Μηχανές Εσωτερικής Καύσης

Παρουσίαση με θέμα: "Μηχανές Εσωτερικής Καύσης"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Μηχανές Εσωτερικής Καύσης

2 Τρόποι Πλήρωσης Ατμοσφαιρικοί κινητήρες ή κινητήρες φυσικής αναπνοής
Καμία υποβοήθηση στην εισαγωγή του αέρα – απλούστερο δυνατό σύστημα εισαγωγής. Υπερπληρούμενοι κινητήρες

3 Υπερπλήρωση Υπερπλήρωση:
Καλείται η πλήρωση του κυλίνδρου με μεγαλύτερη μάζα από αυτή που θα ελάμβανε με ατμοσφαιρική πίεση στην εισαγωγή. Επειδή ο όγκος του κυλίνδρου δεν αλλάζει, μεγαλύτερη μάζα αέρα συνεπάγεται μεγαλύτερη πυκνότητα, που επιτυγχάνεται με αύξηση της πίεσης του αέρα από συμπιεστή.

4 Υπερπλήρωση Είδη υπερπληρώσεως:
Μηχανική υπερπλήρωση: η ισχύς του συμπιεστή διατίθεται από την ισχύ της μηχανής. Καυσαέρια Συμπιεστής Κινητήρας Εισαγωγή αέρα

5 Υπερπλήρωση Μηχανική Υπερπλήρωση:
Συμπιεστές με ολισθαίνοντα πτερύγια (sliding vane) Έκκεντρα τοποθετημένος ρότορας Αυξάνει την πίεση του αέρα που εισέρχεται στον κύλινδρο λόγω ελαχιστοποίησης του όγκου του αέρα λίγο πριν την εισαγωγή Ελλιπής στεγανοποίηση Αύξηση θερμοκρασίας του αέρα λόγω συμπίεσης και σκέδασης ενέργειας (τριβή πτερυγίων-κελύφους)- βελτίωση με σύστημα ψύξης Ισεντροπικός βαθμός απόδοσης σχετικά χαμηλός

6 Υπερπλήρωση Μηχανική Υπερπλήρωση:
Οι περιστροφικοί συμπιεστες (rotary): Αποτελείται από 2 ρότορες με τρεις ή σπανιότερα 2 λοβούς συνδεδεμένους με σύστημα οδοντωτών τροχών. Παγίδευση του εισερχόμενου αέρα μεταξύ δυο λοβών και κελύφους Χαρακτηριστικά: Μικρή σχέση συμπίεσης Κυματοειδής μορφή της παροχής τους Σταθερότητα της μέσης παροχής τους Θορυβώδης λόγω κινουμένων μερών και κυματοειδούς παροχής του αέρα Περιστρoφικός τύπου Roots Κοχλιοφόροι συμπιεστές

7 Υπερπλήρωση Μηχανική Υπερπλήρωση: Φυγοκεντρικοί συμπιεστές
Βελτιστοποίηση της απόδοση σε πολύ υψηλές στροφές λειτουργίας ( rpm) Περιορισμένη χρήση.

8 Υπερπλήρωση Είδη υπερπληρώσεως:
Με στροβιλοσυμπιεστή καυσαερίου: η ισχύς του συμπιεστή διατίθεται από την εκτόνωση των καυσαερίων σε ένα στρόβιλο. Εισαγωγή αέρα Εξαγωγή καυσαερίων Αεροσυμπιεστής Αεριοστρόβιλος Καυσαέρια Κινητήρας

9 Υπερπλήρωση Είδη υπερπληρώσεως:
Με μικτή υπερπλήρωση: συνδυασμός μηχανικού συμπιεστή και συμπιεστή καυσαερίων Εισαγωγή αέρα Εξαγωγή καυσαερίων Αεριοστρόβιλος Αεροσυμπιεστές Καυσαέρια Κινητήρας

10 Ενδιάμεση ψύξη υπερπλήρωσης
Χρησιμοποιείται κυρίως σε στροβιλοσυμπιεστή καυσαερίων για την ψύξη του αέρα στην έξοδο του συμπιεστεί πριν την είσοδο στον θάλαμο καύσης Εισαγωγή αέρα Εξαγωγή καυσαερίων Αεριοστρόβιλος Έξοδος αέρα ψύξης Καυσαέρια Qout Εναλλάκτης Είσοδος αέρα ψύξης Κινητήρας

