MEK I 4 Slides Per Page

1

ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ

ΜΕΚ ΙΜΕΚ Ι ΘΕΩΡΙΑΘΕΩΡΙΑ

1ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ - ΜΕΚ I - Α. ΘΕΟ∆ΩΡΑΚΑΚΟΣΕΑΡΙΝΟ ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΤΟΥΣ 2010 - 2011

ΑΝ∆ΡΕΑΣ ΘΕΟ∆ΩΡΑΚΑΚΟΣ

[email protected]://www.fluid-research.com/tei_1.htm

ΒΙΒΛΙΑ

1η Επιλογή: Μηχανές εσωτερικής καύσης (Χασιώτης)

Περιεκτικό, καλύπτει ως ένα σημείο το μεγαλύτερο ποσοστό της διδακτέας ύλης

2η Επιλογή: Μηχανές εσωτερικής καύσης (Κυριάκης)

ποσοστό της διδακτέας ύλης.

Πιο θεωρητικό.


ΒΙΒΛΙΑwww.pi-schools.grΒιβλία Παιδαγωγικού Ινστιτούτου

Μηχανές Εσωτερικής Καύσης Ι Συστήματα Αυτοκινήτου ΙΙ


Μηχανές Εσωτερικής Καύσης ΙΙ Τεχνολογία Υλικών Αυτοκινήτου

∆ΟΜΗ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣΕΙΣΑΓΩΓΗ – ΓΕΝΙΚΑ – ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ∆ΡΟΜΗ

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΧΡΟΝΩΝ ΜΕΚ, ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΜΕΚ, ΒΑΣΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ.

∆ΟΜΗ, ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ, ΚΥΡΙΑ ΜΕΡΗ ΜΕΚ.

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΘΕΡΜΟ∆ΥΝΑΜΙΚΗΣΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΘΕΡΜΟ∆ΥΝΑΜΙΚΗΣ.

ΘΕΡΜΟ∆ΥΝΑΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ.

ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ∆ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΕΚ.

ΚΑΥΣΗ, ΚΑΥΣΙΜΑ, ΡΥΠΟΙ.

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΡΟΦΟ∆ΟΣΙΑΣ.


ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ – ΚΙΒΩΤΙΑ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ.

ΑΛΛΟΙ ΘΕΡΜΟ∆ΥΝΑΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ – ΥΒΡΙ∆ΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ.

ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ.

2

ΜΟΝΑ∆ΕΣ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ

Μέγεθος Σύμβολο ∆ιαστάσεις Μονάδες SI Άλλες συνήθεις μονάδες Πολ/σμός για μετατροπή σε SI

Όγκος V L3 m3 ltUK galUS gal

1.0000 E-034.5461 E-033.7854 E-03

Πίεση p FL-3 Pa (N/m2) at (kp/cm2)bartorr (mmHg)

9.8066 E+041.0000 E+051.3332 E+02

Θερμοκρασία θ, T Θ K oCoF

TC=TK-273.15TF=(9/5)TC+32

Ειδ. Όγκος v L3M-1 m3/kg

Ειδ. Βάρος γ FL-3 N/ m3 kp/m3 9.8066 E+00

Πυκνότητα ρ ML-3 kg/ m3

Θερμότητα Q (Q) J (Nm) kcalBTU

4.19 E+031.0587 E+03

Ειδ. Θερμότητα c, C (Q)M-1Θ-1 J/kgK kcal/kgK 4.19 E+03

ΕνέργειαΈργο

EW

FL J kpmWhkWherg

9.8066 E+003.60 E+033.60 E+061.00 E-07

Ροπή T FL Nm kpm 9.8066 E+00


Ροπή T FL Nm kpm 9.8066 E 00

Ισχύς N, P FLT-1 W (J/s) kWkpm/skcal/sHP = 76 kpm/sPS, CV = 75 kpm/s

1.0 E-039.8066 E+004.19 E+037.4570 E+027.3549 E+02

Ειδ. Κατανάλωση Καυσίμου be MF-1L-1 kg/Ws g/kWhg/PSh(g/kWh = 1.3596 g/PSh)

3.6 E-092.64784 E-09

Θερμογόνος ∆ύναμη Καυσίμου H (Q)M-1 J/kg kcal/kg 4.19 E+03

Παγκόσμια Σταθερά Αερίων R* FL M-1Θ-1 8314.34 J/kmolK 847.8 kpm/kmolK 9.8066 E+00

∆ΟΜΗ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ – ΓΕΝΙΚΑ – ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ∆ΡΟΜΗ

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΧΡΟΝΩΝ ΜΕΚ

ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΤΑΤΑΞΕΙΣ ΜΕΚ.

ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ WANKEL.

ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ.

ΒΑΣΙΚΑ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΜΕΚ.


ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΡΓΟΥ

ΕΞΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ

ΒΑΣΙΚΗ ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ

ΑΤΜΟΜΗΧΑΝΗΜΗΧΑΝΗ ΘΕΡΜΟΥ ΑΕΡΑ

ΠΑΛΙΝ∆ΡΟΜΙΚΕΣ

ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΕΣ

ΑΤΜΟΣΤΡΟΒΙΛΟΣ

ΒΕΝΖΙΝΟΜΗΧΑΝΕΣ (OTTO)DIESELHCCI (Homogenous charge

compression ignition)PCCI (Premixed charge

compression ignition)ΑΕΡΙΩΝ Ή ΑΛΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ

ΠΑΛΙΝ∆ΡΟΜΙΚΕΣ


ΑΤΜΟΣΤΡΟΒΙΛΟΣΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΣ

ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΕΣΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΣΜΗΧΑΝΗ JETWANKELΑΛΛΕΣ

ΧΩΡΙΣ ΚΙΝΟΥΜΕΝΑ ΜΕΡΗPULSE JETRAM JETSCRAM JET

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ - ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΟι μηχανές εσωτερικής καύσης δεν έχουν ανάγκη χρήσης ογκωδών εναλλακτών θερμότητας. Απλούστερη και μικρότερη κατασκευή – μείωση απωλειών.

Στις παλινδρομικές ΜΕΚ σε σχέση με τους αεριοστροβίλους τα τμήματα της μηχανής λειτουργούν σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες της μέσης θερμοκρασίας του θερμοδυναμικού κύκλου. Στους αεριοστροβίλους δεν συμβαίνει αυτό, και έχουμε πολύ υψηλή θ ή ό έ ώθερμοκρασιακή φόρτιση των κινουμένων μερών.

Υψηλότερη θερμοδυναμική απόδοση (οικονομία).

Απλούστερη και φθηνότερη κατασκευή.

Λειτουργικά χαρακτηριστικά που ταιριάζουν καλύτερα για κίνηση οχημάτων.

Έτσι οι παλινδρομικές ΜΕΚ σε σχέση με τους στροβίλους έχουν (για μέχρι 200.000 ίππους):


∆υνατότητα χρήσης ποικιλίας καυσίμων (σε ατμοστρόβιλους και στερεά καύσιμα).

Απουσία κραδασμών.

Προσφορότερες κατασκευές για πολύ μεγάλες ισχύεις (π.χ. άνω των 200.000 ίππων).

Αντίθετα οι στρόβιλοι πλεονεκτούν στα παρακάτω:

3

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ∆ΡΟΜΗ1860 LENOIR : Πρώτος κινητήρας εσωτερικής καύσης. Έκαιγε ανθρακίτη. Απόδοση 3%.

1876 OTTO και LANGEN : Παρουσίαση εξελιγμένης ΜΕΚ με απόδοση 9%.

1876 NIKOLAUS OTTO : Πρώτος τετράχρονος κινητήρα αερίου με απόδοση 15%.

1876 CLERK : Πρώτος δίχρονος κινητήρα αερίου καυσίμου.

1883 GOTTLIED DAIMLER και WILHELM MAYBACH : Πρώτος εξελιγμένος ταχύστροφος βενζινοκινητήρας, κατάλληλος για χρήση σε οχήματα.


ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ∆ΡΟΜΗ1885 DAIMLER : Πρώτο δίκυκλο με κινητήρα.

1885 - 1886 ΒΕΝΖ : Πρώτο τρίκυκλο με κινητήρα.

1886 DAIMLER : Πρώτη τετράχρονη άμαξα με βενζινοκινητήρα.


ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ∆ΡΟΜΗ1887 ROBERT BOSCH : Ανάφλεξη με πλατίνες.

1889 DUNLOP : Πρώτο ελαστικό με πεπιεσμένο αέρα.

1893 MAYBACH : Επινόησε το καρμπυλατέρ.

1893 HENRY FORD : Κατασκεύασε το πρώτο του αυτοκίνητο.ρ η

1893 RUDOLF DIESEL : Κατοχύρωσε την ευρεσιτεχνία του για την μέθοδο λειτουργίας των πετρελαιοκινητήρων.

1897 Εργοστάσιο ΜΑΝ : Κατασκεύασε τον πρώτο πετρελαιοκινητήρα για χρήση.

1897 LOHNER – PORSCHE : Πρώτο ηλεκτροκίνητο όχημα.


ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ∆ΡΟΜΗ1909 HENRY FORD : Ξεκίνησε την βιομηχανική παραγωγή του Ford T.

1911 CHARLES KETTERING : Ανακάλυψε την ηλεκτρική μίζα.

1913 FORD : Καθιέρωση της Γραμμής Παραγωγής για τη μαζική παραγωγή του μοντέλου Tin-Lizzy.

1923 BENZ - MAN : Πρώτο φορτηγό αυτοκίνητο με κινητήρα Diesel.

1936 DAIMLER - BENZ : Παραγωγή σειράς επιβατικών αυτοκινήτων με πετρελαιοκινητήρες.

1950 ROVER : Πρώτος αεριοστρόβιλος σε αυτοκίνητο.

1964 NSU-WANKEL : Πρώτος κινητήρας περιστρεφόμενου εμβόλου.


4

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ∆ΡΟΜΗ1966 BOSCH : Ψεκασμός βενζίνης με ηλεκτρονικό έλεγχο (D – Jetronic) για αυτοκίνητα σειράς.

1970 : Ζώνες ασφαλείας για οδηγό και συνοδηγό,

1978 : Τοποθέτηση συστήματος ABS στα φρένα επιβατικών.

1984 : Εισαγωγή αερόσακων και εντατήρων ζωνών ασφαλείας.

1985 : Εισαγωγή ρυθμιζόμενων καταλυτών (με αισθητήρα λ) για αμόλυβδη βενζίνη.

1997 : Εισαγωγή ηλεκτρονικών συστημάτων αυτόματου ελέγχου για το όχημα.


ΤΕΤΡΑΧΡΟΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ

Επιζήμιος όγκος (Vc) Άνω Νεκρό Σημείο

Βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής

∆ιάμετρος κυλίνδρου (D)∆ιαδρομή εμβόλου (Η)

Όγκος εμβολισμού (Vh)Κάτω Νεκρό Σημείο

Έμβολο

Κύλινδρος


Ακτίνα στροφάλου (r)

∆ιωστήρας

Στρόφαλο

ΧΡΟΝΟΙ ΤΕΤΡΑΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ


ΒΑΣΙΚΗ ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΩΝ ΜΕΚΤΡΟΠΟΣ ΕΝΑΥΣΗΣ ΚΑΥΣΗΣ (OTTO, DIESEL, ΜΙΚΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ, HCCI).∆ΙΑ∆ΡΟΜΕΣ ΕΜΒΟΛΟΥ ΜΕΤΑΞΥ 2 ∆ΙΑ∆ΟΧΙΚΩΝ ΑΝΑΦΛΕΞΕΩΝ (2-ΧΡΟΝΟΙ, 4-ΧΡΟΝΟΙ).ΧΩΡΟΣ ΠΟΥ ΓΙΝΕΤΑΙ Η ΚΑΥΣΗ (ΑΠΛΗΣ, ∆ΙΠΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ).ΣΤΡΟΦΕΣ ΣΤΡΟΦΑΛΟΦΟΡΟΥ ΑΞΟΝΑ (ΒΡΑ∆ΥΣΤΡΟΦΕΣ, ΜΕΣΕΣ, ΠΟΛΥΣΤΡΟΦΕΣ, ΠΟΛΥ ΠΟΛΥΣΤΡΟΦΕΣ).ΑΡΙΘΜΟ ΚΥΛΙΝ∆ΡΩΝ.∆ΙΑΤΑΞΗ ΚΥΛΙΝ∆ΡΩΝ (ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΕΣ, ΟΡΙΖΟΝΤΙΕΣ, V, Κ.Λ.Π.)ΤΡΟΠΟΣ ΨΥΞΗΣ (ΑΕΡΟΨΥΚΤΕΣ, ΥΓΡΟΨΥΚΤΕΣ).ΑΕΡΑΣ ΚΑΥΣΗΣ (ΥΠΕΡΤΡΟΦΟ∆ΟΤΟΥΜΕΝΕΣ, ΦΥΣΙΚΗΣ ΑΝΑΠΝΟΗΣ).ΤΡΟΠΟΣ ΣΥΝ∆ΕΣΗΣ ΕΜΒΟΛΟΥ ΚΑΙ ∆ΙΩΣΤΗΡΑ.ΤΡΟΠΟΣ ΤΡΟΦΟ∆ΟΣΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (ΕΞΑΕΡΙΩΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ή ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ


ΤΡΟΠΟΣ ΤΡΟΦΟ∆ΟΣΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (ΕΞΑΕΡΙΩΤΗ, ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ή ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΕΓΧΥΣΗ).ΤΡΟΠΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ (ΣΤΑΘΕΡΕΣ Η’ ΚΙΝΗΤΕΣ ΜΟΝΑ∆ΕΣ).ΦΟΡΑ ΤΟΥ ΣΤΡΟΦΑΛΟΦΟΡΟΥ ΑΞΟΝΑ (ΣΤΑΘΕΡΗΣ Η’ ΑΝΑΣΤΡΕΨΙΜΗΣ ΦΟΡΑΣ).ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΗΝ ΙΣΧΥ (ΜΙΚΡΗΣ, ΜΕΣΗΣ, ΜΕΓΑΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ).ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ (ΟΧΗΜΑΤΩΝ, ΝΑΥΤΙΚΕΣ, ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ, Κ.Λ.Π.)

5

A: Βαλβίδα εισαγωγής, ζύγωθρο (κοκοράκι), ελατήριο.B: Κάλυμα βαλβίδων.C: Αυλός εισαγωγής.D: Κυλινδροκεφαλή.E: Ψυκτικό υγρό.

4-ΧΡΟΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ OTTO

F: Σώμα μηχανής.G: Ελαιοδοχείο (κάρτερ λαδιού).H: Λιπαντικό.I: Εκκεντροφόρος άξονας.J: Βαλβίδα εξαγωγής, ζύγωθρο (κοκοράκι), ελατήριο.K: Σπινθιρηστήρας (μπουζί).L: Αυλός εξαγωγής.M: Έμβολο (πιστόνι).N: ∆ιωστήρας (μπιέλα)


N: ∆ιωστήρας (μπιέλα).O: Έδρανο διωστήρα.P: Στροφαλοφόρος άξονας.

1: Εισαγωγή - 2: Συμπίεση - 3: Εκτόνωση - 4: Εξαγωγή.






6



4-ΧΡΟΝΟΣ DIESEL


4-ΧΡΟΝΟΣ DIESEL


2-ΧΡΟΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ DIESEL


7


Εξαγωγή καυσαερίου και απόπλυση κυλίνδρου από βαλβίδα εξαγωγής.

Εισαγωγή συμπιεσμένου αέρα από θυρίδες.






