ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Μ.Ε.Κ.

Transcript

1 ΘΕΩΡΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Μ.Ε.Κ.

2 Α..ΚΑΥΣΗ, Α...Καύσιμο, Καύσιμο Συσσωρευτής ενέργειας Πετρέλαιο και τα υποπροϊόντα του, χαρακτηρίζονται από::. Ευελιξία. Ευκολία μεταφοράς. Δυνατότητες αποθήκευσης v. Ανθεκτικότητα στο χρόνο v. Εύρος δυνατοτήτων καύσης v. Υψηλή θερμογόνος δύναμη Α...Παραγωγή θερμότητας, Καύση Εξώθερμη χημική αντίδραση. Τέλεια καύση Η πλήρης καύση όλων των στοιχείων του καυσίμου με μοναδικά παραγόμενα προϊόντα καύσης: CO, H O και SO (αν υπάρχει S) Ατελής καύση Η εν μέρει καύση των στοιχείων του καυσίμου με επιπλέον παραγόμενα προϊόντα καύσης: CO, άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC) Θερμοκρασία ανάφλεξης:. Ξύλου C v. CO C. Λιθάνθρακα C v. H C. Πετρέλαιο 30 4 C v. Προπάνιο C 3 H C v. Βενζίνη C v. Βουτάνιο C 4 H C

3 Α..3.Θερμογόνος δύναμη, Ανώτερη θερμογόνος δύναμη: Ηο Η ενέργεια που μπορούμε να εκμεταλλευτούμε από ένα καύσιμο μέχρι η θερμοκρασία που θα εκλυθεί από αυτό να μειωθεί στους 0 C. Συμπεριλαμβάνεται σε αυτήν και λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του νερού σε ατμοσφαιρική πίεση που είναι 50 KJ/Kg Κατώτερη θερμογόνος δύναμη: Hu Η ενέργεια που μπορούμε να εκμεταλλευτούμε από ένα καύσιμο μειωμένη σε σχέση με την Ανώτερη Θερμογόνο Δύναμη κατά το ποσό της ενέργειας που απαιτείται για την εξάτμισης του νερού σε ατμοσφαιρική πίεση που είναι 50 KJ/Kg. Είναι η πραγματικά εκμεταλλεύσιμη ενέργεια του καυσίμου διότι τα καυσαέρια εκλύονται στην ατμόσφαιρα σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 00 C. Hu Ho - 50 w [KJ/Kg] ή Hu Ho w [Kcl/Kg] Όπου w Η ποσότητα του νερού σε kg στα καυσαέρια. Προσεγγιστικός υπολογισμός της Κατώτερης θερμογόνου δύναμης: Hu 339C + 4(H O / 8) + 05S 4.4W [KJ/Kg] Όπου: C, H, O, S, W η κατά βάρος περιεκτικότητα στο καύσιμο των στοιχείων: Άνθρακας, Υδρογόνο, Οξυγόνο, Θείο και Νερό. Α..4.Θεωρητική ποσότητα αέρα καύσης Για τον υπολογισμό της θεωρητικής ποσότητας αέρα στην καύση χρειάζονται: Περιεκτικότητα O στον αέρα: % άρα: Λ θεωρ. O mn * 00 / [m 3 /Kg] Όπου: Λ θεωρ. ελάχιστη ποσότητα ατμοσφαιρικού αέρα σε m 3 ανά Kg καυσίμου O mn ελάχιστη ποσότητα Οξυγόνου σε m 3 ανά Kg καυσίμου Πυκνότητα ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα:,93 Kg/m 3 σε Κ.Σ. Πυκνότητα οξυγόνου:,49 Kg/m 3 σε Κ.Σ. Μοριακό Βάρος Οξυγόνου (O ) 3 g/mol Μοριακό Βάρος Υδρογόνου (H ) g/mol Μοριακό Βάρος. Άνθρακα (C) g/mol Μοριακό Βάρος Θείο (S) 3 g/mol Οι χημικές αντιδράσεις καύσης: C + O CO kg (C) + 3Kg (O ) 44Kg (CO ) H + O H O 4kg (H ) + 3Kg (O ) 36Kg (H O) S + O SO 3kg (S) + 3Kg (O ) 64Kg (SO )

4 Από τα παραπάνω προκύπτει: 8 Omn C + 8H O + S [KgO /KgΚαυσίμου] 00 3 Όπου: C, H, O, S, W η κατά μάζα περιεκτικότητά τους στο καύσιμο. και Άρα: 8 Omn C + 8H O + S [m 3 O /KgΚαυσίμου],49* Λθεωρ. O mn [m 3 αέρα/kgκαυσίμου] Για αέρια καύσιμα, όπου τη σύστασή τους την έχουμε σε κατ όγκο περιεκτικότητα στο καύσιμο, υπολογίζεται το O mn άμεσα από τις αναλογίες όγκων των χημικών εξισώσεων και το αποτέλεσμα δίνεται: για το O mn σε [m 3 O /m 3 Καυσίμου] και για το Λ θεωρ. σε [m 3 αέρα/m 3 Καυσίμου] π.χ. Για την καύση υγραερίου που αποτελείται από 30% Προπάνιο (C 3 H 8 ) και 70% Βουτάνιο (C 4 H 0 ) έχουμε: C 3 H 8 + 5O 3CO + 4H O C 4 H 0 + 6½O 4CO + 5H O Άρα: O mn 0.3 * * m 3 O /m 3 Υγραερίου 00 Λ θεωρ m 3 αέρα/m 3 Υγραερίου

5 Α..5.Πραγματική ποσότητα αέρα καύσης. Η πραγματική ποσότητα αέρα Λ πραγμ. που χρησιμοποιείται στην καύση διαφέρει από την θεωρητικά απαιτούμενη Λ θεωρ.. Ο λόγος των δύο μας δίνει τον μετρούμενο μέσω του αισθητήρα οξυγόνου λ. Λπραγμ. λ Λ θεωρ. Μίγματα με λ < είναι πλούσια σε καύσιμο μίγματα. όταν λ τότε έχουμε στοιχειομετρική καύση. και μίγματα με λ > είναι μίγματα με περίσσια αέρα και ονομάζονται φτωχά μίγματα. Στους κινητήρες ΟΤΤΟ στόχος είναι η λειτουργία με λ διότι όταν υπάρχει στοιχειομετρική καύση έχουμε τους λιγότερους εκπεμπόμενους ρύπους. Οι κινητήρες DIESEL λειτουργούν με λ>, Γνωρίζοντας το επιθυμητό λ λειτουργίας ενός κινητήρα τότε η αναγκαία πραγματική ποσότητα αέρα είναι: Λ πραγμ. λ * Λ θεωρ.. Ο αναγκαίος όγκος που θα πρέπει να προβλεφθεί για το μίγμα στον κύλινδρο, ανά μονάδα μέτρησης της κατανάλωσης του καυσίμου, θα είναι: Για στερεά και υγρά καύσιμα: G λ * Λ θεωρ.. [m 3 αέρα/kgκαυσίμου] Για αέρια καύσιμα: G + λ * Λ θεωρ.. [m 3 μίγμα/ m 3 Καυσίμου]

6 Β..ΙΣΧΥΣ ΜΕΚ, Β...Θερμικός βαθμός απόδοσης Ενεργειακό ισοζύγιο θερμικής μηχανής W Q Q Δυναμοδεικτικό διάγραμμα 4-χρονου κινητήρα Δυναμοδεικτικό διάγραμμα -χρονου κινητήρα Θερμικός βαθμός απόδοσης: όπου: W η Q Q Q Q P o Q η ο εσωτερικός ή ενδεικνυόμενος βαθμός απόδοσης Προσδιορίζει το ποσοστό της θερμότητας που μετατρέπεται σε μηχανικό έργο. P η εσωτερική ή ενδεικνυόμενη ισχύς της θερμικής μηχανής Είναι η ισχύς που μεταφέρεται από τα αέρια στο έμβολο. o Q η θερμότητα που αναπτύσσεται στη μονάδα του χρόνου κατά την καύση του καυσίμου.

