Belső égésű motorok I

Belső égésű motorok I. 4. Előadás Töltetcsere

2016.05.12.

Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna

Áramlástani ismeretek

• Bernoulli-törvény megértése: egy adott közegben, annak áramlásakor az áramvonal mentén a különböző energia összetevők összege állandó • Tehát a közeg nyomását ha két komponensre bontjuk, statikus és dinamikus nyomásra, ezek összege állandó, közöttük fordított arányosság van 2016.05.12.


2


• Statikus nyomás: F nyomóerő és A felület hányadosa, irányfüggetlen (izotróp) és skalár mennyiség • Dinamikus nyomás: (sebesség- vagy torlónyomás) a folyadék sebességéből származik p  1   v 2 din

2

• Hidrosztatikai nyomás: P    g h 2016.05.12.


3


• Hidrosztatikai nyomás: a nehézségi erő miatt a folyadékok belsejében mért nyomás értéke a p    g h felszíntől h mélységben: • Ha a felszínre ható p0-al jelölt légköri nyomást is figyelembe vesszük, a nyomás értéke: pa  p 0    g  h • Ha az egyik nyomáskomponens megváltozik, (pl: megnő a dinamikus nyomás, azaz felgyorsul a közeg áramlása) akkor a másik komponens, a statikus nyomás lecsökken 2016.05.12.


4

Áramlástani ismeretek Az ideális folyadék stacionárius áramlására vonatkozó Bernoulliegyenlet azt mondja ki, hogy a folyadék egységnyi tömegére vonatkoztatott mozgási energiájának, nyomásból származó munkavégző képességének és helyzeti energiájának összege egy áramvonal mentén állandó. 2

v1 p1 v22 p2   g  h1    g  h2 2  2  Ha az egyenlet mindkét oldalát a folyadék sűrűségével megszorozzuk, a Bernoulli-egyenlet nyomás dimenzióban felírt alakját kapjuk:

1 1 2   v1  p1    g  h1    v22  p2    g  h2 2 2 2016.05.12.


5


2016.05.12.


6


2016.05.12.


7


• Bernoulli-egyenlet összenyomhatatlan közegre (folyadékok) v2  gz   áll.  2 p

• Bernoulli-egyenlet összenyomható közegre v2      áll. 2

ahol Ψ=az egységnyi tömegre eső helyzeti energia 2016.05.12.


8


• Kritikus sebesség: az áramló gáz sebessége nem tud hangsebesség fölé gyorsulni • Hangsebesség alatti áramlás esetén, ha az áramlást meghatározó mennyiségekben változás áll be, az a gázon az áramlással ellentétes irányú nyomáshullámmal terjed tovább és az áramlás átáll az új feltételeknek megfelelően 2016.05.12.


9


• A kritikus sebesség elérésekor a fúvóka utáni változás nem képes visszahatni a torok előtti áramlásra, mert a hanghullámok nem képesek visszafelé haladni, mivel a gázsebesség nagyobb a hangénál • Az áramlás sebességének továbbnövelése azonban így is lehetséges, Laval fúvóka alkalmazásával 2016.05.12.


10


• Laval-fúvóka: homokóra formájú csőszakasz, összenyomható gázok sebességének felgyorsítására használják • Kis sebességnél a gázok viselkedése leírható a összenyomhatatlan folyadékokéhoz hasonlóan ->Bernoulli-egyenlet • Nagy sebességnél nem hanyagolható el az összenyomhatóság ->energia egyenlet 2016.05.12.


11


• Először gőzturbinkákon alkalmazták, ma a rakétahajtóművek fontos kelléke • A szűkülő-bővülő keresztmetszet lehetővé tette a hangsebességnél gyorsabb áramlást 2016.05.12.


12

Hangsebesség

• A hang terjedése különböző közegekben a rugók és golyók által felépített modellel: • Az anyag molekuláit golyókkal, a köztük lévő kötést rugókkal helyettesítjük • Itt az információ terjedése két dologtól függ: – Golyók számától (valóságban közeg sűrűsége) - ha több, lassabb az áramlás – Rugók keménységétől (anyag rugalmassági modulusa) – keményebb rugókkal gyorsabb 2016.05.12.