4-ΧΡΟΝΟΣ 2-ΧΡΟΝΟΣ

ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ --- +++

ΕΙ∆ΙΚΗ ΑΠΟ∆ΟΣΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ +++

4-ΧΡΟΝΟΣ vs 2-ΧΡΟΝΟΣ

ΕΙ∆ΙΚΗ ΑΠΟ∆ΟΣΗ - ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ +++ ---

ΚΙΝΗΤΑ ΜΕΡΗ – ΑΠΛΟΤΗΤΑ - ΚΟΣΤΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ

--- +++

ΦΘΟΡΑ – ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ - ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ +++ ---

ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΚΑΥΣΗΣ - ΚΑΥΣΑΕΡΙΑ +++ ---

ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΛΑ∆ΙΟΥ +++


ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΛΑ∆ΙΟΥ +++ ---

8

OTTO vs DIESEL

OTTO DIESEL

ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ +++ ---

ΕΙ∆ΙΚΗ ΑΠΟ∆ΟΣΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ +++ΕΙ∆ΙΚΗ ΑΠΟ∆ΟΣΗ - ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ --- +++

ΚΟΣΤΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ +++ ---

ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΚΑΥΣΗΣ - ΚΑΥΣΑΕΡΙΑ +++ ---

ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ --- +++

ΑΣΦΑΛΕΙΑ --- +++


ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ WANKEL






9

ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΣ


TURBOFAN


ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΩΝ ΜΕΚ ΜΕ ΤΗ ∆ΙΑΤΑΞΗ ΕΜΒΟΛΩΝ

Κατακόρυφοι κύλινδροι σε σειρά Οριζόντιοι κύλινδροι σε σειρά Αντιτιθεμένων εμβόλων (boxer)


∆ιάταξης V Αστεροειδής μονού αστέρα Αστεροειδής διπλού αστέρα Αντιτιθεμένων εμβόλων

Ακόμα:•Τύπου W•∆ίδυμη σε σειρά•∆ίδυμη με διπλά έμβολα•Περιστρεφόμενων εμβόλων (Wankel)και άλλες

4 ΚΥΛ. ΕΝ ΣΕΙΡΑ

6 ΚΥΛ. V90

4 ΚΥΛ. ΑΝΤΙΤΙΘΕΜΕΝΩΝ ΕΜΒΟΛΩΝ (BOXER)


( )

10

4-ΚΥΛΙΝ∆ΡΟΣ ΕΝ-ΣΕΙΡΑ


6-ΚΥΛΙΝ∆ΡΟΣ V-90


4-ΚΥΛΙΝ∆ΡΟΣ ΕΠΙΠΕ∆ΟΣ (BOXER)


5 ΚΥΛ. ΑΚΤΙΝΙΚΗ


11

ΒΑΣΙΚΑ ΜΕΡΗ ΚΙΝΗΤΗΡΑΕκκεντροφόροι

Έμβολο

Βαλβίδες εισαγωγής

Βαλβίδες εξαγωγής


HONDA i-VTEC

∆ιωστήρας

Στροφαλοφόρος

Ιμάντας χρονισμού

Σπινθηριστής

ΒΑΣΙΚΑ ΜΕΡΗ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

Βαλβίδες

Βαλβίδες εξαγωγής

Βαλβίδες εισαγωγής


BMW M3 S54

ΈμβολοΣτροφαλοφόρος

Πολλαπλή εξαγωγής Καδένα

εκκεντροφόρου

∆ιωστήρας

ΒΑΣΙΚΑ ΜΕΡΗ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

ΕκκεντροφόροιΒαλβίδες εξαγωγής

Βαλβίδες εισαγωγής Πεταλούδα

Εγχυτήρας

Σπινθηριστήρας

Έμβολο

∆ιωστήρας

Στροφαλοφόρος


2010 ΥΑΜΑΗΑ YZ450F

Επιζήμιος όγκος (Vc)(όγκος θαλάμου καύσης) Άνω Νεκρό Σημείο

ΒΑΣΙΚΑ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ

∆ιάμετρος κυλίνδρου (D)∆ιαδρομή εμβόλου (Η)

Όγκος εμβολισμού (Vh)Κάτω Νεκρό Σημείο

Στιγμιαία απόσταση εμβόλου από ΑΝΣ (s)

Μήκος διωστήρα (l)


Ακτίνα στροφάλου (r)

Στιγμιαία γωνία στροφάλου (φ)

Γωνία διωστήρα με άξονα κυλίνδρου (β)

12

D

Vc

H4Dπ

V2

h ⋅⋅

=

VzV ⋅=

Κυβισμός κυλίνδρου (cc, cm3, lt)Όγκος εμβολισμού

Κυβισμός κινητήρα (cc cm3 lt)


DΗVh

l

s

hH VzV =Κυβισμός κινητήρα (cc, cm , lt)

Σχέση συμπίεσης (βαθμός ή λόγος)(γεωμετρική) ε c

ch

VVV +

=ε

Λόγος ακτίνα στροφάλου rλ


rφ

lβ

Λόγος ακτίνα στροφάλουπρος μήκος διωστήρα

l

rλ =

Σχέση διαδρομής και ακτίνας στροφάλου r2H =

( ) ( )φsinrβsinl

=

ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΟΣ ΛΟΓΟΣ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ

cV

cV

Γεωμετρική σχέση συμπίεσης (βαθμός ή λόγος):ch

VVV +

=ε

hV


cV

s4Dπ

VV2

c ⋅⋅

+=

Κυβισμός κυλίνδρου σε κάθεγωνία στροφάλου θ

( )( ) ( )( )iλ111 22l


D

Vc

( )( ) ( )( )φsinλ11φcos-1rs 22 ⋅−−⋅+⋅= l

( ) ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅+⋅≈ φsin

2λφcos-1rs 2

( ) ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅−+⋅≈ 2φsin

4λφcos-

4λ1rs

DΗVh

l

s


Μέση γραμμική ταχύτητα εμβόλου

60n

H2NH2c 1

1min

sec

−

− ⋅⋅=⋅⋅=

⎠⎝

rφ

lβ

Στιγμιαία γραμμική ταχύτητα εμβόλου


( ) ( ) ⎟⎞

⎜⎛ ⋅ φcosλ1idφdsds

D

Vc

( ) ( )( ) ⎟

⎟

⎠⎜⎜

⎝ ⋅−+⋅⋅⋅=⋅==

φsinλ1φ1φsinrω

dtφ

dφdtc

22DΗ

Vh

l

s


rφ

lβ

13

Στιγμιαία γραμμική ταχύτητα εμβόλου


( ) ( ) ⎟⎞

⎜⎛ ⋅ φcosλ1idφdsds

D

Vc

( ) ( )( ) ⎟

⎟

⎠⎜⎜

⎝ ⋅−+⋅⋅⋅=⋅==

φsinλ1φ1φsinrω

dtφ

dφdtc

22

( ) ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅+⋅⋅≈ 2φsin

2λφsinrωc

DΗVh

l

s


rφ

lβ

Στιγμιαία γραμμική επιτάχυνση εμβόλου


( ) ( ) ( )( )⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ ⋅+⋅

+⋅⋅=⋅==42

2 φsinλ2φcosλφcosrωdφdcdcbD

Vc

( )( )( ) ⎟⎟

⎠⎜⎜⎝ ⋅−

+===23

22 φsinλ1φcosrω

dtdφdtb

( ) ( )( )2φcosλφcosrωb 2 ⋅+⋅⋅≈

DΗVh

l

s


rφ

lβ

λ = 1/2

Αδιάστατη ταχύτητα εμβόλου

Συνάρτηση ημιτόνου

ΚΙΝΗΣΗ ΕΜΒΟΛΟΥ

Αδιάστατη μετακίνηση εμβόλου

Αδιάστατη επιτάχυνση εμβόλου

Συνάρτηση συνημίτονου


Κλικ στο σχήμα για animation


ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ.

∆ΟΜΗ, ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ, ΚΥΡΙΑ ΜΕΡΗ ΜΕΚ.


14

4-ΧΡΟΝΟΣ OTTO


A: Βαλβίδα εισαγωγής, ζύγωθρο (κοκοράκι), ελατήριο.B: Κάλυμα βαλβίδων.C: Αυλός εισαγωγής.D: Κυλινδροκεφαλή.E: Ψυκτικό υγρό.


F: Σώμα μηχανής.G: Ελαιοδοχείο (κάρτερ λαδιού).H: Λιπαντικό.I: Εκκεντροφόρος άξονας.J: Βαλβίδα εξαγωγής, ζύγωθρο (κοκοράκι), ελατήριο.K: Σπινθιρηστήρας (μπουζί).L: Αυλός εξαγωγής.M: Έμβολο (πιστόνι).N: ∆ιωστήρας (μπιέλα)


N: ∆ιωστήρας (μπιέλα).O: Έδρανο διωστήρα.P: Στροφαλοφόρος άξονας.

∆ΙΑΦΟΡΑ OTTO – DIESEL ΣΤΗΝ ΡΥΘΜΙΣΗ ΦΟΡΤΙΟΥ

Η ρύθμιση φορτίου – στροφών στον OTTO γίνεται με στραγγαλισμό του

αέρα εισαγωγής (πεταλούδα). Το μίγμα παραμένει σε σχετικά στενό εύρος

λόγου καυσίμου – αέρα για όλο το εύρος λειτουργίας.

Η ρύθμιση φορτίου – στροφών στον DIESEL γίνεται με αυξομείωση της

εγχυόμενης μάζας καυσίμου. Ο αέρας προσάγεται στον κύλινδρο χωρίς

στραγγαλισμό. Η αναλογία καυσίμου – αέρα μεταβάλλεται.


ΒΑΣΙΚΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΩΝ ΜΕΚ

Κορμός Μηχανής

Χιτώνια - Κεφαλή

Βαλβίδες – Μηχανισμοί Κίνησης – Εκκεντροφόρος Άξονας

Έμβολα – Ελατήρια Εμβόλων

∆ιωστήρας


Στροφαλοφόρος Άξονας

15

ΚΟΡΜΟΣ 4-ΚΥΛΙΝ∆ΡΗΣ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΟΥ ΜΕΚΚύλινδροι – Σώμα Κυλίνδρων

ΣκελετόςΣυνδέτες


Θέση Βάσης ΜηχανήςΚράματα χυτοσιδήρου ή χυτοχάλυβα (άνθρακα, νικέλιο,

χρώμιο, μολυβδαίνιο).

Κράματα ελαφρών μετάλλων (κράματα αλουμινίου, κ.λ.π).

ΧΙΤΩΝΙΟ ΚΥΛΙΝ∆ΡΟΥ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΟΥ ΜΕΚ


Πρεσαριστό χιτώνιο ή κατεργασία κατευθείαν επάνω στον κύλινδρο.

Λεπτόκοκκος χυτοσίδηρος ή κράματα αλουμινίου.

Ειδική επιφανειακή σκλήρυνση (Nikasil, Lokasil, κ.α.)

ΧΙΤΩΝΙΟ ΚΥΛΙΝ∆ΡΟΥ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΟΥ ΜΕΚ

Ξηρό χιτώνιοΥγρό χιτώνιο


Αερόψυκτος κύλινδρος

ΚΕΦΑΛΗ ΚΥΛΙΝ∆ΡΟΥ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΟΥ ΜΕΚ

ΦλάντζαΚεφαλήςΚυλίνδρων

Σε ανεστραμμένη θέση

Σκελετός

Βαλβίδες (4/κύλινδρο)


Χυτοσίδηρος, χυτοχάλυβας ή κράματα αλουμινίου.

Μεγαλύτερες ή/και περισσότερες οι βαλβίδες εισαγωγής

16

ΒΑΛΒΙ∆ΕΣ – ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΚΙΝΗΣΗΣ

ΖύγωθροΩστήριοκάλυκας

Εκκεντροφόροςεπι κεφαλής

Εκκεντροφόροςμε ωστική ράβδο

Ωστική Ράβδος

Ωστήριο

κάλυκας


με ωστική ράβδο

1 ΕΚΚΕΝΤΡΟΦΟΡΟΣ ΕΠΙΚΕΦΑΛΗΣ ΜΕ ΖΥΓΩΘΡΑ


1 ΕΚΚΕΝΤΡΟΦΟΡΟΣ ΜΕ ΩΣΤΗΡΙΑ


1 ΕΚΚΕΝΤΡΟΦΟΡΟΣ ΕΠΙΚΕΦΑΛΗΣ ΜΕ ΚΑΠΕΛΩΤΑ (ΠΟΤΗΡΑΚΙΑ)


17

Εκκεντροφόροι

4 εκκεντροφόροι επί κεφαλής σε κινητήρα με διάταξη V4 ΕΚΚΕΝΤΡΟΦΟΡΟΙ ΕΠΙΚΕΦΑΛΗΣ ΜΕ ΚΑΠΕΛΩΤΑ (ΠΟΤΗΡΑΚΙΑ)

Έκκεντρα


Εκκεντροφόροι επικεφαλής, (και με ιδίως με χρήση καπελότων)

μειωμένες κινούμενες μάζες και δυνάμεις αδράνειας.

Χρήση ελατηρίων υψηλής ποιότητας και σκληρότητας, για γρήγορο

κλείσιμο και στις υψηλές στροφές.

ΒΑΛΒΙ∆ΕΣ – ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΚΙΝΗΣΗΣ

Χρήση πολύ ελαφρών βαλβίδων για μείωση δυνάμεων αδράνειας.

Χρήση ωστηρίων με εκκεντροφόρο χαμηλά πιο απλή κατασκευή.

Χρήση ζυγώθρων πιο συχνή (αλλά πιο απλή) ρύθμιση βαλβίδων.


∆ΕΣΜΟ∆ΡΟΜΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΙΝΗΣΗΣ ΒΑΛΒΙ∆ΩΝ

Α ίβ ίΑκρίβεια κίνησης.

Χρήση διχαλωτού ελατηρίου με μικρή σκληρότητα.

∆εν υπάρχουν προβλήματα κλεισίματος στις

υψηλές στροφές.

Ελαφρώς αυξημένες μάζες περιστροφής.

Α βό ή


Ακριβότερη κατασκευή.

Άλλα συστήματα υπό συνεχή έρευνα και εξέλιξη !!!

∆ΕΣΜΟ∆ΡΟΜΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΙΝΗΣΗΣ ΒΑΛΒΙ∆ΩΝ


18

Εγκοπή

ΒΑΛΒΙ∆ΕΣ – ΕΛΑΤΗΡΙΑ ΒΑΛΒΙ∆ΩΝ

Εγκοπή

ΑυλόςΕισαγωγής /εξαγωγής

Στέλεχος

Ελατήρια


Κεφαλή ∆ίοδοι Ψυκτικού Υγρού

Σημείο Έδρασης Βαλβίδας

ΒΑΛΒΙ∆ΕΣ – ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ – ΘΕΡΜΙΚΗ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗ


Εδράσεις Βαλβίδων

ΒΑΛΒΙ∆ΕΣ – ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ – ΘΕΡΜΙΚΗ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗΒαλβίδες εισαγωγής από σκληρό χάλυβα (π.χ. χρωμοπυριτιούχος

χάλυβας). Θερμοκρασίες έως και 500ο C.

Βαλβίδες εξαγωγής από χάλυβα ιδιαίτερα ανθεκτικό στη θερμοκρασία

(π.χ. Χρωμιομαγγανιούχος χάλυβας). Πιθανή χρήση διαφορετικών

κραμάτων για το άνω και κάτω μέρος. Πιθανή χρήση νατρίου στο

εσωτερικό. Θερμοκρασίες έως και 800ο C.

Έδρες βαλβίδων συνήθως 45ο μοίρες με περιοχές εξομάλυνσης. Πλάτος

1.5 – 2 mm.


ΈμβολοΠείρος Εμβόλου

Έμβολο ∆ιωστήρας

ΕΜΒΟΛΟ – ΕΛΑΤΗΡΙΑ – ∆ΙΩΣΤΗΡΑΣ – ΠΕΙΡΟΣ

∆ιωστήρας

ΤριβέαςΗμικέλυφος Π δ ύ


Ποδιού ∆ιωστήρα

Ελατήρια ΕμβόλουΠείρος Εμβόλου

19

ΕΜΒΟΛΟ

Ανώτατες θερμοκρασίες 250ο – 350ο C.

Κωνική μορφή.


ή μ ρφή

Μεγαλύτερη κωνικότητα στη διεύθυνση

του πείρου.

∆ιάκενο εμβόλου κυλίνδρου 40 – 200

μm.

ΣΤΡΟΦΑΛΟΦΟΡΟΣ ΑΞΟΝΑΣ


Βελτιωμένο χάλυβα ή χάλυβας

εναζώτωσης.

Τελική επιφανειακή κατεργασία,

ενανθράκωση και τελική λείανση.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ (OTTO – DIESEL – ΜΙΚΤΟΣ – ΓΕΝΙΚΕΥΜΕΝΟΣ).



ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ

WW

Θεωρητικός κύκλος Otto. Θεωρητικός κύκλος Diesel.

Ενδεικνύμενο έργο ανά κύκλο

∫ ⋅= dVpW


Θεωρητικός μικτός κύκλος (Otto - Diesel).

Θεωρητικός γενικευμένος κύκλος.

∫ dVpWW W

20

ΜΕΣΗ ΠΙΕΣΗ ΚΥΚΛΟΥ

Μέση πίεση κύκλου

hVWp =

P

V

ΑΝΣ ΚΝΣWp

W

VV


Είναι η πίεση εκείνη η οποία εάν ωθεί το έμβολο από το ΑΝΣ έως το ΚΝΣ κατά την φάση της εκτόνωσης, θα μας δώσει το ίδιο έργο με τον πραγματικό θερμοδυναμικόκύκλο.

VhVc

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ OTTO(ή ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΟΓΚΟΥ)


ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ OTTO

1 – 2 ισεντροπική συμπίεση.

2 – 3 ισόχωρη καύση (ακαριαία).

3 – 4 ισεντροπική εκτόνωση.

4 – 1 ισόχωρη αποβολή θερμότητας

(ή ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΟΓΚΟΥ)

P

3

q23

4 1 ισόχωρη αποβολή θερμότητας.

