Μηχανή εσωτερικής καύσης ή κινητήρας εσωτερικής καύσης ονομάζεται η κινητήρια θερμική μηχανή στην οποία η

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Μηχανή εσωτερικής καύσης ή κινητήρας εσωτερικής καύσης ονομάζεται η κινητήρια θερμική μηχανή στην οποία η"

Σελήνη Καλλιγάς
7 χρόνια πριν
Προβολές:

Μηχανή εσωτερικής καύσης ή κινητήρας εσωτερικής καύσης ονομάζεται η κινητήρια θερμική μηχανή στην οποία η καύση του καυσίμου γίνεται στο εσωτερικό σώμα της ίδιας της μηχανής, εξ ου και η ονομασία

2 Μηχανή εσωτερικής καύσης ή κινητήρας εσωτερικής καύσης ονομάζεται η κινητήρια θερμική μηχανή στην οποία η καύση του καυσίμου γίνεται στο εσωτερικό σώμα της ίδιας της μηχανής, εξ ου και η ονομασία της, σε αντίθεση με την ατμομηχανή, (όπου η καύση γίνεται εκτός, στο λέβητα). Οι μηχανές αυτές έχει καθιερωθεί ευρύτερα ν αναφέρονται με το κεφαλαιογράμματο αρκτικόλεξο ΜΕΚ. Ως ΜΕΚ θεωρούνται γενικά οι αεριομηχανές, οι βενζινομηχανές, οι πετρελαιομηχανές και οι αεριοστρόβιλοι. Γενικά στις ΜΕΚ, "εργαζόμενο μέσο", ή "εργαζόμενη ουσία" είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας, (ενώ στις ατμομηχανές είναι ο ατμός). Σύμφωνα με ένα γενικό ορισμό, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι μια θερμική μηχανή, στην οποία καίγεται ένα καύσιμο παρουσία αέρα μέσα σε ΜΗΧΑΝΗ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ. ένα θάλαμο (θάλαμος καύσης) και από την εξώθερμη αντίδραση του καυσίμου με τον οξειδωτή (θερμική καύση ελεύθερης φλόγας σε αέρια κατάσταση), που είναι το οξυγόνο του αέρα, δημιουργώντας θερμά αέρια. Στον κινητήρα εσωτερικής καύσης η εκτόνωση της πίεσης των αερίων που παράγονται ασκεί δύναμη στο κινητό μέρος του κινητήρα, όπως στα έμβολα ή στα πτερύ- για.

3 Λειτουργία 4χρονης ΜΕΚ: Οι τετράχρονοι κινητήρες εσωτερικής καύσης με καύσιμο βενζίνη έχουν τέσσερις φάσεις λειτουργίας («χρόνους»): "Χρόνος" λειτουργίας ορίζεται η διαδρομή του εμβόλου από το Άνω Νεκρό Σημείο(Α.Ν.Σ.) ως το Κάτω Νεκρό Σημείο (Κ.Ν.Σ.). Άρα για να πραγματοποιηθεί ένας πλήρης κύκλος λειτουργίας πρέπει το έμβολο να κάνει τέσσερις διαδρομές, γι αυτό ο κινητήρας αυτός λέγεται τετράχρονος. 1. Εισαγωγή. Το καύσιμο μείγμα εισέρχεται στο θάλαμο καύσης από την ανοιχτή βαλβίδα εισαγωγής 2. Συμπίεση. Το έμβολο κινείται προς το άνω νεκρό σημείο και συμπιέζει το καύσιμο μείγμα 3. Ανάφλεξη, Καύση / Εκτόνωση. Η ταχεία αύξηση της θερμοκρασίας, σε συνδυασμό με τον ηλεκτρικό σπινθήρα που δίνεται από το μπουζί(βενζινοκινητήρες), προκαλούν την ανάφλεξη του καύσιμου μείγματος. Η έναυση δεν γίνεται στο άνω νεκρό σημείο αλλά λίγο πιο πριν (προπορεία ανάφλεξης, «αβάνς»)το μείγμα καίγεται και εκτονώνεται, πιέζοντας το έμβολο προς το κάτω νεκρό σημείο, παράγοντας ωφέλιμο έργο. 4. Εξαγωγή. Το έμβολο, που λόγω της πίεσης των αερίων της καύσης έχει φτάσει στο κάτω νεκρό σημείο, λόγω της αδράνειας του συστήματος έμβολο-στροφαλοφόρος-σφόνδυλος, αρχίζει να κινείται προς τα άνω, σπρώχνοντας τα αέρια προς την ανοιχτή βαλβίδα εξαγωγής. Έτσι τα προϊόντα της καύσης εξέρχονται από το θάλαμο καύσης. Πολλοί κινητήρες επικαλύπτουν αυτά τα βήματα στο χρόνο, οι αεριοστροβιλοκινητήρες κάνουν όλα τα βήματα ταυτόχρονα σε διάφορα μέρη του κινητήρα, ενώ ορισμένοι κινητήρες εσωτερικής καύσης έχουν επιπλέον βήματα, ενώ άλλοι έχουν μόνο δύο χρόνους (δίχρονοι κινητήρες).