13

Hangsebesség

2016.05.12.


14

Hangsebesség a gyakorlatban

• • • • • • •

Levegőben, tengerszinten (15 °C): 340 m/s 11000-20000m között (-57 °C):295 m/s Oxigén: 316 m/s Víz: 1484 m/s Acél: 5920 m/s Alumínium: 6300 m/s Gyémánt: 18000 m/s 2016.05.12.


15

Hangsebesség

• Longitudinális hullámok (gázok és folyadékok):

2016.05.12.


16

Motorok - Töltetcsere

• Minden ciklus lefolyásához szükség van a megfelelő minőségű töltet megfelelő mennyiségben történő bejuttatására az égéstérbe • Szívás ütem: levegő, vagy levegő-tüzelőanyag keverék beszívása a szívószelepen • Kipufogó ütem: Kipufogógázok kitolása a kipufogószelepen keresztül 2016.05.12.


17

Fogalmak - ismétlés

• Elméleti töltet a hengerben: 𝑚𝐿𝑡ℎ=𝜌𝑉ℎ • Ténylegesen bejuttatott töltet • Légnyelés: szívás ütem alatt ténylegesen bejuttatott töltet/elméleti töltet aránya • Valós töltet: szelepek zárása után a hengerben maradt töltet • Töltési fok: valós/elméleti töltet aránya

2016.05.12.


18

Töltetcsere

• A ténylegesen bejuttatott töltet külső keverékképzésű motoroknál az adott ütemhez szükséges üzemanyagmennyiséget is tartalmazza • Kétütemű motoroknál fontos jellemző volt a valós töltet és a bejuttatott töltet aránya

2016.05.12.


19

Vezérlés

• A töltetcsere vezérlést igényel, mely lehet: – Résvezérlés – Vegyes vezérlés – Szelep vezérlés

• Vezérlés módja szerint lehet – Közvetlen – Közvetett – kombinált 2016.05.12.


20

Szelepvezérlési rendszerek • A záróelem szerint: – Tolattyús – Tányérszelepes – Forgószelepes

• A szelep állása szerint: – Állószelepes vezérlés – Függő szelepes vezérlés

• Nyitási – zárási szöghelyzetek szerint – Állandó paraméterű – Változtatható paraméterű

• Működtetési mód szerint: – Közvetett vezérlés: Bütyök  emelőtőke  emelőrúd  himba szelep – Közvetlen vezérlés: A kinematikai láncban csak egy emelőtőke van 2016.05.12.


21

Szelepvezérlés elrendezései

• Felül vezérelt felül szelepelt OHC • Két vezérműtengelyes felül vezérelt felül szelepelt DOHC • Oldalt vezérelt felül szelepelt OHV • Felülvezérelt felül szelepelt CIH • Oldalt vezérelt oldalt szelepelt SV

2016.05.12.


22

OHC elrendezés/DOHC elrendezés

2016.05.12.


23

SV/CIH/OHV elrendezés

2016.05.12.


24

Töltetcsere – kipufogóütem

• A kipufogószelep nyitásakor a hengerben és a kipufogócsőben lévő nyomás aránya a kritikusnál nagyobb, kezdeti fázisban az égéstermékek kritikus sebességgel áramolnak ki. • Kiáramlási keresztmetszet fokozatosan nagyobbodik henger nyomásesése is fokozatos 2016.05.12.


25

Töltetcsere - kipufogóütem

• A kipufogás kezdeti fázisa nyomáseséssel jár • Kipufogóvezetékben nyomáshullám keletkezik, amely nagysága a kipufogóvezeték ellenállásától függ • A kezdeti fázis után az égéstermékek kitolása már kritikus nyomás alatt történik • A kitolási fázis végén a szelepzárásból származó fojtásnövekedés miatt a hengernyomás emelkedik 2016.05.12.


26

A kipufogás nyomáslefutása

2016.05.12.


