Belsőégésű motor AG71

Belsőégésű motor AG71

Dr. Bereczky Ákos BMWGépek Valvetronic BME, Energetikai és Rendszerek Tanszék

Korszerű motorokkal szemben támasztott igény: • Teljesítmény növelése • Hatásfok növelése • Károsanyag kibocsátás csökkentése Emisszió CO2

Hatásfok

CO Cx Hy NOx

Teljesítmény

Szgj. (Otto-motorok) emissziós határai

USA

Füstgáz visszavezetés

EURO 3 (2000)

EURO 5

Részecske szűrő

Részecske kibocsátás [g/kWh]

Szgj. (Diesel-motorok) emissziós határai

EURO 4

Jelenlegi motorok Füstgáz visszavezetés nélkül

Katalizátor

NOx [g/kWh] Prof. Bengt Johansson, ECM-2005

Várható trendek 2013-ig

Bereczky-Meggyes-Török:Megújuló tüzelőanyagok jövőbeli várható trendjei

Várható trendek 2030-ig

Bereczky-Meggyes-Török:Megújuló tüzelőanyagok jövőbeli várható trendjei

MPI (Ford)

OTTO ciklus 4

p 1–2

2-3

3 5

4-5

1

3-4

VKomp. 6-1

5-6

2 VLöket

6

V

Elméleti Otto-körfolyamat hatásfoka II.



 W Q1

Q c (T    v

Q1

3

 T2 )  cv (T4  T1 ) T T 1  1  4 1  1   1 cv (T3  T2 ) T3  T2 

Direkt befecskendezés

OXFORD-Laser

DIESEL ciklus 1-2

2-3

p 3

4

3-4

5

4-5

1 5-6

6-1

2

6 V

Elméleti Diesel-körfolyamat

Elméleti Diesel-körfolyamat hatásfoka

Égés hossz

Seiliger (kettős hőközlés) körfolyamat hatásfoka

Seiliger körfolyamat hatásfoka

Égés hossz

=3 =2

• A motorikus belső veszteségek a következő fő okokra vezethetők vissza:  Friss töltet bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.)  Hőleadás a falak felé ill. felöl (nem adiabatikus)  Véges égési sebesség  Égés során hőleadás (+tökéletlen égés)  Gázveszteség (dug.-persely)  Súrlódási veszteségek nem belső veszteségek!

Töltet kialakulása mlev szivó vezeték

mf mvalós=mf=mlev-mö mt=mf-mm

mö

kipufogó vezeték

mm

• A motorikus belső veszteségek a következő fő okokra vezethetők vissza:  Friss töltet bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.)  Hőleadás a falak felé (nem adiabatikus)  Véges égési sebesség  Égés során hőleadás (+tökéletlen égés)  Gázveszteség (dug.-persely)

Kompresszió h

p2

p1 S

• A motorikus belső veszteségek a következő fő okokra vezethetők vissza:  Friss töltet bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.)  Hőleadás a falak felé (nem adiabatikus)  Véges égési sebesség  Égés során hőleadás (+tökéletlen égés)  Gázveszteség (dug.-persely)

Égési folyamat

Égés befolyásoló tényezők • • • • • •

Hőmérséklet Légfelesleg Tüzelőanyag Áramlás, perdület Égéstér kialakítása …..

Égési folyamat befolyásolása a geometriával

Égési folyamat Diesel-motorokban

késöbb

Gázveszteség (dug.-persely)

Gázveszteség (blow-by) kezelése

• A motorikus belső veszteségek a következő fő okokra vezethetők vissza:  Friss töltet bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.)  Hőleadás a falak felé (nem adiabatikus)  Véges égési sebesség  Égés során hőleadás (+tökéletlen égés)  Gázveszteség (dug.-persely)  Súrlódási veszteségek nem belső veszteségek -mozgó alkatrészek súrlódási veszteségeiből, -segédberendezések (olajszivattyú, vízszivattyú, hűtőventilátor, adagolószivattyú, gyújtóberendezés, stb.) hajtásához szükséges energiából tevődik össze.

A fajlagos fogyasztás állandó fordulaton különböző terhelések esetén

Veszteségek a fordulatszám függvényében

Töltet kialakulása mlev szivó vezeték

mf mvalós=mf=mlev-mö mt=mf-mm

mö

kipufogó vezeték

mm +Dinamikus hatás: A távozó kipufogó gáz megszívhatja a szívó vezetéket

Motor mindenkori teljesítményét a frisstöltet „m” tömege korlátozza A töltet tömege

