Υπολογισμός Κινητήρα

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΤΡΑ 2006 Εργασία στη Δυναμική Μηχανών και Μηχανισμών: Υπολογισμός Κινητήρα Φοιτητές: Ιωαννίδης Νικόλαος 4655 Σφακιανάκης Αριστείδης 4462 Τσιαμίτας Παναγιώτης 4472

2 ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΠΑΛΙΝΔΡΟΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ Οι παρακάτω παράγοντες ορίζουν τη βασική γεωμετρία μιας παλινδρομικής μηχανής : Σχέση συμπίεσης ορίζουμε τον λόγο μέγιστου όγκου κυλίνδρου, προς τον ελάχιστο όγκο κυλίνδρου: r V + V d c c όπου Vd είναι ο όγκος εμβολισμού και Vc ο όγκος του Vc θαλάμου καύσης Λόγος διαμέτρου κυλίνδρου προς διαδρομή εμβόλου: B R bs L Λόγος μήκους διωστήρα προς ακτίνα στροφάλου: R α Επί πλέον η διαδρομή εμβόλου και η ακτίνα στροφάλου συνδέονται από την σχέση: L 2α Τυπικές τιμές αυτών των παραμέτρων είναι: r c από 8 έως 12 για μηχανές Otto και 12 έως 24 για μηχανές diesel B/L από 0.8 έως 1.2 για μικρές και

3 μεσαίου μεγέθους μηχανές φτάνει μέχρι 0.5 για μεγάλες αργόστροφες μηχανές diesel. Από 3έως 4 για μικρές και μεσαίου μεγέθους και φτάνει μέχρι 5 έως 9 για μεγάλες μηχανές Diesel. Ο όγκος του κυλίνδρου V σε οποιαδήποτε θέση στροφάλου είναι: 2 πb V Vc + 4 ( + α s) όπου s είναι η απόσταση μεταξύ του άξονα στροφάλου και του άξονα πείρου του εμβόλου και γεωμετρικά αποδεικνύεται ότι δίνεται από την σχέση: s a cosθ ( α sin θ) 0. 5 Η γωνία όπως ορίζεται στο σχήμα λέγεται γωνία στροφάλου η εξίσωση μετά από πράξεις δίνει: V V c 1 1+ (r 2 c 1) 2 2 [ R + 1 cosθ ( R sin θ) ] 0.5 Η επιφάνεια του θαλάμου καύσης Α σε οποιαδήποτε θέση του στροφάλου δίνεται από την σχέση A A + A + πb ch A ch p ( + α s) όπου είναι η επιφάνεια της κεφαλής Αp η επιφάνεια της κεφαλής του εμβόλου, για επίπεδη κεφαλή εμβόλου είναι: A p πb 4 2 Μια σπουδαία χαρακτηριστική ταχύτητα είναι η μέση ταχύτητα εμβόλου S p S p 2LN όπου Ν η ταχύτητα περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα. Η στιγμιαία ταχύτητα του εμβόλου είναι: ds S p dt Η ταχύτητα εμβόλου είναι μηδενική στην αρχή της διαδρομής του, φτάνει σε μια μέγιστη τιμή κοντά στο μέσον της διαδρομής και μετά κατεβαίνει στο μηδέν στο τέλος της διαδρομής του. Παραγωγίζοντας την σχέση : ( ) 0. 5 s a cosθ + α sin θ

4 Έχουμε : S p π sin ϑ 1 + Sp 2 cos ϑ ( R sin ϑ) Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η μεταβολή της στιγμιαίας ταχύτητας του εμβόλου σε συνάρτηση της γωνίας στροφάλου για R 3.5 Η αντίσταση ροής των αερίων μέσα στην μηχανή και οι τάσεις από αδρανειακές δυνάμεις των κινούμενων μαζών θέτουν ανώτατο όριο στην μέγιστη μέση ταχύτητα του εμβόλου. Το όριο αυτό είναι από 8 έως 15 m/sec το 15 αντιστοιχεί στις μικρές σχετικά μηχανές αυτοκινήτου, ενώ το 8 αντιστοιχεί στις μεγάλες μηχανές Diesel.