11 Αύξηση θερμοκρασίας σε σχέση με την πίεση στην εισαγωγή για διάφορους βαθμούς απόδοσης συμπιεστή

12 Υπερπλήρωση Ωφέλη: Η μεγαλύτερη μάζα αέρα επιτρέπει την καύση μεγαλύτερης ποσότητας καυσίμου και συνεπώς την αύξηση της παραγόμενης ισχύος για τον ίδιο όγκο κυλίνδρου. Για δεδομένη ισχύ είναι δυνατή η κατασκευή μηχανών με σημαντικά μικρότερο όγκο και βάρος. Μειώνεται η κατανάλωση καυσίμου της μηχανής ανά παραγόμενο ίππο σε όλα τα φορτία. Παρά το υψηλό κόστος του υπερπληρωτή, το συνολικό κόστος κτήσης της μηχανής μειώνεται συγκρινόμενο με το κόστος μηχανής αντίστοιχης ισχύος χωρίς υπερπλήρωση.

13 Ο στροβιλοϋπερπληρωτής
Η υπερπλήρωση επιτυγχάνεται με τη χρήση αντλίας αέρα (συμπιεστή) που σκοπό έχει: τη χαμηλή κατανάλωση ισχύος το μικρό όγκο και βάρος την επίτευξη υψηλής συμπιέσεως του αέρα. Τα ανωτέρω επιτυγχάνονται με τη χρήση του στροβιλοϋπερπληρωτή, ο οποίος αποτελείται από: περιστροφικό συμπιεστή για τη συμπίεση του αέρα στρόβιλο, που απορροφά μέρος της απορριπτόμενης ενέργειας των καυσαερίων (περίπου το 35% της θερμότητας καύσεως) για την περιστροφή του συμπιεστή.

14 Στροβιλοϋπερπληρωτής

15 Στροβιλοϋπερπληρωτής

16 Συμπιεστής Η υπερπλήρωση του κυλίνδρου απαιτεί την παροχή μεγάλης ποσότητας αέρα με μέτρια σχετικά πίεση και σε μεγάλο φάσμα παροχής, ώστε να καλύπτονται οι διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. Η ανάγκη για συμπιεστή μικρού όγκου οδηγεί στη χρήση περιστροφικού συμπιεστή ακτινικής ροής.

17 Συμπιεστής Πλεονεκτήματα περιστροφικού συμπιεστή:
απλότητα και στιβαρότητα κατασκευής μεγάλος λόγος πιέσεως που δίνει με μία βαθμίδα συμπιέσεως (συνήθης τιμή 4:1) το σχετικά μικρό μέγεθός του χαμηλή ευαισθησία στην εισρόφηση ξένων σωματιδίων και στις επικαθήσεις ακαθαρσιών στα πτερύγιά του.

18 Συμπιεστής Κατασκευαστικά & λειτουργικά στοιχεία περιστροφικού συμπιεστή: λειτουργεί με υψηλές στροφές (πολλές χιλιάδες στροφές το λεπτό) οπότε με μικρό μέγεθος συμπιεστή προκύπτουν μεγάλες παροχές αέρα η κατασκευή τους σε μικρά μεγέθη γίνεται με χύτευση, ενώ σε μεγάλα μεγέθη γίνεται με εργαλειομηχανές κοπής που ελέγχονται από υπολογιστή η πτερωτή του συμπιεστή κατασκευάζεται συνήθως από κράματα αλουμινίου χαμηλή ευαισθησία στην εισρόφηση ξένων σωματιδίων και στις επικαθήσεις ακαθαρσιών στα πτερύγιά του.