7 Β...Θεωρητικός θερμικός βαθμός απόδοσης Είναι ο βαθμός απόδοσης που προκύπτει από τον θεωρητικό θερμικό κύκλο όπου κάθε μεταβολή θεωρείται ότι είναι αντιστρεπτή, η εργαζόμενη ουσία είναι ιδανικό αέριο, με σταθερή ειδική θερμοχωρητικότητα. Για κάθε τύπο κινητήρα υπάρχει και ένας αντίστοιχος θεωρητικός θερμικός κύκλος. Β..α.Θεωρητικός θερμικός κύκλος ΟΤΤΟ, Είναι ο θεωρητικός θερμικός κύκλος που αντιστοιχεί στον βενζινοκινητήρα. κ κ V ηθ V ε όπου: V ο συνολικός όγκος του κυλίνδρου V ο όγκος συμπίεσης του κυλίνδρου V ε ο λόγος ή βαθμός συμπίεσης V κ ο αδιαβατικός εκθέτης Β..β.Θεωρητικός θερμικός κύκλος DIESEL, Είναι ο θεωρητικός θερμικός κύκλος που αντιστοιχεί στη λειτουργία του πετρελαιοκινητήρα. όπου: η κ φ θ κ V ε V ( φ ) κ ε ο λόγος ή βαθμός συμπίεσης V3 φ ο βαθμός (διάρκεια) ψεκασμού V κ ο αδιαβατικός εκθέτης

8 Β..γ.Θεωρητικός θερμικός κύκλος SEILIGER ή sem-diesel, Ονομάζεται μικτός κύκλος επειδή περιλαμβάνει ισόχωρη και ισοβαρή καύση. όπου: η κ ψ φ θ κ P3 ψ P [( φ ) ψ κ + ψ ] ε ο λόγος αύξησης πίεσης της ισόχωρης καύσης. Β..3.Βαθμός ποιότητας, Η σχέση μεταξύ του θερμικού ή εσωτερικού ή ενδεικνυόμενου βαθμού απόδοση η και του θεωρητικού θερμικού βαθμού απόδοσης η θ. η ηπ η Η διαφορά μεταξύ η και θ η μπορεί να οφείλεται:. Σε απρογραμμάτιστη προσαγωγή θερμότητας. Σε απρογραμμάτιστη απαγωγή θερμότητας. Σε ατελή καύση v. Σε στραγγαλισμούς στην είσοδο και έξοδο των αερίων στον κύλινδρο v. Σε διαρροές στα ελατήρια και τις βαλβίδες θ

9 Β..4.Μηχανικός βαθμός απόδοσης Ο λόγος της ισχύος που παίρνουμε στον άξονα του κινητήρα P e προς την εσωτερική ή ενδεικνυόμενη ισχύς της θερμικής μηχανής P. Pe η M P Β..5.Τελικός ή ωφέλιμος βαθμός απόδοσης Ο λόγος της διατιθέμενης ισχύος στον άξονα του κινητήρα P e προς τη θερμότητα Q o που αναπτύσσεται στη μονάδα του χρόνου κατά την καύση του καυσίμου. Pe η e o Q Οι βαθμοί απόδοσης θεωρητικός η θ, θερμικός η, ποιότητας η π, μηχανικός η M και τελικός η e συνδέονται με τις σχέσεις: η η η e M Και η η η η e θ π M Β..6.Βαθμός ογκομετρικής απόδοσης, Ο λόγος του όγκου του εισερχόμενου στον κύλινδρο αέρα ή μίγματος V υπό Κ.Σ. (0 C &,03b) προς τον όγκο εμβολισμού του κυλίνδρου V h. V η L V Για τους υπολογισμούς λαμβάνεται ίσος με: - -χρονοι κινητήρες : η L 0,40 0,55-4-χρονοι κινητήρες με αναρρόφηση : η L 0,80 0,85-4-χρονοι πετρελαιοκινητήρες με προθάλαμο : L - Κινητήρες με υπερπλήρωση : L h η 0,85 0,90 η,50 4,00

10 Β..7.Συμπίεση Βαθμός συμπίεσης ή λόγος συμπίεσης ε είναι ο λόγος του συνολικού όγκου του κυλίνδρου V h + Vc ως προς τον όγκο του χώρου συμπίεσης V c. ε V h + V V c c Από την πολυτροπική συμπίεση έχουμε: n n V + V P V ( ) P h c + n h Vc V V c P P c ε Έχοντας ως ζητούμενο ότι πρέπει να ορίσουμε τον χώρο συμπίεσης βρίσκουμε ότι: Vh V c ή ε Vh V c P n P Η πίεση συμπίεσης έχει άμεση επίδραση την θερμοκρασία που θα αναπτυχθεί στο μίγμα ή τον αέρα πριν ξεκινήσει η καύση. Στους βενζινοκινητήρες η θερμοκρασία που θα αναπτυχθεί στο τέλος της συμπίεσης θα πρέπει να είναι μικρότερη από την θερμοκρασία αυτανάφλεξης ώστε να μην έχουμε κρουστική καύση. P Στους κινητήρες ΟΤΤΟ ο επιτρεπόμενος λόγος συμπίεσης ε ή ο λόγος P ορίζονται από το είδος και τις ιδιότητες ανάφλεξης του καυσίμου. Καύσιμο ε Ρ / Ρ Βενζίνη αμόλυβδη (RON 9 95) 8 6 Βενζίνη supe αμόλυβδη (RON 98 00) Μεθανόλη Φυσικό αέριο 0 8 Η καύση θα πρέπει να ξεκινά από τον σπινθήρα του μπουζί και υπάρχει άνοδος της πίεσης κατά 3 b ανά μοίρα της γωνίας περιστροφής του στροφάλου. Η μέγιστη πίεση φθάνει b και εμφανίζεται στις 0-5 μετά το Α.Ν.Σ. Σε πλήρες φορτίο η καύση θα πρέπει να εκτείνεται μέχρι και μετά το Α.Ν.Σ.

11 Στους πετρελαιοκινητήρες η θερμοκρασία που θα αναπτυχθεί στο τέλος της συμπίεσης θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης ώστε να ξεκινήσει η καύση. Στους κινητήρες DIESEL ο επιτρεπόμενος λόγος συμπίεσης ε ή ο λόγος ορίζονται: - από τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα (ψυχρή εκκίνηση -5 C αναγκαίο υψηλό ε), - από τον επιθυμητό βαθμό απόδοσης (για ε>4 αρχίζει να μειώνεται ο ωφέλιμος βαθμός απόδοσης η e ). P P Καύσιμο ε Ρ / Ρ Μεγάλοι πετρελαιοκινητήρες άμεσου ψεκασμού Μικροί πετρελαιοκινητήρες άμεσου ψεκασμού Μικροί πετρελαιοκινητήρες με προθάλαμο > 0 > 48 Η καύση ξεκινά μετά τον ψεκασμό του καυσίμου και αφού μεσολαβήσει το διάστημα της «καθυστέρησης ανάφλεξης». Το καύσιμο που ψεκάζεται στη διάρκεια της «καθυστέρησης ανάφλεξης» καίγεται με γρήγορους ρυθμούς ανεβάζοντας την πίεσης κατά 3 5 b ανά μοίρα της γωνίας περιστροφής του στροφάλου. Η μέγιστη πίεση φθάνει: τα 70 b σε ατμοσφαιρικούς DIESEL τα 0 b σε DIESEL με υπερπλήρωση τα 50 b σε ακραίες περιπτώσεις

12 Γ..8.Ισχύς κινητήρα, Για τον υπολογισμό της ισχύος του κινητήρα θα πρέπει να υπολογιστούν: Ο όγκος εμβολισμού: π V h D s [m 3 ] 4 όπου: D διάμετρος εμβόλου [m] s διαδρομή εμβόλου (εμβολισμός) [m] Ο όγκος του εισερχόμενου στον κύλινδρο αέρα: V η V [m 3 ] L h Η ποσότητα καυσίμου που μπορεί να καεί σε κάθε θερμικό κύκλο λειτουργίας του κυλίνδρου: Vh b η L [kg καυσίμου ανά θερμικό κύκλο] G Η θερμότητα που απελευθερώνεται ανά θερμικό κύκλο: L Vh Q η Hu [kj / θερμικό κύκλο] G Το ενδεικνυόμενο έργο: ηl Vh Hu W η Q η [kj / θερμικό κύκλο] G Η ενδεικνυόμενη ισχύς στον κύλινδρο όταν εκτελούνται n θερμικοί κύκλοι ανά λεπτό: Vh Hu P η ηl n [kw / κύλινδρο] 60 G Όταν ο κινητήρας έχει z κυλίνδρους, τότε ο συνολικός όγκος εμβολισμού (κυλινδρισμός) του κινητήρα θα είναι: V z [m 3 ] H V h Επομένως η ενδεικνυόμενη ισχύς του κινητήρα θα είναι: VH Hu P η ηl n [kw] 60 G Η τελική ισχύς του κινητήρα θα είναι: P e P V H 60 G n H u η M ηm η ηl [kw] Για την χρήση του αριθμού στροφών του κινητήρα στον παραπάνω τύπο ισχύει: n n / C όπου: n αριθμός στροφών του κινητήρα [pm] C στους -χρονους κινητήρες C στους 4-χρονους κινητήρες

13 Η τελική ισχύς του -χρονου κινητήρα θα είναι: n G H V P P u H L M M e 60 η η η η [kw] Η τελική ισχύς του 4-χρονου κινητήρα θα είναι: 60 G n H V P P u H L M M e η η η η [kw] Γ..9.Μέση ενδεικνυόμενη και μέση πραγματική πίεση, Το εμβαδόν της εσωτερικής επιφάνειας του δυναμοδεικτικού διαγράμματος μπορεί να παρασταθεί ως ένα ορθογώνιο παραλληλόγραμμο σε ένα διάγραμμα P- V. Στην περίπτωση αυτή, με την προϋπόθεση ότι η παράσταση του όγκου εμβολισμού Vh παραμένει η ίδια, ισχύει: h p V W Για να εκφραστεί η ισχύς σε συνάρτηση με την πίεση ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία: Η ενδεικνυόμενη ισχύς ανά κύλινδρο είναι: 60 h V p n n W P Η ενδεικνυόμενη ισχύς κινητήρα με z κυλίνδρους είναι: 60 h n V p z P Εξισώνοντας με το P που έχουμε υπολογίσει προκύπτει: G H p n G H V n V p z P u L u H L h η η η η 60 60