5 ΡΟΠΗ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Η ροπή μιας μηχανής μετράται συνήθως με δυναμόμετρο, το δυναμόμετρο είναι μια συσκευή που προβάλλει αντίσταση στην περιστροφή της μηχανής, και με κατάλληλο μηχανισμό μοχλών και ελατηρίων μετρά την αντίσταση αυτή. Η αντίσταση αυτή δημιουργείται ηλεκτρικά ή υδραυλικά ή μηχανικά. Εάν η ροπή είναι Τ, τότε η ισχύς P είναι: P 2πNT όπου Ν η ταχύτητα περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα. Η ροπή εκφράζει την ικανότητα μιας μηχανής να παράγει έργο, ενώ η ισχύς εκφράζει τον ρυθμό παραγωγής έργου, δηλαδή το έργο που παράγεται στην μονάδα του χρόνου. Η ισχύς της μηχανής που μετράται με τον παραπάνω τρόπο λέγεται πραγματική ισχύς και είναι η χρήσιμη ισχύς που μεταφέρεται από την μηχανή στο φορτίο. ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Η ισχύς που απορροφούν οι τριβές, οι βοηθητικοί μηχανισμοί και η εναλλαγή των αερίων θεωρείτε ένα σύνολο και ονομάζεται ισχύς τριβών έτσι: P f P P + P ig b f Ο λόγος της πραγματικής ισχύς προς την ενδεικνύμενη ισχύς της μηχανής ορίζεται μηχανικός βαθμός απόδοσης: Pb n m P ig Αφού η ισχύς τριβών περιλαμβάνει και την ισχύ που απαιτείται για την εναλλαγή αερίων, ο μηχανικός βαθμός απόδοσης εξαρτάται από το φορτίο της μηχανής, δηλαδή από την θέση της βαλβίδας που ελέγχει την ποσότητα του μίγματος που εισέρχεται στην μηχανή, καθώς επίσης και από την κατασκευή της και τις στροφές της μηχανής. Τυπικές τιμές για σύγχρονη μηχανή στο πλήρες φορτίο είναι 90% για ταχύτητες κάτω των 1800 με 2400 RPM που φτάνουν στο 75% για μεγαλύτερες ταχύτητες

6 περιστροφής. Σε μερικά φορτία ο μηχανικός βαθμός απόδοσης ελαττώνεται και σταδιακά φτάνει στο μηδέν για μηδενικό φορτίο. ΜΕΣΗ ΠΙΕΣΗ Ένα πιο χρήσιμο μέγεθος για την μέτρηση της επίδοσης μιας μηχανής είναι η μέση πίεση, στον ορισμό του οποίου υπεισέρχεται και ο όγκος εμβολισμού, δηλαδή το μέγεθος της μηχανής. Η μέση πίεση ορίζεται ως το πηλίκο του έργου ανά κύκλο προς τον όγκο εμβολισμού: P Έργο ανά κύκλο nr N Pn R mep Vd N Η μέση πίεση μπορεί επίσης να εκφραστεί σε συνάρτηση με την ροπή χρησιμοποιώντας την εξίσωση : mep 2πn V d R T Η μέγιστη πραγματική μέση πίεση των μηχανών είναι περίπου σταθερή για μεγάλη περιοχή ισχύος. Για μη υπερπληρούμενες μηχανές otto είναι από 850 έως 1050 kpa για στροφές όπου παρουσιάζεται μέγιστη ροπή περίπου 3000 rpm. Στην μέγιστη ονομαστική ισχύ, οι τιμές της πραγματικής μέσης πίεσης είναι 10 έως 15% μικρότερες. Για υπερπληρούμενες μηχανές otto η μέγιστη πραγματική μέση πίεση είναι από 1250 έως 1700 kpa. Στην μέγιστη ονομαστική ισχύ, η πραγματική μέση πίεση είναι από 900 έως 1400 kpa.

