Bels égés motorok
Dr. Bereczky Ákos BMWGépek Valvetronic BME, Energetikai és Rendszerek Tanszék
Leonardo da Vinci (1508)
Newcomen (1712)
Atmoszférikus gázmotor (1855)
Alfred Drake
Atmoszférikus Motor M ködése
keverék
Szívás láng
Expanzió füstgáz
Kipufogás
Négyütem motor (1876)
Nicolaus Otto
Négyütem motor m ködése
Szívás
mixture
S rítés Expanzió exhaust
Kipufogás
Els gépjárm (1885)
Daimler
Kompressziógyújtású motor (1892)
Rudolf C. Karl Diesel
Modell motorok
Gépjárm motorok
Közepes er m vi rendszerek
Er m vi rendszerek
Dugattyús bels égés motorok alapvet elnevezései és jelölései
Wankel-motor m k dése
A motorok kialakítása a motor m ködési elve a friss töltet (leveg vagy keverék) hengerbe jutása a tüzel anyag jellege a keverékképzés helye az égéstér kialakítása gyújtás jellege szabályzási módszer
• A konstrukció szempontjából lényeges: a hengerek elrendezése a gázcserefolyamat vezérlése a motor h tése
Wankel-motor m k dése
„W” motor
OTTO ciklus 4
p 1–2
2-3
3 5
4-5
1
3-4
VKomp. 6-1
5-6
2 VLöket
6
V
DIESEL ciklus 1-2
2-3
p 3
4
3-4
5
4-5
1 5-6
6-1
2
6 V
• A motorikus bels veszteségek a következ okokra vezethet k vissza:
f
Friss töltet bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.) H leadás a falak felé (nem adiabatikus) Véges égési sebesség Égés során h leadás (+tökéletlen égés) Gázveszteség (dug.-persely) Súrlódási veszteségek
Elméleti (szaggatott vonal) és valós indikátordiagram (folyamatos vonal)
D2 pi *s 4 pi * V L * z * n Pi = *z*n = i i * 1000 * 1000 2 2
[kW]
– ahol:
• pi [N/m2]
- indikált középnyomás
» D [m]
- hengerátmér
» s [m]
- löket
• z [-] • n [1/sec] • i [-]
- hengerszám - fordulat - m ködések száma
• A motorok hengerterében elégetett tüzel anyag kémiai energiája (Qbe –bevezetett h energia) a fellép veszteségek miatt nem alakítható át teljes egészében a motor tengelyén hasznosítható Le effektív munkává. A bevezetett h energia:
Qbe = dt * Hi *10 • Effektív munka:
3
Le = Qbe Veszteségek
• A motor veszteségeit három f csoportba soroljuk: alapvet veszteségek motorikus veszteségek mechanikai veszteségek
• Az alapvet jellemezzük:
veszteséget
t
=
a
termikus
hatásfokkal
Qbe Qel L0 = Qbe Qbe
Qbe = Qbe1 + Qbe 2 • A termikus hatásfok els sorban a kompresszió nagyságától VL + Vc = ( ) függ és csak kisebb mértékben egyéb Vc paraméterekt l (légfelesleg, , állandó térfogaton és állandó nyomáson bevezetett h energia aránya).
A termikus hatásfok változása a kompresszió függvényében. Vkomp. + Vlöket Vkomp.
7,5 KHz
p [bar]
p [bar]
13,25 KHz
950
Frekvencia [Hz] 52100
Kopogásos égés nyomáslefutása és a nyomás lengés frekvenciája. (a spektrumon megfigyelhet 13 KHz körüli rezgés a nyomásmér sajátfrekvenciájából adódik!)