14 Δεδομένου ότι, το H u είναι σε [KJ/Kg] και το G σε [m 3 /Kg], για πάρουμε την Μέση Ενδεικνυόμενη πίεση σε [b] ο παραπάνω τύπος παίρνει τη μορφή: Hu p η ηl [b] 00 G Γνωρίζοντας ότι η τελική (ωφέλιμη) ισχύς του κινητήρα είναι: P e η M *P τότε η Μέση Πραγματική Πίεση σε [b] είναι: Hu Hu pe p η M ηm η ηl ηe ηl [b] 00 G 00 G Σύμφωνα με τα παραπάνω η τελική ισχύς σε συνάρτηση με την πίεση ισούται, για τον -χρονο κινητήρα: για τον 4-χρονο κινητήρα: n Pe n VH pe [kw] Pe VH pe [kw] όπου: n ο αριθμός στροφών του κινητήρα σε [pm] oι μονάδες όλων των μεγεθών στο SI Η μέση πραγματική πίεση είναι που χαρακτηρίζει την ικανότητα για απόδοση ισχύος ενός κινητήρα. Γ..0.Ειδική κατανάλωση καυσίμου, Χαρακτηριστικό μέγεθος για την αξιολόγηση της απόδοσης και της οικονομίας ενός κινητήρα είναι η ποσότητα καυσίμου που καταναλώνει. Δεδομένου ότι η ποσότητα καυσίμου B e σε Kg, που καταναλώνει ένας κινητήρας στη μονάδα του χρόνου, εξαρτάται από την ισχύ του, για λόγους σύγκρισης μεταξύ κινητήρων διαφορετικής ισχύος έχει ορισθεί ως μέγεθος σύγκρισης η ειδική κατανάλωση καυσίμου b e. Be b e [Kg καυσίμου / KWh] P e Δεδομένου ότι: τότε: Be Hu Pe η e [KWh], όταν B e σε [Kg καυσίμου / ώρα] 3600 Pe 3600 η e 3600 B H b H e u e u Η ειδική κατανάλωση είναι αντιστρόφως ανάλογη του ωφέλιμου βαθμού απόδοσης. Εξισώνοντας την παραπάνω εξίσωση και την εξίσωση της μέσης πραγματικής πίεσης ως προς το H u προκύπτει: 36 ηl pe [b] G be Η ειδική κατανάλωση καυσίμου: b 3600 e [Kg/KWh] η H e u

15 Tα μεγέθη G και H u επηρεάζονται από το βαθμό ογκομετρικής πληρότητας η L. Ο βαθμό ογκομετρικής πληρότητας εξαρτάται από τη μέση ταχύτητα του εμβόλου: s n C m [m/s] 30 όπου: s διαδρομή εμβόλου (εμβολισμός) [m] n αριθμός στροφών του κινητήρα [pm] Ο βαθμός ογκομετρικής πληρότητας η L επηρεάζεται από τον χρονισμό των βαλβίδων του κινητήρα και με δεδομένο ότι αυτός είναι σταθερός έχει διαπιστωθεί ότι η μεταβολή του εξαρτάται από τη μέση ταχύτητα του εμβόλου C m έτσι για κινητήρες χωρίς υπερπλήρωση έχει διαπιστωθεί: α) Ο βαθμός ογκομετρικής πληρότητας έχει την τάση να μειώνεται με την αύξηση των στροφών του κινητήρα (καμπύλες α & δ). β) Ρύθμιση της βαλβίδας εισαγωγής να κλείνει αμέσως μετά το ΚΝΣ ανεβάζει τον βαθμό ογκομετρικής πληρότητας στις χαμηλές στροφές αλλά στη συνέχεια όσο ανεβαίνουν οι στροφές υπάρχει απότομη πτώση του βαθμού πλήρωσης του κυλίνδρου (καμπύλη β). γ) Σε καθυστερημένο κλείσιμο της βαλβίδας εισαγωγής υπάρχει η τάση να αυξάνεται ο βαθμός ογκομετρικής πληρότητας όσο ανεβαίνουν οι στροφές του κινητήρα μέχρι ενός ορίου το οποίο βρίσκεται σε πολύ υψηλό αριθμό στροφών. Τύπος κινητήρα b e [Kg/KWh] -χρονοι βενζινοκινητήρες (μοτοποδήλατα) 0,400 4-χρονοι βενζινοκινητήρες (επιβατικά ΙΧ) 0,35 0,350 Πετρελαιοκινητήρες με προθάλαμο (επιβατικά ΙΧ) 0,70 0,300 Πετρελαιοκινητήρες με απ ευθείας ψεκασμό (φορτηγά) 0,30 0,60 Πετρελαιοκ. μέσου μεγέθους, απ ευθείας ψεκασμού (σιδηρόδρομοι) 0,00 0,30 Μεγάλοι -χρονοι πετρελαιοκινητήρες (πλοία) 0,70 0,00

16 Γ...Χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας Γ..α.Χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας κινητήρα, Μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής των κινητήρων αυτοί δοκιμάζονται σε ειδικές κλίνες δοκιμής με δυναμοπέδες για να καταγραφούν:. Η ισχύς κάθε κινητήρα. Η στρεπτική του ροπή. Η ειδική κατανάλωση καυσίμου Όλα τα παραπάνω καταγράφονται σε σχέση με τις στροφές του κινητήρα. Από την καταγραφή αυτή προκύπτουν οι καμπύλες πλήρους φορτίου αλλά και μερικού σε διάφορα ποσοστά. Γ..β.Χαρακτηριστικές καμπύλες πλήρους φορτίου, Το πλήρες φορτίο του ένας κινητήρας το αποδίδει όταν έχει πετύχει τον καλύτερο βαθμό πλήρωσης του κυλίνδρου. Αυτό είναι εφικτό με την πεταλούδα στραγγαλισμού πλήρως ανοικτή. Για να προκύψει η καμπύλη του πλήρους φορτίου θα πρέπει ο κινητήρας να λειτουργήσει με τις παραπάνω συνθήκες για όλη την περιοχή του αριθμού στροφών του κινητήρα, από την κατάσταση ρελαντί μέχρι το μέγιστο αριθμό στροφών του κινητήρα. Από τη χαρακτηριστική καμπύλη πλήρους φορτίου προσδιορίζονται:. Ο αριθμός στροφών που εμφανίζεται η μέγιστη ισχύς του κινητήρα.. Ο αριθμός στροφών που εμφανίζεται η μέγιστη στρεπτική ροπή του κινητήρα.. Το σημείο της ελάχιστης ειδικής κατανάλωσης καυσίμου v. Το σημείο της ωφέλιμης ισχύος, που ονομάζεται και ονομαστική ισχύς, και είναι η περιοχή όπου ο κινητήρας μπορεί να αποδίδει συνεχώς χωρίς να υπερθερμαίνεται

17 Γ..γ.Χαρακτηριστικές καμπύλες μερικού φορτίου, Οι κινητήρες οχημάτων σπάνια λειτουργούν πάνω στην καμπύλη του πλήρους φορτίου. Για το λόγο αυτό γίνεται καταγραφή της λειτουργίας του κινητήρα και με επιμέρους φορτία. Για την πραγματοποίηση μετρήσεων με μερικό φορτίο μεταβάλλεται η ποσότητα του παρεχόμενου καυσίμου μέσω της ρύθμισης της πεταλούδας στραγγαλισμού. Κατά τις μετρήσεις αυτές διατηρείται η πεταλούδα στραγγαλισμού σταθερή σε διάφορες θέσεις και στη συνέχεια καταγράφονται όλα τα λειτουργικά μεγέθη του κινητήρα μεταβάλλοντας τη ροπή φόρτισης με τη δυναμοπέδη με αποτέλεσμα να μεταβάλλονται οι στροφές του κινητήρα. Γ..δ.Χαρακτηριστικές καμπύλες κινητήρα ΟΤΤΟ, Από τα πειραματικά δεδομένα διαπιστώνεται ότι οι καμπύλες μεταβολής της στρεπτικής ροπής, της ισχύος και της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου του κινητήρα σε συνάρτηση με τις στροφές του, δεν είναι ευθείες όπως θα προέκυπταν από τους τύπους υπολογισμού τους. Από τα πειραματικά δεδομένα μετρήσεων σε κινητήρες ΟΤΤΟ διαπιστώνεται ότι: - η καμπύλη της μέγιστης στρεπτικής ροπής του κινητήρα παρουσιάζει ένα μέγιστο στο σημείο Α. - φέρνοντας από την αρχή των αξόνων την εφαπτομένη στην καμπύλη ισχύος αυτή εφάπτεται στο σημείο Β μέχρι το οποίο υπάρχει σημείο καμπής του ρυθμού αύξησης της ισχύος σε σχέση με τις στροφές. - Η καμπύλη ειδικής κατανάλωσης παρουσιάζει ένα ελάχιστο που βρίσκεται στην περιοχή γύρω από το σημείο Α. Αυτή συμπεριφορά της καμπύλωσης των καμπυλών του διαγράμματος οφείλεται στο γεγονός ότι από το σημείο καμπύλωσης και μετά η αύξηση στροφών έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των απωλειών στραγγαλισμού. Η περιοχή στροφών μεταξύ των σημείων Α και Β ονομάζεται ελαστική περιοχή. Στην περιοχή αυτή έχουμε το ελάχιστο της καμπύλης ειδικής κατανάλωσης καυσίμου και την ποιο ομαλή λειτουργία του κινητήρα.

