ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑ Θέµα: «Προϋπολογισµός κύκλου και προκαταρκτικοί υπολογισµοί σχεδιασµού κινητήρα Diesel» Ι ΑΣΚΩΝ: Ρ. ΣΤΑΜΑΤΕΛΛΛΟΣ Α. Νικολαϊδης Φιλοποίµην-Κων/νος ΕΞΑΜΗΝΟ 8 Ο Α.Μ ΒΟΛΟΣ 2002

2 Περιεχόµενα 1. Εισαγωγή 2. Βιβλιογραφική διερεύνηση 3. Υπολογιστικό µέρος (µοντέλο) 3.1 εδοµένα σχεδιασµού και λειτουργίας κινητήρα 3.2 Σηµεία λειτουργίας 3.3 Εκτελέσεις κώδικα (runs) 4. Αποτελέσµατα υπολογισµών κύκλου µοντέλου 4.1 Χαρακτηριστική µέγιστης ροπής 4.2 Επίδραση της σχέσης συµπίεση 4.3 Επίδραση της ρύθµισης των βαλβίδων και της προπορείας έγχυσης 4.4 Επίδραση της παροχής πετρελαίου 4.5 Γραµµή καύσης 4.6 Επίδραση της µέσης θερµοκρασίας νερού ψύξης 5. Κατασκευαστικοί υπολογισµοί 5.1 Πείρος εµβόλου 5.2 Κοχλιοσυνδέσεις διωστήρα 5.3 Κοχλιοσυνδέσεις κυλινδοκεφαλής 5.4 Άνω έδρανο διωστήρα 5.5 Κάτω έδρανο διωστήρα 5.6 Έδρανα στροφαλοφόρου 5.7 Ψυγείο κινητήρα 5.8 Φτερωτή αντλίας νερού ψύξης 6. Συζήτηση-συµπεράσµατα 7. Βιβλιογραφία

3 1.Εισαγωγή Η παρούσα εργασία είναι ουσιαστικά χωρισµένη σε δύο τµήµατα. Το πρώτο αφορά το υπολογιστικό µέρος, όπου κατά βάση εκτελείται ο κώδικας που µας έχει παραδοθεί, για διάφορες τιµές των µεταβλητών. Κατόπιν παρουσιάζονται τα διαγράµµατα µε τα αποτελέσµατα του υπολογιστικού µοντέλου. Στα σηµεία που προκύπτουν από το µοντέλο γίνονται παρεµβολές, άλλοτε γραµµικές και άλλοτε πολυωνυµικές, µε στόχο την καλύτερη και ευκολότερη εξαγωγή συµπερασµάτων. Στο δεύτερο βασικό τµήµα, γίνεται ο κατασκευαστικός υπολογισµός των ζητούµενων εξαρτηµάτων και συσκευών. Έχει καταβληθεί ιδιαίτερη προσπάθεια ώστε τα αποτελέσµατα που προκύπτουν να είναι ρεαλιστικά και όχι υπερδιαστασιολογηµένα. Σε κάθε υπολογισµό παρατίθενται και οι σχετικοί πίνακες, καθώς και διάφορα σχέδια, ώστε να είναι περισσότερο κατανοητό το τι ακριβώς υπολογίζεται σε κάθε στάδιο.

4 2.Βιβλιογραφική διερεύνηση Το υπολογιστικό µοντέλο δόθηκε κατά τις παραδόσεις του µαθήµατος. Πρόκειται για κώδικα fortran σε ανοιχτή µορφή. Το όνοµα του κώδικα είναι engine.f και τροφοδοτείται µε αρχεία dat. Τα αποτελέσµατα γράφονται σε αρχεία της ίδιας µορφής. Επιπρόσθετα, δόθηκε πλήρης κατάλογος µε όλες τις µεταβλητές που χρησιµοποιούνται στον κώδικα, καθώς και µε τις µεταβλητές εισόδου και εξόδου. Για τους κατασκευαστικούς υπολογισµούς χρησιµοποιήθηκαν κυρίως βιβλία στοιχείων µηχανών. Παράλληλα όµως ήταν απαραίτητη και η χρήση ξένης εξειδικευµένης βιβλιογραφίας για κατασκευαστικά θέµατα. Κυριότερα χρησιµοποιήθηκαν γερµανικά βιβλία του πεδίου των κατασκευών. Για τα ενεργειακά µέρη της εργασίας, έγινε χρήση βιβλίων µηχανικής ρευστών και µετάδοσης θερµότητας, τόσο από την ελληνική όσο και από την ξένη βιβλιογραφία. Στο τέλος της εργασίας παρατίθεται η πλήρης βιβλιογραφία.

5 3.Υπολογιστικό µέρος 3.1 εδοµένα σχεδιασµού και λειτουργίας κινητήρα Από το αρχείο εισόδου fort2.dat εξάγονται τα παρακάτω δεδοµένα για τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά του κινητήρα: ιάµετρος κυλίνδρου m ιαδροµή κυλίνδρου 0.15 m Μήκος διωστήρα m Αριθµός κυλίνδρων 6 Σχέση συµπίεσης 17 : 1 Όγκος πολλαπλής εισαγωγής m 3 Όγκος πολλαπλής εξαγωγής m 3 Μέγιστη γεωµετρική διατοµή βαλβίδας εισαγωγής m 2 Μέγιστη γεωµετρική διατοµή βαλβίδας εξαγωγής m 2 Πάχος κυλινδροκεφαλής 0.01 m Πάχος κεφαλής εµβόλου 0.02 m ιάµετρος βαλβίδας στραγγαλισµού εξαγωγής m Τα χαρακτηριστικά ρυθµίσεων του κινητήρα είναι: Χρόνος ανοίγµατος βαλβίδας εισαγωγής 353 µοίρες στροφαλοφόρου Χρόνος κλεισίµατος βαλβίδας εισαγωγής 579 µοίρες στροφαλοφόρου Χρόνος ανοίγµατος βαλβίδας εξαγωγής 137 µοίρες στροφαλοφόρου Χρόνος κλεισίµατος βαλβίδας εξαγωγής 369 µοίρες στροφαλοφόρου Ρύθµιση θερµοστάτη 85 o C Προπορεία έγχυσης 10 µοίρες στροφαλοφόρου (πριν ΑΝΣ)

6 3.2 Σηµεία λειτουργίας Για να υπολογίσουµε τη χαρακτηριστική µέγιστης ροπής θα θεωρήσουµε ότι ο κινητήρας λειτουργεί µε τη µέγιστη παροχή πετρελαίου και σε στροφές που ξεκινούν από 1000 και φτάνουν τις 2200 στρ/λεπτό, αυξανόµενες κατά 200. Για την επίδραση των γεωµετρικών χαρακτηριστικών και των χαρακτηριστικών ρυθµίσεων, ως σηµεία λειτουργίας λαµβάνουµε τις 1000, 1500 και 2000 στρ/λεπτό µε φορτίο 50% και 100% του πλήρους φορτίου. Για τη µελέτη της επίδρασης των χαρακτηριστικών του σηµείου λειτουργίας οι στροφές λαµβάνονται 1000 και 2000 στρ/λεπτό, ενώ ουσιαστικά το φορτίο είναι µεταβλητή της µελέτης. Στο τµήµα όπου γίνεται µελέτη της µετάδοσης θερµότητας οι στροφές είναι 2000 ανά λεπτό και η παροχή πετρελαίου (άρα και το φορτίο) µέγιστη.