4 Τώρα μέσο των γνωστών θερμοδυναμικών σχέσεων θα βγάλουμε τον τελικό τύπο ο οποίος θα υπολογίζει την α- πόδοση του βενζινοκινητήρα συναρτήσει του ε, όπου ε ο λόγος των όγκων. Αρχικά αναλύουμε το ΔW : ΔW = PdV = PdV + PdV = P2V2 P1V1 1 γ + P4V4 P3V3 1 γ = mra 1 γ Άρα το ΔW = mra 1 γ [(Τ2 - Τ1) + ( Τ4 - Τ3)] [(Τ2 - Τ1) + ( Τ4 - Τ3)] Επίσης, ΔQin = mcv(t3 T2) Επομένως, n = ΔW mra = [(Τ2 1 γ - Τ1) + ( Τ4 - Τ3)] = ΔQin mcv(t3 T2) = Cp Cv [(Τ2 - Τ3) + (Τ4 - Τ3)] Cv (1 γ) (Τ3 - Τ2) = ( 1) Τ2(1-1 1 εγ 1 ) + Τ3(1 ε γ 1) Τ3 - Τ2 = - ε 1 γ 1 (Τ3 - Τ2) + (Τ2 - Τ3) Τ3 - Τ2 = 1-1 ε γ 1 Άρα, η απόδοση υπολογίζεται από τον τύπο: n = 1-1 ε γ 1

5 n (ε) % Οι παρακάτω μετατροπές χρειάστηκαν για να βγει ο τελικός τύπος: P1 P2 = ( V2 V1 )γ ( V4 ε = V1 )γ 1 = Τ3 V3 Τ4 V2 Τ2 -Τ1 = Τ2(1 - Τ1 P1V1 = ( V2 )γ / ( V2 ) P2V2 V1 V1 Τ2 Τ4 Τ3 = Τ3 [ 1 ε γ 1 1 ] ) = Τ2 [1 ( V2 ( V2 )γ 1 = Τ1 V1 Τ2 V1 )γ 1 ] = T2 [1 1 ε γ 1] Ακολουθεί το γράφημα της απόδοσης συναρτήσει του ε: 65 Απόδοση Κινητήρα Otto Για ε=(8-13) ε (V2/V1)

Το έμβολο κατεβαίνει προς το ΚΝΣ δημιουργώντας υποπίεση. Ταυτόχρονα, η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει με αποτέλεσμα ο κύλινδρος να γεμίζει με ατμοσφαιρικό αέρα. 2. Συμπίεση.

6 Λειτουργία κινητήρα Diesel: Πρόκειται επίσης για έναν κινητήρα ΜΕΚ ο οποίος χρησιμοποιεί ως καύσιμο το πετρέλαιο. Η λειτουργία του βασίζεται στους ίδιους τέσσερις χρόνους που διέπουν και τους βενζινοκινητήρες (εισαγωγή, συμπίεση, ανάφλεξη/εκτόνωση και εξαγωγή) αλλά με διαφορετικό τρόπο. 1. Εισαγωγή. Το έμβολο κατεβαίνει προς το ΚΝΣ δημιουργώντας υποπίεση. Ταυτόχρονα, η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει με αποτέλεσμα ο κύλινδρος να γεμίζει με ατμοσφαιρικό αέρα. 2. Συμπίεση. Tο ΚΝΣ όπου βρίσκεται προς το ΑΝΣ συμπιέζοντας τον αέρα. Εδώ, ο λόγος συμπίεσης είναι της τάξης του 20:1, δηλαδή διπλάσιος του αντίστοιχου λόγου των βενζινοκινητήρων. Οι βαλβίδες εδώ είναι κλειστές. 3. Ανάφλεξη / Εκτόνωση. Όταν το έμβολο πλησιάζει το ΑΝΣ εκχύνεται καύσιμο στον κύλινδρο και λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που κυριαρχεί στον κύλινδρο το μείγμα αναφλέγεται. Στη συνέχεια ακολουθεί η εκτόνωση του αερίου η οποία προκαλεί τη μετατόπιση του εμβόλου από το ΑΝΣ στο ΚΝΣ. Εδώ η καύση γίνεται σε μικρότερο χώρο κι έτσι το έμβολο ακολουθεί μεγαλύτερη διαδρομή από το ΑΝΣ ως το ΚΝΣ, άρα παράγεται μεγαλύτερο έργο. Οι βαλβίδες παραμένουν κλειστές. 4. Εξαγωγή. Η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει. Το έμβολο ανεβαίνει από το ΚΝΣ στο ΑΝΣ απομακρύνοντας τα καυσαέρια από τον κύλινδρο.