18 Από τις μετρήσεις με μερικά φορτία 5%, 50% σε σχέση με την καμπύλη του πλήρους φορτίου 00% διαπιστώνεται ότι όσο αυξάνεται ο αριθμός στροφών του κινητήρα: - Ο ρυθμός μείωση της στρεπτικής ροπής είναι μεγαλύτερος όσο μικρότερο είναι φορτίο το οποίο αντιμετωπίζει ο κινητήρας. - Ο ρυθμός αύξησης της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου γίνεται μεγαλύτερος όσο μικρότερο είναι φορτίο το οποίο αντιμετωπίζει ο κινητήρας. Η συμπεριφορά αυτή είναι αναμενόμενη μια που όσο χαμηλότερο είναι το φορτίο τόσο περισσότερο κλειστή είναι η πεταλούδα στραγγαλισμού και κατά συνέπεια μεγαλύτερος ο στραγγαλισμός στην εισαγωγή του μίγματος στον κινητήρα με αποτέλεσμα να μειώνεται ο βαθμός πλήρωσης του κινητήρα. Γ..ε.Χαρακτηριστικές καμπύλες κινητήρα DIESEL Από τα πειραματικά δεδομένα μετρήσεων σε κινητήρες DIESEL διαπιστώνεται ότι: - η καμπύλη της μέγιστης στρεπτικής ροπής του κινητήρα έχει μικρότερη καμπυλότητα από την αντίστοιχη του κινητήρα ΟΤΤΟ. Τείνοντας να μειώνεται όσο αυξάνονται οι στροφές του κινητήρα. Το παρουσιαζόμενο μέγιστο Α είναι συνήθως στην αρχή της καμπύλης. - Η καμπύλη ισχύος του κινητήρα είναι περισσότερο γραμμική με το σημείο Β όπου εφάπτεται η γραμμή από την αρχή των αξόνων στην καμπύλη ισχύος, βρίσκεται περίπου στο ίδιο σημείο στροφών σε σχέση με το σημείο Α. - Το ελάχιστο της καμπύλης ειδικής κατανάλωσης παρουσιάζεται σε αρκετά υψηλότερες στροφές σε σχέση με τις στροφές όπου υπάρχουν τα σημεία Α & Β. Στους κινητήρες DIESEL δεν υπάρχει το φαινόμενο του στραγγαλισμού της ροής του αέρα, μια που δεν υπάρχει πεταλούδα στραγγαλισμού. Η αύξηση του αριθμού των στροφών γίνεται μόνο με την αύξηση της παρεχόμενης ποσότητας καυσίμου. Η καμπύλωση λοιπόν στις καμπύλες του διαγράμματος οφείλεται στην επίδραση των στροφών στο βαθμός ογκομετρικής πληρότητας του κινητήρα.

19 Από τις μετρήσεις σε μερικά φορτία, τα οποία επιτυγχάνονται από τη θέση ρύθμιση της παροχής καυσίμου 55%, 70%, 80% σε σχέση με την καμπύλη του πλήρους φορτίου 00% διαπιστώνεται ότι κατά την αύξηση του αριθμού στροφών του κινητήρα: - η καμπύλη της στρεπτικής ροπής καμπυλώνεται ελάχιστα και σε πολύ υψηλό αριθμό στροφών. Οι αντίστοιχες γραμμές στα επιμέρους φορτία παραμένουν σχεδόν παράλληλες. - Η ειδική κατανάλωση καυσίμου έχει επίσης σχεδόν παράλληλες καμπύλες με την αλλαγή των επιμέρους φορτίων που αντιμετωπίζει ο κινητήρας.

20 Δ.Α.Κινηματικη παλινδρομικών μηχανών, Δ..Γενικά, ΑΝΣ Ανω νεκρό σημείο ΚΝΣ Κάτω νεκρό σημείο ακτίνα περιστροφής στροφαλοφόρου άξονα l μήκος διωστήρα s εμβολισμός εμβόλου ω γωνιακή ταχύτητα στροφαλοφόρου άξονα φ γωνία περιστροφής στροφαλοφόρου άξονα, μετρούμενη από τον άξονα του κυλίνδου ω * t β γωνία μεταξύ διωστήρα και άξονα κυλίνδρου Από τα παραπάνω υπολογίζονται: λ : λόγος διωστήρα. Στην πράξη είναι λ 0,5 0,3 l T π [sec] : Η περίοδος περιστροφής στροφαλοφόρου ω n T π ω [στρ/ ] : Αριθμός στροφών στροφαλοφόρου άξονα C m s s n [cm/sec] : Μέση ταχύτητα εμβόλου l 30 s [cm] : Ο εμβολισμός του εμβόλου (διαδρομή εμβόλου)

21 Δ..Μετατόπιση εμβόλου, [ ( συνφ ) + l ( συνβ )] χ l + Θεωρώντας ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί η προσεγγιστική σχέση συν β ημ β συνβ απλοποιούνται οι τύποι υπολογισμού και έτσι προκύπτει: λ χ φ 4 ( συνφ ) + ( συν ) Από τη σχέση αυτή διαπιστώνεται ότι η μετατόπιση του εμβόλου ως συνάρτηση της γωνίας στροφάλου φ, είναι άθροισμα δύο αρμονικών κινήσεων: ( ) χ συνφ λ χιι ( συν φ ) 4 Ι Δ.3.Ταχύτητα εμβόλου, Η ταχύτητα του εμβόλου είναι η παράγωγος της μετατόπισής του ως προς τον χρόνο. Από την προσεγγιστική σχέση προκύπτει: dχ dχ dφ λ u ω ημφ + ημφ dt dφ dt Κάνοντας το γράφημα αυτής της σχέσης, ως προ τη γωνία στροφάλου, διαπιστώνεται ότι παρά τον προσεγγιστικό υπολογισμό των ενδιαμέσων τιμών δείχνει την αλλαγή προσήμου της ταχύτητας στα νεκρά σημεία. Από την παραπάνω σχέση διαπιστώνεται ότι η ταχύτητα του εμβόλου ως συνάρτηση της γωνίας στροφάλου φ, είναι επίσης άθροισμα δύο αρμονικών συνιστωσών: u Ι ω ημφ λ u ω ημφ ΙΙ

22 Δ.4.Επιτάχυνση εμβόλου, Η επιτάχυνση ως παράγωγος της ταχύτητας του εμβόλου προκύπτει από την παραγώγηση της σχέσης της ταχύτητας ως προς τον χρόνο. Η επιτάχυνση προσδιορίζεται με ικανοποιητική προσέγγιση από τη σχέση: du du dφ ω dt dφ dt ( συνφ + λ συν φ ) Όπως προκύπτει από το σχετικό γράφημα η επιτάχυνση μεγιστοποιήτει στο Α.Ν.Σ. και γίνεται ίση με: ω + λ mx ( ) Ενώ στο Κ.Ν.Σ. έχει την τιμή: ω λ ΚΝΣ ( ) Από τη σχέση της επιτάχυνσης επίσης διαπιστώνεται ότι η επιτάχυνση του εμβόλου ως συνάρτηση της γωνίας στροφάλου φ, είναι άθροισμα δύο αρμονικών συνιστωσών: ω συνφ Ι ΙΙ ω λ συν φ Γραφική παράσταση χ f της μετατόπισης: ( φ) ( ) χ συνφ λ χιι ( συν φ ) 4 Ι της ταχύτητας: u f ( φ) u u Ι ΙΙ ω ημφ λ ω ημφ και της επιτάχυνσης: f ( φ) ω συνφ Ι ΙΙ ω λ συν φ του εμβόλου ως προ τη γωνία περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα φ.

23 Δ.Β.Δυναμική παλινδρομικών μηχανών, Δ..Γενικά, Κατά τη λειτουργία του κινητήρα, στο μηχανισμό του στροφαλοφόρου, παρουσιάζονται: Δυνάμεις αερίων (πρωτογενείς δυνάμεις) Δυνάμεις μάζας (αδρανείας) Δυνάμεις βάρους Δυνάμεις τριβών Οι δυνάμεις αερίων ή πρωτογενείς δυνάμεις δημιουργούνται από την εκτόνωση των αερίων. Μεταφέρονται στην κεφαλή και το σώμα της μηχανής και από το έμβολο δια μέσου του διωστήρα στον στρόφαλο όπου δημιουργείται η ροπή περιστροφής Μ του στροφαλοφόρου άξονα. Οι δυνάμεις αυτές μεταβάλλονται περιοδικά με περίοδο μεταβολής: T n n Όπου: n για τετράχρονες μηχανές n α n για δίχρονες μηχανές και n στροφές του κινητήρα. Από τις δυνάμεις αυτές καταπονούνται δυναμικά το σώμα της μηχανής από την κεφαλή μέχρι τα έδρανα βάσης του στροφάλου καθώς και όλα τα στοιχεία του μηχανισμού του στροφαλοφόρου. Δεν μεταφέρονται στις βάσεις στήριξης της μηχανής. Οι δυνάμεις μάζας ή δυνάμεις αδρανείας του μηχανισμού του στροφαλοφόρου, οφείλονται στις κινούμενες μάζες του μηχανισμού και είναι ανάλογες του τετραγώνου της γωνιακής ταχύτητας του εν λόγω μηχανισμού. Η περιοδική μεταβολή των δυνάμεων αυτών είναι: T n Όπου: n στροφές του κινητήρα. Μεταφέρονται από τα στοιχεία του μηχανισμού στις βάσεις στήριξης της μηχανής, στη συνέχεια στο πλαίσιο και από εκεί στο περιβάλλον όπου ενεργούν ως διεγέρτης ταλαντώσεων. Οι δυνάμεις βάρους των στοιχείων του μηχανισμού στροφαλοφόρου έχουν μειούμενη επίδραση όσο ανεβαίνουν οι στροφές του κινητήρα. Σε ταχύστροφους κινητήρες θεωρούνται αμελητέες. Οι δυνάμεις τριβών επειδή εξαρτώνται από την ποιότητα κατασκευής και λίπανσης του κινητήρα, προσδιορίζονται μόνο πειραματικά και μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια ζωής του κινητήρα λόγο της φθοράς του.