27

Töltetcsere - szívóütem

• Első fázisában gyors nyomáscsökkenés lép fel, a szívócsőben lévő nagyobb nyomás miatt tud beáramlani a friss töltet a hengertérbe • A beszívott levegő a meleg motoralkatrészektől felmelegszik, ennek hatására kitágul, ami rontja a töltési fokot

2016.05.12.


28

A motor szelepnyitási diagramja

2016.05.12.


29

Szelepkeresztmetszetek hatása • Különböző áramlási sebességek a szívószelepen és a szívószelep időzítésének hatása a teljesítményre

2016.05.12.


30

Szelepkeresztmetszetek hatása

• Az első ábrán különböző motorfordulatszámok esetén kialakuló áramlási sebességek figyelhetők meg azonos szelepnyitási szögnél • A második ábrán különböző szívószelep időzítések hatása látható a motor teljesítményére a teljes fordulatszám tartományban • Ebből látható, hogy változó szelepvezérlésre van szükség ahhoz, hogy minden fordulatszámon ideális legyen a motor töltési foka

2016.05.12.


31

Töltetcseréhez szükséges befektetett munka különböző fordulatszámon

2016.05.12.


32

Henger-, kipufogó-és szívócsatorna nyomások a szelepemelés függvényében

2016.05.12.


33

Henger-, kipufogó-és szívócsatorna nyomások a szelepemelés függvényében

2016.05.12.


34

Szívórendszerek

• A motor szívórendszerével szemben támasztott követelmény, hogy különböző üzemállapotokban (fordulatszám) is biztosítani tudja a keverékképzéshez szükséges levegőáramot • Ennek biztosítására változó szívórendszereket alkalmaznak

2016.05.12.


35

Szívórendszer felépítése

• • • • • • •

Levegőszűrő Légmennyiségmérő Vezetőcső Pillangószelep Levegő elosztó Lengőcső Szívócsatorna/szívószelep

2016.05.12.


36

Szívórendszer felépítése

2016.05.12.


37

Szívórendszerek

• A változtatható szívórendszerek különféle kivitelűek lehetnek • Hasznosítják a szívórendszerben fellépő hullámjelenségeket a töltési fok javítására – Rezonanciafeltöltés – Lengőcsőfeltöltés – Kapcsolt lengőcső- és rezonancia feltöltés – Kombinált feltöltés (rezonancia és turbófeltöltés) – Légütemszelep 2016.05.12.


38

Rezonanciafeltöltés

• Állóhullám létrehozása a gázoszlop sajátfrekvenciáján • Kellékei: rezonanciatartály és rezonanciacső • Előnyösen használható 3-6-12 hengeres motoroknál (240°-os elékelés), más esetben összetett rezonancia rendszer szükséges

2016.05.12.


39

Rezonanciafeltöltés

Kettős, vagy összetett rezonanciarendszer

2016.05.12.


40

Lengőcsőfeltöltés

• Szívási depresszió által a nyitott csővégről visszaverődő túlnyomás létrehozása a szívószelep-zárás előtt

2016.05.12.


41

Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés

• Szakaszos szívócsőhossz, szívókeresztmetszet, vagy folyamatos szívócsőhossz változtatás • Kétszakaszos szívócsőhossz változtatás

2016.05.12.


42


• Négyszakaszos szívócsőhossz változtatás

2016.05.12.


43


• Effektív szívókeresztmetszet változtatás

2016.05.12.


44


• Folyamatos szívócsőhossz változtatás

2016.05.12.


45

Kapcsolt feltöltés

• Soros hathengeres motoroknál

2016.05.12.


46


• Soros hathengeres – Opel Dual Ram

2016.05.12.


47


• Hathengeres V-motoroknál

2016.05.12.


48


• Hathengeres boxermotornál – Porsche Varioram

2016.05.12.


49

Kapcsolt feltöltés • Nyolchengeres motornál nincs olyan gyújtási sorrend, ahol egyenletes gyújtásköz adódna egy hengersoron belül, ezért itt átellenes lengőcső kapcsolat szükséges • Csappantyú a rezonátor tartályok között, emiatt nő a rezonanciafrekvencia

2016.05.12.