7 3.3 Εκτελέσεις κώδικα (runs) Χαρακτηριστική µέγιστης ροπής Για να εκτελέσουµε τα διαδοχικά τρεξίµατα του κώδικα θέτουµε στο αρχείο fort3.dat την παράµετρο Ν2 ίση µε 2, ώστε να λαµβάνεται υπόψη η παροχή του πετρελαίου. Η µέγιστη παροχή είναι 11 cm 3 /100strokes. Άρα θέτουµε τη µεταβλητή CM30 ίση µε 11. Τα αποτελέσµατα προκύπτουν από το αρχείο fort13.dat. Κατόπιν επεξεργαζόµαστε τα αποτελέσµατα ώστε να βρούµε τη ροπή. Γεωµετρικά χαρακτηριστικά Η σχέση συµπίεσης σε κινητήρες Diesel όπως αυτός που µελετάµε κυµαίνεται από 16 έως 22. Άρα θα κάνουµε τα διαδοχικά τρεξίµατα για σχέσης συµπίεσης 16,17,18,19,20,21 και 22 (ενν. προς ένα). Στους πετρελαιοκινητήρες το φορτίο σχετίζεται µε την παροχή του πετρελαίου και όχι του αέρα, όπως συµβαίνει µε τις βενζινοµηχανές. Άρα για το πλήρες φορτίο θεωρούµε ότι έχουµε τη µέγιστη παροχή πετρελαίου, ενώ για το 50% του πλήρους φορτίου θα θεωρήσουµε το 50% της παροχής. Επειδή ο κινητήρας είναι φυσικής αναπνοής, η mep θα ανήκει στην περιοχή από 7 έως 9 atm. Εάν προκύψει κάποια τιµή για τη mep που δεν ανήκει σε αυτή την περιοχή, απλώς την κρατάµε για λόγους σύγκρισης. Ακόµα, οι βαθµοί απόδοσης και πλήρωσης υπενθυµίζεται ότι δεν µπορούν να ξεπερνούν τη µονάδα. Χαρακτηριστικά ρυθµίσεων Για τις βαλβίδες εισαγωγής τρέχουµε το υπολογιστικό µοντέλο για τις ακόλουθες τιµές της παραµέτρου IVO : 333, 338, 343, 348, 353, 358, 363, 368, 373 Στην ουσία δηλαδή αλλάζουµε την αρχική τιµή που βρίσκουµε στο αρχείο εισόδου fort2.dat κατά +/- 20 ο. Για τις βαλβίδες εξαγωγής δοκιµάζουµε τις ακόλουθες τιµές: 117, 127, 137, 147, 157 Άρα αλλάζουµε την αρχική τιµή που βρίσκουµε στο αρχείο εισόδου fort2.dat κατά +/- 20 ο µε βήµα 10 ο Για την προπορεία έγχυσης εκτελούµε διαδοχικά τρεξίµατα για τις εξής τιµές της παραµέτρου INJ: 20, 15, 10, 5, 0 Υπενθυµίζεται ότι οι παραπάνω γωνίες του στροφαλοφόρου είναι πριν το άνω νεκρό σηµείο. Η τιµή που δίνει το αρχείο εισόδου fort2.dat είναι 10. Άρα µεταβάλλουµε την τιµή αυτή κατά +/- 10 ο µε βήµα 5 ο. Χαρακτηριστικά σηµείου λειτουργίας Η παροχή πετρελαίου ανά εµβολισµό (παράµετρος CM30) θα πρέπει να µεταβάλλεται κατά τέτοιο τρόπο ώστε ο λόγος αέρα λ να παραµένει στην περιοχή από 1,25 έως 4,86 αφού έχουµε κινητήρα Diesel. Αυτή η περιοχή βρίσκεται µε την ακόλουθη διαδικασία:

8 Στους πίνακες των σηµειώσεων του µαθήµατος βρίσκεται ότι ο λόγος αέρακαυσίµου Α/F κυµαίνεται από 18 έως 70 kg αέρα για κάθε kg καυσίµου. Ο στοιχειοµετρικός λόγος είναι (A/F) st =14,4. Έτσι λmin=18/14,4=1,25 και λmax=70/14,4=4,86. Με δοκιµές βρίσκουµε ότι για CM30=2,88 το λ είναι 4,85 ενώ για CM30=11,2 το λ είναι 1,25. Θα τρέξουµε τον κώδικα για λ=3, 5, 7, 9, 11. Γραµµή καύσης Η γραµµή καύσης υπολογίζεται από τη σχέση: θ θ 0 m+1 x b = 1 exp[ a ( ) ] θ όπου: x b = το κλάσµα της µάζας που κάηκε m = η παράµετρος Κ1R θ = γωνία στροφάλου θ 0 = η αρχική γωνία στροφάλου (=0) θ= η διάρκεια της καύσης (παράµετρος TCOR του αρχείου fort2.dat = 75) α= παράµετρος η οποία προσαρµόζει την καµπύλη ώστε να έχει ως µέγιστο τη µονάδα. Η παράµετρος αυτή βρίσκεται ίση µε 10. Με βάση τα παραπάνω και για τις διάφορες τιµές της K1R γίνονται τα τρεξίµατα του κώδικα. Μετάδοση θερµότητας Προκειµένου να εξάγουµε τα ζητούµενα διαγράµµατα θέτουµε στο αρχείο εισόδου fort3.dat αριθµό στροφών ίσο µε 2000 και παροχή καυσίµου 11cm 3 /100strokes (µέγιστη παροχή). Η µέση θερµοκρασία νερού ρυθµίζεται στο αρχείο εισόδου fort2.dat από την παράµετρο TWAS. Tα αποτελέσµατα που µας αφορούν προκύπτουν από τα αρχεία fort8.dat και fort13.dat. Σε ότι αφορά τη συνολική θερµορροή ψύξης, είναι σηµαντικό να αναφερθεί το γεγονός ότι επειδή ο κώδικας δεν έδινε τιµές για µεγέθη που ξεπερνούσαν την τιµή 10000, χρησιµοποιήθηκε αυτή ακριβώς η τιµή στα σηµεία που δεν είχε υπολογιστεί. Επιπρόσθετα, στο αρχείο εξόδου fort8.dat η στήλη που αφορά τη συνολική θερµορροή ψύξης θεωρήθηκε ίση µε το άθροισµα των τριών προηγούµενων στηλών, δηλαδή ίση µε το άθροισµα των θερµορροών προς την κυλινδροκεφαλή, το έµβολο και το χιτώνιο του κυλίνδρου. Αρνητικό πρόσηµο σηµαίνει ότι αλλάζει η φορά προς την οποία υπάρχει η θερµοκρασιακή κλίση. Από το αρχείο fort13.dat προκύπτουν τα αποτελέσµατα για τον ενδεικνύµενο βαθµό απόδοσης και τη θερµοκρασία καυσαερίου.

9 4. Αποτελέσµατα υπολογισµών κύκλου µοντέλου 4.1 Χαρακτηριστική µέγιστης ροπής Η σχετική επεξεργασία φαίνεται στους πίνακες που ακολουθούν. Στροφές/λεπτό Στροφές/sec mep (bar) mep (N/m2) mep (kpa) Ισχύς (kw) Ροπή (Nm) ιάµετρος κυλίνδρου (m) ιαδροµή κυλίνδρου (m) 0.15 Όγκος εµβολισµού ανά κύλινδρο(m 3 ) Όγκος εµβολισµού ανά κύλινδρο(dm 3 ) Αριθµός κυλίνδρων 6 Συνολικός όγκος εµβολισµού (m 3 ) Συνολικός όγκος εµβολισµού (dm 3 ) Υπενθυµίζεται ότι η µέση πραγµατική πίεση mep δίνεται από τη σχέση: P nr mep = V N (εδώ nr = 2διότι ο κινητήρας είναι τετράχρονος) ενώ η ροπή συνδέεται µε την ισχύ µέσω της σχέσης: P = 2π N T όπου N είναι οι στροφές του κινητήρα. Έτσι προκύπτει το διάγραµµα της επόµενης σελίδας. d

10 Χαρακτηριστική µέγιστης ροπής Ροπή (Nm) Στροφές/λεπτό

11 4.2 Επίδραση της σχέσης συµπίεσης 50% φορτίου Επίδραση της σχέσης συµπίεσης στο βαθµό απόδοσης Βαθµός απόδοσης Σχέση συµπίεσης (x:1) Επίδραση της σχέσης συµπίεσης στο βαθµό πλήρωσης Βαθµός πλήρωσης Σχέση συµπίεσης (x:1)

12 Επίδραση της σχέσης συµπίεσης στην ειδική κατανάλωση καυσίµου Ειδική κατανάλωση καυσίµου (g/kwh) Σχέση συµπίεσης (x:1) Επίδραση της σχέσης συµπίεσης στη µέση ενδεικνύµενη πίεση 4.4 Μέση ενδεικνύµενη πίεση (bar) Σχέση συµπίεσης (x:1)

13 Πλήρες φορτίο Επίδραση της σχέσης συµπίεσης στο βαθµό απόδοσης Βαθµός απόδοσης Σχέση συµπίεσης (x:1) Επίδραση της σχέσης συµπίεσης στο βαθµό πλήρωσης Βαθµός πλήρωσης Σχέση συµπίεσης (x:1)