24 Δ..Δυνάμεις αερίων, Η δύναμη των αερίων που αναπτύσσεται το μηχανισμό του στροφαλοφόρου εξαρτάται από τη δομή της μηχανής: Παλινδρομικές μηχανές απλής ενέργειας F g d p p Ap p π [N] 4 όπου: p σχετική πίεση [N/m ] ως προς την ατμοσφαιρική ή μανομετρική πίεση Α p Επιφάνεια του εμβόλου [m ] d p Διάμετρος του εμβόλου [m] Παλινδρομικές μηχανές διπλής ενέργειας F g ( pds pks ) ADS + pks Aβ [N] όπου: p DS σχετική πίεση [N/m ] στην άνω επιφάνεια του εμβόλου. P ΚS σχετική πίεση [N/m ] στην κάτω επιφάνεια του εμβόλου. Α DS Επιφάνεια στην άνω πλευρά του εμβόλου [m ] Α β Επιφάνεια διατομή του βάκτρου [m ]

25 Ε.3.Δυνάμεις μάζας (αδράνειας), Είναι αποτέλεσμα της μεταβολής της επιτάχυνσης των μαζών που κινούνται. Δεδομένου ότι υπάρχουν μάζες που παλινδρομούν και μάζες που περιστρέφονται οι δυνάμεις αυτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Δυνάμεις αδρανείας μαζών που παλινδρομούν F m Φυγόκεντρες δυνάμεις περιστρεφόμενων μαζών F m ω όπου: F o Η συνισταμένη των δυνάμεων αδράνειας των μαζών που παλινδρομούν. m o μάζα των στοιχείων του μηχανισμού στροφαλοφόρου που παλινδρομούν F Φυγόκεντρη δύναμη των μαζών που περιστρέφονται. m μάζα των στοιχείων του μηχανισμού στροφαλοφόρου που περιστρέφονται. ο o Ε.3..Παλινδρομικές δυνάμεις Όπως προκύπτει από τον τύπο υπολογισμού των παλινδρομικών δυνάμεων, αυτές προκύπτουν από την αναπτυσσόμενη επιτάχυνση επί των παλινδρομούντων μαζών. Από τον τύπο υπολογισμού της επιτάχυνσης προκύπτει: F o ( συνφ + λ συν φ) m ω o Η F o είναι περιοδική δύναμη και ενεργεί στη διεύθυνση του άξονα του κυλίνδρου της μηχανής με φορά αντίθετη εκείνη της επιτάχυνσης. Έχει θετική τιμή όταν κατευθύνεται προς το στροφαλοφόρο άξονα (από το ΑΝΣ προς το ΚΝΣ) Από την παραπάνω σχέση διαπιστώνεται ότι η F o μπορεί να αναλυθεί σε δύο αρμονικές συνιστώσες: Η αρμονική συνιστώσα πρώτης τάξης (θεμελιώδης συνιστώσα ή πρώτη αρμονική) F m ω συνφ P συνφ I o I Η αρμονική συνιστώσα δεύτερης τάξης (δεύτερη αρμονική) F m ω λ συν φ P συν φ II o II Η ανάλυση της F o σε αρμονικές συνιστώσες γίνεται σύμφωνα με τις γνωστές σειρές Foue.

26 Όπως φαίνεται στο σχήμα όπου παρουσιάζεται η F o καθώς και οι δύο συνιστώσες F Ι και F ΙΙ, οι P Ι και P ΙΙ αναπαριστούν το εύρος της κάθε αρμονικής αντίστοιχα, ως προς τη γωνία στροφάλου. Οι παλινδρομούσες δυνάμεων πρώτης και δεύτερης τάξης ανάγονται σε περιστρεφόμενες δυνάμεις μάζας, που περιστρέφονται στην ίδια και αντίστροφη κατεύθυνση με το στροφαλοφόρο άξονα, ώστε να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό των αντίβαρων εξισορρόπησης των αζυγοσταθμιών. Το μέγεθος των περιστρεφόμενων αυτών δυνάμεων, μεταβάλλεται ανάλογα με τη γωνία περιστροφής του στροφάλου. Ως προβαλλόμενη δύναμη λαμβάνεται η μισή της κάθε αρμονικής η οποία προβάλλεται ταυτόχρονα στους δύο κάθετους άξονες της περιφέρειες στην οποία εφαρμόζονται. Η αναγωγή των παλινδρομικών δυνάμεων μάζας σε αντίστροφα περιστρεφόμενα διανύσματα είναι αναγκαία για τον προσδιορισμό των δυνάμεων και των ροπών μάζας τους πολκύλινδρους εν σειρά και τύπου V κινητήρες.

27 Ε.3..Φυγόκεντρες δυνάμεις, Η ανάπτυξη φυγόκεντρων δυνάμενων οφείλεται στις μάζες που περιστρέφονται μαζί με τον στροφαλοφόρο άξονα. Η τιμή των φυγόκεντρων δυνάμεων είναι πάντα σταθερή και ίση με: F m ω έχουν όμως συνεχώς μεταβαλλόμενη διεύθυνση, η οποία συμπίπτει με την ακτίνα περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα. Ε.4.Μάζες, Τα κινούμενα μέρη του μηχανισμού ανάλογα με τη φύση της κίνησής τους, χωρίζονται σε τρεις ομάδες.. Τμήματα που παλινδρομούν ευθύγραμμα: έμβολο, ελατήρια, πείρος του εμβόλου (βάκτρο και ζύγωμα αν υπάρχουν ). Η μάζα των τμημάτων αυτών θεωρείται συγκεντρωμένη στον άξονα του πείρου. Χαρακτηρίζεται ως m p.. Τμήματα που περιστρέφονται: Κομβίο του στροφάλου, οι μάζες των παρειών του κομβίου και (το αντίβαρο αν υπάρχει ). Η μάζα των τμημάτων αυτών θεωρείται συγκεντρωμένη στον άξονα του κομβίου του στροφάλου. Χαρακτηρίζεται ως m c. m c mz + mw όπου: m z η μάζα του κομβίου του στροφάλου. w η απόσταση του άξονα του κομβίου από το κέντρο περιστροφής του στροφάλου. w mw mw η αναγωγή της μάζας των παρειών σε ισοδύναμη μάζα στον άξονα του κομβίου. w η ακτίνα του κέντρου βάρους των παρειών του κομβίου. Αν υπάρχει αντίβαρο στη m c προστίθεται και η μάζα του αντιβάρου η οποία ανάγεται στον άξονα περιστροφής του κομβίου με ανάλογο τρόπο της αναγωγής των παριών.

28 3. Τμήματα που πραγματοποιούν σύνθετη, παλινδρομική και περιστροφική κίνηση. Διωστήρας Η κεφαλή του διωστήρα που βρίσκεται στον πείρο του εμβόλου πραγματοποιεί καθαρή ευθύγραμμη παλινδρομική κίνηση ενώ ο πόδας του διωστήρα στον τριβέα του κομβίου πραγματοποιεί καθαρή περιστροφική κίνηση. Κάθε ενδιάμεσο σημείο πραγματοποιεί σύνθετη κίνηση η οποία πρέπει να αναχθεί στις δύο προηγούμενες. Η συγκεντρωμένη στο Κέντρο Βάρους του διωστήρα μάζα m Δ μπορεί να κατανεμηθεί: Στο τμήμα εκείνο που παλινδρομεί και είναι συγκεντρωμένο στον άξονα του πείρου του εμβόλου: lπ m ΔΚ m Δ l Και το τμήμα που περιστρέφεται και είναι συγκεντρωμένο στον άξονα του κομβίου του στροφάλου: Φυσικά ισχύει: m m Δ mδκ + ΔΠ m ΔΠ m Δ l l κ Στην πράξη τα μεγέθη αυτά κυμαίνονται: m ΔΚ (0, 0,3) m Δ & m ΔΠ (0,7 0,8) m Δ Για τον υπολογισμό των δυνάμεων αδρανείας που αναπτύσσονται κατά τη λειτουργία του κινητήρα λαμβάνονται υπόψη οι μάζες: Για τις παλινδρομικές δυνάμεις: m 0 m + m p ΔΚ Για τις φυγοκεντρικές δυνάμεις: m m + m c ΔΠ