7 ΟΓΚΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Το σύστημα εισαγωγής μιας μηχανής (φίλτρο αέρα, καρμπυρατέρ και πεταλούδα αέρα όταν πρόκειται για μηχανή otto πολλαπλή εισαγωγής και βαλβίδα εισαγωγής) περιορίζει την ποσότητα του αέρα που μπορεί να εισέλθει μέσα στον κύλινδρο. Η παράμετρος που χαρακτηρίζει την αποδοτικότητα του συστήματος εισαγωγής είναι ο ογκομετρικός βαθμός απόδοσης. Ο ογκομετρικός βαθμός χρησιμοποιείται μόνο στις τετράχρονες μηχανές που έχουν ιδιαίτερο χρόνο εισαγωγής και ορίζεται ως το πηλίκο του όγκου του αέρα που εισέρχεται στο κύλινδρο στην μονάδα του χρόνου προς τον όγκο που σαρώνει το έμβολο στην μονάδα του χρόνου: n u 2m a ρv N d όπου ρ η πυκνότητα του αέρα στην εισαγωγή, ένας ισοδύναμος τρόπος ορισμού του ογκομετρικού βαθμού απόδοσης είναι:

8 n u ma ρv d όπου m a η μάζα του αέρα που εισέρχεται στο κύλινδρο ανά κύκλο λειτουργίας. Ως πυκνότητα του αέρα στην εισαγωγή λαμβάνεται είτε η πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα είτε η πυκνότητα του αέρα στην πολλαπλή εισαγωγή. Στην πρώτη περίπτωση μετράται μετράτε η απόδοση ολόκληρου του συστήματος εισαγωγής, ενώ στην δεύτερη περίπτωση μόνο του αγωγού εισαγωγής και της βαλβίδας εισαγωγής. Τυπικές μέγιστες τιμές του ογκομετρικού βαθμού απόδοσης είναι από 80% έως 90%. ΕΙΔΙΚΟ ΒΑΡΟΣ ΚΑΙ ΕΙΔΙΚΟΣ ΟΓΚΟΣ Το βάρος μιας μηχανής και ο όγκος που αυτή καταλαμβάνει, σε συνδυασμό με την ισχύ της, ενδιαφέρει λίγο ή πολύ ανάλογα με την εφαρμογή. Δύο παράγοντες που χρησιμεύουν για σύγκριση των διάφορων μηχανών από την άποψη αυτή είναι : ειδικ ό βάρος βάρος ττη μηχανής ονομαστική ισχύ ειδικ ό ς όγκος όγκος μηχανής ονομαστική ισχύ

9 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΔΟΣΗΣ ΜΗΧΑΝΩΝ Οι παράμετροι επίδοσης μηχανών που έχουν πρακτική σημασία είναι η ισχύς, η ροπή και η ειδική κατανάλωση. Η ισχύς και η ροπή εξαρτώνται από τον όγκο εμβολισμού της μηχανής, δηλαδή από το μέγεθός της. Εάν ληφθούν υπόψη τα ανηγμένα αυτά μεγέθη, η ισχύς εκφράζεται με την σχέση: P mepa S / 4 για τετράχρονη μηχανή p p P mepa S / 2 για δίχρονη (1) p p και η ροπή συνδέεται με την σχέση: T mepvd / 4π για τετράχρονη μηχανή T mepvd / 2π για δίχρονη μηχανή (2) Από τις σχέσεις 1 και 2 φαίνεται ότι η ισχύς είναι ανάλογη προς το εμβαδόν εμβόλου, ενώ η ροπή ανάλογη προς τον όγκο εμβολισμού, αφού η mep δεν ξεπερνά ορισμένα όρια και δεν εξαρτάται έντονα από το μέγεθος της μηχανής. Η mep είναι ανάλογη προς τον βαθμό απόδοσης μετατροπής του καυσίμου, την ευχέρεια εισαγωγής του μίγματος ή του αέρα και την πυκνότητά του. Η ειδική κατανάλωση καυσίμου συνδέεται προς τον βαθμό απόδοσης μετατροπής του καυσίμου με την σχέση : sfc 1 n f Q HV Οι παράμετροι που αναφέρθηκαν παρακάτω έχουν πραγματικές και ενδεικνύμενες τιμές. Η διαφορά μεταξύ των δύο είναι η τριβή της μηχανής και ο λόγος των δύο είναι ο μηχανικός βαθμός απόδοσης. Η σχετική σπουδαιότητα των παραμέτρων αυτών μεταβάλλεται με την ταχύτητα και το φορτίο. Η μέγιστη ή κανονική ονομαστική ισχύς και τα μεγέθη, όπως η πραγματική μέση πίεση bmep που προκύπτουν από αυτήν δίνουν τη μέγιστη δυνατότητα της μηχανής. Η μέγιστη ροπή σε όλο το φάσμα των ταχυτήτων δίνουν την δυνατότητα του κατασκευαστή να πετύχει μεγάλη ροή αέρα μέσα από την μηχανή σε όλο το φάσμα ταχυτήτων και αποδοτική χρήση αυτού του αέρα. Τέλος σε όλο το