Ph Vl  p0  p Vl m= R  T  R T  T  0 h

- az elméleti töltet környezeti állapotú közeggel töltve fel a hengert. m elm  p0 Vl R  T0 A töltési fok

t

p T m  h 0 melm Th p0

négyütemű motoroknál

t

növelés lehetőségei: - több szívószelep alkalmazása -  p csökkentése : - kis szelep ellenállás - szívócsatorna kis ellenállás - T csökkentése: szívócső ne a ”meleg” részeknél legyen - dinamikus töltés kihasználása (szelep együttnyitás).

t  0,7  0,9

Töltési fok hagyományos szívó motornál Áramlási vesztségek Melegedés

Dinamikus hatás hiánya

Szelepnyitás időtartama

Laza Tamás

Nyitás idejének hatása a nyomatékra

Laza Tamás

Feltöltési eljárások • A motor hengerterébe jutó levegő mennyiségét a töltési fokkal jellemezzük. A töltési fok növelésére, azaz a feltöltésre a következő eljárások lehetségesek:  feltöltés nyomáshullámokkal – feltöltés a motortól független hajtással  mechanikus feltöltés a motortól függő hajtással  kipufogógáz-turbinás feltöltés (turbótöltés)

Szívórendszer hangolása Helmholtz rezonátor: f

a A 2 V0 L

Orgonasíp effektus (negyed hullám)

f 

a 4L

Dr. Fülöp Z.: Belsőégésű motorok

Előnyök és hátrányok • Kisebb helyszükséglet (Down-sizing) • Nagyobb teljesítmény/tömeg viszony • Jobb hatásfok – Pe/Pm arány javul – töltet csere W(-) -> W(+)

• Kisebb hűtő • Termikus és mechanikus terhelés növekszik • Kedvezőtlen rugalmasság (optimalizálandó, turbótöltés)

Töltési fok hagyományos szívó motornál Áramlási vesztségek Melegedés

Dinamikus hatás hiánya

Jelleggörbék

• 0-nmin.:

– Lendkerék nem tárol elég energiát, – Rossz keverékképzés, – Nagy hőveszteség,

• nmin.-nM max.:

– Javul a keverékképzés, – Nő a töltési fok, – Csökken a hőveszteség (csökken az idő),

• nM max – nbe min.:

– Csökken a töltési fok (áramlási vesztségek nőnek),

• nbe min. – npe max.:

– Romlik a keverékképzés – Tovább növekvő veszteség

• npe max. – nmax

– Súrlódási veszteség növekmény (f[n2]) jelentősebb mint a ford. szám növekedés hatása (f[n])

Ottó-motorok

Motorok szabályzása

Diesel-motor mennyiségi szabályozása (- teljes dózis, --- csökkentett dózis)

Mennyiségi szabályzás

Ottó motor fojtásos szabályozása (- fojtás nélkül, --- fojtással)

Mennyiségi szabályzás Teljes terhelés

Mennyiségi szabályzás Részterhelés

Töltési fok és a fajlagos fogyasztás állandó fordulaton különböző terhelések esetén

Jellegmező (kagyló görbe)

Jellegmező (kagyló görbe)

TDI 1.9L ALH 1999.5-2003

Benzines és dízel üzemű VW motor összehasonlítása (ECOMODDER)

EcoModder

Járműves felhasználás

NEDC ciklus üzemállapotai 1.6 TDI motor működési tartományán VAGarena (2011): Ominaiskulutus, hyötysuhde ja polttoaineenkulutus. VAGarena.fi - Das. Forum, Finnország

VW 1.4 l TSI motor fogyasztása és az 5-6. sebességi fokozatok

VAGarena (2011): Ominaiskulutus, hyötysuhde ja polttoaineenkulutus. VAGarena.fi - Das. Forum, Finnország

Hibridizáció (16, 2ea innen) A hagyományos belső égésű motorral szerelt járművek jó teljesítményt és hosszú hatótávolságot biztosítanak, az üzemanyagaik nagy energiasűrűségének kihasználásával. Ugyanakkor, ezeknek a járművek a hátránya, hogy nem üzemanyag takarékosak, valamint környezetszennyezők is. A nagy fogyasztás fő okai, hogy 1.a motor hatásfoka alacsony és üzemi tartománya nem a legjobb hatásfok mezőben van 2.a fékezésnél keletkező kinetikus energiát nem nyerik vissza, ami főleg városi környezetben fontos, 3. a sebességváltók alacsony részterhelési hatásfokkal üzemelnek Az akkumulátorokkal hajtott elektromos járművek (EV) azonban olyan előnyökkel bírnak a hagyományos belső égésű motoros járművekkel szemben, mint a jobb energia-hatékonyság és az üzem közbeni nagyon alacsony károsanyag-kibocsátás. Mindazonáltal a teljesítménymutatóik, főleg a töltésenkénti hatótávolság, jelentősen elmaradnak a belső égésű motoros járművekétől, az akkumulátorok üzemanyagokhoz képest kisebb energiasűrűsége miatt. A hibrid elektromos járművek (HEV), melyek két erőforrást használnak egy elsődleges és egy másodlagos erőforrást- elvileg ötvözik a belső égésű és az elektromos hajtás jó tulajdonságait, és kiküszöbölik a hátrányaikat.