29 ΣΤ.5.Συνολικά εφαρμοζόμενες δυνάμεις, α) Στο έμβολο β) Στον πείρο του εμβόλου Η δύναμη F p που εφαρμόζεται στο έμβολο μεταφέρεται πάνω στον πείρο του εμβόλου. Ένα μέρος της μεταφέρεται μέσω του διωστήρα στο κομβίο του στροφάλου: F F p Δ συνβ Ένα άλλο στα τοιχώματα του κυλίνδρου, όπου χάνεται σε μορφή τριβών. F Δ Fp εφβ

30 γ) Στον κομβίο του στροφάλου Η δύναμη του διωστήρα F Δ αναλύεται στο κομβίο του στροφάλου σε δύο συνιστώσες. Την ακτινική δύναμη που έχει διεύθυνση την ακτίνα περιστροφής του στροφάλου και φορά αντίθετη στη φυγόκεντρο δύναμη λόγω περιστρεφόμενων μαζών: F R F p συν ( φ + β ) συνβ Και την εφαπτομενική στον κύκλο περιστροφής του στροφάλου η οποία προκαλεί την ροπή περιστροφής του κινητήρα: F Τ F p ημ ( φ + β ) συνβ

31 δ) Στη Ροπή Στρέψης Η ροπή στρέψης που προκαλεί την περιστροφή του στροφάλου είναι: M d F T Αλλά: F Τ F p ημ( φ + β ) F συνβ p ( ημφ συνβ + συνφ ημβ ) F συνβ p ( ημφ + συνφ εφβ) Δεδομένου ότι η γωνία β παίρνει πολύ μικρές τιμές μπορεί κατά προσέγγιση να ληφθεί: εφβημβ Γνωρίζοντας ότι: l ημβ ημφ ημβ λ ημφ Η ροπή στρέψης προσεγγιστικά υπολογίζεται από τον τύπο: λ M d Fp ( ημφ + ημφ ) Η ροπή στρέψης M d έχει μηδενικές τιμές όπου μηδενίζεται η εφαρμοζόμενη στο έμβολο δύναμη F p, στις 0, 80, 360 κλπ, δηλαδή στα νεκρά σημεία του εμβόλου. Διαπιστώνεται ότι υπάρχουν σημεία όπου τέμνονται όλες οι καμπύλες ροπής ανεξάρτητα από τον αριθμό στροφών και τον λόγο F o,mx /F g,mx με τον οποίο έγινε ο υπολογισμός. Τα σημεία αυτά για λ 3,8 είναι τα: φ76,4 και φ83,5 για δίχρονους κινητήρες και φ76,45, φ83,5, φ436,5 και φ643,5 για τετράχρονους κινητήρες. Η μέση ροπή στρέψης M d,m είναι ανεξάρτητη από τον αριθμό στροφών επειδή η μέση τιμή των παλινδρομικών δυνάμεων είναι μηδέν. Η M d,m εξαρτάται αποκλειστικά από τη δύναμη των αερίων F g.

32 H F g όπως προκύπτει από το δυναμοδεικτικό διάγραμμα αναλύεται σε δύο συνιστώσες: Η F Rg είναι η ακτινική συνιστώσα και μαζί με την αντίστοιχη συνιστώσα των δυνάμεων αδρανείας F Ro καταπονούν τα έδρανα βάσης του κινητήρα, βρίσκουμε τη συνολική ακτινική συνιστώσα. F R F Rg + F Ro Διάγραμμα 4-χρονου κινητήρα Η F Tg είναι η εφαπτομενική (στρεπτική) συνιστώσα και μαζί με την αντίστοιχη συνιστώσα των δυνάμεων αδρανείας F Τo δίνουν την ροπή στρέψης που περιστρέφει τον κινητήρα. F Τ F Τg + F Τo Από την F Τg προκύπτει η ωφέλιμη (μέση) στρεπτική ροπή Μ d,m του κινητήρα. Διάγραμμα -χρονου κινητήρα.

33 Η σύνθεση των εφαπτομενικών δυνάμεων από τις παλινδρομικά κινούμενες μάζες F Το και αυτών που προκύπτουν από την καύση F Τg δίνουν τη συνολική στρεπτική ροπή δύναμη του στροφαλοφόρου άξονα. Από τις δύο προκύπτει η F Τ όπως φαίνεται στο σχήμα. ε) Στο σώμα της μηχανής Η εφαρμοζόμενη στο κέντρο του κομβίου του στροφάλου Κ δύναμη του διωστήρα, από την οποία προκαλείται η στρεπτική ροπή του κινητήρα, παραλαμβάνεται στατικά από τα έδρανα βάσης του κινητήρα τα οποία αντιδρούν στο κέντρο περιστροφής του στροφάλου Μ με μια δύναμη ίση και αντίθετη. Το εμβαδόν του παραλληλογράμμου που δημιουργείται από την δύναμη του διωστήρα και την αντίδρασή της, αν τα άκρα του ενωθούν με τα κέντρα Κ και Μ, μας δίνει την ήδη γνωστή στρεπτική ροπή του στροφαλοφόρου άξονα: M F d

34 Η ανάλυση τώρα της F Δ στο σημείο Μ δίνει δύο συνιστώσες, την F p πάνω στον άξονα κίνησης του εμβόλου και την F Ν κάθετη στον άξονα αυτό. Η F Ν αυτή είναι ίση και έχει φορά αντίθετη από την δύναμη F Ν στον άξονα του πείρου του εμβόλου η οποία καταπονεί τα τοιχώματα του κυλίνδρου. Το ζεύγος των δυνάμεων F Ν F Ν δημιουργεί την ροπή ανατροπής του κινητήρα, η οποία τείνει να ανατρέψει τον κινητήρα σε αντίθετη κατεύθυνση από τη φορά περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα. Η ροπή ανατροπής η οποία λέγεται και «ροπή αντίδρασης» είναι ίση σε μέγεθος αλλά αντίρροπη της ροπής περιστροφής Μ d και παραλαμβάνεται από τις βάσεις του κινητήρα. Συνολικά οι δυνάμεις που εφαρμόζονται στο σώμα και τις βάσεις της μηχανής είναι:. Η δύναμη αερίων F g, στην κεφαλή του κυλίνδρου.. Η πλευρική δύναμη F Ν, στο πλευρικό τοίχωμα του κυλίνδρου. 3. Οι δυνάμεις: F Δ, του διωστήρα, η οποία αναλύεται στην F p, και την F Ν, και η φυγόκεντρη δύναμη F, οι οποίες εφαρμόζονται στα έδρανα βάσης του κινητήρα. 4. Η παλινδρομική δύναμη αδράνειας των μαζών F ο, καθώς και το τμήμα της F, που δεν περιλαμβάνεται στην F R, οι οποίες μεταφέρονται στις βάσεις στήριξης της μηχανής. 5. Η ροπή ανατροπής Μ d, μεταφέρεται στη θεμελίωση της μηχανής δια μέσου των κοχλιών στήριξης Διευκρινίζεται ότι στην F, συμπεριλαμβάνονται και οι φυγόκεντρες δυνάμεις των αντίβαρων, αν υπάρχουν.

35 ΣΤ.6.Επίδραση των δυνάμεων Οι δυνάμεις αδράνειας, αν δεν γίνει κατορθωτό να εξουδετερωθούν με τις διάφορες μεθόδους ζυγοστάθμισης, μεταφέρονται στη βάση του κινητήρα και από εκεί στη θεμελίωση (ή το σασί). Σε πολυκυλίνδρους κινητήρες λόγω του διαφορετικού επιπέδου εφαρμογής των δυνάμεων αδρανείας (ενός για κάθε κύλινδρο), οι εφαρμοζόμενες δυνάμεις προκαλούν έντονες μεταβαλλόμενες καμπτικές ροπές στο στρόφαλο και το πλαίσιο του κινητήρα. Το μέγεθος των δυνάμεων αδρανείας είναι μεγάλο και μάλιστα ανάλογο των δυνάμεων αερίων. Το γεγονός ότι αντιστρατεύονται σημαντικά τις δυνάμεις αερίων οδηγεί στη δημιουργία μικρότερων πιέσεων στα έδρανα και τις επιφάνειες ολίσθησης, μικρότερες καταπονήσεις στα επιμέρους τμήματα του μηχανισμού στροφαλοφόρου και γενικότερα της μηχανής καθώς και ομαλότερη ροπή περιστροφής και ανατροπής. Η επίδραση των παλινδρομούντων δυνάμεων σε συνδυασμό με τις δυνάμεις αερίων, φαίνεται στο σχήμα. Διαπιστώνεται ότι όσο αυξάνονται οι στροφές του κινητήρα μειώνονται οι δυσάρεστες συνέπειες, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται ένα ελάχιστο για ω Kp m o 5 (4,7b) A cm ρ όπου: m o παλινδρομούσες μάζες Α ρ επιφάνεια εμβόλου Στη συνέχεια αυξάνονται λόγω των μεγάλων αδρανειακών φορτίων από την αύξηση των στροφών. Αυτό το τελευταίο θα μπορούσε να μειωθεί με τη χρήση ελαφρύτερων υλικών. Οι δυνάμεις αδράνειας έχουν ιδιαίτερη επίδραση στα ψυχόμενα έμβολα, για τα οποία θα πρέπει να λαμβάνεται ιδιαίτερη μέριμνα για την σωστή κυκλοφορία το υγρού μέσα σε αυτά.