19 Συμπιεστής Κατασκευαστικά & λειτουργικά στοιχεία περιστροφικού συμπιεστή: μετά το διαχύτη ο αέρας οδηγείται στο σπειροειδές κέλυφος, όπου επιβραδύνεται επιπλέον με αποτέλεσμα την περαιτέρω αύξηση της πιέσεως το σπειροειδές κέλυφος είναι αγωγός κυκλικής διατομής με συνεχώς αυξανόμενη διάμετρο το σπειροειδές κέλυφος περιβάλει το διαχύτη με τη μορφή σπείρας και συλλέγει τον αέρα σε όλες τις περιφερειακές θέσεις, οδηγώντας τον στον αγωγό εξόδου

20 Συμπιεστής Κατασκευαστικά & λειτουργικά στοιχεία περιστροφικού συμπιεστή: σε συμπιεστές δύο βαθμίδων, ο εξερχόμενος αέρας από την πρώτη βαθμίδα εισέρχεται με την αυξημένη πίεση στη δεύτερη βαθμίδα, όπου συμπιέζεται περισσότερο οι σύγχρονοι ακτινικοί συμπιεστές είναι συνήθως μίας βαθμίδας, αφού ο λόγος συμπιέσεως που επιτυγχάνουν υπερκαλύπτει τις ανάγκες του υπερπληρούμενου κινητήρα πριν την είσοδο στο συμπιεστή τοποθετείται δικτυωτό μεταλλικό περίβλημα και προστατευτικό φίλτρο για την παρακράτηση αιωρούμενων σωματιδίων

21 Συμπιεστής-Στρόβιλος

22 Συμπιεστής

23 Στρόβιλος Για την κίνηση του συμπιεστή χρησιμοποιείται η εναπομένουσα ενέργεια των καυσαερίων, η οποία διαφορετικά θα χανόταν στο περιβάλλον. Μέρος της ενέργειας αυτή απορροφάται από το στρόβιλο και επιστρέφει στη μηχανή μέσω της περιστροφής του συμπιεστή. Αυξάνεται έτσι ο βαθμός απόδοσης της ΜΕΚ αφού μειώνεται η απόρριψη ενέργειας.

24 Στρόβιλος Ο στρόβιλος μπορεί να είναι αξονικής ή ακτινικής ροής:
ο στρόβιλος ακτινικής ροής είναι στιβαρότερος, ευκολότερος στην κατασκευή αλλά έχει μεγάλο βάρος, συνεπώς η χρήση του περιορίζεται σε μικρούς στροβιλοσυμπιεστές (παροχές αέρα 0,1 – 2kgr/sec) , που χρησιμοποιούν ελαφρύ καύσιμο, αφού είναι δύσκολος ο καθαρισμός της κάπνας από τα πτερύγια με ψεκασμό νερού κατά τη λειτουργία του στροβίλου ο στρόβιλος αξονικής ροής χρησιμοποιείται κυρίως σε μεγάλα μεγέθη στροβιλοσυμπιεστών (παροχές αέρα 2 – 15kgr/sec)

25 Στρόβιλος-Συμπιεστής

26 Στρόβιλος Στρόβιλος αξονικής ροής: Στρόβιλος ακτινικής ροής:
τα καυσαέρια οδηγούνται στην κινητή πτερωτή του στροβίλου (ρότορας) μέσω ενός σπειροειδούς κελύφους που προσδίδει συστροφή στη ροή πριν το ρότορα υπάρχει μία σταθερή πτερωτή (στάτορας) ο οποίος με την κατάλληλη κλίση των πτερυγίων ρυθμίζει την παροχή των καυσαερίων και τη γωνία πρόσπτωσης στο ρότορα, καθορίζοντας έτσι την ισχύ και τις στροφές του ρότορα. Στρόβιλος ακτινικής ροής: τα καυσαέρια οδηγούνται στο στρόβιλο μέσω ενός οχετού προσαγωγής υπάρχει και πάλι το σύστημα στάτορα - ρότορα.

27 Στρόβιλος Τα πτερύγια του στροβίλου διαβρέχονται από τα καυσαέρια, συνεπώς λειτουργούν σε ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες. Η μεγάλη ταχύτητα περιστροφής τους δημιουργεί ισχυρές φυγόκεντρες δυνάμεις. Τα πτερύγια του στροβίλου κατασκευάζονται από κράματα νικελίου ή νικελιούχο χάλυβα με μεγάλη αντοχή στη διάβρωση και στην υψηλή θερμοκρασία.