Hibridizáció lépései • Start/Stop rendszer – álló járműnél a belsőégésű motort automatikusan leállítsa. – A leállítás létrejön, ha: • • • •

a sebességváltó üres állapotban van, az ABS jeladó zérót jelez, Üzemi paraméterek (pl. hűtővíz) az akkumulátor töltöttsége megfelelő szinten van.

• Mild hibridek – Start/stop – villamos gép által biztosított rekuperációs fékezés – villamos rásegítés lehetőségével. • Full hibrid – A fullhibrid tisztán villamos hajtásra is képes és ezekkel hosszabb távolságok megtételére is képes. Ilyenkor csak a villamos gép hajt, a belsőégésű motor nem működik. • Plug-in hibrid – Plug-in, azaz a tölthető fullhibrid. Az akkumulátor pakk nem csak visszatáplálás révén belső hálózatról tölthető, hanem külső forrásból (például: hálózati csatlakozóból) is. A külső töltés speciális csatlakozón keresztül történik

Soros hibrid

Soros hibrid üzemmódjai 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Tiszta villamos hajtás Tiszta motorikus mód Hibrid mód Motorikus és akkumulátortöltő mód „Visszatápláló” fékezési mód Akkumulátortöltő mód Hibrid akkumulátortöltő mód

Előnyök és hátrányok: • A belsőégésű motor a jármű hajtásigényétől függetlenül működik. Ezáltal a fordulatszám-nyomaték karakterisztikájának bármely tartományában üzemeltethető, és akár kizárólag a legnagyobb hatásfok közelében tartható. • Mivel az elektromos motorok jármű hajtás szempontjából kedvező fordulatszám nyomaték karakterisztikával rendelkeznek, ezért nincs szükség több fokozatú sebességváltókra. • Egyszerű irányítás használható, az elektromos váltómű által végzett, mechanikus szétválasztás miatt • A motorból érkező energia kétszer is átalakításra kerül, (mechanikusról elektromosra a generátorban és villamosból mechanikusra a vontatómotorban). A generátor és a vontatómotor hatásfoka szorzódik és a veszteség akár jelentős is lehet. • A vontatómotort úgy kell méretezni, hogy a maximális követelményeknek is megfeleljen, mert ez az egyetlen erőforrás mely a járművet hajtja

Párhuzamos hibrid-elektromos hajtásrendszer

Bolygóműves sebességösszegző rendszer

1. 2. 3. 4.

Elektromos mód: az 1-es zár Belsőégésű motorikus mód: a 2-es zár Hibrid hajtás: mindkét fék nyitott állapotban van Regeneratív fékezés: Az 1-es zár zárva van, a belsőégésű motor leáll vagy a kuplung leválasztja 5. Akkumulátortöltő mód: ha az irányítás negatív sebességet ad meg az elektromos motornak,

Keverékképzési módszerek

A fajlagos fogyasztás, és az effektív középnyomás a légfelesleg függvényében

Hármashatású katalizátor 3-way (NSCR) Catalysts (=1) N2+O2 NOx CO CO2 Cx Hy H2O+CO2



További követelmények: • Indítás: dús keverék (kondenzáció) • Alapjárat: dús keverék (kondenzáció) • Maximális nyomaték: dús keverék (nagyobb nyomaték) • Gyorsítás: dús keverék (nagyobb nyomaték)

Otto-motor kibocsátása különböző fordulatszámokon és terheléseken

Az elemi karburátor felépítése

CSONKA JÁNOS (1852 - 1939) A

szegedi születésű feltaláló a magyar technikatörténet kiemelkedő alakja. A jelenleg üzemeltetett sok száz millió benzinmotoron ma is olyan karburátor van, melynek alapgondolatával Bánki Donáttal együtt ők ajándékozták meg a világot és elsőként szabadalmaztatták. A legenda szerint Csonka János és Bánki Donát, hazafelé tartva közös kísérletezésükből, egyszer a Nemzeti Múzeum sarkán egy virágáruslányt vettek észre, aki a szájában tartott vékony csőbe levegőt fújva oldotta permetté a virágjainak szánt vizet. Állítólag ez adta az ötletet, hogy megalkossák a porlasztót, mely a motorokban azóta is az üzemanyag-levegő keveréket állítja elő. Az 1891-ben még csak rajzasztalon létező szerkezet a motor változó üteméhez alkalmazkodva adagolta a megfelelő keveréket, kiküszöbölte a robbanásveszélyt, ráadásul - mivel a szívócsőben áramló levegő energiáját használja fel - nem igényelt külön energiaforrást.