14 Επίδραση της σχέσης συµπίεσης στην ειδική κατανάλωση καυσίµου 220 Ειδική κατανάλωση καυσίµου (g/kwh) Σχέση συµπίεσης (x:1) Επίδραση της σχέσης συµπίεσης στη µέση ενδεικνύµενη πίεση Μέση ενδεικνύµενη πίεση (bar) Σχέση συµπίεσης (x:1)

15 4.3 Επίδραση της ρύθµισης των βαλβίδων και της προπορείας έγχυσης 50% φορτίου

16 Ο βαθµός απόδοσης σε σχέση µε την παράµετρο IVO Βαθµός απόδοσης (n i ) Γωνία IVO ( o ) Η µέση ενδεικνύµενη πίεση σε σχέση µε την παράµετρο IVO Μέση ενδεικνύµενη πίεση (bar) Γωνία IVO ( o ) Ο βαθµ ός πλήρωσης σε σχέση µ ε την παράµ ετρο IV O Βαθµός πλήρωσης (n v ) Γω νία IV O ( o )

17 Ο βαθµός απόδοσης σε σχέση µε την παράµετρο EVO Βαθµός απόδοσης (n i ) Γωνία EVO ( o ) Ο βαθµός πλήρωσης σε σχέση µε την παράµετρο EVO Βαθµός πλήρωσης (n v ) Γωνία EVO ( o ) Η µέση ενδεικνύµενη πίεση σε σχέση µε την παράµετρο EVO Μέση ενδεικνύµενη πίεση (bar) Γωνία EVO ( o )

18 Ο βαθµός απόδοσης σε σχέση µε την παράµετρο INJ Βαθµός απόδοσης (n i ) Γωνία INJ ( o ) Ο βαθµός πλήρωσης σε σχέση µε την παράµετρο INJ Βαθµός πλήρωσης (n v ) Γωνία INJ ( o ) Η µέση ενδεικνύµενη πίεση σε σχέση µε την παράµετρο INJ Μέση ενδεικνύµενη πίεση (bar) Γωνία INJ ( o )

19 Πλήρες φορτίο

20 Ο βαθµός απόδοσης σε σχέση µε την παράµετρο IVO Βαθµός απόδοσης (n i ) Γωνία IVO ( o ) Ο βαθµός πλήρωσης σε σχέση µε την παράµετρο IVO Βαθµός πλήρωσης (n v ) Γωνία IVO ( o ) Η µέση ενδεικνύµενη πίεση σε σχέση µε την παράµετρο IVO Μέση ενδεικνύµενη πίεση (bar) Γωνία IVO ( o )

21 Ο βαθµός απόδοσης σε σχέση µε την παράµετρο EVO Βαθµός απόδοσης (n i ) Γωνία IVO ( o ) Ο βαθµός πλήρωσης σε σχέση µε την παράµετρο EVO Βαθµός πλήρωσης (n v ) Γωνία IVO ( o ) Η µέση ενδεικνύµενη πίεση σε σχέση µε την παράµετρο EVO Μέση ενδεικνύµενη πίεση (bar) Γωνία EVO ( o )

22 Ο βαθµός απόδοσης σε σχέση µε την παράµετρο INJ 0.52 Βαθµός απόδοσης (ni) Γωνία INJ ( o ) Ο βαθµός πλήρωσης σε σχέση µε την παράµετρο INJ Βαθµός πλήρωσης (n v ) Γωνία INJ ( o ) Η µέση ενδεικνύµενη πίεση σε σχέση µε την παράµετρο INJ Μέση ενδεικνύµενη πίεση (bar) Γωνία INJ ( o )

23 4.4 Επίδραση της παροχής πετρελαίου 1000 rpm Επίδραση της παροχής πετρελαίου ανά εµβολισµό στη µέση ενδεικνύµενη πίεση Μέση ενδεικνύµενη πίεση (mep) Παροχή πετρελαίου [cm 3 /100st] Επίδραση της παροχής πετρελαίου ανά εµβολισµό στη θερµοκρασία καυσαερίου Θερµοκρασία καυσαερίου [ ο C] Παροχή πετρελαίου [cm 3 /100st] Επίδραση της παροχής πετρελαίου ανά εµβολισµό στο λόγο αέρα λ Λόγος αέρα λ Παροχή πετρελαίου [cm 3 /100st]

24 2000 rpm Επίδραση της παροχής πετρελαίου ανά εµβολισµό στη µέση ενδεικνύµενη πίεση Μέση ενδεικνύµενη πίεση (mep) Παροχή πετρελαίου [cm 3 /100st] Επίδραση της παροχής πετρελαίου ανά εµβολισµό στη θερµοκρασία καυσαερίου Θερµοκρασία καυσαερίου [ ο C] Παροχή πετρελαίου [cm 3 /100st] Επίδραση της παροχής πετρελαίου ανά εµβολισµό στο λόγο αέρα λ Λόγος αέρα λ Παροχή πετρελαίου [cm 3 /100st]

25 4.5 Γραµµή καύσης Γραµµή καύσης Κλάσµα της µάζας καυσίµου που κάηκε Γωνία στροφάλου (µοίρες)

26 4.6 Επίδραση της µέσης θερµοκρασίας νερού ψύξης Τα συνολικά αποτελέσµατα φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί n= 2000 rpm n= 2000 rpm n= 2000 rpm n= 2000 rpm n= 2000 rpm pe= 8.9 bar pe= 8.9 bar pe= 8.9 bar pe= 8.9 bar pe= 8.9 bar be= 110 mm3/hb be= 110 mm3/hb be= 110 mm3/hb be= 110 mm3/hb be= 110 mm3/hb nv= 0.78 nv= 0.78 nv= 0.79 nv= 0.79 nv= 0.79 pm= 0.21 bar pm= 0.21 bar pm= 0.21 bar pm= 0.21 bar pm= 0.21 bar θex= 708 C θex= 699 C θex= 690 C θex= 682 C θex= 673 C λ = 1.21 λ = 1.21 λ = 1.21 λ = 1.22 λ = 1.22 inj= 10 KW inj= 10 KW inj= 10 KW inj= 10 KW inj= 10 KW DISI= 0.35 DISI= 0.35 DISI= 0.35 DISI= 0.35 DISI= 0.35 DISE= 0.6 DISE= 0.6 DISE= 0.6 DISE= 0.6 DISE= 0.6 DIS3= 0.6 DIS3= 0.6 DIS3= 0.6 DIS3= 0.6 DIS3= 0.6 [O2]= 4.8 % [O2]= 4.8 % [O2]= 4.9 % [O2]= 4.9 % [O2]= 5 % m= 0.9 m= 0.9 m= 0.9 m= 0.9 m= 0.89 z= 86 z= 86 z= 86 z= 86 z= 86 K3= K3= K3= K3= K3= be= 213 g/kwh be= 213 g/kwh be= 213 g/kwh be= 213 g/kwh be= 214 g/kwh ηi= ηi= ηi= ηi= ηi= Tm= 1290 K Tm= 1281 K Tm= 1271 K Tm= 1261 K Tm= 1252 K Rest= 9 % Rest= 9 % Rest= 9 % Rest= 9 % Rest= 9 %

27 Ο ενδεικνύµενος βαθµός απόδοσης σε σχέση µε τη µέση θερµοκρασία νερού ψύξης Ενδεικνύµενος βαθµός απόδοσης Μέση θερµοκρασία νερού ψύξης (οc) Πολυωνυµική (παρεµβολή) Η θερµοκρασία καυσαερίου σε σχέση µε τη µέση θερµοκρασία νερού ψύξης Θερµοκρασία καυσαερίου ( ο C) Μέση θερµοκρασία νερού ψύξης ( ο C) Πολυωνυµική (παρεµβολή)

28 Εξάρτηση της συνολικής θερµορροής ψύξης από τη γωνία στροφάλου Συνολική θερµορροή ψύξης (J) Γωνία στροφάλου