10 φάσμα των ταχυτήτων και ιδιαίτερα σε ταχύτητες που λειτουργεί συχνότερα, μεγάλη σημασία έχει η κατανάλωση καυσίμου και ο βαθμός απόδοσης, καθώς επίσης και οι εκπομπές ρύπων. ΕΝΔΕΙΚΝΥΟΜΕΝΗ ΚΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΙΣΧΥΣ ΚΑΙ ΜΕΣΗ ΠΙΕΣΗ Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά, στο πλήρες φορτίο μιας μηχανής otto αυτοκινήτου κανονικής παραγωγής φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Η ενδεικνυόμενη ισχύς είναι το άθροισμα της πραγματικής ισχύς και της ισχύος των τριβών και είναι ο μέσος ρυθμός μεταφοράς έργου από τα καυσαέρια του κυλίνδρου στα έμβολα. Η ενδεικνυόμενη μέση πίεση παρουσιάζει μέγιστο περίπου στον μέσον της περιοχής των στροφών λειτουργίας της μηχανής, δηλαδή στις 3000 rpm. Η ενδεικνυόμενη ισχύς αυξάνει συνέχεια με τις στροφές, επειδή υπερτερεί κατά τη διαμόρφωση της η επίδραση της ταχύτητας περιστροφής παρά της μέσης πίεσης. Επειδή η ενδεικνυόμενη ειδική κατανάλωση είναι σχεδόν αμετάβλητη με τις στροφές σημαίνει ότι η μορφή της καμπύλης της ενδικνυόμενη μέσης πίεσης και ισχύος επηρεάζεται κυρίως από τον ογκομετρικό βαθμό απόδοσης. Η αύξηση της μέσης πίεσης τριβών με τις στροφές είναι σχεδόν γραμμική άρα η ισχύς τριβών θα αυξάνεται ταχύτερα. Αποτέλεσμα αυτού είναι ο μηχανικός βαθμός απόδοσης να ελαττώνεται με τις στροφές, από 0.9 που είναι στις 1000 rpm να φθάνει το 0.7 στις 5000 rpm Έτσι η πραγματική μέση πίεση παρουσιάζει μέγιστο σε χαμηλότερες στροφές από ότι η ενδεικνυομένη μέση πίεση. Η πραγματική ισχύς παρουσιάζει μέγιστο στις 4300 rpm, από εκεί και πέρα αν και αυξάνουν οι στροφές η πραγματική ισχύς ελαττώνεται επειδή ελαττώνεται πολύ η bmep. Τέλος ο βαθμός απόδοσης μετατροπής του καυσίμου αυξάνεται από 0.31 στις 1000rpm σε 0.34 στις 4000 rpm αυτό οφείλεται στο ότι η απώλεια θερμότητας ανά κύκλο λειτουργίας μειώνεται με την αύξηση των στροφών, επειδή ο χρόνος που διατίθεται για τη μετάδοση θερμότητας προς τα τοιχώματα μειώνεται.