7 Όπως και προηγούμενα, για την ΜΕΚ - Οtto, έτσι και εδώ θα βρούμε ένα τύπο ο οποίος θα μας υπολογίζει την α- πόδοση του κινητήρα Diesel συναρτήσει του ε και του Θα ακολουθήσουμε ένα διαφορετικό τρόπο εύρεσης του τελικού τύπου για την απόδοση, σε σχέση με αυτόν για τον κινητήρα Otto. Αρχικά έχω: ΔW = Qin Qout, όπου: Qin = mcp(t2 T3) και Qout = mcv(t4 T1) Αυτά ισχύουν, διότι στη κατάσταση (2), (3) η πίεση παραμένει σταθερή (Cp) ενώ, στην κατάσταση (1), (4) εκείνο που παραμένει σταθερό, είναι ο όγκος (Cv). Από το τύπο της απόδοσης, ισχύει: n = Qin Qout Qin = mcp(t3 T2) mcv(t4 T1) mcp(t2 T3) = 1- Cv T1) (T4 Cp (T2 T3) = 1-1 γ (T4 T1) (T2 T3)

8 Θα χρειαστούν οι παρακάτω μετατροπές, προκειμένου να απλοποιηθεί ο τύπος: V1 V2 = ε P2 P1 = ( V1 V2 )γ P2 P1 = (ε)γ P1V1 Τ1 = P2V2 Τ2 P1V1 = Τ1 P2V2 Τ2 Τ1 = ( V1 )1-γ = (ε) 1-γ Τ2 V2 V4 V3 = r Σύμφωνα με τα παραπάνω ισχύει: Τ4 Τ3 = ( V4 Τ2 Τ3 = V2 V3 = r ε Τ4 Τ2 = (r)1-γ ε r = (r)-γ ε V3 )1-γ = (r) 1-γ Μετά από όλα αυτά ο τύπος μπορεί να γραφτεί ως εξής: Τ4 n = 1-1 T1) (T4 γ (T2 T3) = 1-1 γ Τ2 Τ1 Τ2 1 Τ3 Τ2 = 1-1 γ Τ4 Τ2 - (ε)1-γ 1 ε r = = 1-1 γ (ε)1-γ (r) γ ε 1 ε r = 1-1 γ (ε)-γ (r) -γ (ε) -1 (r) -1

9 n (ε) % Άρα, η απόδοση για ένα πετρελαιοκινητήρα υπολογίζεται από τον τύπο: n = 1-1 γ (ε)-γ (r) -γ (ε) -1 (r) -1 Ακολουθεί το γράφημα της απόδοσης συναρτήσει του ε: 80 Απόδοση Κινητήρα Diesel Για r=1 και ε=(16-20) Για r=3 και ε=(16-20) Για r=9 και ε=(16-20) Για r=13 και ε=(16-20) Για r=16 και ε=(16-20) ε (V2/V1) Συμπέρασμα: Το συμπέρασμα είναι πως όσον αφορά την κατανάλωση καυσίμου οι κινητήρες Diesel υπερτερούν σημαντικά λόγω του μεγαλύτερου λόγου συμπίεσης. Πετυχαίνουν με μικρότερη κατανάλωση καυσίμου ίδιες επιδόσεις με τους βενζινοκινητήρες, έχουν δηλαδή καλύτερη απόδοση.

10 Όσον αφορά το οικολογικό κομμάτι, οι κινητήρες Diesel εκπέμπουν λιγότερο CO2 (λογικό, αφού καταναλώνουν λιγότερο), αλλά είναι πιο ρυπογόνοι σε σχέση με τους βενζινοκινητήρες, και αποτελούν πραγματική οικολογική καταστροφή όταν δεν είναι καλά συντηρημένοι. Προσοχή λοιπόν στη συντήρηση! Στον τομέα τον στροφών (δηλαδή πόσες στροφές κάνει ο κινητήρας μέσα σε ένα λεπτό ή αλλιώς πόσες περιστροφές εκτελεί ο στροφαλοφόρος) είναι γεγονός πως οι βενζινοκινητήρες έχουν μεγαλύτερο εύρος σε σχέση με τους Diesel. ( έναντι ). Αυτός ο περιορισμός των Diesel οφείλεται στο γεγονός ότι σε υψηλότερες στροφές το πετρέλαιο παρουσιάζει το φαινόμενο της αυτανάφλεξης. Επομένως, οι κινητήρες Otto βγάζουν μεγαλύτερη ισχύ σε σχέση με τους Diesel. Από την άλλη βέβαια οι κινητήρες Diesel αποδίδουν μεγαλύτερη ροπή στις χαμηλές στροφές ( ). Για να γίνουν λίγο κατανοητές οι έννοιες, μεγάλη ροπή (λιγότερες στροφές το λεπτό) και λιγότερη ισχύς χρειαζόμαστε για να ανέβουμε με το αυτοκίνητο μια ανηφόρα, ενώ μεγάλη ισχύ (περισσότερες στροφές το λεπτό, στον στρόφαλο) και λιγότερη ροπή στις ευθείες για να πάμε πιο γρήγορα.

Σχετικά έγγραφα

Κύκλοι λειτουργίας. μηχανών

Κύκλοι λειτουργίας. μηχανών εξεταστέα ύλη στις ερωτήσεις από την 1 η έως και την 7 η 5.2 Κύκλοι λειτουργίας μηχανών diesel 1. Ποιες είναι οι βασικές διαφορές του κύκλου λειτουργίας των 4-χ diesel σε σχέση με τις 4-χ βενζινομηχανές