29 5.Κατασκευαστικοί υπολογισµοί 5.1 Υπολογισµός πείρου Για κινητήρα Diesel, η διάµετρος d α του πείρου δίνεται από την εµπειρική σχέση: d α 0,4 D όπου D η διάµετρος του εµβόλου. Αφού D=121 mm έχουµε: d α 0,4 121=48,4 mm Το µήκος του πείρου, αφήνοντας βέβαια κατάλληλο χώρο για τις ασφάλειες που χρησιµοποιούνται για να µην µετακινείται στην οριζόντια διεύθυνση, είναι: L 0,85 D=0,85 121=102,85 mm Παρατήρηση: Σε έµβολο διαµέτρου 124 mm της εταιρίας ΜΑΝ µετρήθηκαν οι παραπάνω τιµές και βρέθηκαν d α =46 και L=105, ενώ οι παραπάνω εµπειρικές σχέσεις θα έδιναν d α =49,6 και L=105. Άρα η σχέση για τη διάµετρο d α κάνει υπερεκτίµηση. Στο έµβολο διαµέτρου 124 mm κάθε ασφάλεια για τις οριζόντιες µετατοπίσεις του πείρου έχει πάχος 1,9 mm. Η διάµετρος d α µπορεί να υπολογιστεί και από τη σχέση: Fz d α = pzul 2c όπου: F z =p z πd 2 /4 p z =η πίεση στον κύλινδρο p zul =η επιτρεπόµενη πίεση (από 40 έως 60 Ν/mm 2 ) c= το µήκος έδρασης του πείρου στο έµβολο, όπως φαίνεται στο σχήµα Π1 Από το γράφηµα της πίεσης σε σχέση µε τη γωνία στροφάλου βρίσκουµε ότι η µέγιστη πίεση p z είναι 74,54 bar ή 7,454 Ν/mm 2. Η τιµή αυτή αντιστοιχεί στη µέγιστη ροπή, η οποία είναι στις 1550 rpm. Άρα: F z =(7,454 π )/4=85713,654 Ν Για p zul =40 Ν/mm 2 και 2c=L/2=51,425 mm έχουµε: 85713,654 d α = 42mm 40 51,425 Από το DIN θα µπορούσαµε να βρούµε τα προτυποποιηµένα d α,d 1 και L. Το πλησιέστερο πρότυπο DIN που βρέθηκε είναι το 7346 που αφορά πείρους για κοινή χρήση και όχι για ΜΕΚ (βλ. παρακάτω). Συνεπώς προτιµούµε να συµβουλευτούµε τον πίνακα Π2 ο οποίος προτείνει εσωτερική διάµετρο d 1 =25 mm και d α =47 mm. Στο έµβολο διαµέτρου 124 mm η d 1 βρέθηκε ίση µε 21,8 mm. Με βάση τα παραπάνω, αποδεχόµαστε τις εξής τιµές: d α =46 mm, d 1 =24 mm και L=102 mm. Πάντως ο λόγος ΒΟ/D=46/121=0,38 ανήκει στις περιοχές του πίνακα Π3. Στη συνέχεια εκτελούµε τους υπολογισµούς ελέγχου ώστε να διαπιστώσουµε εάν οι παραπάνω επιλογές είναι οι κατάλληλες.

30 Έλεγχος σε κάµψη Ο έλεγχος γίνεται µε τη βοήθεια της σχέσης: 3 a Fz f = k 48 EI όπου: f= η κάµψη σε mm f zul = η επιτρεπόµενη κάµψη (από το γράφηµα Π4 ισούται µε 28 µm) α 0,75L= η απόσταση των δυνάµεων (σχήµα Π1) Ε=2, Ν/mm 2 = το µέτρο ελαστικότητας του χάλυβα Ι=(π/64) (d 4 α -d 4 i ) = η ροπή αδράνειας k=1-(b/2α) 2/3 = συντελεστής διόρθωσης Έτσι: 3 2 (0,75 102) 85713,654 f = = 0,0123mm 0, 028mm π 4 4 2,12 10 (46 24 ) 64 Άρα περνάει τον έλεγχο. Έλεγχος σε παραµόρφωση Ο έλεγχος γίνεται µε τη σχέση: όπου: d a + d r = i 4 d a di 3 L ( ) 3 2 L ( d a di ) I L = = ] d = 1 12 Fz r EI L 3 d zul Από το γράφηµα Π4, d zul =28 µm Έχουµε: ,654 ( ) 1 d = 4 = 0,0159mm 0, 028mm (46 24) 2, Άρα περνάει τον έλεγχο.

31 Σχήµα Π1 Πίνακας Π2

32 Πίνακας Π3

33 Γράφηµα Π4 Ο τίτλος του DIN 73125: Μέρος του DIN 7346:

34

35 5.2 Υπολογισµός κοχλιών διωστήρα Πρώτη εκλογή Η µέγιστη πίεση που δέχεται κάθε έµβολο είναι: p z =67,34 bar ή 61,734 N/mm 2 Άρα η δύναµη που δέχεται ο διωστήρας και που συνολικά φέρουν οι κοχλίες του, είναι: 2 D F = p = 85713, 654Ν z zπ 4 Για τους κοχλίες επιλέγουµε υλικό το οποίο είναι χάλυβας Το σπείρωµα θα είναι λεπτό µετρικό. Το ελάχιστο όριο τάσης ροής είναι σ s =900 N/mm 2 (πίνακας Κ 1). Επειδή έχουµε κυµατοειδή καταπόνηση, ως επιτρεπόµενη τάση θεωρούµε ότι έχουµε : σ zεπιτ =0,3 σ s =270 N/mm 2. Κάθε κοχλίας θα παραλαµβάνει δύναµη F=0,5 F z =42856,8 Ν. Η απαιτούµενη διατοµή του πυρήνα είναι: A k F σ Ζεπιτ = 42856, mm Από τον πίνακα Κ 2 για ISO σπείρωµα (DIN 30), επιλέγουµε κοχλία Μ16x1,5 ο οποίος έχει Α k =157 mm 2. Οι κοχλίες που θα χρησιµοποιηθούν θα είναι κοχλίες διαστολής. Αυτοί είναι ελαστικότεροι και ενεργούν σαν αποσβεστήρες κρούσης. Μάλιστα µε νίτρωση µπορούµε να αυξήσουµε το όριο ροής του κορµού του κοχλία έως και 100%. Στο σχήµα Κ 3 φαίνονται µερικοί κοχλίες διαστολής. Παρατήρηση: Για το έµβολο διαµέτρου 124 mm 2 βρέθηκε ότι χρησιµοποιείται ίδιος κοχλίας. 2 Σχέση επιβράχυνσης-επιµήκυνσης e B /e S eb ES s Σ( ) es 3k g Σ s E όπου: Ε S = N/mm 2 =µέτρο ελαστικότητας υλικού κοχλιών Σ s =µήκος σύσφιξης της σύνδεσης=48,5 mm s=µονοµερή πάχη των συσφιγµένων δοµήσιµων µερών Θεωρώντας ότι συνολικά έχουµε 1 µέρος: s=s1=48,5 mm E=E S = N/mm 2 =µέτρο ελαστικότητας των συσφιγµένων δοµήσιµων µερών k g =d 2 /d 2 f =1,78=παράγοντας µορφής (βλ. σχήµα Κ 3) Με αντικατάσταση έχουµε: eb ,5 = 0,187 e 3 1,78 48, S ύναµη διαφοράς Η δύναµη διαφοράς F d (δηλαδή η αύξηση της δύναµης καταπόνησης του κοχλία λόγω της κυµατοειδούς φόρτισης) είναι: eb 0,187 F d = F = (42856,8) = 6751, 67Ν e 1+ 0,187 S

36 ύναµη προέντασης F v Θεωρούµε ότι η σύσφιξη θα γίνεται µε τυποποιηµένα κλειδιά µε τα χέρια. Από το σχήµα Κ 4 η τάση σύσφιξης προκύπτει ίση µε σ an =250 N/mm 2. Άρα: F v =Α k σ an = =39250 N Μέγιστη δύναµη F g και ελάχιστη δύναµη F k (δυνάµεις λειτουργίας) F g = F v + F d = ,67=46001,67 Ν F k = F g - F=46001, ,82=3144,87 Ν Τάση έλξης σ στο στέλεχος διαστολής Η µέγιστη τάση έλξης σ που προκαλεί η F g, θα πρέπει να είναι τόση ώστε να ικανοποιείται η σχέση: σ= F g /Α f 0,8 σ s 2 2 ( d f d) (0,75 16) 2 όπου Af = π = π = 113,1 mm 4 4 Άρα: σ=46001,67/113,1=406,7 N/mm 2 0,8 900=720 N/mm 2 Συνεπώς περνάει το έλεγχο. Απόκλιση τάσης α G Πρέπει να ικανοποιείται η σχέση: σ α =0,5 F d /Α k 0,7 σ AG όπου σ AG =k 1 k 2 σ Α είναι η αντοχή απόκλισης µορφής του πυρήνα του κοχλία. Έχουµε: k 1 =συντελεστής κατασκευής k 2 =συντελεστής περικοχλίων Από τον πίνακα Κ 5 έχουµε k 1 =1,3 και k 2 =1,2 ενώ σ Α είναι η αντοχή απόκλισης. Με βάση το σχήµα Κ 6 για d/r=74 (από τον πίνακα Κ 2) έχουµε : σ Α =88 N/mm 2. Άρα: σ AG =1,3 1,2 88=137,28 N/mm 2 και σ α =0,5 (6751,67/157)=21,5 0,7 (137,28)=96,1 N/mm 2 Οπότε περνάει τον έλεγχο.