V1 = V4 = όγκος εμβολισμού + επιζήμιος όγκος

V2 = V3 = επιζήμιος όγκος

p1 = 1 bar (ατμοσφαιρική), Τ1

γ

112 VVpp ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 3

23 TTpp =

VΑΝΣ ΚΝΣ

Vh

V1= Vh + Vc

V2=Vc

24

1q41


2V ⎠⎝γ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2

143 VVpp

( )14v

T

Tv41 TTcdTcq

4

1

−⋅=⋅= ∫

( )23v

T

Tv23 TTcdTcq

3

2

−⋅=⋅= ∫

2T

1

414 TTpp =

Πάντα έχουμε στο μυαλό μας ότι:Για ισεντροπική μεταβολή:Και πάντα ισχύει:

constantVp γ =⋅TRmVp ⋅⋅=⋅

1γth ε11n −−=Θεωρητικός βαθμός απόδοσης κύκλου: (ε = λόγος συμπίεσης)

Μέση πίεση κύκλου:( ) ( ) ( )1knε1pp th

γ

1th −⋅⋅⋅⋅=

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ OTTO

( ) ( ) ( )1ε1γ

pp th1th −−

( )1γ

23

1

thγ3th

1

231th

ε1

qTR

n1εε

εpnRT

q1ε

εpp−+⋅

⋅−⋅

⋅=⋅⋅

⋅−

⋅=


Όπου:2

3

ppk = (λόγος αύξησης πιέσεων)

q23 προσδιδόμενη θερμότητα ανά μονάδα μάζας

R σταθερά για το εργαζόμενο μέσο = 8314.3 J/KmolK προς Μοριακό βάρος.

21

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ OTTOΟ βαθμός απόδοσης OTTO εξαρτάται μόνο από τον εκθέτη της αδιαβατικής

μεταβολής γ και τον λόγο συμπίεσης. Αυξανόμενου του εκθέτη ή του βαθμού

συμπίεσης, αυξάνεται και ο βαθμός απόδοσης.

Βαθμός απόδοσης θεωρητικού κύκλου Otto σαν συνάρτηση του γ

1γth ε11n −−=

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

μός α

πόδο

σης

γ=1.4

γ=1.3

γ=1 25


0

0.1

0.2

0.3

0 5 10 15 20 25 30

Βαθμ

Σχέση συμπίεσης

γ=1.25

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ DIESEL(ή ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΠΙΕΣΗΣ)


ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ DIESEL


2 – 3 ισόθλιπτη καύση (αργή).


4 – 1 ισόχωρη αποβολή θερμότητας.

(ή ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΠΙΕΣΗΣ)

P

2 3

4

q23

V1 = V4 = όγκος εμβολισμού + επιζήμιος όγκος

V2 = επιζήμιος όγκος

p1 = 1 bar ή πίεση υπερπλήρωσης

γ

112 VVpp ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 3

23 VVTT =

VΑΝΣ ΚΝΣ

Vh

V1= Vh + Vc

V2=Vc

4

1q41


2V ⎠⎝

( )23p

T

Tp23 TTcdTcq

3

2

−⋅=⋅= ∫ γ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

3

143 VVpp

( )14v

T

Tv41 TTcdTcq

4

1

−⋅=⋅= ∫1

414 TTpp =

223 V

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ DIESEL

( )1βγ1β

ε11n

γ

1γth −⋅−

⋅−= −Θεωρητικός βαθμός απόδοσης κύκλου:

3Vβ =Όπου ονομάσαμε τον λόγο μεταβολής του όγκου κατά την 2V

βισόθλιπτη καύση.

εVVVβ1c

ch =+

≤≤


Μέση πίεση κύκλου: ( ) ( ) ( )1βγn1ε

ε1γ1pp th

γ

1th −⋅⋅⋅−

⋅−

⋅=

22

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝ OTTO - DIESEL

Ο βαθμός απόδοσης OTTO εξαρτάται μόνο από τον εκθέτη της αδιαβατικής

μεταβολής γ και τον λόγο συμπίεσης. Αυξανόμενου του εκθέτη ή του

βαθμού συμπίεσης, αυξάνεται και ο βαθμός απόδοσης.

Ο βαθμός απόδοσης DIESEL εξαρτάται από τον εκθέτη της αδιαβατικής

μεταβολής γ, τον λόγο συμπίεσης, αλλά και τον λόγο της αύξησης όγκου β

κατά την ισόθλιπτη καύση. Αυξανόμενου του εκθέτη ή του βαθμού

συμπίεσης, αυξάνεται και ο βαθμός απόδοσης. Αυξανόμενου του λόγου β,


ο βαθμός απόδοσης μειώνεται. Εάν το β τείνει στο 1 (θεωρητική λειτουργία

με μηδενικό φορτίο) ο συντελεστής απόδοσης γίνεται μέγιστος. Εάν το β

τείνει στη μέγιστη δυνατή τιμή του (πλήρες φορτίο), ο συντελεστής

απόδοσης γίνεται ελάχιστος.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ DIESEL ΓΙΑ ∆ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ

AΧαμηλό φορτίοP

V

ABC

Χαμηλό φορτίοΥψηλότερο φορτίοΘεωρητικό μέγιστο φορτίο


Ο λόγος β τείνει στην μονάδα για θεωρητικά μηδενικό φορτίο (εκφυλισμένος κύκλος, δεν γίνεται καύση, δεν παράγεται έργο). Ο βαθμός απόδοσης μεγιστοποιείται και είναι ίδιος με τον θεωρητικό κύκλο Otto.Ο λόγος β τείνει στην μέγιστη τιμή του (ίση με τον λόγο συμπίεσης) για θεωρητικά μέγιστο φορτίο (η καύση εξελίσσεται μέχρι το έμβολο να φθάσει στο ΚΝΣ). Ο βαθμός απόδοσης ελαχιστοποιείται.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΜΙΚΤΟΣ ΚΥΚΛΟΣ




4 – 5 ισεντροπική εκτόνωση

(DUAL ή OTTO-DIESEL ή SEMI-DIESEL ή LIMITED PRESSURE)

3 4

q34

q23



P

VΑΝΣ ΚΝΣVV =V

5

1q51

2


( ) ( )1βkγ1k1kβ

ε11n

γ

1γth −⋅⋅+−−

⋅−= −

Θεωρητικός βαθμός απόδοσης κύκλου:

2

3

ppk =

3

4

VVβ =Όπου:

Vh

V1= Vh + Vc

V2=Vc

Μέση πίεση κύκλου:

( ) ( ) ( ) ( )[ ]1βkγ1kn1ε

ε1γ1pp th

γ

1th −⋅⋅+−⋅⋅−

⋅−

⋅=


P

3 4

q34

2

q23

VΑΝΣ ΚΝΣVh

V V V

V2=Vc

5

1q51

2


4

VVβ =Όπου:

2

3

ppk =

th1

totγ3th

1

tot1th n

RTq

1εε

εk1pn

RTq

1εεpp ⋅

⋅⋅

−⋅

⋅⋅=⋅

⋅⋅

−⋅=

V1= Vh + Vc

23


Ποιό κοντά στην πραγματικότητα για σύγχρονες μηχανές Diesel

(συγκρινόμενος με τον κύκλο Diesel) .

Για σημεία 3 - 4 να συμπίπτουν, β=1, προκύπτει ο κύκλος OTTO.

Για σημεία 2 – 3 να συμπίπτουν, k=1, προκύπτει ο κύκλος DIESEL.


ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΓΕΝΙΚΕΥΜΕΝΟΣ ΚΥΚΛΟΣ

P

3 4

52

q23


2 – 3 ισόχωρη καύση (ακαριαία)

V ΚΝΣVh

V1= Vh + Vc

V2=Vc

5

6

q51

q611

ΑΝΣ






6 – 1 ισόθλιπτη αποβολή θερμότητας

( )

( ) ( )1βk1k

1ργ1ρβkρ

11n

γ

1γth +

−⋅+⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

⋅−= −


ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΓΕΝΙΚΕΥΜΕΝΟΣ ΚΥΚΛΟΣ

P

3 4

q23

( ) ( )1βkγ1kε 1γ −⋅⋅+−P

V ΚΝΣVhV2=Vc

5

6

q51

q61

2

1

ΑΝΣ


Μέση πίεση κύκλου: ( ) ( ) ( ) ( )[ ]1βkγ1kn1ε

ε1γ1pp th

γ

1th −⋅⋅+−⋅⋅−

⋅−

⋅=

2

3

ppk =

3

4

VVβ =Όπου:

1

6

VVρ = λόγος προκαταρτικής απόψυξηςκαι

V1= Vh + Vc

0 6

0.7

0.8

Σύγκριση βαθμών απόδοσης θεωρητικών κύκλων Otto και Diesel

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΒΑΘΜΩΝ ΑΠΟ∆ΟΣΗΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝ

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Βαθμ

ός από

δοση

ς Otto

Diesel (καύση στο 10% της διαδρομής)




0

0.1

0 5 10 15 20 25 30

Σχέση συμπίεσης

Περιοχή κινητήρων OttoΠεριοχή κινητήρων Diesel

24

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΒΑΘΜΩΝ ΑΠΟ∆ΟΣΗΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝΠιο ρεαλιστικός υπολογισμός

Καυσαέρια προηγούμενου κύκλου

Μίγμα (αέρας με καύσιμο)

Θεωρούμε ότι στην αρχή της συμπίεσης όγκος Vc καταλαμβάνεται από καυσαέρια του προηγούμενου κύκλου ενώ όγκος V καταλαμβάνεται απόκαυσαέρια του προηγούμενου κύκλου, ενώ όγκος Vh καταλαμβάνεται από φρέσκο μίγμα αέρα – καυσίμου. Το συνολικό εργαζόμενο μέσο απαρτίζεται από το μίγμα αυτό.

Όλοι οι υπολογισμοί γίνονται ανά kg εργαζόμενου μέσου.

Οπότε ανά kg εργαζόμενου μέσου το φρέσκο μίγμα είναι kg .

Θεωρούμε ότι η αναλογία καυσίμου στο φρέσκο μίγμα είναι 14.7 : 1 (1 kg καυσίμου για 14.7 kg αέρα) και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη του καυσίμου είναι H = 42 500 KJ/kg

ε1ε −


καυσίμου είναι Hu 42.500 KJ/kg .

Από τα παραπάνω για κάθε σχέση συμπίεσης υπολογίζεται εύκολα το συνολικό ποσό θερμότητας που προσδίδεται ανά kg εργαζόμενου μέσου.

Θεωρούμε ρεαλιστικότερες τιμές γ = 1,3, cv = 846 J/kgK, μοριακό βάρος μίγματος ΜΒ = 29.4, σταθερά αερίων R = 8314,3 J/KmolK.

Προκύπτουν τα διαγράμματα και οι κύκλοι των επόμενων σελίδων.

0.6

0.7

Σύγκριση βαθμών απόδοσης θεωρητικών κύκλων Otto, Diesel και μικτού

Otto

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΒΑΘΜΩΝ ΑΠΟ∆ΟΣΗΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝ

0.2

0.3

0.4

0.5

Βαθμ

ός από

δοση

ς

Diesel

Μικτός (10% του καυσίμου καίγεται υπό σταθερό όγκο)




0

0.1

0 5 10 15 20 25 30

Σχέση συμπίεσηςΠεριοχή κινητήρων Otto

Περιοχή κινητήρων Diesel

20

25

Σύγκριση μέσης πίεσης θεωρητικών κύκλων Otto, Diesel και μικτού

Otto

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΣΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝ

10

15

Μέσ

η πίεσ

η κύ

κλου

P

μέση/P

1 Diesel





0

5

0 5 10 15 20 25 30



300

350

400

1

Σύγκριση μέγιστης πίεσης θεωρητικών κύκλων Otto, Diesel και μικτού

Otto

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝ

100

150

200

250

300

Μέγιστη πίεση

κύκ

λου P m

ax/P

1

Diesel





0

50

100

0 5 10 15 20 25 30

Μ



25

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ∆ΥΝΑΜΟ∆ΕΙΚΤΙΚΩΝ ∆ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝΤα δυναμοδεικτικά διαγράμματα P-V που προκύπτουν για το συγκεκριμένο παράδειγμα για σχέση συμπίεσης ε = 12.

Otto100

120

140

Otto

Diesel




40

60

80

100

P/P 1


0

20

0 2 4 6 8 10 12 14

V/Vc

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ

1γth ε11n −−=

( )1βγ1β

ε11n

γ

1γth −⋅−

⋅−= −

2

3

VVβ =

Θεωρητικός κύκλος Otto. Θεωρητικός κύκλος Diesel.

( ) ( )1βkγ1k1kβ

ε11n

γ

1γth −⋅⋅+−−

⋅−= −( )

( ) ( )1βkγ1k

1ργ1ρβkρ

ε11n

γ

1γth −⋅⋅+−

−⋅+⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

⋅−= −3pk = 4Vβ =


Θεωρητικός μικτός κύκλος (Otto - Diesel).

Θεωρητικός γενικευμένος κύκλος.

2p 3Vβ

2

3

ppk =

3

4

VVβ =

1

6

VVρ =


ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΓΗ ΑΕΡΙΩΝ.

ΒΑΘΜΟΙ ΑΠΟ∆ΟΣΗΣ.

ΒΑΘΜΟΣ ΠΛΗΡΩΣΗΣ.

ΛΟΓΟΣ ΑΕΡΑ - ΚΑΥΣΙΜΟΥ.


P

2 3

4

q23

P

2

3

q23

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΓΗ ΑΕΡΙΩΝ

4Χ OTTO πλήρες φορτίο

4Χ DIESEL πλήρες φορτίο

V ΚΝΣVhVc

4

1, 5q41

6

ΑΝΣVΑΝΣ ΚΝΣVhVc

24

1, 5q41

6

4Χ DIESEL μερικό φορτίο

2 3

q23


VΑΝΣ ΚΝΣVhVc

2

3

45

q23

q4567

P

1

4Χ OTTO μερικό φορτίο

P

V ΚΝΣVhVc

4

1, 5q41

6

ΑΝΣ

26

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ OTTO(ή ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΟΓΚΟΥ)


ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ DIESEL(ή ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΠΙΕΣΗΣ)


ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ OTTO 4Χ ΚΙΝΗΤΗΡΑ




27









28

ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ DIESEL 4Χ ΚΙΝΗΤΗΡΑ


ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ DIESEL 4Χ ΚΙΝΗΤΗΡΑ


ΕΝ∆ΕΙΚΝΥΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ ΚΑΙ ΜΕΣΕΣ ΠΙΕΣΕΙΣ

Η ισχύς από τον πραγματικό κύκλο της μηχανής.Το έργο Wi Προκύπτει από πειραματικό διάγραμμα πιέσεων στον κύλινδρο.

(ή εσωτερική ισχύς)

Ενδεικνύμενη ισχύςi = 0.5 για 4Χ, 1 για 2Χ inWP ii ⋅⋅=

Μέση ενδεικνύμενη πίεση inVP

VWp

h

i

h

ii ⋅⋅

==

W : έργο


ργi : συντελεστής 0.5 ή 1 για 4Χ ή 2Χ αντίστοιχαn : ταχύτητα περιστροφής (στροφές/s)P : ισχύςp : μέση πίεσηVh : όγκος εμβολισμού

ΩΦΕΛΙΜΗ ΙΣΧΥΣ ΚΑΙ ΜΕΣΕΣ ΠΙΕΣΕΙΣ

Ωφέλιμο έργο ανά κύκλοi = 0.5 για 4Χ, 1 για 2Χ

PW

Η πραγματική ισχύς στην έξοδο ισχύος. Το έργο We ή η ισχύς Pe προκύπτει από δυναμομέτρηση στην έξοδο ισχύος του κινητήρα.

inWP ee ⋅⋅=

Μέση πραγματική πίεσηinV

PVWp

h

e

h

ee ⋅⋅

==

i)s/rev(n)lt(V10)kW(P)kPa(p

h

3e

e ⋅⋅⋅

=

Και επειδή Tn2πTωP ⋅⋅=⋅=

W : έργοi : συντελεστής 0.5 ή 1 για 4Χ ή 2Χ αντίστοιχαn : ταχύτητα περιστροφής (στροφές/s)P : ισχύςp : μέση πίεσηVh : όγκος εμβολισμού


Και επειδή eee Tn2πTωP ==

i)lt(V)Nm(T28.6)kPa(p

h

ee ⋅

⋅=Σαν συνάρτηση της ροπής

Στην περιοχή μέγιστης ροπής: Otto: 8.5 – 10.5 bar, Diesel: 7 – 9 barΜε υπερπλήρωση: Otto: 12.5 – 17 bar, Diesel: 10 – 12 bar

29

ΒΑΘΜΟΙ ΑΠΟ∆ΟΣΗΣ

Θεωρητικός βαθμός απόδοσης κύκλου thn

Βαθμός ποιότητας (ή προσαρμογής) gnPi

Otto 0.4 – 0.7, Diesel 0.6 – 0.8

Ενδεικνύμενος ή εσωτερικός βαθμός απόδοσης Q

nnn igthi &=⋅=

Μηχανικός βαθμός απόδοσης mn ≈ 0.8

Πραγματικός ή ωφέλιμος βαθμός απόδοσης u

eemgthmie HK

PQPnnnnnn

⋅==⋅⋅=⋅= &


Q : παρεχόμενη θερμότητα στη μονάδα χρόνουΚ : κατανάλωση καυσίμου στη μονάδα χρόνουΗu : κατώτερη θερμογόνος δύναμη καυσίμου

.

ΜΕΤΡΗΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΠΕ∆Η

Ηλεκτρομαγνητική, υδραυλική ή μηχανική τριβή

Σχέση μετρούμενης δύναμης και ροπής κινητήρα bFTe ⋅=


Μετρούμενη ισχύς(1 PS = 0.736 kW)

3ee 10)Nm(T)s/rev(Nπ2)kW(P −⋅⋅⋅=

TNπ2Pe ⋅⋅=

ΕΙ∆ΙΚΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ

Ειδική κατανάλωσηueuee

e Hn1

HKnK

PKb

⋅=

⋅⋅==

( )/k h86bΜέση Hu = 42.000 KJ/Kg ( )g/kWhn86be

e =

Otto 345 – 285 g/kWhDiesel 285 – 190 g/kWh

Κ : κατανάλωση καυσίμου στη μονάδα χρόνουΗu : κατώτερη θερμογόνος δύναμη καυσίμουn : βαθμός απόδοσηςb : ειδική κατανάλωση (μάζα καυσίμου ανά μονάδα έργου)


b : ειδική κατανάλωση (μάζα καυσίμου ανά μονάδα έργου)

ΒΑΘΜΟΣ ΠΛΗΡΩΣΗΣΟ λόγος της μάζας που πραγματικά αναρροφάται, προς τη μάζα αέρα που θεωρητικά θα έπρεπε να εισέλθει στον κύλινδρο.Η θεωρητική αυτή μάζα είναι ίση με την μάζα αέρα σε ατμοσφαιρικές συνθήκες pα, Τα που θα καταλάμβανε όγκο ίσο με τον όγκο εμβολισμού.

αα

oo

α

ο

th

ο

TpTp

ρρ

mmn ===l

Εμπειρικές τιμές: 4Χ-Otto: 0.7 – 0.92Χ-Otto: 0.5 – 0.7 (με παροχή από στροφαλοθάλαμο)


30

ΛΟΓΟΣ ΑΕΡΑ-ΚΑΥΣΙΜΟΥΟ λόγος της μάζας αέρα προς την μάζα καυσίμου.

fuel

air

mmAF =

Η στοιχειομετρική αναλογία για κανονικές συνθήκες.

14.7mmAF

stfuel

airst ≈⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= για κανονική βενζίνη

( ) OH285.1xCOxOyCH 222x85.1 ⋅⋅+⋅→⋅+


Άρα χρειαζόμαστε 4625.12285.15.0y =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅= μόρια οξυγόνου

Ατομικά βάρη C, H, O = 12, 1, 16.(12+1.85) kg βενζίνης καίγονται με 1.4625*32 kg οξυγόνου.Κατά μάζα αναλογία οξυγόνου στον αέρα περίπου 23.2 %.

ΛΟΓΟΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ ΑΕΡΑ λΟ πραγματικός λόγος αέρα – καυσίμου προς τον αντίστοιχο στοιχειομετρικό.

stAFAFλ =

λ = 1 στοιχειομετρικό μίγμαλ < 1 μίγμα πλούσιο σε καύσιμολ > 1 μίγμα φτωχό σε καύσιμο.



∆ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΒΥΘΙΣΕΩΣ ΒΑΛΒΙ∆ΩΝ.

ΚΑΥΣΙΜΑ.


∆ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΒΥΘΙΣΜΑΤΟΣ ΒΑΛΒΙ∆ΩΝ 4Χ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

ΚΝΣ


Γωνία επικάλυψης βαλβίδων φΕ (overlap)

Μεταβολή βαθμού πλήρωσης με τις στροφές και το φΕ.

ΚΝΣ ΚΝΣ

31


Μεταβλητό βύθισμα βαλβίδων


Η ΒΑΛΒΙ∆Α ΕΞΑΓΩΓΗΣ ΑΝΟΙΓΕΙ ΠΡΙΝ ΤΟ ΚΝΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΛΟΓΟΥΣ

Ώστε να έχει περισσότερο χρόνο να βγει το καυσαέριο.

Ώστε η πίεση στον κύλινδρο να έχει πέσει χαμηλά πριν αρχίσει το έμβολο την ανοδική του πορεία προς το ΑΝΣ (ώστε το έμβολο να μην συναντήσει αντίσταση).


ανοδική του πορεία προς το ΑΝΣ (ώστε το έμβολο να μην συναντήσει αντίσταση).

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑ

Μικρή απώλεια έργου, ιδίως στις χαμηλές στροφές.

Η ΒΑΛΒΙ∆Α ΕΞΑΓΩΓΗΣ ΚΛΕΙΝΕΙ ΜΕΤΑ ΤΟ ΑΝΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΛΟΓΟΥΣ

Ώστε να έχει περισσότερο χρόνο να βγει το καυσαέριο (καλύτερη απόπλυση


Ώστε να έχει περισσότερο χρόνο να βγει το καυσαέριο (καλύτερη απόπλυση, εκμεταλλευόμενοι και την αδράνεια των αερίων στον οχετό εξαγωγής, ιδίως στις υψηλές στροφές).

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑ

Μικρή απώλεια μίγματος (που εισέρχεται από την βαλβίδα εισαγωγής) προς την εξαγωγή, ιδίως στις χαμηλές στροφές.

Η ΒΑΛΒΙ∆Α ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΑΝΟΙΓΕΙ ΠΡΙΝ ΤΟ ΑΝΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΛΟΓΟΥΣ

Ώστε να έχει περισσότερο χρόνο να εισέλθει το μίγμα (εκμεταλλευόμενοι και την αδράνεια των αερίων στον αυλό εισαγωγής, ιδίως στις υψηλές στροφές).

Εκμετάλλευση των παλμών πίεσης στους αυλούς εισαγωγής και εξαγωγής ώστε να


μ η μ ης ς ς γ γής ξ γ γήςπετύχουμε μεγαλύτερο βαθμό πλήρωσης και καλύτερη απόπλυση (κατά την διάρκεια της γωνίας επικάλυψης).

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΜικρή απώλεια μίγματος προς την εξαγωγή, ιδίως στις χαμηλές στροφές.

Η ΒΑΛΒΙ∆Α ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΚΛΕΙΝΕΙ ΜΕΤΑ ΤΟ ΚΝΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΛΟΓΟΥΣ


Η ΒΑΛΒΙ∆Α ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΚΛΕΙΝΕΙ ΜΕΤΑ ΤΟ ΚΝΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΛΟΓΟΥΣ

Ώστε να έχει περισσότερο χρόνο να εισέλθει το μίγμα (εκμεταλλευόμενοι και την αδράνεια των αερίων στον αυλό εισαγωγής, ιδίως στις υψηλές στροφές).

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΜικρή επιστροφή μίγματος προς τον αυλό εισαγωγής, ιδίως στις χαμηλές στροφές.

Η ΜΕΓΑΛΗ ΓΩΝΙΑ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΒΑΛΒΙ∆ΩΝ ΣΥΝΕΠΑΓΕΤΑΙ

Μικρή απώλεια ροπής στις χαμηλές στροφές (μειώνεται ο βαθμός πλήρωσης), καθώς μικρό μέρος του μίγματος φεύγει προς την εξαγωγή. Αυτό επίσης

ά ή ύξ ά δ θ ά έ


συνεπάγεται μικρή αύξηση άκαυστων υδρογονανθράκων στα καυσαέρια.

Αύξηση ροπής και ισχύος στις υψηλές στροφές (αυξάνεται ο βαθμός πλήρωσης), καθώς εκμεταλλευόμαστε την αδράνεια των αερίων και τον συντονισμό των κυμάτων πίεσης στους οχετούς εισαγωγής και εξαγωγής.


32

ΣΥΓΚΡΙΣΗ 2-ΒΑΛΒΙ∆ΩΝ - ΠΟΛΥΒΑΛΒΙ∆ΩΝ 4Χ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΠΟΛΥΒΑΛΒΙ∆ΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝΚαλύτερη απόπλυση του κυλίνδρου από τα καυσαέρια.Καλύτερος βαθμός πλήρωσης.∆υνατότητα χρήσης πιο “ήπιου” χρονισμού εκκεντροφόρων (μικρότερη διάρκεια ανοίγματος, μικρότερο βύθισμα).Μικρότερη αδράνεια βαλβίδων.Καλύτερο σχήμα θαλάμου καύσης – καλύτερη καύση.Πλεονεκτικότεροι σε χρήση υψηλών στροφών.


ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΠΟΛΥΒΑΛΒΙ∆ΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝΠιθανή μικρή καθυστέρηση απόκρισης στις χαμηλές στροφές.Κόστος - πολυπλοκότητα.

ΛΟΓΟΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ ΑΕΡΑ λ - ΡΥΠΟΙΟ πραγματικός λόγος αέρα – καυσίμου προς τον αντίστοιχο στοιχειομετρικό.

stAFAFλ =

λ = 1 στοιχειομετρικό μίγμαλ < 1 μίγμα πλούσιο σε καύσιμολ > 1 μίγμα φτωχό σε καύσιμο.


ΛΟΓΟΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ ΑΕΡΑ λ - ΡΥΠΟΙΟ πραγματικός λόγος αέρα – καυσίμου προς τον αντίστοιχο στοιχειομετρικό.

stAFAFλ =

HC περίσσεια καυσίμου ή ατελής καύση.CO περίσσεια καυσίμου.NOx υψηλές θερμοκρασίες.


ΚΑΥΣΙΜΑ

ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΑΠΟΣΤΑΞΗΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ

Φυσικό αέριο.

Βενζίνες (ειδικό βάρος 0.72 – 0.78 gr/cm3).

Κηροζίνη (ειδικό βάρος 0.78 – 0.85 gr/cm3).

Πετρέλαιο Diesel.

Μαζούτ (διάφορες ποιότητες).

Λιπαντικά.


Άσφαλτος – πίσσα.

33

ΚΑΥΣΙΜΑ - ΧΗΜΙΚΗ ∆ΟΜΗ

ΚΥΡΙΟΤΕΡΟΙ ΤΥΠΟΙ Υ∆ΡΟΓΟΝΑΝΘΡΆΚΩΝ

Παραφίνες ή αλκάνια (CνH2ν+2).

Ολεφίνες (CνH2ν ή CνH2ν-2).

Κυκλοπαραφίνες ή αλκάνια (CνH2ν).


Αρωματικοί υδρογονάνθρακες (CνH2ν-6).

ΚΑΥΣΙΜΑ – ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΥΤΑΝΑΦΛΕΞΗΣ

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΥΤΑΝΑΦΛΕΞΗΣ Υ∆ΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΩΝ


ΒΕΝΖΙΝΗΤΥΠΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ

53% αρωματικοί υδρογονάνθρακες, 37% παραφίνες, 8% ολεφίνες, 2% αλκοόλες.

Τυπική αναλογία ατόμων άνθρακα υδρογόνου: 1:1 85 (CH )

Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ

Αριθμός οκτανίου.

Πτητικότητα.

Τυπική αναλογία ατόμων άνθρακα – υδρογόνου: 1:1.85 (CH1.85)x.


Ειδικό βάρος γ = 0.72 – 0.78 gr/cm3 (API = 141.5/γ – 131.5)

Περιεκτικότητα σε θείο.

Χημική ευστάθεια (εάν CnHm όταν αυξάνει m/n μειώνεται η χημική ευστάθεια, κυκλικές αλυσίδες πιο ευσταθείς).

ΒΕΝΖΙΝΗ – ΑΡΙΘΜΟΣ ΟΚΤΑΝΙΩΝ

ΑΡΙΘΜΟΣ ΟΚΤΑΝΙΩΝ (ON ή OZ)

Η επί της εκατό κατ’ όγκο αναλογία ενός πρότυπου μίγματος ισοοκτανίου (100 οκτάνια) – κανονικού επτανίου (0 οκτάνια) το οποίο παρουσιάζει την ίδια αντοχή σε κρουστική καύση με το υπό εξέταση δείγμα. Χρήση μίγματος ισοοκτανίου – τετρααιθυλιούχου μολύβδου (TEL) για μέτρηση άνω των 100 οκτανίων.

∆οκιμή σε πειραματικό κινητήρα με μεταβαλλόμενη σχέση συμπίεσης (μέτρηση RON ή ΜΟΝ).


Εξαρτάται από την σύσταση.

Super: 96 – 98, Απλή: 88 – 92, Αμόλυβδη: 92 - 96

34

ΒΕΝΖΙΝΗ – ΑΡΙΘΜΟΣ ΟΚΤΑΝΙΩΝΑΡΙΘΜΟΣ ΟΚΤΑΝΙΩΝ (ON ή OZ)

Σε κινητήρες με μεγάλη συμπίεση χρειαζόμαστε αυξημένο αριθμό οκτανίων.

Στη super, αύξηση του αριθμού οκτανίων με προσθήκη τετρααιθυλιούχου μολύβδου (TEL) ή τετραμεθυλιούχου μολύβδου (TML). Ο σωματιδιακός μόλυβδος που

ύ ό ύ έ βλ β έ έ ί Σ δ ή άπροκύπτει από την καύση έχει βλαβερές συνέπειες στην υγεία. Σταδιακή κατάργηση.

Στη αμόλυβδη, αύξηση του αριθμού οκτανίων με προσθήκη αρωματικών υδρογονανθράκων και άλλων κατάλληλων ουσιών. Η εκπομπή τέτοιων άκαυστων υδρογονανθράκων είναι πάρα πολύ βλαβερή.


ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ DIESELΤΥΠΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ

Μίγμα πολλών υδρογονανθράκων.

Η ακριβής σύσταση επηρεάζει όλες τις ιδιότητες του.

Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ

Αριθμός κετανίου.

Σημείο ανιλίνης (μέτρο της περιεκτικότητας σε αρωματικού υδρογονάνθρακες και ναφθένια).


Θερμοκρασία ανάφλεξης (ασφάλεια μεταφοράς, > 60 οC).

Περιεκτικότητα σε θείο.

Ιξώδες, σημείο ροής και σημείο πήξης.

Βαθμός καθαρότητας.

ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ DIESEL – ΒΑΘΜΟΣ ΚΕΤΑΝΙΟΥΑΡΙΘΜΟΣ ΚΕΤΑΝΙΟΥ (CN ή CZ)

Η ευκολία με την οποία αυταναφλέγεται το πετρέλαιο.

Η επί της εκατό κατ’ όγκο αναλογία ενός πρότυπου μίγματος κετανίου (αριθμός κετανίου 100) – α-μεθυλοναφθαλένιου (αδρανές, αριθμός κετανίου 0) το οποίο

άζ ίδ λ ξ ό ( θ έ ά λ ξ ) όπαρουσιάζει την ίδια αυταναφλεξιμότητα (καθυστέρηση ανάφλεξης) με το υπό εξέταση δείγμα.

Κινητήρες πετρελαίου, αριθμός κετανίου από 55 - 45 (ταχύστροφοι) εώς 45 - 30 (αργόστροφοι).


ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑΑΛΚΟΟΛΕΣ

Αιθανόλη – μεθυλική αλκοόλη.

Μεγάλη εμπειρία χρήσης (Βραζιλία). Πρόσφατη αναθέρμανση τεχνολογίας (βιοαιθανόλη στην Β Ευρώπη)(βιοαιθανόλη στην Β. Ευρώπη).

Μειωμένη θερμογόνος δύναμη, πολύ μεγαλύτερη ενθαλπία εξάτμισης, πολύ καλές αντικροτικές ιδιότητες.

∆υνατή αύξηση ισχύος.

Χαμηλότερη θερμοκρασία καύσης.


Μείωση εκπεμπομένων ΝΟx (HC και CO στα ίδια περίπου επίπεδα).

Μείωση εκπεμπομένου καπνού στα Diesel.

Συνηθέστερη περίπτωση η χρήση μίγματος με βενζίνη (π.χ. 15%).

35

ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑΥ∆ΡΟΓΟΝΟ

Τα μόνα καυσαέρια είναι υδρατμοί και λίγα ΝΟx.

Ακριβή παραγωγή και δύσκολη αποθήκευση υδρογόνου (τα ίδια προβλήματα συναντώνται και στις κυψέλες καυσίμου)προβλήματα συναντώνται και στις κυψέλες καυσίμου).

∆εξαμενές υγρού υδρογόνου (-253 οC) είτε με υδρίδια μετάλλων.

Η εξέλιξη της έρευνας δείχνει να προτιμάει την χρήση υδρογόνου σε κυψέλες καυσίμου (fuel cells).


ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑΥΓΡΑΕΡΙΟ LPG (Liquid Propane Gas)

Μίγμα προπανίου - βουτανίου.

Υψηλή αντικροτικότητα.

Σημαντικά χαμηλότερες εκπομπές CO και HCΣημαντικά χαμηλότερες εκπομπές CO και HC.

∆υνατότητα χρήσης καταλύτη, για περαιτέρω μείωση ρύπων.

Μειωμένη εκπομπή ρύπων στην κρύα εκκίνηση.

Μηδενικές αναθυμιάσεις κυκλώματος καυσίμου.

ΒΕΝΖΙΝΗ LPGLPG


ΒΕΝΖΙΝΗΚΑΤΑΛΥΤΗΣ

DIESELLPG

ΚΑΤΑΛΥΤΗΣCO

HC

NOx

ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ (Natural Gas)

Άνω του 85% αποτελείται από CH4.

Κινητήρας Otto, λειτουργία με φτωχό μίγμα, μειωμένοι ρύποι.

Καλύτερος βαθμός απόδοσης από βενζινοκινητήρα, λίγο μικρότερος από diesel.

2 μορφές: LNG (Liquid NG, πολύ χαμηλή θερμοκρασία -162 οC), CNG (Compressed NG περίπου στα 200 bar).

1 lt diesel = 4.5 lt CNG (200 bar).


Χρήση σε αστικές συγκοινωνίες.

ΚΑΥΣΙΜΑ - ΣΥΓΚΡΙΣΗ

ΚΑΤΑ ΒΑΡΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤ’ ΟΓΚΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΑΥΣΙΜΩΝ


ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΤ’ ΟΓΚΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΥ ΚΑΥΣΙΜΩΝ(όγκος που πρέπει να καεί για να πάρουμε το ίδιο αποτέλεσμα)

36


ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑΣ ΜΙΓΜΑΤΟΣ.

ΚΑΥΣΗ - ΡΥΠΟΙ.

ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΥΣΗΣ.

ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ.


ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ OTTO

ΕΞΑΕΡΙΩΤΗΡΑΣ (ΚΑΡΜΠΥΡΑΤΕΡ).

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΓΧΥΣΗΣ (ΨΕΚΑΣΜΟΣ, INJECTION).


ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ OTTO - ΕΞΑΕΡΙΩΤΗΡΕΣΒασίζεται στην αρχή Bernoulli.

Ρεύμα αέρα παρασύρει σταγονίδια καυσίμου που αναμιγνύονται με τον αέρα.


ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ OTTO - ΕΞΑΕΡΙΩΤΗΡΕΣΒασίζεται στην αρχή Bernoulli.

Ρεύμα αέρα παρασύρει σταγονίδια καυσίμου που αναμιγνύονται με τον αέρα.


37

ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ OTTO - ΕΞΑΕΡΙΩΤΗΡΕΣΟριζόντιας, ανοδικής, καθοδικής ροής.

Σταθερού στραγγαλισμού – σταθερής πίεσης.


Σταθερού στραγγαλισμού (σταθερής διατομής)

Σταθερής πίεσης (ισόθλιπτος)

ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ OTTO - ΕΞΑΕΡΙΩΤΗΡΕΣ


ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ OTTO - ΕΞΑΕΡΙΩΤΗΡΕΣ


ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ OTTO - ΕΓΧΥΣΗ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΨΕΚΑΣΜΟΥ

Άμεσος ψεκασμός στον κύλινδρο – έμμεσος ψεκασμός στην εισαγωγή.

Κεντρικός ψεκασμός – ψεκασμός ανά κύλινδρο.ρ ς ψ μ ς ψ μ ς ρ

Ψεκασμός ενός σημείου (SPI) – ψεκασμός πολλών σημείων (MPI).

Μηχανικό σύστημα – ηλεκτρονικό σύστημα.

Συνεχής ψεκασμός – διακοπτόμενος ψεκασμός – πολλαπλών παλμών.


38

ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ OTTO - ΕΓΧΥΣΗ

SPI (Single Point Injection) ΜPI (Multiple Point Injection)


SPI (Single Point Injection)ή TBI (Throttle Body Injection)

ΜPI (Multiple Point Injection)

ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΒΕΝΖΙΝΗΣ


ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΒΕΝΖΙΝΗΣ MOTRONIC


Σύστημα BOSCH Motronic


ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΓΧΥΣΗΣ

Ακριβής μέτρηση του καυσίμου σε σχέση με τον αέρα σε όλες τις καταστάσεις λειτουργίας του κινητήρα.

Τ ύ ξ ώ λύ ( άλ ί ύ ί 5 bΤο καύσιμο εξαερώνεται καλύτερα (μεγάλη πίεση ψεκασμού, περί τα 5 bar για ψεκασμό στον αυλό).

Εξασφαλίζεται απόλυτη ομοιογένεια των κυλίνδρων.

Μείωση της ειδικής κατανάλωσης και των ρύπων.

Αύξηση της ισχύος και της ροπής του κινητήρα.


∆υνατότητα ελέγχου της κατανομής γόμωσης του κινητήρα (στρωματική γόμωση).

39


ΤΑΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ

Άμεσος ψεκασμός στον κύλινδρο.

Ψεκασμός νωρίς κατά τη φάση εισαγωγής (early induction injection, 70 - 100 b ) Π θ ώ 2 λ ί ύ ( l l t i j ti )bar). Πιθανώς 2 παλμοί ψεκασμού (early και late injection).

Ψεκασμός κατά τη φάση συμπίεσης με υψηλή πίεση (late induction injection, 200 bar).

Εγχυτήρες περιδίνησης (swirl atomizers).

Εγχυτήρες πολλαπλών οπών (multi hole atomizers).


ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ DIESEL

Άμεσος ψεκασμός στον κύλινδρο ή σε προθάλαμο καύσης.

Μηχανικές αντλίες υψηλής πίεσης - μηχανικοί εγχυτήρες (ανοίγουν όταν η πίεση από την αντλία ανέβει επάνω από εάν όριο). Πιέσεις ψεκασμού γύρω

1000 bστα 1000 bar.

Συστήματα κοινής γραμμής (common rail). Αντλία υψηλής πίεσης –εγχυτήρες πιεζοηλεκτρικής ενεργοποίησης. ∆υνατότητα για διακοπτόμενους παλμούς παροχής. Πιέσεις που φτάνουν πλέον τα 2000 bar.




Εμβολοφόρα αντλία υψηλής πίεσης σε σειρά (inline pump)



Σύστημα Common Rail

40

ΚΑΥΣΗ – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ OTTO

ΠΡΟΫΠΟΘΕΣΕΙΣ ΚΑΛΗΣ ΚΑΥΣΗΣ

Ιδεατά η καύση πρέπει να διαρκεί όσο λιγότερο γίνεται (με την προϋπόθεση ότι πρόκειται για ομαλή καύση) Πρακτικά πρέπει να διαρκεί το πολύ 40ο με 45ο μοίρες στροφάλου (0 0125 s στις 600 RPM 0 00125 sτο πολύ 40 με 45 μοίρες στροφάλου (0.0125 s στις 600 RPM, 0.00125 s στις 6000 RPM).

Ο λόγος της επιφάνειας προς τον περικλειόμενο όγκο που πραγματοποιείται η καύση, πρέπει να είναι κατά το δυνατό μικρός. Ο θάλαμος καύσης πρέπει να έχει κατά το δυνατόν ομαλό σχήμα (πεπλατυσμένος ημισφαιρικός με επίπεδο έμβολο). Ο σπινθηρηστήρας


στο κέντρο (ή 2 σπινθηρηστήρες).

Η μέγιστη πίεση στον κύλινδρο πρέπει να εμφανίζεται λίγο μετά το ΑΝΣ (μεγιστοποίηση του αποδιδόμενου έργου).

Η καύση να είναι τέλεια με μοναδικά παράγωγα CO2 και H2O.


ΚΑΤΟΨΗ ΚΥΛΙΝ∆ΡΟΥΠΛΑΓΙΑ ΟΨΗ ΚΥΛΙΝ∆ΡΟΥ


ΚΑΥΣΗ – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ OTTOΠΡΟΠΟΡΕΙΑ ΑΝΑΦΛΕΞΗΣ (ΑΒΑΝΣ)

Η γωνία στροφάλου πριν το ΑΝΣ στο οποίο δίνεται η ανάφλεξη του σπινθήρα.


Γωνία αβάνς(1) Πιέσεις με καύση με προπορεία(2) Πιέσεις χωρίς καύση

(1) Πιέσεις με υπερβολική προπορεία(2) Πιέσεις με σωστή προπορεία(3) Πιέσεις με καθυστέρηση

Η προπορεία ανάφλεξης πρέπει να αυξάνεται όσο αυξάνουν οι στροφές του κινητήρα (περιορισμένος χρόνος καύσης).


ΠΡΟΣΘΕΤΑ ΜΕΤΡΑ ΠΟΥ ΛΑΜΒΑΝΟΝΤΑΙ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΟ ΜΙΓΜΑ

Σε κινητήρες ομοιόμορφου μίγματος, πριν την έναυση, θα πρέπει το μίγμα να έχει ομογενοποιηθεί.

Σε κινητήρες φτωχού μίγματος στρωματικής γόμωσης, θα πρέπει το μίγμα να είναι σχετικά κοντά στην στοιχειομετρική αναλογία στην περιοχή του σπινθηρηστήρα, ώστε να γίνει ομαλή έναυση.

Ο στροβιλισμός του μίγματος βοηθάει στην καλύτερη ανάμιξη και ομαλότερη και ταχύτερη διάδοση της φλόγας.


41


ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΥΣΗΣ

ΠΥΡΑΝΑΦΛΕΞΗ (προανάφλεξη) : Η μη προγραμματισμένη αυτόματη ανάφλεξη του μίγματος. Συνήθως προκαλείται από την εμφάνιση υψηλών θερμοκρασιών σε μέρη του κυλίνδρου Πιθανή είναι η εμφάνιση πολλώνθερμοκρασιών σε μέρη του κυλίνδρου. Πιθανή είναι η εμφάνιση πολλών εστιών. Προκαλεί πολύ έντονα κύματα πίεσης (θόρυβος στην περιοχή των 700 – 1400 Hz), προκαλώντας μεγάλη καταπόνηση. Η απόδοση και ο βαθμός απόδοσης μειώνονται.

ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΚΑΥΣΗ (πειράκια) : Εμφανίζεται όταν μία αρχικά ομαλά εξελισσόμενη καύση μεταβαίνει ακαριαία σε εκρηκτικής μορφής καύση του


ξ μ η η μ β ρ ρη ής μ ρφής ηυπόλοιπου άκαυστου μίγματος, λόγω εκτοπιστικής συμπίεσης. Προκαλεί έντονα κύματα πίεσης (θόρυβος στην περιοχή των 3000 – 5000 Hz με μεταλλική χροιά, τα γνωστά πειράκια), προκαλώντας μεγάλη καταπόνηση. Η απόδοση και ο βαθμός απόδοσης μειώνονται.


ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΚΑΥΣΗ


Και στις 2 περιπτώσεις η εμφάνιση των προβλημάτων αυτών επηρεάζεται από την παρουσία υψηλών πιέσεων και θερμοκρασιών στον θάλαμο καύσης, τις στροφές περιστροφής, το φορτίο αλλά και την ποιότητα του μίγματος και της βενζίνης.




ΤΡΟΠΟΙ ΑΠΟΦΥΓΗΣ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ

Βενζίνη υψηλότερων οκτανίων (προσθήκη TEL ή TML).

Μείωση της σχέσης συμπίεσης (ή και της πίεσης υπερπλήρωσης).

∆ημιουργία στρωματικής γόμωσης, με το μίγμα να είναι πιο πλούσιο στην περιοχή του σπινθηρηστήρα.

Κατασκευή καλού σχήματος θαλάμου καύσης.

Πιθανή τοποθέτηση 2 σπινθηρηστήρων.

Καλύτερη ψύξη του κινητήρα.


Αύξηση των στροφών του κινητήρα (αύξηση της ταχύτητας του μετώπου της φλόγας).

Στροβιλισμός του μίγματος.

Ανακύκλωση καυσαερίου (EGR, μείωση της θερμοκρασίας καύσης).

42

ΚΑΥΣΗ – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ DIESEL

∆υσμενέστερες συνθήκες καύσης. Μικρός χρόνος σχηματισμού μίγματος.

Το πετρέλαιο κατά την καύση έχει την τάση να σχηματίζει αιθάλη (οι μακριές αλυσίδες ατόμων άνθρακα δεν καίγονται εύκολα, επάνω στις

ί ίθ λ ί ά δ ά θ )οποίες εναποτίθενται ελαφροί άκαυστου υδρογονάνθρακες)

Για τους λόγους αυτούς επιθυμούμε περίσσεια αέρα (λ = 10 στο ρελαντί ως λ = 2 στο πλήρες φορτίο).

Πιέσεις ψεκασμού ως και 2000 bar πλέον, διάμετρος σταγονιδίων 5 – 50 μm.


Η καύση κάθε σταγονιδίου γίνεται σε 3 ζώνες: μία εξωτερική φλεγόμενη (αέριο μίγμα), μία ενδιάμεση σε κατάσταση εξάτμισης (στην επιφάνεια της σταγόνας), και μία εσωτερική (ακόμα υγρή φάση).




ΦΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ

Καθυστέρηση ανάφλεξης: αρχή της έγχυσης, μερική εξάτμιση σταγονιδίων. 8ο με 10ο (ο αριθμός κετανίου του καυσίμου παίζει σημαντικό ρόλο) ∆εν επιθυμούμε να είναι μεγάλη η καθυστέρησηρόλο). ∆εν επιθυμούμε να είναι μεγάλη η καθυστέρηση.

Ανεξέλεγκτη καύση: αιφνίδια ανάφλεξη μεγάλου μέρους των σταγονιδίων που έχουν εγχυθεί. Πραγματοποιείται σε εκείνο το σημείο που επικρατούν οι ευνοϊκότερες συνθήκες.

Ελεγχόμενη ή κανονική καύση: μετά το τέλος της προηγούμενης φάσης, η πίεση και θερμοκρασία έχουν ανέβει σημαντικά και πλέον ο ρυθμός


πίεση και θερμοκρασία έχουν ανέβει σημαντικά, και πλέον ο ρυθμός καύσης συμβαδίζει ουσιαστικά με τον ρυθμό έγχυσης.

Μετάκαυση: καίγεται το εναπομείναν καύσιμο. Επιθυμούμε περιορισμό αυτής της φάσης (αυξημένη παραγωγή ρύπων).



(Α) Καθυστέρηση ανάφλεξης(Β) Ανεξέλεγκτη καύση(Γ) Ελεγχόμενη καύση(∆) Μετάκαυση

43

ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ

ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙ∆ΡΑΣΕΙΣ

Αντιδράσεις αναγωγής : Καταλύτης το ρόδιον (Rh). Αφαιρείται οξυγόνο από τα NOx και σχηματίζονται Ν2 και Ο2.

Αντιδράσεις οξείδωσης : Καταλύτης η πλατίνα (Pt) και το παλλάδιο (Pd).Καίγεται το CO και HC και σχηματίζονται CO2 και H2O.

ΦΟΡΕΑΣ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ (ΜΟΝΟΛΙΘΟΣ)

Κεραμικός : Συνηθέστερα χρησιμοποιούμενος


Κεραμικός : Συνηθέστερα χρησιμοποιούμενος.

Μεταλλικός : Ακριβότερος. Πλεονεκτεί ως προς την αντοχή σε απότομες θερμοκρασιακές μεταβολές, φθάνει την θερμοκρασία λειτουργίας γρηγορότερα, μικρότερη αντίσταση στην ροή των αερίων.

ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ

Μονής κλίνης οξειδωτικός.

∆ιπλής κλίνης.


Τριοδικός.

ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ


ΚΑΤΑΛΥΤΕΣΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΛΥΤΩΝ

Υπολείμματα μολύβδου στη βενζίνη – κάποια προστιθέμενα στα λάδια (ψευδάργυρος – φωσφορικές ενώσεις). Μείωση του χρόνου ζωής του καταλύτη.

Θερμοκρασία καταλύτη άνω των 900ο C. Μείωση του χρόνου ζωής του καταλύτη.

Κραδασμοί και χτυπήματα πιθανώς να δημιουργήσουν “σπασίματα” στον κεραμικό μονόλιθο.

Η αποτελεσματικότητα μειώνετε όταν δεν διατηρείται λ = 1.


Το φράξιμο των καναλιών μειώνει την απόδοση του κινητήρα.

Όταν υπάρχει θείο στη βενζίνη δημιουργείται υδρόθειο (χαρακτηριστική οσμή).

Η καταλυτική δράση αρχίζει από τους 250ο C. Μειωμένη απόδοση μέχρι να ζεσταθεί. Ηλεκτρική προθέρμανση.

44

ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ



∆ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΡΟΠΗΣ - ΙΣΧΥΟΣ.

ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΚ ΚΑΙ ΦΟΡΤΙΟΥ.


ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ∆ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΠΗΣ - ΙΣΧΥΟΣ

P Μ

Θεωρητική μηχανή με σταθερή ροπή σε όλο το εύρος στροφών

(δηλαδή έργο ανά κύκλο σταθερό). Ισχύς = (ταχύτητα περιστροφής) x (Ροπή)

Ισχύς = (ταχύτητα) x (∆ύναμη) P, ΜΙσχύς P

)Nm(M)s/rad()W(P ⋅ω=

)Nm(M)s/rev(N2)W(P ⋅⋅π=

χ ς ( χ η ) ( μη)

)Nm(M)RPM(N)KW(P ⋅⋅π=


n

Ροπή Μ30000

)KW(P =

Η ΡΟΠΗ ∆ΕΝ ΕΙΝΑΙ ΣΤΑΘΕΡΗ ΣΤΟ ΕΥΡΟΣ ΣΤΡΟΦΩΝ ∆ΙΟΤΙ

Αλλάζει ο βαθμός πλήρωσης.

Αυξομειώνονται οι μηχανικές απώλειες.

∆ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΠΗΣ - ΙΣΧΥΟΣ

Μεταβάλλονται οι συνθήκες καύσης.

Μεταβάλλεται ο πραγματικός θερμοδυναμικός κύκλος.


45

ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ∆ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΠΗΣ - ΙΣΧΥΟΣ

36.65 KW


30000)Nm(M)RPM(Nπ)KW(P ⋅⋅

=

55 KW στις 5000 min-1

Pmax – Ονομαστική ισχύς


Ισχύς

Ροπή

ς

140 Nmστις 2500 min-1

Mmax


Ροπή στρέψης

nMmax nPmax


Η ροπή (και η ισχύς) μειώνονται απότομα από ένα σημείο στροφών και πάνω.

Αυτό προκαλείται από μείωση του βαθμού πλήρωσης, αύξηση μηχανικών λ ώ δ ί ό ύ ί λαπωλειών, επιδείνωση της ποιότητας της καύσης, αστοχίες, κ.λ.π..

Πρακτικά υπάρχει περιορισμός στροφών για να προστατευτεί ο κινητήρας από επιτάχυνση. Για τον λόγο αυτό σε πραγματικά διαγράμματα η μείωση αυτή δεν είναι απόλυτα εμφανής.


PmaxP, M, b


Ισχύς

Ροπή στρέψης

Mmax

Ειδική κατανάλωση be


nMmax nPmax

n

nοικ

46

Η ειδική κατανάλωση είναι ουσιαστικά μέγεθος αντιστρόφως ανάλογο του


eee n

1(const)PKb ⋅==

Κ : κατανάλωση καυσίμου στη μονάδα χρόνουP : ισχύςn : βαθμός απόδοσηςb : ειδική κατανάλωση (μάζα καυσίμου ανά μονάδα έργου)

πραγματικού βαθμού απόδοσης.

Το σημείο ελάχιστης ειδικής κατανάλωσης (και άρα μέγιστου βαθμού απόδοσης), συνήθως ονομάζεται σημείο οικονομικής λειτουργίας.

Το σημείο ελάχιστης ειδικής κατανάλωσης σε συνήθεις 4-Χ μηχανές, βρίσκεται πολύ κοντά στο σημείο μέγιστης ροπής στρέψης. Πρακτικά


μπορούν να θεωρηθούν ταυτόσημα.

PΦορτίο (ρύθμιση)

Καμπύλη μέγιστης ισχύος σαν συνάρτηση στροφών και φορτίου


100 %

75 %

50 %

25 %


nΦΟΡΤΙΟ: Η ΘΕΣΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ “ΓΚΑΖΙΟΥ”.

ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΚ - ΦΟΡΤΙΟΥ

P Καμπύλη μέγιστης ισχύος σαν

ΚΑΘΕ ΦΟΡΤΙΟ ΕΧΕΙ ΜΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ.Ο ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΣ ΑΞΟΝΑΣ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΕΙΝΑΙ ΣΤΡΟΦΕΣ (Π.Χ. ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ), ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ (Π.Χ. ΟΧΗΜΑ) Κ.Ο.Κ..

Λοιπές απώλειες

Συνολικό φορτίο

μ η μ γ ης χ ςσυνάρτηση στροφών και φορτίου


n

Υδραυλικές απώλειες

Μηχανικές απώλειες


ΕΑΝ Η ΙΣΧΥΣ ΤΗΣ ΜΕΚ ΕΙΝΑΙ ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ, Η ΜΕΚ

ΣΕ ΚΑΘΕ ΣΗΜΕΙΟ ΕΥΣΤΑΘΟΥΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ) Η ΙΣΧΥΣ ΣΤΗΝ ΕΞΟ∆Ο ΤΗΣ ΜΕΚ ΕΙΝΑΙ ΙΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΙΣΧΥ ΠΟΥ ΑΠΟΡΡΟΦΑ ΤΟ ΦΟΡΤΙΟ.

Ταχύτητα u

Συνολικές αντιστάσεις F


ΕΠΙΤΑΧΥΝΕΙ.

ΕΑΝ Η ΙΣΧΥΣ ΤΗΣ ΜΕΚ ΕΙΝΑΙ ΜΙΚΡΟΤΕΡΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ, Η ΜΕΚ ΕΠΙΒΡΑ∆ΥΝΕΙ. Έξοδος ισχύος ΜΕΚ P.

uFP ⋅=

47


P Χαρακτηριστική φορτίου

ΣΕ ΚΑΘΕ ΣΗΜΕΙΟ ΕΥΣΤΑΘΟΥΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ) Η ΙΣΧΥΣ ΣΤΗΝ ΕΞΟ∆Ο ΤΗΣ ΜΕΚ ΕΙΝΑΙ ΙΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΙΣΧΥ ΠΟΥ ΑΠΟΡΡΟΦΑ ΤΟ ΦΟΡΤΙΟ.

Σ

75 %

50 %

Pe

Σ1

Σ2

100 %

Σημεία συλλειτουργίας

ΕΑΝ Η ΙΣΧΥΣ ΤΗΣ ΜΕΚ ΕΙΝΑΙ ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ, Η ΜΕΚ


50 %

25 %

n

Σ3

Φορτίο (ρύθμιση)

ΕΠΙΤΑΧΥΝΕΙ.

ΕΑΝ Η ΙΣΧΥΣ ΤΗΣ ΜΕΚ ΕΙΝΑΙ ΜΙΚΡΟΤΕΡΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ, Η ΜΕΚ ΕΠΙΒΡΑ∆ΥΝΕΙ.

ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΚ - ΦΟΡΤΙΟΥP

Ne

Χαρακτηριστική φορτίου

Σημεία συλλειτουργίαςΣ3

Σ1

Σ2

Ισχύς ΜΕΚ για συγκεκριμένο φορτίο (ρύθμιση)


Θεώρημα Poincare: Εναλλάξ σημεία ασταθούς και ευσταθούς ισορροπίας.n

1

0: ασταθές, Σ1: ευσταθές, Σ2: ασταθές, Σ3: ευσταθές, κ.ο.κ.


Σ

P

Pe

ΊσιωμαΑνηφόρα

3P3

100 %

75 %

50 %

25 %

12P1P2

Φ ί ( ύθ )

100 %


Σταθερή σχέση μετάδοσης (ταχύτητα κιβωτίου).

n - uu1u2

Φορτίο (ρύθμιση)


P nA

nM

A

M

nni =

Σχέση μετάδοσης (υποπολλαπλασιασμού):

Αριθμός στροφών κινητήριουi

Σ2

P

Pe


PΣΣ1

nA


Αριθμός στροφών κινούμενουi =

Αριθμός δοντιών κινούμενου

Αριθμός δοντιών κινητήριουi =

nnM nA

48


nAP

nM

nA

A

M

nni =

Σχέση μετάδοσης (υποπολλαπλασιασμού):

Αριθμός στροφών κινητήριουi

Σ2

P

Pe


PΣ

Σ1



Αριθμός δοντιών κινούμενου

Αριθμός δοντιών κινητήριουi =

nM nA n

ΣΧΕΣΕΙΣ ΜΕΤΑ∆ΟΣΗΣ

Αριθμός στροφών κινητήριου



Ισχύς = (Ροπή) x (ταχύτητα περιστροφής)

Αύξηση ταχύτητας περιστροφής μείωση ροπής

Μείωση ταχύτητας περιστροφής αύξηση ροπής

Αριθμός στροφών κινούμενου

ΣΧΕΣΕΙΣ ΜΕΤΑ∆ΟΣΗΣΕταιροαξονικό κιβώτιο ταχυτήτων με μούφα εμπλοκής (κομπλέρ).


ΣΧΕΣΕΙΣ ΜΕΤΑ∆ΟΣΗΣ


49

ΤΡΟΠΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΣΧΕΣΕΩΝ ΜΕΤΑ∆ΟΣΗΣ

Ζώνη διακύμανσης ισχύος ∆P


Ζώνη διακύμανσης στροφών ΜΕΚ


P

Ελάχιστη ισχύ ζώνης διακύμανσης

Μέγιστη ισχύ ζώνης διακύμανσης

Ζώνη διακύμανσης


nΑ=nI nεξόδο

υ

nIΙ

Σχέση για 1η σχέση για επιθυμητή ταχύτητα οχήματος

nIΙΙ nIV


Ζώνη διακύμανσης στροφών ∆n


P

Ελάχιστη ισχύ ζώνης διακύμανσης


ΜΕΚςέστροφni M



11MEKmax

MEKmin2 i

58003800i

nni ⋅=⋅=

−

−

ουίκιβωτςέστροφni

A

M ==

Π.χ. Για i1 = 3.8 i2 = 2.49

nεξόδο

υ


nΑ=nI nIΙ nIΙΙ nIV


ΣΤΗΝ ΠΡΑΞΗ ΓΙΑ ΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΤΩΝ ΣΧΕΣΩΝ ΥΠΟΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΜΟΥ

Χρησιμοποιούνται άλλου είδους κλιμακώσεις (π.χ. γεωμετρική).

Βασίζονται στην εμπειρία κάθε εταιρίας και εξαρτάται από τη μορφή και το χαρακτήρα του συγκεκριμένου οχήματος.

Εκτός από επιδόσεις, σημαντικός παράγοντας σχεδιασμού είναι η οικονομία και οι εκπομπές ρύπων.


50

ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΚ (ΜΕ ΚΙΒΩΤΙΟ) – ΦΟΡΤΙΟΥ

ΝΕλάχιστη ισχύ ζώνης διακύμανσης


Έντονη ανωφέρεια ΊσιωμαΧαρακτηριστικές φορτίου

Έντονη ανωφέρεια Ίσιωμα

Σημεία συλλειτουργίας




nΑ=nI nIΙ nIΙΙ nIV

ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΚ – ΦΟΡΤΙΟΥ (ΠΑΡΑ∆ΕΙΓΜΑ)Αλιευτικό σκάφος με μηχανή Μ1 ονομαστικής ισχύος P1 στις n1στροφές, αλλάζει μηχανή και βάζει μηχανή Μ2 με σχεδόν διπλάσια ισχύ σε υψηλότερες στροφές.∆ιαπιστώνει ότι η ταχύτητα τελικά μειώνεται.


Σ

P ρ ηρ ή φ ρ

P2

Σ1P1


Σ2

nn1 n2nΣ2

ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΚ – ΦΟΡΤΙΟΥ (ΠΑΡΑ∆ΕΙΓΜΑ)Αλιευτικό σκάφος με μηχανή Μ1 ονομαστικής ισχύος P1 στις n1στροφές, αλλάζει μηχανή και βάζει μηχανή Μ2 με σχεδόν διπλάσια ισχύ.∆ιαπιστώνει ότι η ταχύτητα τελικά μειώνεται.


2ni =

Αλλαγή σχέσης μετάδοσης

Σ

P ρ ηρ ή φ ρ

P2

Σ1P1

Σ22


nn1 n2

22Σn

nΣ22

Σ2

nΣ2


ΚΑΥΣΑΕΡΙΟ.

ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΙΣΟΛΟΓΙΣΜΟΣ.


51

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΥΣΗΣ

Καύση Έκλυση χημικής ενέργειας. Είναι πάντα καθορισμένη, δεν εξαρτάται από τις συνθήκες.

Η τελικώς διαθέσιμη από την καύση θερμική ενέργεια δεν συμπίπτει ακριβώς με την χημική. Εξαρτάται από τις συνθήκες του πειράματος.

Ορίζεται σαν θερμότητα καύσης η θερμική ενέργεια Qk που λαμβάνουμε, εάν, αφού προκαλέσουμε την πλήρη καύση ενός καύσιμου μίγματος, που βρίσκεται σε αρχική θερμοκρασία Τ, ψύξουμε στην συνέχεια τα προϊόντα της καύσης, στην αρχική τους αυτή θερμοκρασία Τ.

Η θερμότητα καύσης αναγόμενη σε ένα kg καυσίμου ονομάζεται Θ ό ∆ύ Θ


Θερμογόνος ∆ύναμη Θ.

Η θερμότητα καύσης αναγόμενη σε ένα kmol καυσίμου ονομάζεται Μοριακή Θερμογόνος ∆ύναμη Θm.

ΕΠΙ∆ΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΥΣΗΣ

Μεταβάλλεται η θερμότητα καύσης, εάν έχουμε διόγκωση ή συστολή κατά την καύση (διαφορετικό αριθμό kmol αερίων στοιχείων πριν και μετά την καύση).

Μέθοδος καύσης (υπό σταθερό όγκο, σταθερή πίεση)

Για πρακτικές εφαρμογές αμελητέα επίδραση (μερικές μονάδες επί τοις χιλίοις).

Για πρακτικές εφαρμογές αμελητέα επίδραση (μερικές μονάδες επί τοις

Θερμοκρασία καύσης


χιλίοις).

Για άνω των 2000 Κ περίπου μεταβάλλεται σημαντικά (μειώνεται), λόγω της εμφάνισης έντονης διάστασης των προϊόντων της καύσης.

ΕΠΙ∆ΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΥΣΗΣ

Θο η ανώτερη θερμογόνος δύναμη (όλο το Η2Ο υγρό στο καυσαέριο).

Επίδραση του υδρατμού στο καυσαέριο

gfWFuo hξΘΘ ⋅=−

Θu η κατώτερη θερμογόνος δύναμη (όλο το Η2Ο ατμός στο καυσαέριο).

ξWF η σχηματιζόμενη μάζα Η2Ο κατά τη καύση ανά μονάδα μάζας καυσίμου.

hfg η λανθάνουσα θερμοκρασία ατμοποιήσεως του Η2Ο στην θερμοκρασία του πειράματος.

∆ιαφορά Θο - Θu στην περιοχή 10 – 20% (δεν είναι αμελητέα).


Στις ΜΕΚ η θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων είναι στην περιοχή των 300 – 500 οC, οπότε μας ενδιαφέρει η κατώτερη θερμογόνος δύναμη του καυσίμου.

Ο αέρας της καύσεως είναι ξηρός όταν δεν περιέχει υδρατμό.

Έχουμε θερμό υγρό καυσαέριο όταν όλα τα συστατικά του καυσαερίου

ΚΑΥΣΑΕΡΙΟ

Έχουμε θερμό - υγρό καυσαέριο όταν όλα τα συστατικά του καυσαερίου είναι σε αέρια κατάσταση, συμπεριλαμβανομένου του Η2Ο.


52

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΙΣΟΛΟΓΙΣΜΟΣ

Ενεργειακός ισολογισμός


Γίνεται πάντα με αναφορά σε μία μόνιμη κατάσταση.

Καταγράφονται τα ποσά ενέργειας που εισέρχονται και εξέρχονται από ένα υποθετικό όγκο ελέγχου, ο οποίος περικλείει τη ΜΕΚ.

Θα πρέπει μα ικανοποιείται η αρχή διατήρησης ενέργειας.



Εισερχόμενη Ισχύς Εξερχόμενη Ισχύς


Εισερχόμενη Ισχύς Εξερχόμενη ΙσχύςΚαύσιμο : α

BBαB hmH && = Ωφέλιμη Ισχύς : Pe

Αέρας : αΑΑ

αΑ hmH && = Καυσαέριο :

RTαRR

αR )h(mH && =

Ψυκτικό υγρό : υευυε hmH && = Ψυκτικό υγρό : υαυυα hmH && = Άδηλες απώλειες αΑ&

(θερμότητα προς περιβάλλον)




∆ιατήρηση ενέργειας

( ) αυαυTαRReυευ

αΑΑ

αBB ΑhmhmPhmhmhm

R

&&&&&& +++=++




( ) ( ) ( )[ ] ( ) αυευαυTαRT

αRReT

αRR

αΑΑ

αBB Α

υQ

hhm

RQ

hhmP

αTuΘBmBQ

hmhmhmαRα

&4434421

&

&444 3444 21

&

&4444 34444 21

&&

&&& +−+−+=

=

−+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Ορίζεται η ενθαλπία καυσαερίων στη θερμοκρασία περιβάλλοντος Τα

53


( ) ( ) ( )[ ] ( ) α

υ

υευαυ

R

TαRT

αRRe

αuBB

TαRR

αΑΑ

αBB Α

Q

hhm

Q

hhmP

TΘmQ

hmhmhmαRα

&4434421

&

&444 3444 21

&

&4444 34444 21

&&

&&& +−+−+=

⋅=

−+

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

0.05QA0.22

QQ0.35

QQ0.38

QP

B

α

B

υ

B

R

B

e ==== &

&

&

&

&

&

&

0 07A0 20Q0 45Q0 28P αυRe&&&

Για μέσο κινητήρα Diesel σε πλήρες φορτίο.