11 Σε μερικά φορτία, για ορισμένη θέση της δικλέιδας του εξαερωτή, οι παραπάνω παράμετροι συμπεριφέρονται παρόμοια. Αλλά σε υψηλές στροφές η ροπή και η μέση πίεση μειώνονται γρηγορότερα με την αύξηση των στροφών. Στην δικλείδα δημιουργείται ηχητική ροή όλο σε χαμηλότερες στροφές, καθώς η διατομή διέλευσης του αέρα μειώνεται με την μείωση του φορτίου, οπότε η ροή περιορίζεται. Επίσης το έργο εναλλαγής των αερίων αυξάνει συνεχώς με την μείωση του φορτίου, με αποτέλεσμα να μειώνεται ο μηχανικός βαθμός απόδοσης. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνονται μερικές από τις παραπάνω παραμέτρους για μη υπερπληρούμενη μηχανή Diesel απευθείας εγχύσεως (α) και έμμεσου εγχύσεως (b), η ροπή και η πραγματική μέση πίεση μεταβάλλονται πολύ λιγότερο με τις στροφές από ότι οι μηχανές otto επειδή οι μηχανές Diesel έχουν πολύ μεγαλύτερη διατομή διέλευσης αέρα στο σύστημα εισαγωγής. Σε μερικά φορτία οι καμπύλες της ροπής και της πραγματικής μέσης πίεσης είναι παρόμοιες με τις καμπύλες του πλήρους φορτίου, επειδή η μείωση των παραμέτρων αυτών οφείλεται κυρίως στην αύξηση των τριβών και όχι στην απώλεια εναλλαγής των αερίων η οποία είναι αμελητέα στις μηχανές diesel.

12 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΕΠΙΔΟΣΗ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ ΚΑΙ ΤΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ OTTO Οι σπουδαιότερες μεταβλητές που επηρεάζουν την επίδοση την απόδοση και τις εκπομπές σε οποιοδήποτε φορτίο είναι η προπορεία έναυσης, ο λόγος καυσίμου αέρα σε σχέση με το στοιχειομετρικό λόγο και το ποσοστό του καυσαερίου που ανακυκλώνεται για έλεγχο της εκπομπής οξειδίων του αζώτου. Προπορεία έναυσης στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται πως η προπορεία έναυσης επηρεάζει την ανάπτυξη της πίεσης μέσα στο κύλινδρο στις μηχανές otto. Εάν η καύση αρχίσει πολύ νωρίς, η μεταφορά έργου από το έμβολο στα καυσαέρια στο τέλος του χρόνου συμπίεσης είναι πολύ μεγάλο. Εάν η καύση αρχίσει πολύ αργά, η μέγιστη πίεση του κυλίνδρου ελαττώνεται και το έργο που μεταφέρεται από τα καυσαέρια στο έμβολο κατά τον χρόνο της εκτόνωσης ελαττώνεται. Υπάρχει μια συγκεκριμένη τιμή προπορείας έναυσης για την οποία η ροπή της μηχανής είναι μέγιστη, για ορισμένες στροφές και ορισμένη σύνθεση και ροή μίγματος. Η τιμή αυτή ονομάζεται προπορεία μέγιστης ροπής, για την τιμή αυτή της προπορείας η πραγματική ισχύς είναι επίσης μέγιστη και η ειδική πραγματική κατανάλωση είναι ελάχιστη.

13 Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η επίδραση της μεταβολής της προπορείας έναυσης στην ροπή πλήρους φορτίου για διάφορες στροφές από 1200 έως 4200 rpm για 8κύλινδρη μηχανή παραγωγής. Για κάθε ταχύτητα υπάρχει τιμή της προπορείας για την οποία η ροπή είναι μέγιστη. Η βέλτιστη αυτή τιμή εξαρτάται από την ταχύτητα, όσο αυξάνεται η ταχύτητα τόσο αυξάνει και αυτή επειδή η διάρκεια της καύσης σε γωνία στροφάλου αυξάνει. Η βέλτιστη τιμή εξαρτάται επίσης και από το φορτίο, όταν το φορτίο ελαττώνεται η βέλτιστη τιμή αυξάνει.

