναλλαγή Αερίων και Υπερπλήρωση Μ.Ε.Κ.», Εκδ. Γρ.

Φούντας, Αθήνα, 2011, το οποίο διανέμεται στους φοιτητές του 8ου εξαμήνου της

Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π. στα πλαίσια του ομώνυμου μαθήματος

επιλογής.

Στο τεύχος αυτό δίνονται και επιλύονται μία σειρά από ασκήσεις υπερπλήρωσης

Μ.Ε.Κ. (με έμφαση στη στροβιλο-υπερπλήρωση) και των δύο «πιθανών» κατηγοριών,

δηλαδή

«θεωρητικές», όπως χαρακτηριστικά επιλογής του κατάλληλου συστήματος

υπερπλήρωσης, διάταξης πολλαπλής εξαγωγής, αναγνώρισης κυκλωμάτων, κλπ,

αλλά και

λογιστικές π.χ. υπολογισμός/επιλογή του κατάλληλου συμπιεστή, εύρεση μέσης

πραγματικής πίεσης, βαθμού πλήρωσης κλπ.

Σε όλες τις περιπτώσεις υπάρχει λεπτομερής επεξήγηση, καθώς και αναφορά στις

σχετικές παραγράφους ή/και σχήματα του κύριου διδακτικού βιβλίου.

Ορισμένες ασκήσεις δεν επιλύονται (ή δεν επιλύονται αναλυτικά), έχοντας εσκεμμένα

αφεθεί για εξάσκηση. Στην περίπτωση αυτή παρέχονται οι λύσεις, ή μόνον οι

απαντήσεις, στο Παράρτημα Α.

Τέλος στο Παράρτημα Β δίνονται οι βασικές εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για την

επίλυση των λογιστικών ασκήσεων. Η ορολογία και τα σύμβολα που χρησιμοποιούνται

είναι ίδια τόσο με το βιβλίο «Εναλλαγή Αερίων και Υπερπλήρωση Μ.Ε.Κ.», όσο και με

Ε.Γ. ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ – ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

3

το βασικό βιβλίο Μ.Ε.Κ., Κ. Δ. Ρακόπουλου, «Αρχές Εμβολοφόρων Μηχανών Εσωτερι-

κής Καύσης. Εισαγωγή - Λειτουργία - Θερμοδυναμική».

Ευάγγελος Γ. Γιακουμής

Αναπληρωτής Καθηγητής

Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, Ε.Μ.Π.

Σεπτέμβριος 2015

Ε.Γ. ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ – ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

4

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΑΣΚΗΣΗ 1 ............................................................................................................................... 5

ΑΣΚΗΣΗ 2 ............................................................................................................................... 8

ΑΣΚΗΣΗ 3 ............................................................................................................................. 11

ΑΣΚΗΣΗ 4 ............................................................................................................................. 12

ΑΣΚΗΣΗ 5 ............................................................................................................................. 15

ΑΣΚΗΣΗ 6 ............................................................................................................................. 17

ΑΣΚΗΣΗ 7 ............................................................................................................................. 20

ΑΣΚΗΣΗ 8 ............................................................................................................................. 21

ΑΣΚΗΣΗ 9 ............................................................................................................................. 26

ΑΣΚΗΣΗ 10 ........................................................................................................................... 27

ΑΣΚΗΣΗ 11 ........................................................................................................................... 28

ΑΣΚΗΣΗ 12 ........................................................................................................................... 31

ΑΣΚΗΣΗ 13 ........................................................................................................................... 36

ΑΣΚΗΣΗ 14 ........................................................................................................................... 40

ΑΣΚΗΣΗ 15 ........................................................................................................................... 42

ΑΣΚΗΣΗ 16 ........................................................................................................................... 44

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α – Απαντήσεις Επιλεγμένων Ασκήσεων ........................................................ 45

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β – Βασικές Υπολογιστικές Σχέσεις Υπερπλήρωσης Μ.Ε.Κ. ........................... 49

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...................................................................................................................... 53

Ε.Γ. ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ – ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

5

ΑΣΚΗΣΗ 1 Στις παρακάτω επιλογές τύπων υπερπλήρωσης, αναφέρετε (χρησιμοποιείστε ως

πιθανές απαντήσεις: «ναί», «όχι», «υπό συνθήκες») και εξηγείστε ποιές ταιριάζουν σε

υπερπληρωμένο κινητήρα Otto επιβατικού αυτοκινήτου:

α) στροβιλο-υπερπλήρωση με ενδιάμεσο ψυγείο αέρα,

β) διβάθμια στροβιλο-υπερπλήρωση,

γ) σύστημα στροβιλο-υπερπλήρωσης με στρόβιλο μεταβλητής γεωμετρίας,

δ) σύστημα στροβιλο-υπερπλήρωσης με αξονικό στρόβιλο,

ε) συμπιεστής με διαχύτη χωρίς πτερύγια.

