A járművekben alkalmazott belsőégésű dugattyús motorok szerkezeti felépítése, munkafolyamatai, üzemi jellemzői JKL rendszerek Nyerges Ádám J ép. 024
[email protected]
1
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Belsőégésű motorok története röviden 1859
Első kétütemű gázmotor megépítése (Jean-Joseph Étienne Lenoir)
1876
Első négyütemű szikragyújtású motor megépítése (Nikolaus August Otto)
1893
Karburátor szabadalma (Wilhelm Maybach és Csonka János)
1897
Magas hatásfokú négyütemű kompresszió-gyújtású motor (Rudolf Diesel)
1905
Turbófeltöltés szabadalma (Alfred Büchi)
1957
Első forgódugattyús motor (Felix Wankel)
Manapság: elektronikusan szabályozott feltöltött belsőégésű motorok, egyre gyakrabban hibrid hajtásrendszerekbe ágyazva. A bolygónkon futó gépjárművek 99%-a még mindig belsőégésű motorral hajtott. A hosszútávú 2 jövőjüket az alternatív tüzelőanyagok jelenthetik. 2
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Általános csoportosítás A munkaciklus alatt megtett főtengely fordulatok alapján megkülönböztetünk: • kétütemű, • négyütemű motorokat.
A munkaciklus alatt végbemenő körfolyamat alapján megkülönböztetünk: • Otto (pl. benzin-, földgáz, LPG motorok) • dízelmotorokat (pl. gázolajjal vagy repceolajjal működő motorok). A hengerelrendezés szempontjából megkülönböztetünk: • soros, • boxer, • V hengerelredezésű, • csillag, stb. motorokat.
A felépítésük szinte kizárólag a forgattyús hajtóművön alapul, azonban számtalan alternatív konstrukció létezik, mint pl. a forgódugattyús Wankel motor. 3
3
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Forgattyús hajtómű felépítése Dugattyú: feladata az égéstér határolása és a gázerő továbbítása a főtengely felé. A tömítést a dugattyúgyűrűk biztosítják. Részei a dugattyútető, és a dugattyúszoknya. Csapszeg: a dugattyút a hajtórúddal összekapcsoló alkatrész. Hajtórúd: a csapszeget és a főtengelyt köti össze, csak rúdirányú erő átadására képes. Részei a hajtórúd kisszem, és a hajtórúd nagyfej és a hajtórúd csapágyfedél.
4
4
2016. 09. 20.
Főtengely: a hajtórúdon keresztül az alternáló mozgást forgó mozgássá alakítja. Részei a forgattyúcsap, a forgattyúkar, a főcsap, és az ellensúlyok.
Belsőégésű motorok A négyütemű Otto motor munkafolyamata
5
5
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Belsőégésű alternáló dugattyús motorok működése
6
6
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Hengergeometria jellemzők Jellemző méretek: • Furatátmérő (D) • Lökethossz (s), ami a forgattyúsugár (r) kétszerese • Hajtórúdhossz (l) Löket/furat arány: megkülönböztetünk rövidlöketű, négyzetes és hosszúlöketű motorokat Hajtórúdarány: a forgattyúsugár és a hajtórúdhossz hányadosa Henger lökettérfogata: az alsó és a felső holtpont között megtett út által definiált (henger alakú) térfogat
Motor lökettérfogata: n számú henger esetén a henger lökettérfogatának zszerese Kompresszióviszony: az alsó felső holtpont által meghatározott hengertérfogat 7 hányadosa (Vc: égéstér térfogat) 7
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Négyütemű motorok égésterében végbemenő körfolyamat
Otto körfolyamat termikus hatásfoka: W1: pozitív munkaterület W2: negatív munkaterület – töltetcsere munka (κ = 1,4 a levegő adiabatikus kitevője) 8 Minél nagyobb a kompresszióviszony, annál jobb a motor hatásfoka! 8
2016. 09. 20.
Egyenértékű téglalap alakú munkaterület oldalhosszai: • VH hengertérfogat • pi indikált középnyomás
Belsőégésű motorok Belsőégésű motorok teljesítménye és tüzelőanyag fogyasztása Belsőégésű motor teljesítménye: • i: ütemszám • pe: effektív középnyomás (Pa) • z: hengerszám • n: fordulatszám (1/s) • Pe: effektív teljesítmény (W)
Az effektív és az indikált középnyomás két külön fogalom. Az effektív középnyomás figyelembe veszi a motor súrlódási veszteségeit is, ezért mindig alacsonyabb az indikált középnyomásnál. Az effektív középnyomást a főtengelyen mérhető tengelyteljesítményből származtatjuk. (Az indikált középnyomást pedig a hengerben végbemenő körfolyamatból származtattuk).