36 Ζ.Γ.Ζυγοστάθμιση, Ζ..Γενικά, Ζυγοσταθμισμένη μηχανή: Οι δυνάμεις που μεταφέρονται στα στηρίγματα και τη θεμελίωση της μηχανής κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της παραμένουν σταθερές κατά μέγεθος και κατεύθυνση. Αζυγοστάθμιστη μηχανή: Οι δυνάμεις στα στηρίγματα της μηχανής μεταβάλλονται συνεχώς και προξενούν δονήσεις στη βάση στήριξης τη θεμελίωση και το περιβάλλον. Συνέπειες από την έλλειψη ζυγοστάθμισης: Χαλάρωση των συσφιγμένων κοχλιών, Δυναμική υπερφόρτωση μηχανικών μερών, Μεγαλύτερη φθορά, Θόρυβος, Ενοχλητικές ταλαντώσεις, Πιθανός συντονισμός ταλαντώσεων με απρόβλεπτες συνέπειες, Έντονη καταπόνηση των εδράνων, Δημιουργία έντονων καμπτικών και στρεπτικών ροπών στο στροφαλοφόρο άξονα. Αιτίες που προκαλούν αζυγοσταθμίες Α. Οι δυνάμεις αδρανείας (F 0 ) των παλινδρομικά κινουμένων μαζών. Μεταβάλλονται περιοδικά ως προς το μέγεθος και την κατεύθυνση. Α. Οι φυγόκεντρες δυνάμεις (F ) των περιστρεφόμενων μαζών. Μεταβάλλονται συνεχώς μόνο ως προς την διεύθυνση. Β. Η μεταβαλλόμενη συνολική στρεπτική ροπή (Μ d ) και η ροπή ανατροπής που είναι ίση και αντίρροπη προς τη στρεπτική ροπή. Η στρεπτική ροπή είναι περιοδική συνάρτηση της γωνία (φ) περιστροφής του στροφαλοφόρου άξονα. Η διαδικασία μείωσης με στόχο την εκμηδένιση των συνεπειών από τις αζυγοσταθμίες ονομάζεται «ζυγοστάθμιση». Ζυγοστάθμιση μπορεί να επιτευχθεί με τρεις τρόπους:. Μικρό βάρος των κινουμένων μερών.. Τοποθέτηση αντίβαρων στον στροφαλοφόρο άξονα. 3. Πολυκύλινδροι κινητήρες. Η πλήρης ζυγοστάθμιση είναι μη εφικτή μια που οι αζυγοσταθμίες που προκύπτουν οφείλονται κι στη στρεπτική ροπή του κινητήρα που μεταβάλει περιοδικά τις δυνάμεις στα στηρίγματα. Στην πράξη με τον όρο «ζυγοστάθμιση» εννοούμε την επίτευξη ενός ανεκτού βαθμού αζυγοσταθμίας.

37 Η αζυγοσταθμία που επιδιώκεται να διορθωθεί προέρχεται από τον υπολογισμό των δύο πρώτων αρμονικών των δυνάμεων αδρανείας και των ροπών. Για την επίτευξη ενός ανεκτού βαθμού ζυγοστάθμισης είναι αναγκαίο να σχεδιασθούν και να κατασκευαστούν τα διάφορα τμήματα της μηχανής με αυστηρή συνέπεια στις προβλεπόμενες ανοχές μάζας και διαστάσεων. Η αυστηρή εφαρμογή αυτών των ανοχών εφαρμόζεται ώστε να υπάρχουν:. Ίσες μάζες στα έμβολα.. Ίσες μάζες και ίσες αποστάσεις των σημείων κέντρων βάρους των διωστήρων. 3. Στατική και δυναμική ζυγοστάθμιση του στροφαλοφόρου άξονα. Για την ομοιόμορφη περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα πρέπει κάθε κύλινδρος ξεχωριστά να έχει ακριβώς τις ίδιες διεργασίες λειτουργίας. Ζ..Ζυγοστάθμιση φυγοκεντρικών δυνάμεων, Στόχος της ζυγοστάθμισης των φυγόκεντρων δυνάμεων, από τα περιστρεφόμενα μέρη του μηχανισμού του στροφαλοφόρου μιας μηχανής, είναι η τοποθέτηση των στροφάλων ή των αντιβάρων σε τέτοια διεύθυνση ώστε να εξασφαλίζονται:. Το κέντρο βάρους του ανοιγμένου συστήματος, των βαρών του στροφαλοφόρου άξονα, να βρίσκεται πάνω στον άξονα περιστροφής του. Συμμόρφωση προς αυτό το στόχο σημαίνει ότι έχει επιτευχθεί «στατική ζυγοστάθμευση» η οποία εκφράζεται από την αναλυτική σχέση: F 0. Το άθροισμα ροπών των φυγόκεντρων δυνάμεων των περιστρεφόμενων μαζών να είναι μηδέν σε σχέση με οποιοδήποτε σημείο του στροφαλοφόρου άξονα. Η επίτευξη αυτής της κατάστασης, με την προϋπόθεση ότι έχει διαπιστωθεί η προηγούμενη, εξασφαλίζει την «δυναμική ζυγοστάθμευση» η οποία εκφράζεται από την αναλυτική σχέση: M 0

38 Σε ένα απλό μηχανισμό στροφαλοφόρου θα πρέπει: F F ω ω m m m m Σε ένα μηχανισμό στροφαλοφόρου με δύο στροφάλους θα πρέπει επιπλέον η δημιουργούμενη ροπή από τις φυγόκεντρες δυνάμεις των δύο αντίβαρων να ζυγοσταθμίζει τη ροπή που αναπτύσσεται από τις φυγόκεντρες δυνάμεις των δύο στροφάλων. F F b m b m ω ω m b m

39 Ζ.3.Ζυγοστάθμιση εμβολοφόρων μηχανών εν σειρά, Γενικότερα η ζυγοστάθμιση των φυγόκεντρων δυνάμεων, σε μια παλινδρομική μηχανή, είναι εύκολη υπόθεση, μια που είναι καθαρά περιστρεφόμενα διανύσματα σταθερού μεγέθους και αυτή επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση αντιβάρων. Αντίθετα οι παλινδρομικές δυνάμεις, μεταβάλλονται περιοδικά και ως προς το μέγεθος και ως προς τη φορά, διατηρώντας όμως σταθερή διεύθυνση πάντα πάνω στον άξονα του κυλίνδρου. Λόγω της σταθερής διεύθυνσης των παλινδρομικών δυνάμεων τα αντίβαρα δεν μπορούν να τις ζυγοσταθμίσουν πλήρως μια που κατά την περιστροφή τους δημιουργούν και κάθετες στην παλινδρόμηση του κυλίνδρου δυνάμεις οι οποίες ταλαιπωρούν τον κινητήρα και τελικά το πρόβλημα των παλινδρομούντων δυνάμεων επιλύεται «εν μέρει». Επιπλέον η δημιουργούμενη στον άξονα κίνησης του εμβόλου δύναμη από τα αντίβαρα είναι καθαρά ημιτονοειδής. Όπως φαίνεται στο δίπλα σχήμα ζυγοσταθμίζει μόνο την πρώτη συνιστώσα της αξονικής δύναμης. Στις πολυκύλινδρες μηχανές οι παλινδρομικές δυνάμεις αλληλοεξουδετερώνονται με αποτέλεσμα οι μηχανές να ζυγοσταθμίζονται μερικά ή ολικά μόνες τους. Ζ.3..Μονοκύλινδρη μηχανή Με την αναγωγή των παλινδρομούντων δυνάμεων σε δύο περιστρεφόμενα διανύσματα, όπως φαίνεται στο σχήμα, μεγέθους: PI mo ω Διαπιστώνεται ότι η μία συνιστώσα P I / μπορεί να ζυγοσταθμιστεί όπως οι φυγόκεντρη δύναμη. Το υπόλοιπο P I / παραμένει αζυγοστάθμιστο μια που περιστρέφεται σε κατεύθυνση αντίθετη εκείνης του στροφαλοφόρου. Σε ένα μονοκύλινδρο κινητήρα για τη ζυγοστάθμιση των φυγόκεντρων δυνάμεων και του 50% της παλινδρομούσας δύναμης, θα πρέπει η μάζα των αντίβαρων στις δύο παρειές του στροφάλου να είναι: F F + PI m ω 0 ω m ( m + 0,5 m ) 0 ( m + 0,5 m )

40 P I Για την ζυγοστάθμιση του υπόλοιπου, που παραμένει αζυγοστάθμιστο, μπορεί να τοποθετηθεί ένα συμπληρωματικό αντίβαρο m, το οποίο με τη βοήθεια ζεύγους οδοντωτών τροχών, θα περιστρέφεται ισόστροφα αλλά αντίρροπα προς τον στροφαλοφόρο άξονα. Η μάζα m του συμπληρωματικού αντίβαρου θα είναι: m ω m 0 ω m m Οι παλινδρομικές δυνάμεις δεύτερης τάξης P II, επειδή παλινδρομούν με διπλάσια συχνότητα από τη συχνότητα περιστροφής του στροφαλοφόρου, μπορούν να ζυγοσταθμιστούν με αντίβαρα τοποθετημένα σε άξονες, που περιστρέφονται αντίστροφα μεταξύ τους, παίρνουν κίνηση από τον στροφαλοφόρο άξονα, και έχουν συχνότητα περιστροφής διπλάσια του στροφαλοφόρου. 0 P II Το μέγεθος αυτών των αντιβάρων υπολογίζεται από τα διανύσματα. Οι μάζα των αντιβάρων αυτών προκύπτει από την σχέση: PII F m o ω λ Δεδομένου ότι η ζυγοστάθμιση αυτών δυνάμεων απαιτεί οδοντωτούς τροχούς, κάνοντας την κατασκευή ακριβή, συνήθως αρκούμαστε στην εφαρμογή αντιβάρων στις παρειές του στροφάλου, σε ότι αφορά τους μονοκύλινδρους κινητήρες.