Ε.Γ. ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ – ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

6

Απάντηση

Το βασικό χαρακτηριστικό της υπερπλήρωσης κινητήρων Otto είναι το γεγονός ότι οι

υψηλές πιέσεις του αερίου μέσα στον κύλινδρο, που αναπόφευκτα δημιουργούνται

λόγω της αυξημένης πίεσης εισόδου του αέρα (μίγματος) στον κύλινδρο, μπορεί να

οδηγήσουν σε εμφάνιση κρουστικής καύσης (ειδικά αν δεν ληφθεί πρόνοια για μείωση

του βαθμού συμπίεσης). Κατά συνέπεια, είναι γενικά περιορισμένα τα επίπεδα

υπερπλήρωσης που εφαρμόζονται σε κινητήρες μαζικής παραγωγής.

α) Η στροβιλο-υπερπλήρωση ταιριάζει σε κάθε τύπο κινητήρα, λόγω απλής και φθηνής

κατασκευής, υψηλών παροχών αέρα από μικρό μέγεθος ζεύγους, και αύξησης του

βαθμού απόδοσης του κινητήρα. Η ενδιάμεση ψύξη του αέρα υπερπλήρωσης, από την

άλλη πλευρά, συνδυάζεται με πιέσεις υπερπλήρωσης τουλάχιστον 2 bar, οι οποίες με

τη σειρά τους οδηγούν σε θερμοκρασίες στην έξοδο του συμπιεστή πάνω από 100οC

(οπότε και έχει «νόημα» πλέον η ύπαρξη ενδιάμεσου ψυγείου λογικών διαστάσεων).

Αρκετοί κινητήρες Otto, με σκοπό την αποφυγή εμφάνισης της κρουστικής καύσης,

σχεδιάζονται για λειτουργία μέχρι το «όριο» των 2 bar πίεσης υπερπλήρωσης,

συνεπώς η απάντηση είναι ναι (όσον αφορά τη στροβιλο-υπερπλήρωση)-υπό συνθήκες

(όσον αφορά την ενδιάμεση ψύξη), αν η πίεση υπερπλήρωσης βρίσκεται κοντά στα 2

bar για το κύριο φάσμα λειτουργίας του κινητήρα. Αν τα 2 bar αποτελούν το μέγιστο

σημείο λειτουργίας που μπορεί να λειτουργήσει ο κινητήρας, τότε μπορεί και να μην

τοποθετηθεί ψυγείο σε συνδυασμό, πάντα, και με θέματα χώρου.

β) Η διβάθμια (σε σειρά) στροβιλο-υπερπλήρωση επιλέγεται ως λύση στην περίπτωση

που επιθυμούμε μέσες πραγματικές πιέσεις άνω των 20-22 bar, και προφανώς

συνδυάζεται με πολύ μεγάλες πιέσεις καύσης (άνω των 150 bar). Κατά συνέπεια, σε

κινητήρα Otto δεν ενδείκνυται σε καμία περίπτωση γιατί θα οδηγούσε σε κρουστική

καύση (να μην συγχέεται με «διβάθμια» εν παραλλήλω, όπου δεν υπάρχει

πολλαπλασιασμός λόγων πιέσεων).

γ) Ο στρόβιλος μεταβλητής γεωμετρίας αποτελεί μία πολύ αποτελεσματική λύση στο

θέμα της μεταβατικής λειτουργίας υπερπληρωμένων κινητήρων, με δεδομένο ότι μέσω

του κλεισίματος των πτερυγίων του στροβίλου είναι δυνατόν να επιτευχθεί

Ε.Γ. ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ – ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

11

ΑΣΚΗΣΗ 3 Στην παρακάτω εγκατάσταση διβάθμιας στροβιλο-υπερπλήρωσης, να αναγνωριστούν

οι διάφορες μονάδες που την αποτελούν (συμπιεστές, στρόβιλοι κλπ), καθώς και οι

βασικές σωληνώσεις προσαγωγής-επιστροφής αέρα, καυσαερίου, ψυκτικού.

(Απάντηση στο Παράρτημα Α)

Σε τι κινητήρες χρησιμοποιούμε τη διβάθμια στροβιλο-υπερπλήρωση, ποια τα

πλεονεκτήματά της και ποια τα μειονεκτήματα.