Για μέσο κινητήρα Otto σε πλήρες φορτίο.


0.07Q

0.20QQ0.45

QQ0.28

Q B

α

B

υ

B

R

B

e ==== &&&&


Ενεργειακός υπολογισμός σαν συνάρτηση της ταχύτητας περιστροφής.


DIESEL OTTO


Ενεργειακός υπολογισμός σαν συνάρτηση του φορτίου.


DIESEL OTTO


ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ.


54

ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ – ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ


ΘΕΡΜΟ∆ΥΝΑΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ

Κύκλος Joule (Brayton) Κύκλος OttoP P

v V


ΌγκοςΕιδικός Όγκος

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ JOULE(ή BRAYTON)


q23

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ JOULE(ή BRAYTON)

W

q41


2 – 3 καύση υπό σταθερή πίεση.


4 – 1 αποβολή θερμότητας υπό σταθερή πίεση.γ

112 V

Vpp ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

γ

134 V

Vpp ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=


2V ⎟⎠

⎜⎝ 2

34 V ⎟⎠

⎜⎝

( )14p

T

Tp41 TTcdTcq

4

1

−⋅=⋅= ∫

( )23p

T

Tp23 TTcdTcq

3

2

−⋅=⋅= ∫

55

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ JOULE

q23

(ή BRAYTON)

1th11n −=


(ε = λόγος συμπίεσης)

W

q41

23

14

23

41

23

4123

23th TT

TT1qq1

qqq

qWn

−−

−=−=−

==


1γth ε − ( γ ς μ ης)

Ακριβώς ίδιος με τον θεωρητικό κύκλο Otto.


q23

(ή BRAYTON)

W

q41

Για ευκολία ορίζεται ο λόγος πιέσεων:1

2p p

pr =

γp

γ

2

11

1

2 rrVVp

pp

=⇒⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=


γ1γ

p

th

r

11n −−=

21 Vp ⎠⎝


q23

(ή BRAYTON)

Ακολουθώντας άλλη προσέγγιση:W

q41

thcthtthctht

in

2134

23th

PPWWQ

h∆h∆qWn

&−−−− −

=−

=

=−

==


inin QQ &

Ορίζεται και ο λόγος ισχύος συμπιεστή - στροβίλου (back work ratio “bwr”):

34

21

t

c

h∆h∆

WWwrb ==

Ι∆ΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΣΕ ΣΤΡΟΒΙΛΟ

Πραγματική μεταβολή 1-2 (αδιαβατική αλλά όχι ισεντροπική).Τεχνικό ή εσωτερικό έργο.


h∆hhWW 21it12−=−⇒=

h∆hhWW 21tht 21′−=−⇒= ′′

Ιδανική μεταβολή 1-2’ (ισεντροπική).Θεωρητικό ή ισεντροπικό έργο.

56


Εσωτερικός ή ισεντροπικός βαθμός απόδοσης.


T∆T∆

T∆cT∆c

h∆h∆

WWn

21

12

p

p

th

iiT ′

≈′⋅

⋅=

′==

′

εάν θεωρήσουμε γ = σταθερό.


emT W

Wn =Μηχανικός βαθμός απόδοσης.


iW

mTiTth

i

i

e

th

eeT nn

WW

WW

WWn ⋅=⋅==Ολικός βαθμός απόδοσης.


thth WmP ⋅= &Θεωρητική ισχύς.


ii WmP ⋅= &Εσωτερική ισχύς.

ee WmP ⋅= &Ωφέλιμη ισχύς.

Ι∆ΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΣΕ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗ

Πραγματική μεταβολή 1-2 (αδιαβατική αλλά όχι ισεντροπική).Τεχνικό ή εσωτερικό έργο.


h∆hhWW 12it12=−⇒=

h∆hhWW 12tht 21′=−⇒= ′′

Ιδανική μεταβολή 1-2’ (ισεντροπική).Θεωρητικό ή ισεντροπικό έργο.

57


Εσωτερικός ή ισεντροπικός βαθμός απόδοσης.


T∆T∆

T∆cT∆c

h∆h∆

WWn

12

21

p

p

i

thiC

′≈

⋅

′⋅=

′== ′ εάν θεωρήσουμε γ = σταθερό.


imC W

Wn =Μηχανικός βαθμός απόδοσης.


eW

mCiCe

i

i

th

e

theC nn

WW

WW

WWn ⋅=⋅==Ολικός βαθμός απόδοσης.


thth WmP ⋅= &Θεωρητική ισχύς.


ii WmP ⋅= &Εσωτερική ισχύς.

ee WmP ⋅= &Ωφέλιμη ισχύς.

ΠΑΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ JOULE

2’ 2 3

3

2

1 4’4

1

2’2

4’4


58

ΚΥΚΛΟΣ JOULE ΜΕ ΠΡΟΘΕΡΜΑΝΣΗ ΑΕΡΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ

Regenerative gas turbine

24

2xreg hh

hhn−−

=

Βαθμός εκμετάλλευσης εναλλάκτη:


Αύξηση βαθμού απόδοσης κύκλου

ΚΥΚΛΟΣ JOULE ΜΕ ΕΠΑΝΑΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝGas turbines with reheat


Ελαφρά αύξηση του παραγόμενου έργου ανά μονάδα αέρα εισαγωγής.Όχι εγγυημένη αύξηση θερμικής απόδοσης.Χαμηλότερες θερμοκρασίες (μεταλλουργικοί περιορισμοί).Υψηλότερες θερμοκρασίες καυσαερίων (καταλληλότερες για προθερμανση αέρα εισαγωγής).

ΚΥΚΛΟΣ JOULE ΜΕ ΨΥΞΗ ΑΕΡΑ ΠΡΟΣΥΜΠΙΕΣΗΣ

Compression with intercooling

Μείωση του έργου συμπίεσης

Εγγυημένη αύξηση συνολικού βαθμού απόδοσης, μόνο όταν συνδυάζεται με προθέρμανση πριν τον θάλαμο καύσης


ΚΥΚΛΟΣ JOULE ΜΕ ΟΛΑ ΤΑ ΠΑΡΑΠΑΝΩ


59

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ

ΒΑΣΙΚΗ ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ

ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΡΓΟΥ ΑΕΡΟΝΑΥΤΙΚΗΣ ΧΡΗΣΗΣ

ΧΩΡΙΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟ ΙΣΧΥΟΣ

ΜΕ ΣΤΡΟΒΙΛΟ TURBOJET

ΜΕ ΚΙΝΗΤΑ ΜΕΡΗ

ΑΝΑ∆ΡΑΣΗΣ ΕΡΓΟ ΣΕ ΑΞΟΝΑTURBOPROP


ΜΕ ΣΤΡΟΒΙΛΟ ΙΣΧΥΟΣ

TURBOJETTURBOFAN

ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΝΑ∆ΡΑΣΗΣ ΧΩΡΙΣ ΚΙΝΗΤΑ ΜΕΡΗ

RAMJETSCRAMJET

ΧΩΡΙΣ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ

ΜΕ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ

TURBOPROPTURBOSHAFT

ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΡΓΟΥ

Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Χρήση σε εργοστάσια.

ΧΡΗΣΗ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ

Χρήση σε πλοία σαν κύρια ή βοηθητική μηχανή.

Χρήση σε βαρέα οχήματα (π.χ. άρματα).

ΑΕΡΟΝΑΥΤΙΚΗΣ ΧΡΗΣΗΣ


Αεροπλάνα – ελικόπτερα – άλλες πτητικές κατασκευές.

ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΡΓΟΥ

ΣΥΜΠΙΕΣΤΗΣΣΤΡΟΒΙΛΟΣ

ΘΑΛΑΜΟΣ ΚΑΥΣΗΣ



ΧΩΡΙΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟ ΙΣΧΥΟΣ


ΜΕ ΣΤΡΟΒΙΛΟ ΙΣΧΥΟΣ

GAS GENERATOR(αεριογόνος μηχανή)

60


ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ ΓΙΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΑΕΡΑ ΚΑΥΣΗΣ



ΣΥΝ∆ΥΑΣΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΟΥ (COMBINED CYCLE)Χρήση θερμότητας καυσαερίων για θέρμανση ατμού

Τυπικός βαθμός απόδοσης απλής στροβιλομηχανής 25 % - 35 %.

Βαθμός απόδοσης με πολλαπλές βαθμίδες, αναθέρμανση, κ.λ.π. εώς και 45 % - 50 % περίπου.

Με συνδυασμένο κύκλο ατμού για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έως και 60 %.


Με συνδυασμένο κύκλο ατμού για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας έως και 85 %.

ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΩΣΗΣ

ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΕΡΟΝΑΥΤΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ


ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΕΣ ΑΕΡΟΝΑΥΤΙΚΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΜΕ ΑΞΟΝΑ ΜΕΤΑ∆ΟΣΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ

ΣΤΡΟΒΙΛΟΣ ΙΣΧΥΟΣ


Ο ΣΤΡΟΒΙΛΟΣ ΤΗΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΤΑ ΚΑΥΣΑΕΡΙΑ ΜΟΝΟ ΟΣΗ ΕΙΝΑΙ ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗ.

Ο ΣΤΡΟΒΙΛΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΕΤΑΙ ΤΗΝ ΥΠΟΛΟΙΠΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΑΞΟΝΑ.

61

TURBOPROP


ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ ΚΙΝΕΙ ΤΟΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟ ΙΣΧΥΟΣ, ΠΟΥ ΜΕΤΑ∆Ι∆ΕΙ ΚΙΝΗΣΗ (ΜΕΣΩ ΚΙΒΩΤΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ) ΣΤΝ ΕΛΙΚΑ.

TURBOSHAFT


ΠΑΡΟΜΟΙΟ ΜΕ TURBOPROP, ΜΟΝΟ ΠΟΥ ΜΕΤΑ∆Ι∆ΕΙ ΙΣΧΥ ΣΕ ΑΞΟΝΑ, ΠΟΥ ΜΕΤΑΦΕΡΕΙ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΣΕ ΑΛΛΟ ΣΗΜΕΙΟ.ΧΡΗΣΗ ΣΥΝΗΘΩΣ ΣΕ ΕΛΙΚΟΠΤΕΡΑ.

ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΕΣ ΑΕΡΟΝΑΥΤΙΚΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΑΝΑ∆ΡΑΣΗΣ ΜΕ ΚΙΝΗΤΑ ΜΕΡΗ

ΒΑΣΙΚΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΑΝΑ∆ΡΑΣΗΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ – ΣΥΜΠΙΕΣΤΗΣ – ΘΑΛΑΜΟΣ ΚΑΥΣΗΣ – ΣΤΡΟΒΙΛΟΣ - ΑΚΡΟΦΥΣΙΟ


Ο ΣΤΡΟΒΙΛΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΤΑ ΚΑΥΣΑΕΡΙΑ ΜΟΝΟ ΟΣΗ ΕΙΝΑΙ ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗ.

Η ΩΣΗ ∆ΗΜΙΟΥΡΓΕΙΤΑΙ ΛΟΓΩ ΤΗΣ ΥΨΗΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΕΞΕΡΧΟΜΕΝΩΝ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ.

TURBOJET


62

TURBOJET


TURBOJET


TURBOJET ΜΕ ΜΕΤΑΚΑΥΣΗ (AFTERBURNING)


ΨΕΚΑΣΜΟΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΚΑΙ ΜΕΤΑΚΑΥΣΗ ΓΙΑ ΑΥΞΗΣΗ ΕΠΙ∆ΟΣΕΩΝ

TURBOJET ΜΕ ΜΕΤΑΚΑΥΣΗ (AFTERBURNING)


63

TURBOFAN


ΠΑΡΑΚΑΜΨΗ ΑΕΡΑ ΓΙΑ ΜΕΙΩΣΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ

Λόγος παράκαμψης: ποσοστό αέρα που δεν διέρχεται από το σύστημα καύσης ως προς τον συνολικό όγκο αέρα που τροφοδοτεί ο ανεμιστήρας.

TURBOFAN


TURBOFAN


TURBOPROPΜέγιστη οικονομία.Αποδοτικό σε χαμηλές σχετικά ταχύτητες.Χρήση σε μικρά – μεσαία αεροσκάφη χαμηλών ταχυτήτων.

ΧΡΗΣΕΙΣ - ΧΑΡΑΚΤΗΡΗΣΤΙΚΑ

TURBOJETΜέγιστες επιδόσεις όχι καλή οικονομίαΜέγιστες επιδόσεις, όχι καλή οικονομία.Κατάλληλο για υψηλές ταχύτητες.Χρήση μετάκαυσης για υπερηχητικά αεροσκάφη. Η μετάκαυση αυξάνει δραστικά τις επιδόσεις, αλλά μειώνει περαιτέρω την οικονομία.Χρήση σε μαχητικά αεροσκάφη υψηλών επιδόσεων.

TURBOFANΚαλές επιδόσεις και καλή οικονομία.


Κατάλληλο για μέσες - υψηλές ταχύτητες.Χρήση σε επιβατικά αεροσκάφη.Μεγάλος λόγος παράκαμψης για επιβατικά αεροσκάφη με σκοπό την μείωση της κατανάλωσης (πλησιάζει σε οικονομία το TurboProp).Τελευταία χρήση και σε μαχητικά αεροσκάφη με χαμηλό λόγο παράκαμψης και χρήση μετάκαυσης (υψηλότερη οικονομία από TurboJet).

64


RAMJET

Η ροή του αέρα από το στάδιο συμπίεσης και μέχρι το ακροφύσιο εξόδου είναι υποηχητική.


Κατάλληλο από 2 – 5 Mach.∆εν μπορεί να λειτουργήσει χαμηλότερα από περίπου 0.5 Mach.Πάνω από 5 Mach καθίσταται αναποτελεσματικό.Στην περιοχή 2 – 4 Mach αποτελεσματικότεροι από TurboJet αλλά και από πυραυλοκίνητη ώση.Χρήση σε βαλλιστικούς πυραύλους και σε μερικά αεροπλάνα (υβριδικά TurboJet –RamJet, Air Turbo Ramjet).


SCRAMJET Supersonic Combustion RAMJET

Βελτιωμένη εκδοχή RamJet για υψηλότερες ταχύτητες.


Η ροή του αέρα σε όλη τη διαδρομή του στη μηχανή είναι υπερηχητική.Αποδοτική λειτουργία στην περιοχή 6 – 8 Mach (hypersonic). Πιθανή λειτουργία και χαμηλότερα 3 – 6 Mach με συνδυασμένη λειτουργία SCRamJet – RamJet.Ακόμα σε πειραματικό στάδιο.Ίσως κατάλληλο για χρήση σε διαστημικές χρήσης (στην ανώτερη ατμόσφαιρα).

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΜεγάλη συγκέντρωση ισχύος. Μεγάλη απόδοση ισχύος για μικρό σε μέγεθος κινητήρα.

Απλούστερη κατασκευή με λιγότερα κινούμενα μέρη και χωρίς κραδασμούς.

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ – ΠΑΛΙΝ∆ΡΟΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΧαμηλότερος βαθμός απόδοσης. Λιγότερο οικονομικοί.

Ακριβή κατασκευή. Απαιτείται απόλυτη ακρίβεια λόγω του πολύ υψηλού ρυθμού περιστροφής και της πολύ υψηλής θερμικής φόρτισης στο θάλαμο καύσης και στα πτερύγια του στροβίλου.


Συνήθως χρησιμοποιούνται μόνο αέρια καύσιμα ή ελαφρύ diesel (jet fuel ή κηροζίνη).

∆εν προσφέρονται ιδιαίτερα για μεταβαλλόμενους αριθμούς στροφών.

Τείνουν να καταναλώνουν περισσότερο καύσιμο στην άφορτη λειτουργία. Γενικά παρουσιάζουν καλό βαθμό απόδοσης σε στενό εύρος λειτουργίας.

Σε επίγειες κατασκευές, όπου ενδιαφέρει περισσότερο η συγκέντρωση ισχύος και λιγότερο η οικονομία. Κινητήρες πολεμικών πλοίων, άρματα μάχης, εγκαταστάσεις

ή ύ άλ ώ ζή

ΠΕ∆ΙΟ ΧΡΗΣΗΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ

ΣΥΝΗΘΕΣΤΕΡΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ

παραγωγής ρεύματος για κάλυψη αιχμών ζήτησης.