37 Πίνακας Κ 1

38 Πίνακας Κ 2

39 Σχήµα Κ 3 Σχήµα Κ 4 Πίνακας Κ 5

40 Σχήµα Κ 6

41 5.3 Υπολογισµός κοχλιών κυλινδροκεφαλής Ο κινητήρας είναι εξακύλινδρος σε σειρά. Προκειµένου να εξασφαλίζεται ικανοποιητική αντοχή και αξιοπιστία της κυλινδροκεφαλής, η τελευταία δεν είναι ενιαία άλλα χωρισµένη σε δύο µέρη. Στην ουσία δηλαδή έχουµε δύο κυλινδροκεφαλές, µία για κάθε τρεις κυλίνδρους. Κάθε κυλινδροκεφαλή από αυτές έχει 8 κοχλίες, οπότε συνολικά χρειαζόµαστε 16 κοχλίες. Προκειµένου να διευκολύνουµε τον υπολογισµό, θα θεωρήσουµε ένα έµβολο µε τους τέσσερις κοχλίες που τον περικλείουν στην κυλινδροκεφαλή. Η µέγιστη δύναµη στην οποία θα υπόκεινται και οι τέσσερις κοχλίες είναι: F = 85713, 654Ν Βέβαια οι κοχλίες που βρίσκονται ενδιάµεσα σε κυλίνδρους (και όχι στις άκρες της κυλινδροκεφαλής) θα δέχονται και επιπλέον φορτίο από τα διπλανά έµβολα που θα βρίσκονται σε κάποια φάση του κύκλου. Όµως αυτή η δύναµη δεν είναι το ίδιο µεγάλη µε τη µέγιστη και δεν λαµβάνεται υπόψη, διότι θα οδηγηθούµε σε υπερδιαστασιολόγηση. Για τους κοχλίες επιλέγουµε υλικό το οποίο είναι χάλυβας Το σπείρωµα θα είναι λεπτό µετρικό. Το ελάχιστο όριο τάσης ροής είναι σ s =900 N/mm 2 (πίνακας Κ 1). Επειδή έχουµε κυµατοειδή καταπόνηση, ως επιτρεπόµενη τάση θεωρούµε ότι έχουµε : σ zεπιτ =0,3 σ s =270 N/mm 2. Κάθε κοχλίας θα παραλαµβάνει δύναµη F=0,25 F= 21428,4 Ν. Η απαιτούµενη διατοµή του πυρήνα είναι: F 21428,4 2 A k = 79,36mm 270 σ Ζεπιτ Από τον πίνακα Κ 2 για ISO σπείρωµα (DIN 30), επιλέγουµε κοχλία Μ12x1,5 ο οποίος έχει Α k =81,1 mm 2. Οι κοχλίες που θα χρησιµοποιηθούν θα είναι κοχλίες διαστολής. Σχέση επιβράχυνσης-επιµήκυνσης e B /e S eb ES s Σ( ) es 3k g Σ s E όπου: Ε S = N/mm 2 =µέτρο ελαστικότητας υλικού κοχλιών Σ s =µήκος σύσφιξης της σύνδεσης=10 mm (παράµετρος SKOP από το αρχείο fort2.dat) s=µονοµερή πάχη των συσφιγµένων δοµήσιµων µερών Θεωρώντας ότι συνολικά έχουµε 1 µέρος: s=s1=10 mm E=E S = N/mm 2 =µέτρο ελαστικότητας των συσφιγµένων δοµήσιµων µερών k g =d 2 /d 2 f =1,78=παράγοντας µορφής (βλ. σχήµα Κ 3) Με αντικατάσταση έχουµε: eb = 0,187 e 3 1, S ύναµη διαφοράς Η δύναµη διαφοράς F d (δηλαδή η αύξηση της δύναµης καταπόνησης του κοχλία λόγω της κυµατοειδούς φόρτισης) είναι:

42 F d eb 0,187 = F = (21428,4 ) = 3375, 83Ν e 1+ 0,187 S ύναµη προέντασης F v Θεωρούµε ότι η σύσφιξη θα γίνεται µε τυποποιηµένα κλειδιά µε τα χέρια. Από το σχήµα Κ 4 η τάση σύσφιξης προκύπτει ίση µε σ an =250 N/mm 2. Άρα: F v =Α k σ an =81,1 250=20275 N Μέγιστη δύναµη F g και ελάχιστη δύναµη F k (δυνάµεις λειτουργίας) F g = F v + F d = ,83=23650,83Ν F k = F g - F=23650, ,4 =2222,43Ν Τάση έλξης σ στο στέλεχος διαστολής Η µέγιστη τάση έλξης σ που προκαλεί η F g, θα πρέπει να είναι τόση ώστε να ικανοποιείται η σχέση: σ= F g /Α f 0,8 σ s 2 2 ( d f d) (0,75 12) 2 όπου Af = π = π = 63,62mm 4 4 Άρα: σ=23650,83/63,62=371,75 N/mm 2 0,8 900=720 N/mm 2 Συνεπώς περνάει το έλεγχο. Απόκλιση τάσης α G Πρέπει να ικανοποιείται η σχέση: σ α =0,5 F d /Α k 0,7 σ AG όπου σ AG =k 1 k 2 σ Α είναι η αντοχή απόκλισης µορφής του πυρήνα του κοχλία. Έχουµε: k 1 =συντελεστής κατασκευής k 2 =συντελεστής περικοχλίων Από τον πίνακα Κ 5 έχουµε k 1 =1,3 και k 2 =1,2 ενώ σ Α είναι η αντοχή απόκλισης. Με βάση το σχήµα Κ 6 για d/r=55 (από τον πίνακα Κ 2) έχουµε : σ Α =107 N/mm 2. Άρα: σ AG =1,3 1,2 107=166,92 N/mm 2 και σ α =0,5 (3375,83/81,1)=20,8 0,7 (166,92)=116,844 N/mm 2 Οπότε περνάει τον έλεγχο.

43 5.4 Υπολογισµός άνω εδράνου διωστήρα Η µέγιστη δύναµη που το έδρανο θα παραλαµβάνει είναι: F = 85713, 654Ν Πλάτος στροφέα b Προσδιορίζεται από το λόγο d b όπου d η διάµετρος του πείρου του εµβόλου. Θεωρούµε ότι ο λόγος αυτός έχει την τιµή 0,8. Έτσι: b = 0,8 b = 0,8 46 = 36,8mm d Ταχύτητα ολίσθησης U ίνεται από τη σχέση: N 2300 U = d π n = d π = 46 π = 5539,7mm / s = 5,539m / s Παρατήρηση:Εδώ χρησιµοποιούµε τις µέγιστες στροφές και όχι τις στροφές µέγιστης ροπής. Επιφανειακή πίεση Ισχύει: F 85713,654 P = = = 50,63Ν / mm d b 46 36,8 Σχετική χάρη εδράνων Έχουµε: 4 Ψ = 0,0008 U = 0, ,539 = 0,0012 Από τον πίνακα ΕΣ2 για συναρµογή Η7/e8 επιλέγεται χάρη 0, Πάχος φιλµ λίπανσης και απόλυτη χάρη Το απόλυτο πάχος λίπανσης δίνεται από τη σχέση: 0.75 h,75 ( R ) όπου R t τον πίνακα ΕΣ3 βρίσκουµε o 2 5 t είναι η τραχύτητα της επιφάνειας του ζεύγους στροφέα-εδράνου. Από R t = 2,5µm.Άρα: 0.75 h o 5,75 (2,5) = 11,43µm Η απόλυτη χάρη έδρασης είναι: S = Ψ d w = 0, = 0, 0552mm Θα πρέπει: S 4 ho = 4 11,43 = 45,72µ m = 0, 04572mm οπότε περνάει τον έλεγχο. Το σχετικό πάχος µεµβράνης είναι: h 11,43 δ = o = 2 = 0, 414 µ m S / 2 55,2