14 Το μέγιστο κάθε καμπύλης είναι αρκετά πεπλατισμένο, με αποτέλεσμα να μην είναι εύκολος ο προσδιορισμός της βέλτιστης τιμής της προπορείας έναυσης με μεγάλη ακρίβεια. Για τον λόγο αυτό στην πράξη η προπορεία έναυσης τίθεται συνήθως μικρότερη από την βέλτιστη, έτσι ώστε η ροπή να είναι 1% έως 2% μικρότερη από την μέγιστη τιμή και συγχρόνως να μην παρουσιάζεται κρουστική καύση. Όπως αναφέρθηκε η προπορεία έναυσης επηρεάζει τη μέγιστη πίεση του κυλίνδρου, επομένως και την μέγιστη θερμοκρασία των αερίων μέσα σε αυτών. Μικρότερη από τη βέλτιστη προπορεία έναυσης μειώνει τα μεγέθη αυτά. Για τον λόγο αυτόν μερικές φορές χρησιμοποιείται μικρότερη προπορεία για μείωση της εκπομπής οξειδίων του αζώτου και αποφυγή κρουστικής καύσης. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η επίδραση της προπορείας έναυσης στην εκπομπή μονοξείδιου του αζώτου. Το αριστερό πέρας των καμπυλών, όπου η εκπομπή μονοξειδίου του αζώτου είναι μέγιστη, αντιστοιχεί στην βέλτιστη τιμή της προπορείας έναυσης. Η θερμοκρασία καυσαερίων στην έξοδο επηρεάζεται επίσης από την προπορεία έναυσης, όταν η προπορεία έναυσης μειώνεται σε σχέση με τη βέλτιστη τιμή η θερμοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο αυξάνεται, ενώ η απόδοση της μηχανής και η απώλεια θερμότητας προς τα τοιχώματα μειώνεται. Η αύξηση αυτή της θερμοκρασίας αυξάνει την οξείδωση των άκαυστων υδρογονανθράκων κατά το χρόνο της εκτόνωσης και εξαγωγής με αποτέλεσμα την μείωση της εκπομπής αυτών προς την ατμόσφαιρα. Δηλαδή η μείωση της προπορείας έναυσης χρησιμοποιείται μερικές φορές για την μείωση της εκπομπής άκαυστων υδρογονανθράκων.

15 Σύνθεση μίγματος το άκαυστο μίγμα μέσα στον κύλινδρο της μηχανής αποτελείται από καύσιμο, αέρα και καυσαέριο. Το καυσαέριο είναι το εναπόμενον από τον προηγούμενο κύκλο λειτουργίας και το ανακυκλούμενο καυσαέριο που χρησιμοποιείται για έλεγχο των οξειδίων του αζώτου. Η σύνθεση του μίγματος κατά την καύση είναι πολύ σημαντικός παράγοντας γιατί προσδιορίζει την πορεία καύσης, η οποία με την σειρά της προσδιορίζει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της μηχανής. Παρά όλη την προσπάθεια η σύνθεση του μίγματος δεν είναι ομοιόμορφη μέσα στον κύλινδρο, στον ίδιο κύλινδρο υπάρχει διαφορά της μέσης σύνθεσης από κύκλο σε κύκλο και μέσα στον ίδιο κύκλο υπάρχει διαφορά από σημείο σε σημείο επειδή δεν γίνεται καλή ανάμιξη των συστατικών του μίγματος. Μεταβολή του λόγου αέρα καυσίμου η επίδραση στην σύνθεση του μίγματος συνήθως μελετάται με την βοήθεια του λόγου αέρα καυσίμου ή του ισοδύναμου λόγου καυσίμου αέρα φ η του σχετικού λόγου αέρα καυσίμου. Το φ ορίζεται ως ο λόγος του πραγματικού προς το στοιχειομετρικό λόγο καυσίμου αέρα,,μια τυπική τιμή του στοιχειομετρικού λόγου αέρα καυσίμου είναι 14.6 της βενζίνης. Η κατανάλωση καυσίμου και ο βαθμός απόδοσης στην περιοχή του πολύ φτωχού μίγματος εξαρτώνται πολύ από την κατασκευή του θαλάμου καύσεως, στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η ειδική κατανάλωση για ένα συμβατικό θάλαμο καύσης και για θάλαμο με μεγάλη σχέσης συμπίεσης, δηλαδή ταχείας καύσης, σε συνάρτηση του ισοδύναμου λόγου φ.