Kompresszió viszony 1 3 4 6 7 9 10 11
– atmospheric engine Vkomp. + Vlöket – Otto motor Vkomp. – rés szelep – Ricardo hengerfej Vcc – fels) szelep – ólmozott üzemanyag (5 star) Vcil –MPI – kopogás mérés
Elméleti (szaggatott vonal) és valós indikátordiagram (folyamatos vonal)
• A motorikus bels fok jellemzi:
veszteségeket a jósági
Li L + L j = = L0 L0
• Az indikált hatásfok pedig: Li i = Qbe
• A mechanikai veszteségek
egyrészt a mozgó alkatrészek súrlódási veszteségeib l, másrészt a segédberendezések (olajszivattyú, vízszivattyú, h t ventilátor, adagolószivattyú, gyújtóberendezés, stb.) hajtásához szükséges energiából tev dik össze.
A mechanikai veszteségeket a mechanikai hatásfokkal jellemezhet k:
Le m = Li • A motor tengelyén kinyerhet munkát pedig az effektív hatásfok fejezi ki: Le L 0 L i Le e = = * * = Qbe Qbe L 0 Li
t
* j*
m
• A motor másik alapvet jellemz je a tüzel anyag fogyasztása, ami a munkafolyamat fenntartására fordított tüzel anyag tömeg- vagy térfogatáramával illetve a bejuttatott h -árammal jellemezhet . Mivel ezen értékek alapvet en függenek a motor teljesítményét l, ezért a P [kW] teljesítményre vonatkoztatott B [g/h] a fajlagos tüzel anyag-fogyasztás használata terjedt el.
B& b= P
A motorok összehasonlítása céljából további jellemz k alakultak ki: literteljesítmény: a teljesítmény viszonya az összlökettérfogathoz [kW/l] fajlagos dugattyúteljesítmény (dugattyúterhelés) a dugattyú felületre vonatkoztatott teljesítmény [kW/m 2] • fajlagos tömeg: a motor száraz tömege az effektív teljesítményre, illetve összlökettérfogatra vonatkoztatva [kg/kW] ill. [kg/l].
• Dugattyú középsebessége az a képzeletbeli sebesség, amellyel a dugattyú ugyanolyan utat tesz meg, mint változó sebesség mellett.
c = 2*s*n
– ahol: – s [m] - löket – n [1/sec] - fordulat
• Töltési fok ( t): a hengerbe bejutott valóságos friss töltet tömegének viszonya az elméleti friss töltet tömegéhez. t
mvalós = melm
• Az elméleti friss töltet:
melm = VL *
lev
Töltet kialakulása mlev szivó vezeték
mf mvalós=mf=mlev-mö mt=mf-mm
mö
kipufogó vezeték
mm
Motor mindenkori teljesítményét a frisstöltet „m” tömege korlátozza A töltet tömege Ph Vl ( p0 p )Vl = m= R Th R (T0 + T )
- 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 m elm Th p 0
négyütem motoroknál t növelés lehet ségei:
- több szívószelep alkalmazása - p csökkentése : - kis szelep ellenállás - szivócsatorna kis ellenállás - T csökkentése: szívócs ne a ”meleg” részeknél legyen - dinamikus töltés kihasználása.
