Λύσεις — Ενότητα 2.8: Ισχύς, Απόδοση, Επιδόσεις Εμβολοφόρου Κινητήρα (σελ. 159) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 2.8: Ισχύς, Απόδοση, Επιδόσεις Εμβολοφόρου Κινητήρα

Λύσεις στις 6 ερωτήσεις της ενότητας 2.8: ορισμός και μονάδες μέτρησης της ισχύος, ορισμός και τύπος υπολογισμού της ενδεικνυόμενης ισχύος (IHP), ορισμός της μηχανικής απόδοσης, η σχέση θερμικής ενέργειας-έργου με τη θερμική απόδοση, οι αιτίες απωλειών στην προωθητική απόδοση του έλικα, και η ενδεικτική κατανομή ισχύος (καυσαέρια, ψύξη, τριβές, ωφέλιμο έργο) σε έναν τυπικό εμβολοφόρο κινητήρα.

Ορισμός ισχύος και μονάδες μέτρησης

Ερώτηση: Αναφέρατε τον ορισμό της ισχύος ενός κινητήρα, και τις μονάδες μέτρησής της στο αγγλοσαξονικό σύστημα μέτρησης.

Απάντηση:

• §2.8.1. «Η ποσότητα του έργου που παράγεται σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα από έναν κινητήρα ορίζεται ως η ισχύς του... P=W/t... Η μονάδα ισχύος στο σύστημα S.I., ονομάζεται Watt (Joule/s), ενώ μια μονάδα που χρησιμοποιείται επίσης ευρέως είναι η ιπποδύναμη, (horsepower, hp)... 1 hp = 33000Ib/min = 550ft lb/s (2-2)... 1 hp = 746W = 0.746kW (2-3)»

Σύνοψη: Η ισχύς ενός κινητήρα ορίζεται ως η ποσότητα του έργου που παράγεται σε δεδομένο χρονικό διάστημα, δηλαδή P = W/t, όπου W το έργο σε Joule και t ο χρόνος σε δευτερόλεπτα. Στο αγγλοσαξονικό σύστημα μονάδων η ισχύς μετριέται σε ίππους (horsepower, hp), όπου 1 hp = 33000 lb·ft/min = 550 ft·lb/s (σχέση 2-2). Η αντιστοιχία του ίππου με τη μονάδα S.I. είναι 1 hp = 746 W = 0,746 kW (σχέση 2-3).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• P = W/t · 1 hp = 33000 lb·ft/min = 550 ft·lb/s = 746 W

Ορισμός ενδεικνυόμενης ισχύος (IHP)

Ερώτηση: Πώς ορίζεται η ενδεικνυόμενη ισχύς ενός εμβολοφόρου κινητήρα;

Απάντηση:

• §2.8.2.1. «Ενδεικνυόμενη ισχύ (indicated horsepower, ΙΗΡ) ορίζουμε τη συνολική ισχύ που αναπτύσσει ένας εμβολοφόρος κινητήρας... Ένα μικρό ποσοστό της καταναλώνεται μέσα στον ίδιο τον κινητήρα... Το υπόλοιπο ποσοστό μεταφέρεται στον άξονα του έλικα... IHP = P·L·A·N·K / 33000 (2-4)»

Σύνοψη: Η ενδεικνυόμενη ισχύς (IHP) ορίζεται ως η συνολική ισχύς που αναπτύσσει ένας εμβολοφόρος κινητήρας, δηλαδή το ποσοστό της θερμικής ενέργειας του καυσίμου που μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια — ένα μέρος της οποίας καταναλώνεται εσωτερικά στον κινητήρα (παρελκόμενα, κινούμενα μέρη) και το υπόλοιπο μεταφέρεται στον άξονα του έλικα. Υπολογίζεται από τη σχέση IHP = (P·L·A·N·K)/33000, όπου P η μέση ενδεικνυόμενη πίεση (IMEP, psi), L η διαδρομή του εμβόλου (ft), A η επιφάνεια κεφαλής του εμβόλου (in²), N ο αριθμός κύκλων λειτουργίας ανά λεπτό (rpm για δίχρονους, rpm/2 για τετράχρονους) και K ο αριθμός των κυλίνδρων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• IHP = συνολική ισχύς κινητήρα = (P·L·A·N·K)/33000

Ορισμός μηχανικής απόδοσης

Ερώτηση: Μηχανική απόδοση εμβολοφόρου κινητήρα ονομάζουμε: Α) Το λόγο του καυσίμου που δίνουμε στον κινητήρα προς το προσδιδόμενο έργο. Β) Το λόγο της θερμικής απόδοσης προς το καταναλισκόμενο έργο. Γ) Τη συνολική απόδοση του κινητήρα. Δ) Το λόγο της ισχύος πέδης προς τη συνολική ισχύ που αναπτύσσει ο κινητήρας.