A

Γ

ΒΙ

Θ

ΗΖ ΣΤ Ε

Δ

Ε.Γ. ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ – ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

27

ΑΣΚΗΣΗ 10 Υπερπληρωμένος, εξακύλινδρος, 4-Χ κινητήρας Diesel φορτηγού αυτοκινήτου έχει όγκο

εμβολισμού 6,5 L/κύλινδρο. Είναι γνωστά τα ακόλουθα:

- Οι συνθήκες στην πολλαπλή εισαγωγής είναι p=2 bar, T=53oC, ο βαθμός πλήρωσης

είναι 182,8%, και ο βαθμός παγίδευσης είναι 0,90.

- Ο κινητήρας λειτουργεί με μέση πραγματική πίεση 16,1 bar στις 1200 rpm με

AFRολ=21,4 και καύσιμο με κατώτερη θερμογόνο δύναμη 42.000 kJ/kg, η ισχύς του

συμπιεστή είναι 100 kW με ηmC=0.92. Επίσης, περιβάλλον pα=0,95 bar, Tα=25οC,

cpα=1,01 kJ/kgK και γα=1,4.

Με την παραδοχή αμελητέων πτώσεων πίεσης στις ενδιάμεσες σωληνώσεις, να

υπολογιστούν:

α) Η πραγματική ισχύς του κινητήρα,

β) Ο πραγματικός βαθμός απόδοσής του,

γ) Ο ισεντροπικός βαθμός απόδοσης τού συμπιεστή,

δ) Η αποδοτικότητα του ενδιάμεσου ψυγείου αέρα,

ε) Εκτιμείστε την επίδραση της αφαίρεσης του ενδιάμεσου ψυγείου αέρα στην ισχύ του

κινητήρα.

(Απάντηση στο Παράρτημα Α)

Ε.Γ. ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ – ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

42

ΑΣΚΗΣΗ 15

Ερωτήσεις πολλαπλών επιλογών

1. Σε στροβιλο-υπερπληρωμένο κινητήρα με βαλβίδα παράκαμψης καυσαερίου

παρατηρείται:

α) γρηγορότερη απόκριση, αν συνδυαστεί με στρόβιλο μειωμένου μεγέθους,

β) απόρριψη ποσότητας καυσαερίου σε υψηλές στροφές για να αποφευχθεί υπερ-

τάχυνση του κινητήρα,

γ) απόρριψη ποσότητας καυσαερίου σε υψηλές στροφές για να αποφευχθεί υπερ-

τάχυνση του στροβιλο-υπερπληρωτή,

δ) λειτουργία σε υψηλότερους ισεντροπικούς βαθμούς απόδοσης στροβίλου,

ε) απόρριψη ποσότητας καυσαερίου και σε χαμηλές στροφές και σε υψηλές στροφές

ειδικά σε κινητήρες Otto.

Ε.Γ. ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ – ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

49

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β – Βασικές

Υπολογιστικές Σχέσεις Υπερπλήρωσης Μ.Ε.Κ.

Ισχύς κινητήρα

2

e e e B u

πD nP p Sz η m Θ

4 30K

Μέση πραγματική πίεση για 4-Χ κινητήρα

κ κ κ

u u u oe α λ e ο e e

α α α α α o α

Θ Θ Θ p1 1 1p (ρ η )η ρ η η

m λ m λ m RT λ

ενώ για 2-Χ

κ κ

u ue α λ e ξ ο e

α α α α

Θ Θ1 1p (ρ η )η (1 σ )ρ η

m λ m λ

Ο βαθμός απόδοσης συσχετίζεται με την ειδική κατανάλωση καυσίμου βάσει της

σχέσης

Ε.Γ. ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ – ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗΣ Μ.Ε.Κ.

53

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. Κ.Δ. Ρακόπουλος, Ε.Γ. Γιακουμής, «Εναλλαγή Αερίων και Υπερπλήρωση Μ.Ε.Κ.»,

Εκδόσεις Γρ. Φούντας, Αθήνα, 2011.

2. Ε.Γ. Γιακουμής, Παρουσιάσεις μαθήματος ‘ΕΑΚΥ-ΜΕΚ’ στη Σχολή Μηχανολόγων

Μηχανικών του Ε.Μ.Π., 2006-2015, http://users.ntua.gr/vgiakms/ΕΑΚΥ.htm

3. Κ.Δ. Ρακόπουλος, «Αρχές Εμβολοφόρων Μηχανών Εσωτερικής Καύσης.

Εισαγωγή - Λειτουργία - Θερμοδυναμική», Εκδόσεις Γρηγ. Φούντας, Αθήνα, 1988.

4. Κ.Δ. Ρακόπουλος, «Ασκήσεις Μ.Ε.Κ.», Εκδόσεις Γρηγ. Φούντας, Αθήνα, 1991.

5. C.D. Rakopoulos, E.G. Giakoumis, “Diesel Engine Transient Operation”, Springer,

London, 2009.