Υπολογιστική διερεύνηση ενός πρωτότυπου ομόκεντρου περιστροφικού κινητήρα:
Creators: name: Σαββάκης, Σάββας Σ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Μηχανή Εσωτερικής καύσης
Περιστροφικός
Fluent
Προσομοίωση
Internal Combustion Engine
Rotary engine
Simulation

description: Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη ενός ομόκεντρου περιστροφικού κινητήρα, η ιδέα του οποίου έχει κατοχυρωθεί με διεθνές δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Η γενικότερη έρευνά ξεκίνησε με την αναζήτηση των ανά τον κόσμο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας που αναφέρονται σε περιστροφικούς μηχανισμούς (Κεφάλαιο 1). Σκοπός αυτής της έρευνας ήταν να διαπιστωθεί ο βαθμός διαφοροποίησης του εν λόγω κινητήρα σε σχέση με τους υπόλοιπους κατοχυρωμένους. Γενικότερα, υπήρχε μια τάση κατοχύρωσης ιδεών με κύριο χαρακτηριστικό την πολυπλοκότητα. Πολυπλοκότητα που αύξανε τόσο το βαθμό δυσκολίας κατασκευής όσο και το κόστος υλοποίησης της ιδέας. Ένα επίσης σύνηθες φαινόμενο ήταν η προσπάθεια βελτίωσης μιας κύριας ιδέας, ενώ σχεδόν όλες δε βρήκαν ποτέ το δρόμο της υλοποίησής τους, ούτε καν σαν πρωτότυπες κατασκευές. Αντίθετα, οι ελάχιστες δημοσιεύσεις που έγιναν επικεντρώνονται καθαρά και μόνο στην αρχική θεωρητική ιδέα χωρίς να αναφέρεται πουθενά η οποιαδήποτε προσπάθεια κατασκευής του προτεινόμενου κινητήρα. Στη συνέχεια (Κεφάλαιο 2) επικεντρώθηκε η βιβλιογραφική έρευνα στην αναζήτηση των λόγων για τους οποίους ο μοναδικός περιστροφικός κινητήρας που κατασκευάστηκε μέχρι σήμερα (Wankel) δε γνώρισε την εμπορική επιτυχία που αναμενόταν αρχικά. Μελετήθηκαν περίπου 100 δημοσιεύσεις από τη δεκαετία του '60 έως σήμερα και εντοπίστηκαν τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά κατασκευαστικά στοιχεία του. Το γενικότερο συμπέρασμα της έρευνας ήταν ότι τα μειονεκτήματα του δεν αφορούν γενικότερα τους περιστροφικούς κινητήρες, αλλά μόνο τον ίδιο. Έτσι ξεκίνησε μια ψηφιακή σχεδίαση του κινητήρα της διατριβής με στόχο την ανάδειξη (από ενεργειακής απόψεως) των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του (πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων). Δημιουργήθηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο στο πρόγραμμα ANSA, όπου έγινε και η διακριτοποίησή του σε πεπερασμένα στοιχεία και στη συνέχεια προσομοιώθηκε η αρχή λειτουργίας του στο πρόγραμμα Fluent (Κεφάλαιο 3 &amp; 4). Σκοπός του μοντέλου ήταν να δημιουργηθεί ένας κινητήρας μικρός και ελαφρύς που να αποδίδει 10 kW στις χαμηλές στροφές και 35 kW στις υψηλές με στόχο να χρησιμοποιηθεί ο κινήτήρας σε υβριδικά συστήματα αυτοκινήτων ως πηγή φόρτισης των συσσωρευτών του (range extender). Στη συνέχεια (Κεφάλαιο 5) δοκιμάστηκαν εναλλακτικές γεωμετρίες τόσο των εμβόλων όσο και των θαλάμων του. Το γενικότερο συμπέρασμα που προέκυψε ήταν ότι η αρχική ιδέα σχεδίασης ήταν η βέλτιστη, με αποτέλεσμα η βελτίωση του κύκλου λειτουργίας να επικεντρωθεί πλέον μόνο στις λειτουργικές ρυθμίσεις του κινητήρα. Μέσα από μια σειρά δοκιμών (στις 1000 rpm) προσδιορίστηκε ο χρονισμός των βαλβίδων και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της έγχυσης και έναυσης, έτσι ώστε ο θερμικός βαθμός απόδοσης του κινητήρα να είναι ικανοποιητικός (38%) (Κεφάλαιο 6). Στη συνέχεια εξετάσθηκε η συμπεριφορά του σε ένα εύρος ταχυτήτων από 100 έως 5000 rpm (Κεφάλαιο 7) όπου και προσδιορίστηκε το σημείο της βέλτιστης λειτουργίας του (42% @ 2000 rpm) και ο αριθμός των στροφών που αποδίδει τη μέγιστη απαιτούμενη ισχύ του (40 kW). Τέλος, η διατριβή ολοκληρώνεται με μία σύγκριση του εν λόγω κινητήρα με τους άλλους δύο τύπους κινητήρων που χρησιμοποιούνται σήμερα για τέτοιου είδους εφαρμογές (παλινδρομικοί και τύπου Wankel) καθώς και με μια γενικότερη θεωρητική σύγκριση των τριών τύπων κινητήρων (Κεφάλαιο 8). Η μεταξύ τους σύγκριση έδειξε ότι ο μελετώμενος κινητήρας παρουσιάζει για την ίδια ισχύ ένα βάρος τουλάχιστον 12 φορές μικρότερο.
description: Even though a lot of alternative energy sources are presented the last decades as new and promising technologies, none of them seem to be mature enough for replacing the fossil fuels. So, the main medium for mechanical and electrical energy production remains the Internal Combustion Engine (ICE). Essentially, improving ICE means increasing the maximum power of the engine, retaining low so the weight as well as the fuel consumption. One way to increase the power is to increase the maximum speed of the engine. However, above a speed limit, the torque falls and finally the power decreases. Thus, the interest of most researchers is focused on the increment of the maximum torque. In line with this is also the current PhD idea. This Doctoral Thesis examines from the energy point of view the validation of this idea and it is already granted once. The engine studied here is based on the idea of generating a greater torque when the same force is applied at a longer distance. For instance, while a short wrench cannot move big screws, longer wrenches do. In both cases, the applied force is the same. In the same way, if an axis is used as the output shaft of an engine, the longer the distance where the exhaust gases are applied round the shaft, the greater the torque generated by their force. On the other hand, the shorter the distance the force of the compression process is applied on the shaft, the smaller the torque generated by this force. So, an ideal engine should have two different pistons, one for the expansion process (expansion piston) and one for the compression process (compression piston). The latter should be adapted around the outer surface of the engine shaft and the expansion piston on the free edge of a motion arm adapted on the engine shaft. With these positions, the expansion piston will produce the maximum possible torque and the compression piston will demand the minimum possible torque. Finally, a third chamber (pressure chamber) should be located between the two other chambers in order to transfer the compressed operating medium from the compression chamber to the expansion chamber. Based on this idea, a 3D geometry of this engine was designed and its virtual operation is the issue of the current PhD. The so far results of his Thesis are very optimistic, because the patented engine is 12-15 times lighter than other existing engines which are used for a specific application (range extender). On the other hand, the current engine, because of the presence of a third chamber (pressure chamber), presents a small variation of its efficiency through a significant speed range (1000-5000rpm). This is a very interesting advantage, because this ensures a significant fuel economy for an unsteady operation of the engine. On the contrary, the rest engines have a very low efficiency at most operating points and there is only one small region around the optimum operating point where the efficiency is satisfied retaining so the mean fuel consumption very high.