t
0,7 ÷ 0,9
Töltés javítása I
Töltés javítása II
Töltés javítása III
A hengertérben kialakuló nyomás a f tengelyfok és a térfogat függvényében
Elméleti (szaggatott vonal) és valós indikátordiagram (folyamatos vonal)
Bels égés motorok szabályzásakeverék képzés
Diesel-motor mennyiségi szabályozása (- teljes dózis, --- csökkentett dózis)
Ottó-motorok
Ottó motor fojtásos szabályozása (- fojtás nélkül, --- fojtással)
A fajlagos fogyasztás, és az effektív középnyomás a légfelesleg függvényében
Az elemi karburátor felépítése
A V e n tu ri-c sö v ö n k ere sz tü l h a la d ó lev e g õ tö m e g á ra m : 1
ma
=
pT po
C DT A T p o RT o
2 1
(
1
)
pT po
1
[2 . 1 ] a h o l C D T a to ro k sz û k íté si té n y e zõ je é s A T a to ro k te rü le te , e g y s z erû b b a la k b a n : m a = C DT A T
2
pa
a
[2 . 2 ] a h o l: pa = p0
pT
[2 . 3 ] =
pT p0 1
1
2
pT p0 pT p0
+1
[2 . 4 ] a tü z elõ 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 zû k íté si té n y e z õ je és A O a fu ra t terü le te , é s
pf =
pa
f
gh
[2 . 5 ]
In n e n a lé g feles le g té n y e z õ : ma C D T AT = m = L0 C DO AO f L0
pa
a f
pa
f
gh
C
1 pa
[2 . 6 ] a h o l L 0 b e n zin = 1 4 ,7
A segédberendezésekkel ellátott karburátor
A keverék létrehozásának másik elterjedt megoldása a tüzelõanyag befecskendezés. M ködési elvük alapján három típusra lehet osztani ezeket: hengerenkénti befecskendezés, központi befecskendezés, direkt (közvetlen) befecskendezés. A hengerenkénti befecskendezõ rendszerek terjedtek el elõször, ennek f bb 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
Befecskendez) típusok
Multi-Point Inj. (MPI)
Single-Point Inj. (SPI)
Bosch L-Jetornic rendszer benzinbefecskendez rendszer
MPI (Ford)
Monotronic benzinbefecskendez rendszer
Egy mérési pontban végzett optimum keresés eredményei 1500rpm, 100% nyomaték(Nm)
1.6 1.2
2.8 61 61 61 61 60 59 59
0.8
63 64 63 63 63 62 61
64 65 64 64 64 63 62
65 65 65 65 64 63 62
65 65 65 64 63 63 62 61
0.4 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 befecskendezési id (ms)
64 65 64 64 63 62 61 60
2.4 2.0 1.6
0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2
1.2
0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
2.8 0.6 0.5 0.5 0.5 0.4 0.6 0.4
0.8
2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8
1.7 1.7 1.7 1.7 1.6 1.7 1.6
3.2 562.0 570.0 575.0 582.0 588.0 593.0 599.0 602.0
2.8 586.0 594.0 602.0 609.0 616.0 622.0 627.0
599.0 608.0 614.0 621.0 628.0 634.0 637.0
2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.1
2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1
600.0 606.0 616.0 622.0 629.0 634.0 639.0
595.0 601.0 610.0 616.0 624.0 630.0 636.0
580.0 584.0 591.0 599.0 604.0 614.0 622.0 628.0
2.4 2.0 1.6
3200 2600 1800 1570 1270 1070 850 740
1.2
4180 4040 3890 3680 3470 3270 3070 2890
4210 4180 4070 3940 3770 3600 3460
0.8
3880 3880 3800 3700 3630 3520 3430
3150 3120 3050 3000 2990 2850 2860
562.0 571.0 576.0 584.0 590.0 598.0 605.0 613.0
0.4 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési id (ms)
2.4 2.0 1.6 1.2 0.8
5.4 5.4 5.6 5.6 5.7 5.9 6.0 6.2
5.3 5.2 5.3 5.3 5.4 5.4 5.5 5.6
2170 2270 2170 2160 2040 1970 1840
1520 1500 1580 1480 1480 1430 1300 1160
645 660 705 650 690 740 755 750
0.4 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési id (ms)
1500rpm, 100% fajlagos fogy. (100ms/Nm)
544.0 550.0 564.0 572.0 578.0 587.0 596.0 605.0
1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9
0.4 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési id (ms)
1500rpm, 100% T ki(fok C) 3.2
1.3 1.2 1.3 1.3 1.3 1.3 1.2
el gyújtási id (ms)
2.0
57 57 57 57 56 55 55 54
3.2
0.1 0.1
el gyújtási id (ms)
2.4
50 50 49 47 47 45
el gyújtási id (ms)
el gyújtási id (ms)
2.8
3.2 el gyújtási id (ms)
3.2
1500rpm, 100% NO(ppm)
1500rpm, 100% CO(V/V%)
52 52
5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.4 5.5
5.4 5.4 5.4 5.4 5.4 5.5 5.6
5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.7 5.8
5.9 5.8 5.9 5.9 6.0 6.0 6.1
6.2 6.2 6.2 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
6.5 6.5 6.6 6.6 6.7 6.7 6.9 7.0
0.4 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési id (ms)
Bosch direkt befecskendez rendszer m ködése
FSI (GDI) Engines mixtures
FSI (GDI) Engines Piston • Wall control type
FSI (GDI) Engines Piston • Wall control type
7,5 KHz
p [bar]
p [bar]
13,25 KHz
950
Frekvencia [Hz] 52100
Kopogásos égés nyomáslefutása és a nyomás lengés frekvenciája. (a spektrumon megfigyelhet 13 KHz körüli rezgés a nyomásmér sajátfrekvenciájából adódik!)