http://www.mszh.hu/feltalalok/csonka.html?printable=1

A V e n tu ri-c s ö v ö n k e re sz tü l h a la d ó le v e g õ tö m e g á ra m :



1

ma



C DT A T p o RT o

pT  p T   2 1   po  po    1



 1 

[2 . 1 ] a h o l C D T a to ro k s z û k íté s i té n y e z õ je é s A T a to ro k te rü le te , e g y s z e rû b b a la k b a n :

m a  C DT A T

2  a p a  [2 . 2 ]

a h o l:  pa  p0  pT

[2 . 3 ]

 1 

 

pT

2

p0   pT p0 1  pT p0

 1



[2 . 4 ] a tü z e lõ a n y a g tö m e g á ra m a : mf  C DO Ao 2  f  p f a h o l C D O a fu ra t s z û k íté s i té n y e z õ je é s A O a fu ra t te rü le te , é s  p f   p a   f gh

[2 . 5 ]

In n e n a lé g fe le s le g té n y e z õ : m

C

A

 T a DT   m f L 0  L0 C D O AO

a pa  C  f pa   f gh

1 pa

[2 . 6 ] a h o l L 0 b e n z in = 1 4 ,7

A segédberendezésekkel ellátott karburátor

A keverék létrehozásának másik elterjedt megoldása a tüzelõanyag befecskendezés. Működési elvük alapján három típusra lehet osztani ezeket:  hengerenkénti befecskendezés,  központi befecskendezés,  direkt (közvetlen) befecskendezés. A hengerenkénti befecskendezõ rendszerek terjedtek el elõször, ennek főbb okai a következõk: a.) optimális tüzelõanyag mennyiség bejuttatása minden üzemmódban b.) egyforma keveréket lehet létrehozni minden egyes hengerben c.) feltöltés jobb megvalósíthatósága d.) jobb motor dinamika, gyorsulás, lassítás e.) szabályzó körök kialakításának lehetõsége

Befecskendezési módszerek Hengerenkénti befecskendezés

Multi-Point Inj. (MPI)

Hengerenkénti befecskendezés

Single-Point Inj. (SPI)

ECU működése

Programozható ECU (MOTEC)

73

Befecskendező rendszer

Befecskendező rendszer menedzsment

* -pl. Klíma, stb… **-automata váltó, fékpedál, kuplung, stb… + -a főtengelyen elhelyezett jeladó nem ad információt az ütemről, csak a helyzetről !

Befecskendező típusok

Felső betáplálású

Oldalsó betáplálású

Kétállasú lambda szonda • Felépítése: Cirkónium szilárdtest-elektrolit

• Működése: Belsőelektród levegővel érintkezik, a külső a füstgázzal. A kialakuló parciális oxigénnyomás különbség feszültség jellé alakul.

Meggyes 119 oldal

Kétállasú lambda szonda

Légfelesleg tényező

Szélessávú lambda szonda

1: kipufogó cső, 2: érzékelő fűtés, 3: szabályzó elektronika, 4: referencia lev. cella, 5: diffúziós rés, 6: Nerst cella, 7: oxigénszivattyú cella, 8: védőréteg, 9: porozús diffúziós gát

Szélessávú lambda szonda

Légfelesleg tényező

Levegő mennyiség mérés • • • •

Elfordulólapos (L-jetronic) Szívótérnyomás (Depressziós, D-jetronic) Hődrótos (L-jetronic) Hőfilmes

Elforduló lapos (ajtós) áramlásmérő

Hődrótos

SF –hődrót, S0 –környezeti hőmérséklet kompenzáció RM –mérőellenállás, R1, R2 –trim ellenállások

Hőfilmes

S0 - levegő hőm. érzékelő, S1, S2 - hőmérséklet érzékelő, F- fűtés, SF- fűtés hőm. érzékelő

Monotronic benzinbefecskendező rendszer

Bosch L-Jetornic rendszer benzinbefecskendező rendszer

MPI (Ford)

Motor rendszer

Direkt befecskendezés

Ottó motor fojtásos szabályozása (- fojtás nélkül, --- fojtással)

Bosch direkt befecskendező rendszer működése

FSI (GDI) Engines Piston • Wall control type

Direktbefecskendező rendszerek

Gyertya kontrol

Fal kontrol

Perdület kontrol

FSI (GDI) Engines mixtures

FSI (GDI) Engines Piston • Wall control type

Az ECM bekötési vázlata

A ma használt direkt befecskendezés előnyei és hátrányai – Elégetlen tüzelőanyag kibocsátás – Égési folyamat romlik – Mechanikus veszteségek nőnek

+ – Hő veszteség csökken – Sűrítési arány – Ideálishoz közelítő körfolyamat – Töltéscsere javul

2015-ben és 2016-ban idáig!