28 Πτερύγωση ρότορα αξονικού στροβίλου υπερπληρωτή πετρελαιομηχανής
Στρόβιλος Πτερύγωση ρότορα αξονικού στροβίλου υπερπληρωτή πετρελαιομηχανής

29 Πτερύγωση στάτορα αξονικού στροβίλου υπερπληρωτή πετρελαιομηχανής
Στρόβιλος Πτερύγωση στάτορα αξονικού στροβίλου υπερπληρωτή πετρελαιομηχανής

30 Ακτινικός στροβιλοσυμπιεστής

31 Αξονικός στροβιλοσυμπιεστής

32 Έδρανα Ο στρόβιλος και ο συμπιεστής βρίσκονται επί κοινής ατράκτου που στηρίζεται σε ζεύγος εδράνων, που μπορεί να βρίσκονται: μεταξύ των δύο πτερωτών (εσωτερικά έδρανα) εκτός των δύο πτερωτών (εξωτερικά έδρανα) το ένα εσωτερικά και το άλλο εξωτερικά η πρώτη περίπτωση είναι πιο δύσκολη προσπελάσιμη και πιο ευαίσθητη στη ζυγοστάθμιση η δεύτερη περίπτωση επηρεάζει τη μορφολογία των τμημάτων εισόδου αέρα και καυσαερίων τα έδρανα μπορεί να είναι είτε κυλίσεως είτε ολισθήσεως

33 Έδρανα

34 Σάρωση Στους 4-Χ κινητήρες υπάρχει επάρκεια χρόνου για την εξαγωγή των καυσαερίων και την εκ νέου πλήρωση του θαλάμου με αέρα ή μίγμα. Στους 2-Χ κινητήρες δεν υπάρχει αυτή η επάρκεια χρόνου, γι’ αυτό απαιτείται εξαναγκασμένη απαγωγή των καυσαερίων και πλήρωση του θαλάμου με αέρα. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται σάρωση και εφαρμόζεται στους 2-Χ κινητήρες. Στην περίπτωση υπερπληρούμενου 2-Χ κινητήρα, η σάρωση πραγματοποιείται μέσω του συμπιεστή και δεν απαιτείται αντλία σαρώσεως.

35 Σάρωση Βαθμός απόδοσης σάρωσης:
nsc=Wr/(Wr+Wg) όπου Wr: βάρος του αέρα που παραμένει στον κύλινδρο μετά το κλείσιμο των θυρίδων Wg: βάρος των καυσαερίων που παραμένουν στον κύλινδρο μετά το κλείσιμο των θυρίδων Ο βαθμός απόδοσης σάρωσης εκφράζει πόσο καθαρός είναι ο κύλινδρος μετά τη σάρωση ή πόσο αποδοτική είναι η σάρωση.

36 Σάρωση Συντελεστής σάρωσης:
Rsc=Wa/Wr όπου Wa: βάρος του αέρα που εισέρχεται στον κύλινδρο Ο συντελεστής σάρωσης εκφράζει πόσο περισσότερος αέρας εισέρχεται στον κύλινδρο σε σχέση με τον αέρα που τελικά παραμένει στον κύλινδρο.

37 Καμπύλες βαθμού απόδοσης σάρωσης

38 Στρόβιλο-συμπιεστής σε ΜΕΚ

39 Θερμοδυναμικές έννοιες
Ισοθερμοκρασιακή μεταβολή, νόμος Boyle - Mariotte: PV=σταθερό=C P=C/V ή P1V1=P2V2. Η σταθερά C εξαρτάται από τη σταθερή θερμοκρασία.

40 Θερμοδυναμικές έννοιες
Ισόθλιπτη ή ισοβαρής μεταβολή, νόμος Gay - Lusac: PV=CT V=CT V/T=C ή V1/T1= V2/T2. Η σταθερά C εξαρτάται από τη σταθερή πίεση.

41 Θερμοδυναμικές έννοιες
Ισόογκη ή ισόχωρη μεταβολή, νόμος Charles: PV=CT P=CT P/T=C ή P1/T1= P2/T2. Η σταθερά C εξαρτάται από το σταθερό όγκο.