Απάντηση:

• §2.8.3.1. «Η μηχανική απόδοση ενός κινητήρα ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος πέδης προς τη συνολική ισχύ που αναπτύσσει, δηλαδή την ενδεικνυόμενη ισχύ του.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Δ) Το λόγο της ισχύος πέδης προς τη συνολική ισχύ που αναπτύσσει ο κινητήρας. Η μηχανική απόδοση ορίζεται ως BHP/IHP και δίνει μέτρο των απωλειών σε τριβές σε σχέση με τη συνολικά παραγόμενη ισχύ — δεν σχετίζεται με τον λόγο καυσίμου/έργου (αυτό αφορά την ειδική κατανάλωση) ούτε με τη θερμική απόδοση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό: Δ) BHP/IHP

Θερμική απόδοση — Σωστό ή Λάθος

Ερώτηση: Όσο περισσότερη από τη θερμική ενέργεια του καυσίμου μετατρέπεται σε έργο τόση μεγαλύτερη είναι η θερμική απόδοση ενός κινητήρα. ΣΩΣΤΟ Q ΛΑΘΟΣ Q

Απάντηση:

• §2.8.3.2. «Όσο περισσότερη από τη θερμική ενέργεια του καυσίμου μετατρέπεται σε έργο, τόση μεγαλύτερη είναι η θερμική απόδοση ενός κινητήρα.»

Σύνοψη: Η πρόταση είναι ΣΩΣΤΗ. Η θερμική απόδοση ορίζεται ως ο λόγος της θερμικής ενέργειας του καυσίμου που μετατρέπεται σε έργο προς τη συνολική θερμική ενέργεια του καυσίμου· επομένως, όσο μεγαλύτερο ποσοστό της θερμικής ενέργειας μετατρέπεται σε έργο, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμική απόδοση του κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• ΣΩΣΤΟ — θερμική απόδοση = λόγος θερμικής ενέργειας που γίνεται έργο προς συνολική θερμική ενέργεια καυσίμου

Αιτίες απωλειών προωθητικής απόδοσης έλικα

Ερώτηση: Η διαδικασία μετατροπής της ροπής, που εφαρμόζεται στον άξονα του έλικα, σε ώση έχει ένα ποσοστό απωλειών. Πού οφείλονται αυτές οι απώλειες;

Απάντηση:

• §2.8.3.3. «Οι απώλειες αυτές οφείλονται στα ακόλουθα αίτια: 1. Τη γεωμετρία στη ρίζα του έλικα, ο οποίος, για λόγους δομικής αντοχής, έχει τέτοιο σχήμα, το οποίο παράγει ελάχιστη έως και καθόλου ώση... 2. Τον περιορισμό της μέγιστης ταχύτητας περιστροφής του έλικα, για την αποφυγή αεροδυναμικών απωλειών στο άκρο του, από υπερηχητικά φαινόμενα.»

Σύνοψη: Οι απώλειες στην προωθητική απόδοση του έλικα οφείλονται σε δύο αίτια: 1) στη γεωμετρία της ρίζας του έλικα, η οποία, για λόγους δομικής αντοχής, έχει τέτοιο σχήμα ώστε να παράγει ελάχιστη έως και καθόλου ώση, και 2) στον περιορισμό της μέγιστης ταχύτητας περιστροφής του έλικα, ο οποίος επιβάλλεται για να αποφευχθούν αεροδυναμικές απώλειες στο άκρο του λόγω υπερηχητικών φαινομένων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• 1. γεωμετρία ρίζας έλικα (ελάχιστη ώση) · 2) περιορισμός μέγιστων στροφών (αποφυγή υπερηχητικών απωλειών στο άκρο)

Κατανομή ισχύος εμβολοφόρου κινητήρα

Ερώτηση: Ποια είναι η κατανομή ισχύος σε έναν τυπικό εμβολοφόρο κινητήρα;

Απάντηση:

• §2.8.3.4. «Σ' έναν σύγχρονο εμβολοφόρο κινητήρα το 40% περίπου της ενέργειας του καυσίμου χάνεται στα καυσαέρια, το 25% καταναλώνεται για την ψύξη του κινητήρα, ένα 5% καταναλώνεται σε εσωτερικές τριβές και μόνο το υπόλοιπο 30% φτάνει στον έλικα για την παραγωγή ώσης (Σχήμα 2.46). Οι αναφερόμενες τιμές είναι ενδεικτικές.»

Σύνοψη: Σε έναν τυπικό σύγχρονο εμβολοφόρο κινητήρα η θερμική ενέργεια του καυσίμου κατανέμεται περίπου ως εξής: 40% χάνεται στα καυσαέρια, 25% καταναλώνεται για την ψύξη του κινητήρα, 5% καταναλώνεται σε εσωτερικές τριβές, και μόνο το υπόλοιπο 30% φτάνει στον έλικα και μετατρέπεται σε ωφέλιμη ώση. Οι τιμές αυτές είναι ενδεικτικές και διαφέρουν ελαφρώς ανάλογα με τον τύπο του κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• 40% καυσαέρια, 25% ψύξη, 5% τριβές, 30% ωφέλιμο έργο (ενδεικτικές τιμές)