16 Φορτίο και ταχύτητα ένας πολύ συνηθισμένος τρόπος παρουσίασης των λειτουργικών χαρακτηριστικών μιας μηχανής σε συνάρτηση του φορτίου και της ταχύτητας είναι η κατασκευή του διαγράμματος επίδοσης, ένα τέτοιο διάγραμμα ακολουθεί και αναφέρεται σε μια 4κύλινδρη μηχανή otto ταχείας καύσης και όγκου εμβολισμού 2 cm 3 στο διάγραμμα η επάνω καμπύλη παριστά την πραγματική μέση πίεση στο πλήρες φορτίο σε συνάρτηση της ταχύτητας περιστροφής, οι ενδιάμεσες είναι καμπύλες σταθερής πραγματικής ειδικής κατανάλωσης σε gr/kwh προφανώς κάθε ενδιάμεσο σημείο δίνει την ταχύτητα και την μέση πίεση σε μερικά φορτία. Αν και οι λεπτομέρειες του διαγράμματος επίδοσης διαφέρει από μηχανή σε μηχανή, αν μάλιστα ο οριζόντιος άξονας αντικατασταθεί από την μέση ταχύτητα εμβόλου, τα διαγράμματα είναι πολύ όμοια και ποσοτικά για κάθε διάφορη μηχανή. από το σχήμα προκύπτει ότι η μέγιστη τιμή της bmep είναι περίπου στο μέσον της περιοχής των στροφών. Η ελάχιστη bsfc βρίσκεται λίγο αριστερά δηλαδή σε μικρότερο αριθμό στροφών, και σε μερικά φορτία. Η μεταβολή της μέγιστης bmep αντιπροσωπεύει τη μεταβολή του ογκομετρικού βαθμού αποδόσεως σε συναρτήσει στροφών, τη μείωση του μηχανικού βαθμού απόδοσης και την αύξηση του βαθμού απόδοσης μετατροπής του καυσίμου όταν η μέση ταχύτητα του εμβόλου αυξάνει. Η μορφή των καμπυλών σταθερής bsfc εξηγούνται ως εξής: με αρχή το σημείο ελάχιστης τιμής, η bsfc αυξάνει με αύξηση στροφών, υπό σταθερό φορτίο, επειδή αυξάνουν οι τριβές, οπότε μειώνεται ο μηχανικός

17 βαθμός απόδοσης, προς την ίδια κατεύθυνση αυξάνει ο βαθμός απόδοσης μετατροπής καυσίμου. Η bsfc αυξάνει με την μείωση των στροφών υπό σταθερό φορτίο, επειδή η πτώση του n f λόγω αύξησης της μετάδοσης θερμότητας προς τα τοιχώματα επικρατεί από την αύξηση του μηχανικού βαθμού απόδοσης λόγω μείωσης των στροφών. Επίσης συνεισφέρει και ο εμπλουτισμός του μίγματος λόγο χαμηλών στροφών που απαιτείται για την διατήρηση ομαλής καύσης. Υπό σταθερές στροφές, η bsfc αυξάνεται με αύξηση του φορτίου, επειδή χρειάζεται πάλι εμπλουτισμός του μίγματος. Επίσης η bsfc αυξάνει με μείωση του φορτίου, επειδή σε μικρά φορτία αυξάνει το έργο εναλλαγής των αερίων, δηλαδή αυξάνει η απώλεια τριβών. Σχέση συμπίεσης από την μελέτη του θεωρητικού κύκλου λειτουργίας των μηχανών προκύπτει ότι ο βαθμός απόδοσης μετατροπής καυσίμου n f αυξάνει συνέχεια με την αύξηση συμπίεσης. Στις πραγματικές μηχανές όμως η μεταβολή της σχέσης μετάδοσης συμπίεσης επιδρά σε άλλους παράγοντες όπως ο ρυθμός και η σταθερότητα της καύσης, η μετάδοση θερμότητας και η τριβή, οι οποίοι επηρεάζουν την επίδοση και τον βαθμό απόδοσης της μηχανής. Η πραγματική συμπίεση και εκτόνωση στις μηχανές δεν εξαρτάται μόνο από την γεωμετρική σχέση συμπίεσης, αλλά από τις λεπτομέρειες του χρονισμού των βαλβίδων και της ροής μέσα από αυτές, παράγοντες δηλαδή που εξαρτώνται από την ταχύτητα. Ακόμη η δυνατότητα για αύξηση της σχέσης συμπίεσης εξαρτάται από την ποιότητα των καυσίμων και την αντοχή τους σε κρουστική καύση. Υπάρχουν λίγες μελέτες που εξετάζουν την επίδραση της σχέσης συμπίεσης στην επίδοση και στον βαθμό απόδοσης των μηχανών, στο σχήμα που ακολουθεί φαίνονται τα αποτελέσματα τέτοιας μελέτης, η μέση πίεση και ο βαθμός απόδοσης αυξάνουν μέχρι την σχέση συμπίεσης 17 και μετά αρχίζουν να μειώνονται ελαφρά, αυτό οφείλετε στο ότι σε μεγάλες σχέσεις συμπίεσης αυξάνει ο λόγος επιφάνειας προς τον όγκο θαλάμου καύσης, η καύση γίνεται πιο βραδεία και υπάρχουν πολλές στενώσεις λόγω μείωσης του ύψους του θαλάμου καύσης, οι οποίες δεν ευνοούν την καύση.