42 Θερμοδυναμικές έννοιες
Τρισδιάστατη απεικόνιση καταστατικής εξίσωσης τελείων αερίων

43 Το έργο στη θερμοδυναμική
Εξ ορισμού: Ένα θερμοδυναμικό σύστημα παράγει έργο όταν η μοναδική αλληλεπίδραση με το περιβάλλον μπορεί να αναχθεί σε ανύψωση ενός βάρους. Το έργο σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα θεωρείται θετικό όταν αποδίδεται από το σύστημα στο περιβάλλον και αρνητικό όταν αποδίδεται από το περιβάλλον στο σύστημα. Ειδικό έργο: w=W/m, το παραγόμενο έργο ανά μονάδα μάζας του συστήματος. Ισχύς είναι το παραγόμενο έργο στη μονάδα του χρόνου:

44 Το έργο στη θερμοδυναμική
Έργο μετατοπίσεως ή ογκομεταβολής: δW=p∙A∙dL=p∙dV Το συνολικό έργο που παράγεται κατά μία θερμοδυναμική μεταβολή 1→2:

45 Το έργο στη θερμοδυναμική
Το παραγόμενο έργο κατά μία θερμοδυναμική μεταβολή σαφώς εξαρτάται και από τις θερμοδυναμικές διεργασίες, κι όχι μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση. Άρα δεν είναι καταστατικό μέγεθος, και ως μέγεθος δεν είναι τέλειο διαφορικό (συμβολίζεται με δW και όχι με dW). Δεν μπορούμε να ορίσουμε το έργο μιας κατάστασης W1, ούτε τη διαφορά έργων δύο καταστάσεων W1-W2. Ορίζουμε το έργο μόνο για συγκεκριμένες μεταβολές.

46 Το έργο στη θερμοδυναμική
Διεργασία υπό σταθερό όγκο: dV=0 => δW=0 Διεργασία υπό σταθερή πίεση: p=const.=> W12=p∙(V2-V1)

47 Το έργο στη θερμοδυναμική
Διεργασία υπό σταθερή θερμοκρασία: p∙V=Cp=C/V

48 Το έργο στη θερμοδυναμική
Πολυτροπική μεταβολή: p∙Vn = C p1∙V1n = p2∙V2n και p = C/Vn  p = p1∙V1n/Vn = p2∙V2n/Vn Έργο:

49 Το έργο στη θερμοδυναμική
Κυκλική μεταβολή Το έργο ογκομεταβολής κλειστού συστήματος που εκτελεί κυκλική διεργασία ισούται με το εμβαδόν εντός της καμπύλης που περιγράφει τη μεταβολή σε διάγραμμα p-V.

50 Θερμότητα Η θερμότητα ορίζεται ως η μορφή ενέργειας που μεταδίδεται διαμέσου του ορίου ενός θερμοδυναμικού συστήματος συγκεκριμένης θερμοκρασίας προς ένα άλλο σύστημα, που μπορεί να είναι και το περιβάλλον, που βρίσκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία, λόγω ακριβώς αυτής της διαφοράς θερμοκρασίας των δύο συστημάτων. Ένα σύστημα δεν περιέχει θερμότητα. Η θερμότητα ορίζεται μόνο στα όρια του συστήματος. Όταν η θερμότητα προσδίδεται σε ένα σύστημα θεωρείται θετική, ενώ όταν αποβάλλεται από ένα σύστημα θεωρείται αρνητική.

51 Θερμότητα Αδιαβατική διεργασία
Η διεργασία κατά την οποία δεν συναλλάσεται θερμότητα μεταξύ του θερμοδυναμικού συστήματος και του περιβάλλοντος ή άλλων συστημάτων. Η θερμότητα εξαρτάται από τη διεργασία, κι όχι μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση του συστήματος. Άρα δεν είναι καταστατικό μέγεθος, ούτε τέλειο διαφορικό. Η μεταβολή της συμβολίζεται με δQ κι όχι με dQ. Ειδική θερμότητα: η θερμότητα ανά μονάδα μάζας συστήματος: q=Q/m.