Belsőégésű motor tüzelőanyag fogyasztása: • Bt : időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás (g/s) • b: fajlagos tüzelőanyag fogyasztás (g/kWh) – teljesítménnyel fajlagosítva • H: tüzelőanyag égéshője (J/kg) • P: motorteljesítmény (W) • W: hengernyomás által végzett munka (J) • Qbe: tüzelőanyag égése során felszabaduló hőmennyiség (J) • η: belsőégésű motor hatásfoka Ez a hatásfok tartalmazza a 9 valós körfolyamat és a súrlódás veszteségeit is! 9
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Belsőégésű motorok teljesítménye és tüzelőanyag fogyasztása A motor hatásfoka nagy változást mutat a jellegmezőn: • a súrlódási veszteségek a fordulatszámmal és a terheléssel arányosan változnak • az elméleti hengertöltetnél általában kevesebb közeg jut be a hengerbe
10
10
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Tüzelőanyagok, égésfolyamat, légviszony Belsőégésű motorok tüzelőanyagai általában szénhidrogének pl.: benzin, gázolaj, metanol/etanol, propán-bután gáz, földgáz, hidrogén, repceolaj, biogáz, stb. Tökéletes égésfolyamat sztöchiometrikus keverési arány esetén: szénhidrogén + levegő => szén-dioxid + víz + levegő nem éghető része A valóságban nincs tökéletes égésfolyamat! Valós égésfolyamat: szénhidrogén + levegő => szén-dioxid + víz + levegő nem éghető része + károsanyagok Légviszony definíciója: • KL0: elméleti levegőarány • ml: hengerbe jutó levegő tömege • mt: hengerbe jutó tüzelőanyag tömege • α vagy λ: légviszony Ha α<1 akkor dús, ha α>1 akkor szegény, ha pedig α=1 akkor sztöchiometrikus keverési 11 arányról beszélünk. 11
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Belsőégésű (Otto) motor felépítése, keresztmetszet
+ gyújtógyertya hengerenként a két szelep között!
12
12
2016. 09. 20.
+olajszűrő a metszet előtt!
Belsőégésű motorok Belsőégésű (Otto) motor felépítése, hosszmetszet
+ hűtőfolyadék keringető szivattyú (ezen a motoron a vezérműszíj hajtja)
13
13
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Belsőégésű motorok folyamatai és szerkezeti elemei A belsőégésű motorban végbemenő fő folyamatok: • égésfolyamat • keverékképzés • töltetcsere Kiegészítő szerkezeti elemek: • vezérmű és hajtása • gyújtórendszer (csak Otto motoroknál) • kenőrendszer • hűtőrendszer • indítómotor Egyéb alkatrészek a motoron: • generátor • szervókormány szivattyúja • klímakompresszor 14 • vákuumszivattyú (dízelmotorokon) • hűtőventillátor (régen) 14
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Belsőégésű motorok égésfolyamata Benzinmotorok: • a hagyományos benzinmotorok keveréket szívnak a hengerbe • az égésfolyamatot az elektromos szikra indítja be • a benzin öngyulladása (túl nagy hengernyomás vagy hőmérséklet esetén) káros a motor üzemére – kopogó égés • a benzin kompressziótűrését az oktánszámmal jellemezzük Dízelmotorok: • a dízelmotorok midig csak levegőt szívnak be a hengerbe • a tüzelőanyag a befecskendezést követően szinte azonnal öngyullad a nagy hengernyomás és hőmérséklet hatására • a gázolaj öngyulladási hajlamát a cetánszámmal jellemezzük • mivel a keverékképzés és az égésfolyamat szinte egyszerre történik, ezért a dízel égésfolyamat emissziója nagyobb
15
15
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Belsőégésű motorok keverékképzése Benzinmotorok: • hagyományos keverékképzés: karburátor • korszerű keverékképzés: elektronikusan szabályozott befecskendezőrendszer o szívócső-befecskendezés (központi vagy hengerenkénti) o közvetlen befecskendezés (a hengerbe)
Dízelmotorok: • osztott égésterű dízelmotorok 16 • közvetlen befecskendezés 16
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Belsőégésű motorok töltetcsere folyamata A töltetcsere folyamatot elsősorban a szívó- és kipufogószelepek nyitásának és zárásának az időzítése határozza meg (vezérműbütykök geometriája határozza meg).
Alapvetően megkülönböztetünk: • szívómotorokat (akusztikus feltöltés) • feltöltött motorokat (turbófeltöltő, mechanikus feltöltő, comprex feltöltő) Benzinmotorok: • szívómotorok egészen a közelmúltig • ma már szinte csak turbófeltöltéssel – a cél a fogyasztáscsökkentés („turbókorszak” a ‘70-80-as években – a cél a teljesítménynövelés volt) Dízelmotorok: • régen szívómotorok • a ‘80-as évek végétől turbófeltöltéses motorok – nagy mértékű 17 fogyasztáscsökkentés érhető el feltöltéssel 17
2016. 09. 20.
Belsőégésű motorok Turbófeltöltésű motor működése Cél: teljesítménynövelés Lehetőségek: • ütemszám csökkentés • hengerszám növelés • lökettérfogat növelés • fordulatszám növelés • effektív középnyomás növelés
Feltöltéssel megnöveljük a hengerbe jutó közeg sűrűségét, azaz nagyobb mennyiségű töltetet tudunk a hengerbe juttatni => Nagyobb effektív középnyomás! 18
18
2016. 09. 20.
Turbófeltöltés esetén a kipufogógáznak a „hulladék” hőjét hasznosítjuk, ezért javul a motor hatásfoka is.
Köszönöm a figyelmet!
19
19
2016. 09. 20.