44 Στο σχήµα φαίνεται ένας διωστήρας µε τα εξαρτήµατά του: Τα παρακάτω σχήµατα είναι επεξηγηµατικά για τα µεγέθη που υπολογίζονται:

45 5.5 Υπολογισµός κάτω εδράνου διωστήρα Η µέγιστη δύναµη που το έδρανο θα παραλαµβάνει είναι: F = 85713, 654Ν Πλάτος στροφέα b b Προσδιορίζεται από το λόγο όπου dk η διάµετρος του κοµβίου του d k στροφαλοφόρου όπου τοποθετείται ο διωστήρας (84,7mm). Θεωρούµε ότι ο λόγος αυτός έχει την τιµή 0,8. Έτσι: b = 0,45 b = 0,45 84,7 = 38,115mm d k Ταχύτητα ολίσθησης U ίνεται από τη σχέση: N 2300 U = d π n = d k π = 84,7 π = 10200,2mm / s = 10,2m k / Παρατήρηση:Εδώ χρησιµοποιούµε τις µέγιστες στροφές και όχι τις στροφές µέγιστης ροπής. Επιφανειακή πίεση Ισχύει: F 85713,654 P = = = 26,55Ν / mm d b 84,7 38,115 k Σχετική χάρη εδράνων Έχουµε: 4 Ψ = 0,0008 U = 0, ,2 = 0,0014 Από τον πίνακα ΕΣ2 για συναρµογή Η7/e8 επιλέγεται χάρη 0, Πάχος φιλµ λίπανσης και απόλυτη χάρη Το απόλυτο πάχος λίπανσης δίνεται από τη σχέση: 0.75 h,75 ( R ) όπου R t τον πίνακα ΕΣ3 βρίσκουµε o 2 5 t είναι η τραχύτητα της επιφάνειας του ζεύγους στροφέα-εδράνου. Από R t = 2,5µm.Άρα: 0.75 h o 5,75 (2,5) = 11,43µm Η απόλυτη χάρη έδρασης είναι: S = Ψ d k = 0, ,7 = 0, 10164mm Θα πρέπει: S 4 ho = 4 11,43 = 45,72µ m = 0, 04572mm οπότε περνάει τον έλεγχο. Το σχετικό πάχος µεµβράνης είναι: h 11,43 δ = o = 2 = 0, 225 µ m S / 2 101,64 s

46 5.6 Υπολογισµός εδράνων στροφαλοφόρου Για τον υπολογισµό των εδράνων απαιτείται η εύρεση των διαστάσεων του στροφαλοφόρου που φαίνονται στο σχήµα ΕΣ1. Έτσι έχουµε: d w 0,8 D=0,8 121=96,8 mm όπου D η διάµετρος του εµβόλου (121 mm) (από άλλη πηγή βρέθηκε d w 0,75 D. Θα ακολουθήσουµε όµως τη σχέση d w 0,8 D καθώς όλες οι υπόλοιπες διαστάσεις θα βασιστούν στην ίδια πηγή) ρ 0,045 D=0, =5,445 mm L k =l k +2ρ 0,34 D=0,34 121=41,14 mm οπότε l k =L k -2ρ=41,14-2 (5,445)=30,25 mm d k 0,7 D=0,7 121=84,7 mm Θα υπολογίσουµε τα 7 έδρανα θεωρώντας ένα έµβολο µε το διωστήρα του και τα δύο έδρανα του στροφαλοφόρου που αντιστοιχούν σε αυτό. Τα υπόλοιπα έδρανα είναι φυσικά τα ίδια. Συνεπώς η µέγιστη δύναµη που κάθε έδρανο θα παραλαµβάνει είναι: 85713,654 F = = 42856, 827Ν 2 Βέβαια όταν ένα έµβολο (άρα και τα έδρανα του στροφαλοφόρου) δέχεται τη µέγιστη δύναµη, τότε τα διπλανά του δέχονται και αυτά δύναµη (η σειρά έναυσης είναι ), που όµως είναι µικρότερη της µέγιστης. Εδώ δεν θα τη λάβουµε υπόψη διότι διαφορετικά θα οδηγηθούµε σε υπερδιαστασιολόγηση. Πλάτος στροφέα b Προσδιορίζεται από το λόγο b. Αφού έχουµε στροφαλοφόρο, από τη d w βιβλιογραφία βρίσκεται ότι ο λόγος αυτός ανήκει στην περιοχή 0,25-0,6. Επιλέγουµε 0,45. Έτσι: b = 0,45 b = 0,45 96,8 = 43,56mm d w

47 Ταχύτητα ολίσθησης U ίνεται από τη σχέση: N 2300 U = d π n = d w π = 96,8 π = 11697,403mm / s = 11,657m w / Παρατήρηση:Εδώ χρησιµοποιούµε τις µέγιστες στροφές και όχι τις στροφές µέγιστης ροπής. Επιφανειακή πίεση Ισχύει: F 42856,827 P = = = 10,164Ν / mm d b 96,8 43,56 w Σχετική χάρη εδράνων Έχουµε: 4 Ψ = 0,0008 U = 0, ,657 = 0,00148 Από τον πίνακα ΕΣ2 για συναρµογή Η7/e8 επιλέγεται χάρη 0, Πάχος φιλµ λίπανσης και απόλυτη χάρη Το απόλυτο πάχος λίπανσης δίνεται από τη σχέση: 0.75 h,75 ( R ) όπου R t τον πίνακα ΕΣ3 βρίσκουµε o 2 5 t είναι η τραχύτητα της επιφάνειας του ζεύγους στροφέα-εδράνου. Από R t = 2,5µm.Άρα: 0.75 h o 5,75 (2,5) = 11,43µm Η απόλυτη χάρη έδρασης είναι: S = Ψ d w = 0, ,8 = 0, 143mm Θα πρέπει: S 4 ho = 4 11,43 = 45,72µ m = 0, 04572mm οπότε περνάει τον έλεγχο. Το σχετικό πάχος µεµβράνης είναι: h 11,43 δ = o = 2 = 0, 16 µ m S / s

48 Πίνακας ΕΣ2

49 Πίνακας ΕΣ3

50 Σχήµα ΕΣ4 Στροφαλοφόρος 6-κύλινδρης µηχανής Diesel µε την ίδια σειρά έναυσης σε σχέση µε τη µηχανή MAN D2156.

51 5.7 Υπολογισµός ψυγείου Η µέγιστη θερµότητα στη µηχανή παράγεται στις µέγιστες στροφές. Για 2300 rpm εκτελούµε το υπολογιστικό µοντέλο και από το αρχείο fort16.dat παίρνουµε τα αποτελέσµατα που φαίνονται στον πίνακα ΥΨ1. Παράµετρος Τιµή Επεξήγηση HFUEL 3902 ενθαλπία ψεκαζόµενου καυσίµου ανά κύκλο ανά κύλινδρο QFRI 433 έργο µηχανικών απωλειών ανά κύκλο ανά κύλινδρο WORK 1897 ωφέλιµο έργο ανά κύκλο ανά κύλινδρο HEX ενέργεια που µεταβιβάζεται στο καυσαέριο ανά κύκλο ανά κύλινδρο QLOS -903 θερµικές απώλειες ψύξης ανά κύκλο ανά κύλινδρο QLKOP -252 θερµικές απώλειες κάθε κυλίνδρου προς κυλινδροκεφαλή στη διάρκεια ενός κύκλου QLKOL -343 θερµικές απώλειες κάθε κυλίνδρου προς το έµβολο στη διάρκεια ενός κύκλου QLLAU -309 θερµικές απώλειες κάθε κυλίνδρου προς το χιτώνιο στη διάρκεια ενός κύκλου HTM 511 µέσος συντελεστής συναγωγής αερίου-τοιχώµατος στη διάρκεια ενός κύκλου HTM2 301 µέσος συντελεστής συναγωγής στη διάρκεια ενός κύκλου TCM 1348 µέση θερµοκρασία θαλάµου καύσης στη διάρκεια ενός κύκλου QUKOP QLKOP*RPM/SHKOP/120 (SHKOP=επιφ. µετάδοσης θερµότητας κυλινδροκεφαλής) Πίνακας ΥΨ1 Από τις παραµέτρους αυτές, εκείνη που µας ενδιαφέρει για τον υπολογισµό του ψυγείου είναι η QLOS της οποίας η τιµή είναι 903 Joule. Αυτή είναι η θερµότητα που πρέπει να αποµακρύνουµε ανά κύκλο ανά κύλινδρο. Άρα η θερµότητα και για τους 6 κυλίνδρους ανά κύκλο είναι 6 903=5418J. Η µηχανή είναι τετράχρονη, δηλαδή ένας θερµοδυναµικός κύκλος θα ολοκληρώνεται σε κάθε δύο πλήρεις περιστροφές του κινητήρα. Με βάση τα παραπάνω, η θερµική ισχύς που πρέπει να απάγουµε είναι: = W ή 103,845kW 60 2 Για τον υπολογισµό του εναλλάκτη (ψυγείο) χρησιµοποιούµε τη µέθοδο του βαθµού αποτελεσµατικότητας NTU (εναλλακτικά µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε τη µέθοδο της µέσης λογαριθµικής διαφοράς, LMTD). Ο εναλλάκτης θα είναι σταυρωτής ροής, χωρίς να υπάρχει ανάµειξη σε κανένα από τα δύο ρευστά (νερό και αέρας). Σχηµατικά, ο εναλλάκτης θα έχει ως εξής:

52 Ο δείκτης c αναφέρεται στον αέρα, ενώ ο δείκτης h στο νερό. Οι δείκτες i και ο αναφέρονται στην είσοδο και έξοδο αντίστοιχα. Τα δεδοµένα για τον υπολογισµό του ψυγείου είναι τα ακόλουθα: Έξοδος νερού από τη µηχανή είσοδος στο ψυγείο = 85 ο C,όπως αυτή προκύπτει από τα δεδοµένα του αρχείου fort2.dat (δηλαδή η θερµοκρασία ανοίγµατος του θερµοστάτη). Στα σχήµατα ΥΨ7 και ΥΨ8 φαίνεται τόσο το σύστηµα ψύξης όσο και ο ρόλος του θερµοστάτη. Είσοδος νερού στη µηχανή έξοδος του ψυγείου = 70 ο C. Είσοδος αέρα στο ψυγείο = 35 ο C. εν θεωρούµε συνθήκες 25 ο C αλλά υψηλότερης θερµοκρασίας ώστε ο κινητήρας να µπορεί να λειτουργεί χωρίς πρόβληµα και σε θερµές εποχές (π.χ. καλοκαίρι). Έξοδος αέρα από το ψυγείο = 50 ο C. Από το γράφηµα ΥΨ3 προκύπτει ότι η θερµοκρασία του αέρα µετά το ψυγείο κυµαίνεται µεταξύ 40 ο C και 60 ο C, γι αυτό και επιλέγουµε µία µέση τιµή. Για το νερό ισχύει:. h p, h h, i h, o Q = m c ( T T ) (1) Το c θα το θεωρήσουµε σταθερό για µία µέση θερµοκρασία, δηλαδή για p,h o o ο µία θερµοκρασία T = = 77,5 C. Από τον πίνακα ΥΨ2 έχουµε 2 kj c p, h = 4,195 kg K Οπότε από τη σχέση (1) προκύπτει ότι:. Q 103,845 m = = = 1,65kg s h c p h Th i T /, (, h, o ) 4,195 (85 70) Η θεωρητικά µέγιστη θερµορροή είναι: q = C T h T ) όπου C = min( C, C c ) (C είναι ο ρυθµός max min (, i h, o θερµοχωρητικότητας). Για τον αέρα βρίσκουµε τη θερµοχωρητικότητά του για µία µέση o o ο θερµοκρασία T = = 42,5 C. Από τον πίνακα ΥΨ4 έχουµε 2 kj c, c = 1,007 kg K. c p, c c, o c, i min p Ισχύει: Q = m c ( T T ) οπότε:. Q 103,845 m = = = 6,875kg s c c p c Tc o T /, (, c, i ) 1,007 (50 35) Οι ρυθµοί θερµοχωρητικότητας C είναι: C C. c = mc c p, c =,8751,007 = 6,923kW / K = 6 C. h = mh c p, h =,65 4,195 = 6,921kW / K = 1 C min max h

53 Άρα Cmin = Ch = 6,921kW / K και qmax = 6,921 (85 35) = 346, 05kW Η αποτελεσµατικότητα είναι: Q 103,845 ε = = = 0,3 q max 346,05 Επίσης έχουµε: Cmin 6,921 = 1 Cmax 6,923 Από το σχήµα ΥΨ5 προκύπτει: U h Ah NTU = 0,45 C Ο ολικός συντελεστής µετάδοσης θερµότητας U h (overall heat transfer coefficient) λαµβάνεται ίσος µε 50W/m 2 K, µε βάση τον πίνακα ΥΨ6.Έτσι: Cmin Ah = NTU = 0,45 = 62, 289m U h 50 Άρα η επιφάνεια αυτή είναι η απαραίτητη για την εναλλαγή θερµότητας που θέλουµε να πετύχουµε. Αν για παράδειγµα, είχαµε ένα ψυγείο διαστάσεων 0,9m 0,8m θα µπορούσαµε να είχαµε 80 κατακόρυφες στήλες στις οποίες κυκλοφορεί το νερό. Όµως ανάµεσα από τις στήλες πτυχώσεις από λεπτό φύλλο λαµαρίνας που στην ουσία λειτουργούν ως πτερύγια, δηλαδή αυξάνουν την επιφάνεια εναλλαγής. Αν κάθε φύλλο έχει πλάτος 0,15m και µήκος ανάµεσα σε δύο στήλες 0,011m και εφόσον τελικά δηµιουργούνται 500 πτυχώσεις, η επιφάνεια εναλλαγής θα ήταν: ,011 0,15=66m 2 min

54 Πίνακας ΥΨ2 Γράφηµα ΥΨ3

55 Πίνακας ΥΨ4 Σχήµα ΥΨ5

56 Πίνακας ΥΨ6 Σχήµα ΥΨ7 Σχήµα ΥΨ8

57 5.8 Υπολογισµός φτερωτής αντλίας νερού ψύξης Σκοπός της αντλίας είναι η µετακίνηση υγρού (νερού) για να επιτευχθεί µετάδοση θερµότητας, δηλαδή ψύξη της µηχανής. Άρα η αντλία εξασφαλίζει την ανακυκλοφορία του νερού και γι αυτό ονοµάζεται αντλία ανακυκλοφορίας ή κυκλοφορητής. Συνεπώς το ύψος ανύψωσης Η δεν µας ενδιαφέρει (µπορεί να είναι ακόµα και µηδενικό). Στο σχήµα ΥΦ1 φαίνεται η διάταξη του συστήµατος ψύξης. Σχήµα ΥΦ1 Οι παράµετροι που αφορούν την αντλία και το σχεδιασµό της συνδέονται µε τις παρακάτω εξισώσεις: Q =π ( D2 zl2 ) b2 Cn2 (εξ. συνέχειας) ninh 2 Cn2 / u2 H = u2 (1 ) (εξ. Euler) g tgβ 2 u2 = πd2n / 60 όπου: D 2 = εξωτερική διάµετρος φτερωτής Q= παροχή Η= ύψος αντλίας (ολικό) z= αριθµός πτερυγίων b 2 = πλάτος πτερωτής Cn 2 = ορθή συνιστώσα ταχύτητας στη διατοµή εξόδου n i = ιδεατός βαθµός απόδοσης n h = υδραυλικός βαθµός απόδοσης β 2 = γωνία πτερυγίων στην έξοδο n= στροφές αντλίας l 2 =s 2 (η διάσταση αυτή φαίνεται στο σχήµα που ακολουθεί) Στο σχήµα ΥΦ2 φαίνεται µία τυπική φτερωτή ακτινικής ροής και τα τρίγωνα ταχυτήτων στις διατοµές εισόδου και εξόδου.