Σε κατασκευές με πολύ μεγάλη ισχύ.

Με την χρήση συνδυασμένων κύκλων τα τελευταία χρόνια παρατηρείται η μεγαλύτερη διείσδυση των στροβιλομηχανών για την παραγωγή ρεύματος.

Σε αεροπορικές κατασκευές, όπου ενδιαφέρει πρωτίστως η ισχύς και το βάρος.


65


ΚΥΚΛΟΣ ATKINSON.

ΚΥΚΛΟΣ ATKINSON - MILLER.

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ.ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ.

ΚΥΚΛΟΣ STIRLING.


ΘΕΡΜΟ∆ΥΝΑΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙΚύκλος Joule (Brayton) Κύκλος Otto

P P

V V


ΘΕΡΜΟ∆ΥΝΑΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙΚύκλος Joule (Brayton) Κύκλος Otto

P P

V P V


V

Κύκλος Atkinson

ΚΥΚΛΟΣ ATKINSONΚύκλος Joule (Brayton) Κύκλος Otto

P P

V P V


V

Κύκλος Atkinson

Επιπλέον έργο από Otto

66

ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΥΚΛΟΥ ATKINSON ΑΠΟ ΠΑΛΙΝ∆ΡΟΜΙΚΗ ΜΕΚ

Προσεγγίζεται ο κύκλος Atkinson όταν η φάση εκτόνωσης πραγματοποιείται σε όγκο μεγαλύτερο από τον όγκο αναρρόφησης.

∆ηλαδή όταν θεωρητικά το έμβολο κατά την φάση της εκτόνωσης συνεχίζει να

ΚΥΚΛΟΣ ATKINSON

∆ηλαδή όταν θεωρητικά το έμβολο κατά την φάση της εκτόνωσης συνεχίζει να κατεβαίνει μέχρι η πίεση στον κύλινδρο να γίνει ελάχιστη (ατμοσφαιρική).

Με αυτό τον τρόπο εκμεταλλεύεται όλη η πίεση των καυσαερίων.

Πρακτικά δεν μπορεί να έχουμε τόσο μεγάλο όγκο αποτόνωσης. Στην πράξη απλά ο όγκος αποτόνωσης είναι μεγαλύτερος από τον όγκο αναρρόφησης.



Αρχική ιδέα μηχανής



Περιστροφική μηχανή Atkinson


ΚΥΚΛΟΣ ATKINSON - MILLER

Η Ι∆ΕΑ ΤΟΥ MILLER ΓΙΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΥΚΛΟΥ ATKINSON

Η διαδρομή αποτόνωσης θα πρέπει να είναι η μέγιστη δυνατή που μπορεί να έχει ένας συγκεκριμένος κινητήρας.

Να μεταβάλλεται η διαδρομή του εμβόλου στην οποία πραγματοποιείται ηΝα μεταβάλλεται η διαδρομή του εμβόλου στην οποία πραγματοποιείται η συμπίεση.

Η μεταβολή αυτή γίνεται μέσω μεγάλης καθυστέρησης του κλεισίματος των βαλβίδων εισαγωγής, ενώ το έμβολο έχει αρχίσει να ανεβαίνει προς το ΑΝΣ.


67


Στην κάτω μηχανή η βαλβίδα

Ίδια διάμετρος εμβόλου και ό θ λά ύ

εισαγωγής μένη τόσο διάστημα ανοιχτή, ώστε τελικά το εγκλωβισμένο μίγμα να είναι το ίδιο και στις 2 μηχανές.


όγκος θαλάμου καύσης.Μεγαλύτερη διαδρομή εμβόλου.Γεωμετρικός λόγος συμπίεσης μεγάλος


Και στις 2 μηχανές έχουμε τον ίδιο πραγματικό λόγο συμπίεσης, και την ίδια μάζα μίγματος που καίγεται.


Η μηχανή όμως με την μεγαλύτερη διαδρομή εκμεταλλεύεται πιο πολύ την πίεση των καυσαερίων.



Λόγος συμπίεσης = Όγκος συμπίεσης + Όγκος θαλάμου καύσης Όγκος θαλάμου καύσης

Λόγος αποτόνωσης = Όγκος αποτόνωσης + Όγκος θαλάμου καύσης Όγκος θαλάμου καύσης

ΚΥΚΛΟΣ ATKINSON - MILLERΚΥΚΛΟΣ ATKINSON - MILLERΣΤΗΝ ΠΡΑΞΗ

Σε σύγχρονες μηχανές, ο έλεγχος του φορτίου μπορεί να μην γίνεται με άνοιγμα –κλείσιμο της πεταλούδας του αέρα, αλλά μερικώς και με αυξομείωση του χρόνου κλεισίματος της βαλβίδας.

Το παραπάνω μειώνει και τις απώλειες αναρρόφησης.

Η παρουσία ενός μηχανικού υπερσυμπιεστή ευνοεί την λειτουργία. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να καθορισθεί η πίεση που θα επικρατεί στον κύλινδρο την ώρα που κλείνει η βαλβίδα εισαγωγής.


68

ΚΥΚΛΟΣ ATKINSON - MILLERΚΥΚΛΟΣ ATKINSON - MILLERΣΤΗΝ ΠΡΑΞΗ

Μικρότερη απώλεια έργου από την ενέργεια των καυσαερίων.

Μικρότερες απώλειες αναρρόφησης.

Πλεονεκτήματα

Συνολικά καλύτερος βαθμός απόδοσης.

∆εν μπορεί να γίνει εκμετάλλευση παλμών πίεσης για αύξηση βαθμού πλήρωσης.

Ο πραγματικός λόγος συμπίεσης αυξομειώνεται με τον βαθμό πλήρωσης του κυλίνδρου (εάν δεν υπάρχει μηχανικός υπερσυμπιεστής).

Μειονεκτήματα


Μικρότερη συγκέντρωση ισχύος.


ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ

Σε μερικούς κινητήρες με μηχανικό συμπιεστή, από την εταιρία MAZDA.

Στο υβριδικό μοντέλο TOYOTA PRIUS.

Πλέον και σε υβριδικά μοντέλα άλλων εταιριών.



Στοιχεία κινητήρα TOYOTA PRIUS THS II (2007)

Κυβισμός: 1.5 lt∆ιάμετρος x ∆ιαδρομή: 75.0mm x 84.7mmΛόγος συμπίεσης: 13.5:1Μέγιστη ισχύς: 76 BHP @ 5000Μέγιστη ροπή: 115 Nm @ 4200Αριθμός κυλίνδρων: 4 σε σειράΕκκεντροφόροι: 2 επικεφαλήςΑριθμός βαλβίδων: 4 σε κάθε κύλινδρο


ΣΥΝΟΛΙΚΕΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ CO2


69

ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΠΟ∆ΟΣΗ


ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΠΟ∆ΟΣΗ


ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS)ΤΙ ΕΙΝΑΙ;

Συσκευές παραγωγής ρεύματος.

Παράγουν ρεύμα με τρόπο αντίστροφο της ηλεκτρόλυσης. Άτομα υδρογόνου ενώνονται με άτομα οξυγόνου. Παράγεται ρεύμα και νερό.

Το οξυγόνο παρέχεται από τον αέραΤο οξυγόνο παρέχεται από τον αέρα.

Το υδρογόνο παρέχεται στην εγκατάσταση σαν καύσιμο.

Αντί για υδρογόνο, μπορεί με κατάλληλες διαδικασίες να χρησιμοποιηθεί κατευθείαν αέριο πλούσιο σε υδρογόνο (π.χ. φυσικό αέριο) ή ακόμα και υγρό υδρογονάνθρακα.

Πλέον διαδεδομένος τύπος κυψέλης καυσίμου είναι ο PEM (Proton Exchange


membrane).

Στο επίκεντρο της έρευνας τα τελευταία χρόνια.

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS)

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ PEM (Proton Exchange Membrane)


70






ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELL STACKS)


ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS)ΠΑΡΑΓΩΓΗ Υ∆ΡΟΓΟΝΟΥ

Αυτή την στιγμή η προσφορότερη μέθοδος παραγωγή υδρογόνου είναι από υδρογονάνθρακες.

Στο μέλλον η παραγωγή υδρογόνου ίσως γίνεται με ηλεκτρόλυση νερού. Τα μεγάλα ά έ ύ θ δ ύ ί ό ή έποσά ενέργειας που απαιτούνται θα τροφοδοτούνται είτε από πυρηνική ενέργεια,

είτε από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Έρευνες γίνονται για την παραγωγή υδρογόνου από φυτικές ή ζωικές διαδικασίες.

Ακόμα γίνονται έρευνες για πιθανή παρουσία μεγάλων ποσοτήτων υδρογόνου παγιδευμένων στα πετρώματα της γης (πιθανότητα εξόρυξης).

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ Υ∆ΡΟΓΟΝΟΥ


ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ Υ∆ΡΟΓΟΝΟΥ

Σε υγρή μορφή σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία (-253 C).

Σε αέρια μορφή υπό πολύ υψηλή πίεση.

Αποθηκευμένο σε στερεές ενώσεις (υδρίδια μετάλλων).

Εγκλωβισμένο σε νανοσωλήνες άνθρακα.

71

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS)ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ

Καθαρή ενέργεια χωρίς κατάλοιπα.

Συνολικά καλύτερος βαθμός απόδοσης (π.χ. από ένα ζεύγος ΗΖ παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ΜΕΚ υδρογονανθράκων).

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ

Παραγωγή – αποθήκευση – διανομή υδρογόνου.

Ακόμα κάποια λειτουργικά προβλήματα (π.χ. διαχείριση του νερού στα κανάλια του FC, παραγωγή θερμότητας).

Ακόμα ασύμφορα ακριβά


Ακόμα ασύμφορα ακριβά.

ΚΥΚΛΟΣ STIRLINGΚύκλος STIRLING

P1 – 2 ισοθερμοκρασιακή συμπίεση

(αποβολή θερμότητας).

2 – 3 ισόχωρη πρόσδωση θερμότητας.

3 – 4 ισοθερμοκρασιακή εκτόνωση2

3

V

3 4 ισοθερμοκρασιακή εκτόνωση

(πρόσδωση θερμότητας)

4 – 1 ισόχωρη αποβολή θερμότητας.1

4

T


3

1th T

T1n −=Θεωρητικός βαθμός απόδοσης κύκλου:

Ίδιος με τον κύκλο Carnot (ίσος με τον μέγιστο θεωρητικό βαθμό απόδοσης θερμοδυναμικού κύκλου που παράγει έργο μεταξύ 2 θερμοκρασιών).

ΜΗΧΑΝΗ STIRLINGΜηχανή STIRLING τύπου “Α”

Χώρος συμπίεσης (CS)Έμβολο ισχύος (PP)


Χώρος Εκτόνωσης (ΕS)Έμβολο αποτόνωσης (ΕP)

ΜΗΧΑΝΗ STIRLINGΜηχανή STIRLINGτύπου “Α”

Αποτόνωση Μεταφορά


Συρρίκνωση Μεταφορά

72

ΜΗΧΑΝΗ STIRLINGΜηχανή STIRLING τύπου “Β”


Χώρος Εκτόνωσης (ΕS)Εκτοπιστής (DP)


ΜΗΧΑΝΗ STIRLINGΜηχανή STIRLINGτύπου “Β”

Αποτόνωση Μεταφορά

Συρρίκνωση Μεταφορά


ΜΗΧΑΝΗ STIRLINGΜηχανή STIRLING τύπου “Γ”


ΜΗΧΑΝΗ STIRLINGΜηχανή STIRLING τύπου “Γ” (ross yoke)

Χώρος Εκτόνωσης (ΕS)Εκτοπιστής (DP)


ής ( )


73

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΕξωτερικής καύσης. Οποιαδήποτε πηγή θερμότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί.Εάν χρησιμοποιείται καύση υδρογονανθράκων αυτή μπορεί να είναι συνεχής και πλήρως ελεγχόμενη βελτιστοποιώντας τα αποτελέσματα.Μεγάλος βαθμός απόδοσης.

ΜΗΧΑΝΗ STIRLING

Ελάχιστα κινούμενα μέρη. Οι στεγανοποιήσεις και οι εδράσεις είναι συνήθως στην “ψυχρή” πλευρά του κινητήρα.Χαμηλές πιέσεις στους κυλίνδρους δεν απαιτούν “ακριβή” κατασκευή, ενώ είναι και ασφαλέστερες.Μπορούν να λειτουργούν για χρόνια χωρίς συντήρηση.Εξαιρετικά αθόρυβες, ενώ μπορούν να λειτουργούν και με πλήρη απουσία αέρα ( θ λά ή δ ή ή )


(για υποθαλάσσια ή διαστημική χρήση).Εκκινούν εύκολα και αποδίδουν καλύτερα σε ψυχρά περιβάλλοντα.Για εφαρμογές άντλησης νερού, το ίδιο το νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απόρριψη θερμότητας.Μπορούν να κατασκευασθούν μηχανές με ανάστροφο κύκλος για την χρησιμοποίησή τους σαν ψυκτικές μηχανές.

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΗ απόρριψη της θερμότητας συχνά απαιτεί αρκετά μεγάλο εναλλάκτη. Αυτό αυξάνει το κόστος και την πολυπλοκότητα (από την άλλη πλευρά το γεγονός αυτό είναι θετικό όταν επιδιώκεται συμπαραγωγή ηλεκτρισμού – θερμότητας).Οι μηχανές που λειτουργούν με μικρή θερμοκρασιακή διαφορά έχουν μικρή συγκέντρωση ισχύος


συγκέντρωση ισχύος.Μία μηχανή “καθαρού” κύκλου Sterling απαιτεί προθέρμανση για την εκκίνηση (αυτό ισχύει για όλες τις μηχανές εξωτερικής καύσης).Είναι δύσκολη η άμεση αλλαγή του φορτίου. Οι μηχανές Stirling είναι πλεονεκτικότερες στη λειτουργία με σταθερό αριθμό στροφών και σταθερό φορτίο.Τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα προσφέρει η χρήση υδρογόνου σαν εργαζόμενο μέσο (λόγω χαμηλής συνεκτικότητας, υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και ειδικής


θερμοχωρητικότητας). Η χρήση υδρογόνου συνεπάγεται τα γνωστά μειονεκτήματα λόγω διαρροών, αποθήκευσης και αναφλεξιμότητας. Μερικές χρησιμοποιούν απλό αέρα (και αυτός όμως σε υψηλές πιέσεις μπορεί να γίνει εύφλεκτος.), Πλέον πρόσφατα έχει αρχίσει και η χρησιμοποίηση ηλίου.

ΧΡΗΣΕΙΣΣυμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Συχνά χρησιμοποιείται πηγή θερμότητας από κάποια βιομηχανική διαδικασία.Μικρογεννήτριες οικιακής χρήσης φυσικού αερίου. Εκμεταλλεύονται την θέρμανση για οικιακή χρήση, ενώ το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα προωθείται και πωλείται στο ηλεκτρικό δίκτυο


στο ηλεκτρικό δίκτυο.Μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, χρησιμοποιώντας ηλιακά κάτοπτρα, και με συνολική απόδοση στην παραγωγή ρεύματος μεγαλύτερη από την αντίστοιχη με χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων.Κρυογεννήτριες και αντλίες θερμότητας.Μηχανές Stirling ραδιοϊσοτόπων για διαστημική χρήση (NASA SRG (Stirling Radioisotope Generator)).


Χρήση σε κινητήρες υποβρυχίων (KOCKUMS Gotland class submarine).Πιθανή μελλοντική χρήση σε πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτρικής ενέργειας.Πιθανά μελλοντικά ευρύτερη χρήση για παραγωγή καθαρής ενέργειας από μικρές θερμοκρασιακές διαφορές (π.χ. γεωθερμία, θερμότητα θαλάσσιου νερού). Πιθανή μελλοντική χρήση σε κινητήρες μικρών αεροσκαφών.

ΧΡΗΣΗ ΜΗΧΑΝΗΣ STIRLING ΣΕ ΥΠΟΒΡΥΧΙΑ

KOCKUMS Gotland class submarine


74

ΧΡΗΣΗ ΜΗΧΑΝΗΣ STIRLING ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΑΠΟ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ


ΜΗΧΑΝΗ STIRLING ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ ΕΜΒΟΛΩΝ


ΜΗΧΑΝΗ STIRLING ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ ΕΜΒΟΛΩΝ ΓΙΑ ∆ΙΑΣΤΗΜΙΚΗ ΧΡΗΣΗ


ΧΡΗΣΗ ΜΗΧΑΝΗΣ STIRLING ΓΙΑ ΨΥΞΗ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΟΝΑ∆ΑΣ Η/Υ


MEK I 4 Slides Per Page

Documents

Transcript of MEK I 4 Slides Per Page