50

Dinamikus impulzusfeltöltés - légütemszelep

• Funkciói: – Töltési fok növelése – Fojtásmentes frisstöltet-szabályozás (Miller-ciklus) – Kipufogógáz visszavezetés fojtásmentes szabályozása – Töltetmelegítés a hidegindítás fázis rövidítésére – Hengerlekapcsolás

• Hátrányai: – Túl rövid átkapcsolási idők szükségesek – Nagy átkapcsolási ciklusszám 2016.05.12.


51

Légütemszelep

2016.05.12.


52

Légütemszelep működési elve

2016.05.12.


53

Légütemszelep

2016.05.12.


54

Szívórendszerek

• Alkalmaznak – Szakaszos szívócsőhossz változtatást – Szívókeresztmetszet változtatást – Folyamatos szívócsőhossz változtatást

• A töltetcsere folyamat dinamikus tulajdonságainak javítására alkalmazzák a változó szelepvezérlést is

2016.05.12.


55

Töltetmozgások

• Keverékképzés szempontjából megkülönböztetünk külső- és belső keverékképzésű motorokat • A hatékony keverékképzéshez fontos (különösen a belső keverékképzésű motorok esetében) a hengerben zajló töltetcseremozgás

2016.05.12.


56

Töltetmozgások

• A töltetmozgások között megkülönböztetünk elsődleges (primer) és másodlagos (szekunder mozgásokat) • Mozgás típusa szerint létezik spirális áramlás (Drall/Swirl) amit főleg Diesel-motoroknál használnak és bukóáramlás (Tumble), amit jellemzően az Otto-motoroknál alkalmaznak

2016.05.12.


57

Töltetmozgások – Perdület (Drall)

2016.05.12.


58

Perdület kialakítása többszelepes motorokban

2016.05.12.


59

Tumble (-bukó) áramlás

2016.05.12.


60

Bukóáramlás kialakítása

• Tumble kialakulása a szívószelep nyitásának függvényében

2016.05.12.


61


2016.05.12.


62


2016.05.12.


63

Kipufogó rendszer

• Feladata a motor hengereiből a kipufogó gáz elvezetése a szabadba, valamint a működési zaj tompítása • Kipufogó nélkül nem működne jól az öblítés, gázlengések nem lennének megfelelők, akár a szívócsőbe is visszaáramolhatna a kipufogógáz szelepösszenyitáskor

2016.05.12.


64

Kipufogó rendszer elemei

• Leömlőcsonk: a motor hengereiből kiáramló kipufogógáz szűkítése egy, vagy két csővezetkbe

• Leömlőcsövek: a kipufogógázok tovább szűkítése

2016.05.12.


65


• Lambdaszonda: leömlőcsonk, vagy a csővezeték első méretébe csavarozva • Flexibilis csőtag

• Katalizátor

2016.05.12.


66


• Fojtó- és hangtompító dobok • Végdob

• Csatlakozó elemek

2016.05.12.


67

Rezonátor kipufogó (2 ütem)

• Kétütemű motoroknál szükséges gázlengések szabályzásához és a töltetcsere lefolyásához • Rezonátor: speciális alakú, a kipufogógázban lengéseket okozó acélcső, melyben az állandó nyomáson álló gáz és a rezonátor saját frekvenciája megegyezik az adott fordulaton a motorból kiáramló gáz lengésszámával

2016.05.12.


68


• A két frekvencia mennyiség rezonanciájától a gázhullámok felgyorsulnak, ezáltal elszívják a hengerek elhasznált töltetét • Hátránya, hogy csak szűk fordulatszám tartományban működik

2016.05.12.


69


• Részei: – Leömlő – Diffúzor – Konfúzor – Dob, vagy hangtompító – Power szelep

2016.05.12.


70

Power szelep felépítése és működése

• Feladata: Kipufogó csatorna keresztmetszetének változtatása a fordulatszám függvényében

2016.05.12.


71

Belső égésű motorok I

Recommend Documents