Kopogásos égés okai: a.) Kompresszió viszony helyes megválasztása. Ilyenkor nem éri el a nyomás szint, illetve az ezzel arányos kompresszió végh mérséklet a kritikus szintet. Viszont a kompresszió viszony csökkentésével csökken a hatásfok is. b.) Gyertya helyes elhelyezése. Amennyiben az égés a melegebb keverékt l a hidegebb felé halad a kopogási hajlam csökken. c.) Égéstér helyes kialakítása, közeg h tése. Ha az égéstérnek abban a részében, amit lángfront az égés végén ér el, alacsonyabb a h mérsékletet valósítunk meg, szintén csökken a kopogási hajlam. d.) El gyújtási szög helyes megválasztása. Nagy el gyújtás esetén a kompresszió és az égés együttes hatására igen nagy nyomásemelkedés jön létre a hengerben, így a kopogás valószín sége rohamosan n . e.) Légfelesleg tényez megválasztása. A lángterjedés sebessége =0,9 körül a legnagyobb, itt a legnagyobb a nyomásemelkedés, ennek hatására a kopogási hajlam is. f.) Tüzel anyag kopogási hajlama.
Öngyulladás
Öngyulladásról akkor beszélünk, ha az égés nem a gyújtószikra hatására indul meg, hanem egy olyan helyr l, amely h mérséklete eléri a keverék gyújtási h mérsékletét és jó h átadás lehetséges a keverék irányába. Ilyen helyek abban az esetben jönnek létre, ha égéstér h tése romlik, illetve az égéstérben tökéletlen égés miatt lerakódások keletkeznek (koksz, korom). Az öngyulladás hatására az égési folyamat kezelhet sége megsz nik, az égés már a gyújtás el tt megkezd dik, ami jelent s hatásfokromláshoz vezet. Egyes esetekben a gyújtás megszüntetése után is tovább üzemel a motor.
Diesel-motorok
A termikus hatásfok változása a kompresszió függvényében
.
Diesel-motor mennyiségi szabályozása (- teljes dózis, --- csökkentett dózis)
Diesel-motorok keverékképzése alapvetõen meghatározza az égési folyamat lefolyását. Diesel-motoroknál az égést nem egy külsõ energiaforrás segítségével indítjuk el, hanem a kompresszió során felmelegedõ közeg (levegõ) párologtatja el és gyújtja meg a levegõtüzelõanyag
keveréket.
Mind
a
tüzelõanyag
elpárologtatásához,
mind
annak
keverékképzéséhez és égéséhez az Ottó-motorokhoz képest igen jelentõs idõre van szükség. A fenti folyamat jól kezelhetõsége megkívánja, hogy a tüzelõanyagot csak akkor juttassuk a tüzelõtérbe, amikor annak égése kívánatos ezért ezek belsõ keverékképzéses rendszerek.