18 Στο επόμενο παράδειγμα ακολουθεί η βελτίωση του βαθμού απόδοσης μετατροπής καυσίμου με την αύξηση της σχέσης συμπίεσης για λειτουργία διαφόρων μηχανών otto στο πλήρες φορτίο. ενώ στο επόμενο διάγραμμα φαίνεται η επίδραση της σχέσης συμπίεσης για μηχανές με κυλίνδρους διαφόρου μεγέθους και διάφορες συνθήκες λειτουργίας σε μερικά φορτία, το μέγεθος των κυλίνδρων φαίνεται ότι επηρεάζει το αποτέλεσμα.

19 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΜΗΧΑΝΗΣ Έχουμε μια 4 κύλινδρη μηχανή otto με διάμετρο κυλίνδρου 90 mm και διαδρομή εμβόλου 92 mm, οπότε μιλάμε για μια μηχανή με όγκο π εμβολισμού V d d L 9.9,2 585cm αφού έχουμε κυλίνδρους έχουμε μια μηχανή κυβισμού 2340cm ο κινητήρας λειτουργεί στις 4500 rpm όπου εμφανίζει και την μέγιστη ροπή, ενώ η παροχή αέρα είναι m a 75gr / sec Ο ογκομετρικός βαθμός n 2.m ρ.v.n 2.0,075 kgr sec ,2 kgr m.0,00585m. 60 a είναι: 0, 71 στις u d υπερπληρούμενες μηχανές ο ογκομετρικός βαθμός απόδοσης είναι μεγαλύτερος από την μονάδα. Αν θεωρήσουμε μια συμβατή μέση πίεση για μηχανές otto που εμφανίζεται μέγιστη ροπή τότε η μέση πίεση είναι: mep 1050kPa διότι δεν μπορούμε να την υπολογίσουμε γιατί δεν ξέρουμε τον θερμικό βαθμό απόδοσης.

20 Τότε με τις σχέσεις που αναφέραμε η ισχύς θα είναι: 3 mep.v d.n 1050kPa.0,00585m P 230kW n R 2 η ειδική κατανάλωση καυσίμου για μια τυπική μηχανή otto στο πλήρες φορτίο είναι sfc 270gr / kwh οπότε η παροχή καυσίμου : sec m f sfc.p 270gr / kwh.230kw. 17,25gr / sec 3600h m m Ο λόγος αέρα καυσίμου είναι : a 4, 35 Θερμικός βαθμός απόδοσης : n P m Q 230kW 17,25gr / sec.45mj / kgr f f HV f 0,3