ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ - ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑ (7 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ) Νίκος Μ. Κατσουλάκος Μηχανολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π., PhD, Msc
ΜΑΘΗΜΑ 2-2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΩΝ Μ.Ε.Κ.
η = Τ c Τ h Ο κύκλος του Carot
Ο τετράχρονος βενζινοκινητήρας Με ανοιχτή την βαλβίδα εισόδου το έμβολο κατέρχεται, κατά τον χρόνο εισαγωγής. Το κενό που δημιουργείται προκαλεί αναρρόφηση μίγματος ατμών βενζίνης και αέρα. Το μίγμα συμπιέζεται καθώς το έμβολο ανέρχεται κατά το χρόνο συμπίεσης με κλειστές βαλβίδες. Με το τέλος του χρόνου αυτού, το μίγμα αναφλέγεται με τη βοήθεια ηλεκτρικού σπινθήρα. Κατά το χρόνο ισχύος οι βαλβίδες παραμένουν κλειστές ενώ η πίεση από την καύση πιέζει την κεφαλή του εμβόλου. Κατά τον χρόνο εξαγωγής, το ανερχόμενο έμβολο αναγκάζει τα προϊόντα της καύσης να εξέλθουν από την ανοιχτή βαλβίδα εξόδου.
Κύκλος Otto
Ανάλυση κύκλου Otto Παραγωγή έργου O 4 Το συνολικό παραγόμενο έργο στον κύκλο Otto ισούται με το άθροισμα των έργων σε κάθε μεταβολή: O 2 34 Ο θερμικός βαθμός απόδοσης του κύκλου Otto θα ισούται: 4 2 34 O O O. 4 O. 4
Ανάλυση κύκλου Otto Ορίζεται ο βαθμός ή λόγος συμπιέσεως: 3 4 2 V V V V ε Οπότε ο βαθμός απόδοσης γράφεται: k- Ο ε Ορίζεται η σχέση συμπίεσης καύσης: 4 2 3 r Αποδεικνύεται ότι το έργο του κύκλου Otto ισούται με: ε r γ - V k- O
Βασικά συμπεράσματα Το έργο του κύκλου Otto εξαρτάται από την κατάσταση αέρα πριν από την καύση, το λόγο συμπιέσεως και από την προσδιδόμενη θερμότητα, μέσω του βαθμού συμπιέσεως Ο βαθμός απόδοσης του κύκλου Otto εξαρτάται μόνο από το βαθμό συμπίεσης και είναι αύξουσα συνάρτησή του
Ο τετράχρονος πετρελαιοκινητήρας Με ανοιχτή την βαλβίδα εισόδου το έμβολο κατέρχεται, κατά τον χρόνο εισαγωγής. Το κενό που δημιουργείται προκαλεί αναρρόφηση αέρα. Ο αέρας συμπιέζεται καθώς το έμβολο ανέρχεται κατά το χρόνο συμπίεσης με κλειστές βαλβίδες. Με το τέλος του χρόνου αυτού, ψεκάζεται πετρέλαιο στον κύλινδρο και αυταναφλέγεται. Κατά το χρόνο ισχύος οι βαλβίδες παραμένουν κλειστές ενώ η πίεση από την καύση πιέζει την κεφαλή του εμβόλου. Κατά τον χρόνο εξαγωγής, το ανερχόμενο έμβολο αναγκάζει τα προϊόντα της καύσης να εξέλθουν από την ανοιχτή βαλβίδα εξόδου.
Κύκλος Diesel
Ανάλυση κύκλου Diesel Παραγωγή έργου D 4 Το συνολικό παραγόμενο έργο στον κύκλο Diesel ισούται με το άθροισμα των έργων σε κάθε μεταβολή: D 2 34 4 2 34 Ο θερμικός βαθμός απόδοσης του κύκλου Diesel θα ισούται: D D D. 4 D. 4
Ανάλυση κύκλου Diesel Ορίζεται ο βαθμός αποκοπής ή βαθμός διογκώσεως καύσεως ή βαθμός φορτίου: α Αποδεικνύεται ότι το έργο του κύκλου Diesel ισούται με: V V 3 2 D V γ - ε k- γ α ε α -k k
Βασικά συμπεράσματα Το έργο του κύκλου Diesel εξαρτάται από την κατάσταση αέρα πριν από την καύση, το λόγο συμπιέσεως και από την προσδιδόμενη θερμότητα, μέσω του βαθμού διογκώσεως Ο βαθμός απόδοσης εξαρτάται από το λόγο συμπιέσεως. Αύξηση του βαθμού συμπιέσεως οδηγεί σε αύξηση του βαθμού απόδοσης. Οι βαθμοί απόδοσης Diesel και Otto διαφέρουν κατά τον όρο: α γ γ - α -
Μικτός ιδανικός κύκλος αέρα Αποτελεί σύνθεση των κύκλων Otto και Diesel και μπορεί να περιγράψει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη λειτουργία τόσο του κινητήρα Otto όσο και του κινητήρα Diesel
Ανάλυση μικτού κύκλου Παραγωγή έργου: 24 5 34 5 Το συνολικό παραγόμενο έργο στο μικτό κύκλο ισούται με το άθροισμα των έργων σε κάθε μεταβολή: 2 34 45 5 2 34 45 Ο θερμικός βαθμός απόδοσης του μικτού κύκλου θα ισούται: 24 5 5 24 24 24
Ανάλυση μικτού κύκλου Αποδεικνύεται ότι το έργο του μικτού κύκλου ισούται: α r r ε α r ε γ γ - V γ γ- γ- Με βάση τα ανωτέρω, ο βαθμός απόδοσης του μικτού κύκλου γίνεται: Αποδεικνύεται ότι ο θερμικός βαθμός απόδοσης του μικτού κύκλου ισούται: 3 4 2 3 5 T T γ T T T T α r γ r α r ε γ γ-
Βασικά συμπεράσματα Ο μικτός πρότυπος κύκλος αέρα περιλαμβάνει πρόσδοση θερμότητας και ισόογκα και ισόθλιπα. Περιγράφει καλύτερα τους κινητήρες Otto και Diesel, ανάλογα με τα ποσοστά ισόχωρης και ισόθλιπτης καύσης. Αν στις προηγούμενες σχέσεις θέσουμε α=, τότε παίρνουμε την περίπτωση του κύκλου Otto. Αν θέσουμε r =, τότε παίρνουμε την περίπτωση του κύκλου Diesel. Το έργο του μικτού κύκλου εξαρτάται από την κατάσταση αέρα πριν από την καύση, το λόγο συμπιέσεως και από την προσδιδόμενη θερμότητα, μέσω του βαθμού συμπιέσεως και του βαθμού διογκώσεως.