58 Σχήµα ΥΦ2 Η παροχή Q έχει υπολογιστεί από το µέρος που αφορά το ψυγείο και βρέθηκε ίση µε 1,65 kg/s ή 0,00165 m 3 /s ή 5,94 m 3 /h, όπου έχουµε θεωρήσει ότι η πυκνότητα του νερού είναι 1000 kg/m 3 (που είναι πολύ καλή προσέγγιση για τις θερµοκρασίες στις οποίες αναφερόµαστε). Προκειµένου να διευκολύνουµε τους υπολογισµούς, οι σχέσεις της προηγούµενης σελίδας θεωρούνται ως εξής: Q π D2 b2 Cn2 (1) H u 2 Cu2 / g (2) u = πd / 60 (3) 2 2n όπου Cu 2 είναι η εφαπτοµενική συνιστώσα ταχύτητας στη διατοµή εξόδου. Από τον πίνακα ΥΦ3 επιλέγουµε αριθµό πτερυγίων z ίσο µε 6, οπότε και γωνία β 2 ίση µε 30 ο. Για το πλάτος b 2 θεωρούµε ότι ισούται µε 0,006 m. Πίνακας ΥΦ3

59 Η εξωτερική διάµετρος D2 υπολογίζεται επαναληπτικά από τις σχέσεις (1) έως (3) µε την ακόλουθη διαδικασία: Θεωρούµε µία διάµετρο D2 (σε m). Υπολογίζουµε από την (3) την u2. Αφού β2=30 ο θα είναι: Cn 2 =u 2 sin30 o και Cu=u 2 cos30 o. Αντικαθιστούµε στις (1) και (2) και βρίσκουµε τα Q και Η. Αν αυτά βρίσκονται σε περιοχές που µας ικανοποιούν έχουµε βρει τη σωστή διάµετρο. Αν όχι, δοκιµάζουµε για άλλη διάµετρο. Θα πρέπει η παροχή να είναι περίπου ίση µε αυτή που έχουµε ήδη υπολογίσει (δηλαδή 0,00165 m 3 /s). Το ύψος Η µπορεί να παραµένει σε µικρές περιοχές. Στον πίνακα ΥΦ4 φαίνονται οι αντίστοιχες δοκιµές, από τις οποίες προκύπτει ότι η εξωτερική διάµετρος είναι περίπου 0,04 m. Η διάµετρος αυτή σε πρώτη προσέγγιση φαίνεται µικρή. Έχουµε όµως θεωρήσει ότι η αντλία έχει σχέση µετάδοσης σχεδόν 1:1 µε το στροφαλοφόρο άξονα, οπότε στις µέγιστες στροφές περιστρέφεται µε 2300 rpm. Και για να κρίνουµε αν οι διαστάσεις αυτές είναι ρεαλιστικές, συγκρίνουµε µε κυκλοφορητή του εµπορίου ο οποίος µε παροχή 1 m 3 /h και ύψος 1m στις 1900 rpm έχει διάµετρο 0,06 m. Μάλιστα θα µπορούσαµε να υπολογίσουµε τη διάµετρο D2 µε βάση την αντλία αυτή, κάνοντας χρήση των παρακάτω σχέσεων οµοιότητας: ιάµετρος αντλίας Ταχύτητα u 2 Συνιστώσα Συνιστώσα Cn 2 Παροχή Q (D 2 ) [m] [m/s] Cu 2 [m/s] [m/s] Ύψος Η [m] [m 3 /s] Πίνακας ΥΦ4

60 6.Συζήτηση συµπεράσµατα Για την επίδραση των γεωµετρικών χαρακτηριστικών, παρατηρούµε ότι µε αύξηση της σχέσης συµπίεσης για το 50% του πλήρους φορτίου ο βαθµός απόδοσης αυξάνει, ο βαθµός πλήρωσης παραµένει σταθερός, η ειδική κατανάλωση αυξάνει και η µέση ενδεικνύµενη πίεση µειώνεται. Για το πλήρες φορτίο όµως, ενώ για τους βαθµούς απόδοσης και πλήρωσης η συµπεριφορά είναι ίδια, η ειδική κατανάλωση καυσίµου και η µέση ενδεικνύµενη πίεση µε αύξηση της σχέσης συµπίεσης δεν µεταβάλλονται σηµαντικά Παρόµοια διαφοροποίηση ανάµεσα στα αποτελέσµατα για το 50% και το 100% του φορτίου έχουµε και στα χαρακτηριστικά ρυθµίσεων. Παρατηρούµε ότι τόσο για το πλήρες όσο και για το 50% του φορτίου, για αύξηση της παραµέτρου IVO ο βαθµός απόδοσης, ο βαθµός πλήρωσης και η µέση ενδεικνύµενη πίεση µειώνονται. Με µεταβολή της παραµέτρου EVO ο βαθµός πλήρωσης και η µέση ενδεικνύµενη πίεση για το 50% του φορτίου δεν µεταβάλλονται σηµαντικά σε σχέση µε το πλήρες φορτίο, όπου η διακύµανση είναι πιο έντονη. Ο βαθµός απόδοσης και στις δύο περιπτώσεις παρουσιάζει διακύµανση που όµως δεν κρίνεται ιδιαίτερα µεγάλη. Για την παράµετρο INJ παρατηρούµε ότι τόσο για το πλήρες όσο και για το 50% του πλήρους φορτίου ο βαθµός απόδοσης αυξάνει ως τις 15 ο και κατόπιν µειώνεται πάλι. Ο βαθµός πλήρωσης δεν µεταβάλλεται. Η µέση ενδεικνύµενη πίεση για το 50% του φορτίου αυξάνεται µε αύξηση του INJ, όµως σηµαντικά λιγότερο σε σχέση µε το πλήρες φορτίο. Από τις γραφικές παραστάσεις που αφορούν την επίδραση που έχει η παροχή πετρελαίου στη µέση ενδεικνύµενη πίεση, στη θερµοκρασία καυσαερίων και στο λόγο αέρα λ, προκύπτει το συµπέρασµα ότι η επίδραση είναι ακριβώς η ίδια ανεξάρτητα από τις στροφές του κινητήρα. Για τη γραµµή καύσης παρατηρούµε ότι και τα τέσσερα προφίλ της µάζας που κάηκε έχουν την χαρακτηριστική σιγµοειδή µορφή. Ακόµα, όσο η παράµετρος K1R αυξάνει από 0,5 σε 1,5 η καµπύλη πλησιάζει ακόµα περισσότερο τη µορφή S. Και στις τέσσερις καµπύλες διακρίνονται οι τρεις περιοχές στις οποίες χωρίζεται η γραµµή καύσης: Γωνία ανάπτυξης της φλόγας Γωνία ταχείας καύσης Γωνία µείωσης ταχύτητας και παγώµατος της καύσης

61 7.Βιβλιογραφία Ελληνόγλωσση Αυγερινός Γ. Στοιχεία Μηχανών, τόµος πρώτος, εκδόσεις Γρηγ. Φούντας, Αθήνα Αυγερινός Γ. Στοιχεία Μηχανών, τόµος δεύτερος, εκδόσεις Γρηγ. Φούντας, Αθήνα Γραικούσης Ρ. (1977). Στοιχεία Μηχανών, στοιχεία περιστροφικής κίνησης, τόµος ΙΙ, εκδόσεις Γιαχούδη-Γιαπούλη, Θεσσαλονίκη Judge A. Πετρελαιοκινητήρες Αυτοκινήτων, µετάφραση Ε.Βάος, τόµος πρώτος, εκδόσεις Π.Γαλούσης, Αθήνα Niemann G. Στοιχεία Μηχανών, τόµος δεύτερος, εκδόσεις Γρηγ. Φούντας, Αθήνα Παπαιωάννου Α. (1996). Μηχανική των Ρευστών, τόµος ΙΙ, εκδόσεις Μαυροµάτη Μιχαήλ Βόδα, Αθήνα Παπαντώνης. (1994). Υδροδυναµικές Μηχανές Αντλίες-Υδροστρόβιλοι, εκδόσεις Συµεών, β έκδοση, Αθήνα Σταµατέλλος Α. (1994). Πανεπιστηµιακές σηµειώσεις ΜΕΚ, πανεπιστηµιακές εκδόσεις Θεσσαλίας, Βόλος Wärmeatlas Vdi (1977). Μετάδοσις Θερµότητος, µετάφραση Κ.Ν. Παττά, εκδόσεις Γιαχούδη-Γιαπούλη, Θεσσαλονίκη Ξενόγλωσση DIN (1990). Maschinenbau Normen für Studium und Praxis, Beuth, Berlin Incropera F. & De Witt D. (1990). Fundamentals of Heat and Mass Transfer, third edition, John Willey & Sons, USA Mettig H. (1973). Die Konstruktion schnellaufender Verbrennungsmotoren, Walter de Gruyter, Berlin ικτυακοί τόποι (προτυποποίηση) (εξαρτήµατα ΜΕΚ) (εταιρία κατασκευών ΜΕΚ) (έδρανα)