41 Η.3. Πολυκύλινδρες μηχανές εν σειρά, Η.3...Αστέρας στροφάλου, Κάθε τάξη δυνάμεων έχει τον δικό της στροφαλοαστέρα. Ο στροφαλοαστέρας πρώτης τάξης αντιστοιχεί στις φυγόκεντρες δυνάμεις F και στις παλινδρομικές δυνάμεις F Ι. Σε αυτό το στροφαλοαστέρα οι στρόφαλοι τοποθετούνται σε διάταξη σύμφωνα με τη σειρά ανάφλεξης ξεκινώντας από τον πρώτο κύλινδρο. Η γωνία μεταξύ δύο διαδοχικών στροφάλων προκύπτει από τη γωνία σφήνωσης η οποία είναι: 70 Για τετράχρονους κινητήρες: δ κ Z 360 Για δίχρονους κινητήρες: δ κ Z Όπου Ζ ο αριθμός κυλίνδρων του κινητήρα. Στροφαλοαστέρες ης και ης τάξης για στροφαλοφόρους 4-χρονων κινητήρων, με κυλίνδρους εν σειρά.

42 Η.3...Στατική ζυγοστάθμιση, Με τον όρο «στατική ζυγοστάθμιση» εννοείται η εξουδετέρωση της επίδρασης των δυνάμεων μάζας ώστε ο στροφαλοφόρος άξονας να μη μεταφέρει στα έδρανα δυνάμεις οι οποίες μεταβάλλονται κατά μέγεθος και κατεύθυνση. Στις δυνάμεις μάζας περιλαμβάνονται: α) Οι φυγόκεντρες δυνάμεις των μαζών (F ) που περιστρέφονται. β) Οι παλινδρομικές δυνάμεις (F 0 ), που αναλύονται σε δυνάμεις πρώτης τάξεως (F Ι ) και δεύτερης τάξης (F ΙΙ ). Για να υπάρχει στατική ζυγοστάθμιση θα πρέπει: F + FI + FII 0 Η παραπάνω σχέση καλύπτεται απόλυτα όταν: I II F 0 F 0 F 0 Για διερεύνηση των συνθηκών στατικής ζυγοστάθμισης που αφορά ομοιογενείς κινητήρες εν σειρά, θα πρέπει οι κινητήρες να έχουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: α) Οι μάζες των μηχανισμών στροφαλοφόρου των επιμέρους κυλίνδρων χωρίς αντίβαρα είναι ίσες μεταξύ τους. β) Οι αποστάσεις (α) όλων των κυλίνδρων είναι ίσες μεταξύ τους. Για τον προσδιορισμό της κατάστασης στατικής ζυγοστάθμισης, θεωρείται ότι ο στροφαλοαστέρας είναι συγκεντρωμένος στο κέντρο βάρους του στροφάλου και οι δυνάμεις τόσο οι φυγόκεντρες όσο και οι παλινδρομικές είναι τοποθετημένες ως διανύσματα στην κατεύθυνση των στροφάλων. Τα διανύσματα αυτά έχουν μέτρο: Για τις φυγόκεντρες δυνάμεις: Για τις παλινδρομικές δυνάμεις: Για τις παλινδρομικές δυνάμεις δεύτερης τάξης: F m ω P m ω I P II o m o ω λ Τα διανύσματα P Ι και P ΙΙ αποδίδουν κάθε στιγμή αξονικές συνιστώσες αντίστοιχες με τις δυνάμεις F Ι και F ΙΙ.

43 Η διανυσματική άθροιση των διανυσματικών δυνάμεων ης και ης τάξης στους πολυκύλινδρους εν σειρά κινητήρες, που έχουν ομοιόμορφα κατανεμημένους στην περιφέρεια του στροφαλοφόρου στροφάλους, οι δυνάμεις αδρανείας αντιστρατεύονται μεταξύ τους με αποτέλεσμα τον εκμηδενισμό τους. Παρατηρώντας τους στροφαλοαστέρες ης και ης τάξης διαπιστώνεται ότι στους κινητήρες με αριθμό κυλίνδρων περισσότερους από, υπάρχει αυτόματη στατική ζυγοστάθμιση: - στις φυγόκεντρες δυνάμεις: F 0 I - στις παλινδρομικές δυνάμεις ης τάξης: F 0 II - στις παλινδρομικές δυνάμεις ης τάξης: F 0 εξαίρεση υπάρχει στον δικύλινδρο και τον τετρακύλινδρο κινητήρα όπου δεν υπάρχει αυτόματη ζυγοστάθμιση στις παλινδρομικές δυνάμεις ης τάξης. Η διανυσματική άθροιση των παραπάνω δυνάμεων γίνεται σε ένα ενιαίο επίπεδο που είναι κάθετο στο στροφαλοφόρο άξονα και διέρχεται από το κέντρο βάρους του. Το επίπεδο αυτό ονομάζεται επίπεδο κέντρου βάρους ή «κεντροεπίπεδο» Σε περίπτωση που το F 0 άρα F F υπάρχει αζυγοσταθμία. Σ Στην περίπτωση αυτή η FΣ βρίσκεται πάνω στο κεντροεπίπεδο, διέρχεται από το κέντρο του στραφαλοαστέρα και περιστρέφεται, όπως και ολόκληρο το δυναμοπολύγωνο, μαζί με τον στροφαλοφόρο άξονα. Η δύναμη αυτή της αζυγοσταθμίας αναλύεται σε δύο συνιστώσες, μια στην αξονική κατεύθυνση των κυλίνδρων και μια οριζόντια, κάθετη στους άξονες των κυλίνδρων. Η πρώτη συνιστώσα τείνει να ανεβοκατεβάζει τη μηχανή. Η οριζόντια τείνει να μετακινεί τη μηχανή πέρα-δώθε και να την ανατρέψει ως προς ένα άξονα παράλληλο προς τον στροφαλοφόρο που διέρχεται από το κέντρο βάρους του κινητήρα. Η ροπή αυτή που προκαλείται από την οριζόντια συνιστώσα είναι σχετικά μικρή και δεν έχει σχέση με τη ροπή ανατροπής που δημιουργείται από τις δυνάμεις του εμβόλου. Η όποια αζυγοσταθμία οφειλόμενη στις φυγόκεντρες δυνάμεις ζυγοσταθμείται εύκολα με αντίβαρα που τοποθετούνται στις προεκτάσεις των παρειών των στροφάλων Όταν υπάρχουν συνισταμένες P IΣ και P IIΣ αυτές βρίσκονται πάνω στο κεντροεπίπεδο και έχουν πάντα κατεύθυνση στην αξονική κατεύθυνση των κυλίνδρων και τείνουν να κινούν τη μηχανή πάνω κάτω.

44 Η.3..3.Μεταφορά δυνάμεων και ροπών. Για τη μεταφορά της δύναμης τεχνική. Pι στο κεντροεπίπεδο ακολουθείται η παρακάτω Τοποθετούνται πάνω στο κεντροεπίπεδο δύο δυνάμεις Ρι και Ρι οι οποίες είναι ίσες και αντίθετες. Έτσι δημιουργείται ένα στατικό σύστημα ισοδύναμο με αυτό της Ρι που αποτελείται από μια δύναμη Ρι και ροπή Ρι*h, που προκύπτει από ζεύγος Ρι Ρι Η ροπή ΜιΡι*h μπορεί να μεταφερθεί από το σημείο Α στο σημείο Β, μια που μια ροπή μπορεί να μεταφέρεται σε οποιοδήποτε σημείο του επιπέδου εφαρμογής της. Γενικά η ροπή είναι διανυσματικό μέγεθος. Το διάνυσμα της ροπής είναι κάθετο στο επίπεδο εφαρμογής της ροπής, έχει μέτρο ίσο με το γινόμενο Ρι*h, με φορά που προκύπτει από τον κανόνα του δεξιόστροφου κοχλία. Το σύνολο των δυνάμεων αδρανείας των επί μέρους μηχανισμών του στροφαλοφόρου ενός πολυκύλινδρου κινητήρα, καθώς και των διανυσμάτων των ροπών μεταφέρονται στο κεντροεπίπεδο. Αυτή η αναγωγή όλων των δυνάμεων αδρανείας σε ισοδύναμο σύστημα ομοεπίπεδων δυνάμεων και ροποδιανυσμάτων γίνεται για λόγους ευκολίας στον υπολογισμό της ζυγοστάθμισης.