Direct befecskendezés
Égéstörvény repceolaj ill. gázolaj esetén 70 60
[J/fok]
40
dQégés/d
50
30 20 10 0 150
160
170
180
190
200
210
220
-10 [fok ] 100% repceolaj
100% gázolaj
230
240
250
260
A Diesel motorok égési folyamatát általában két részre osztjuk. Az égés kezdetén az égési késedelem miatt felhalmozódott tüzelõanyag a nagy légfelesleg mellett gyors, jól elõkevert égése zajlik le. Ezt a szakaszt nevezzük kinetikus-, vagy elõégésnek. A második szakasz a diffúz- vagy fõégés. Ebben a szakaszban a porlasztóból kilépõ tüzelõanyag keresztül halad a már elégett keveréken ott a párolgási folyamat lezajlik, majd ebbõl a térfogatból kikerülve keveredik a levegõvel. Ebben a szakaszban az égés lényegesen lassabb. Minél nagyobb a gyulladási késedelem annál több tüzelõanyag jut az égéstérbe az égés kezdete el tt. Így amikor beindul az égés nagymértékû hõfelszabadulást áll el , minek következménye kemény égési zaj, ami mechanikai túlterhelést eredményezhet. Mint az a fentiekb l következik a befecskendezés idõbeli lefolyása jelentõsen befolyásolja az égési folyamatot, a motor m ködését.
Állandó löketû adagoló szivattyú elrendezése és m ködése
BOSCH VE típusú elosztórendszerû adagoló szivattyú
Common Rail rendszer
Radiál dugattyús elosztó rendszer befecskendez P= 1500 bar
Radiál dugattyús elosztó rendszer befecskendez
Szabályozócsapos és lyukporlasztó
Pumpe-Düse-Einspritzsystem
Piezo-befecskendez):
Lényege: Feszültségre mechanikai elmozdulás 110-148V szabályozó feszültség Elönye: Befecskendezés karakterisztikája hasonlít a négyszögjelhez, többszöri befecskendezés
El kamrás égéstér
Örvénykamrás égéstér
Hártyás keverékképzés
Károsanyag kibocsátás csökkentése
Common Rail System P= 300 –1800 bar
Indikátordiagramok
Közvetlen befecskendezés, különböz égéstér kialakítással
Feltöltési eljárások • A motor hengerterébe jutó leveg mennyiségét a töltési fokkal jellemezzük. A töltési fok növelésére, azaz a feltöltésre a következ eljárások lehetségesek: – feltöltés a motortól független hajtással mechanikus feltöltés a motortól függ hajtással kipufogógáz-turbinás feltöltés (turbótöltés) feltöltés nyomáshullámokkal
Mechanikus feltöltés (Roots fúvó)
Turbótöltés
Turbótöltéses motor elvi elrendezése
Turbótöltéses motor elvi elrendezése
Napier-Nomad Diesel-kompaund m
Nyomáshullámmal történ feltöltés • Négyütem motor jó hengertöltése akkor érhet el, ha: a kiöml szelep nyitási szakaszának a vége felé a hengerben kicsi nyomás uralkodik, hogy lehet leg kevés maradék gáz maradjon vissza, és jó legyen az öblítés a szívószelep zárásakor a hengerben nagy nyomás található, hogy a töltet minél nagyobb legyen. • A vezetékhosszak és keresztmetszetek összehangolásával az el z feltételek teljesíthet k. Összehangolás csak sz k fordulatszámtartományban lehetséges, mert a gázoszlopok sajátfrekvenciája a vezetékhosszaktól függ. Ha a sajátfrekvenciákat a motor különböz fordulatszámaihoz akarjuk illeszteni, akkor a vezetékhosszakat a motor fordulatszáma függvényében változtatni kell.
Akusztikus feltöltés
Acoustical Charger
Motorokban keletkez f bb káros anyagok • A motorokban lejátszódó égés során a következ káros anyagok keletkeznek: szén-monoxid (CO) nitrogén-oxidok (NOx) szénhidrogének (CxHy) részecskék (korom)
A káros anyagok emissziója a légfelesleg függvényében
NO keletkezés számító modell felépítése:
Az el gyújtás és el befecskendezés hatása a károsanyag emisszió egyes komponenseire és a fajlagos fogyasztásra
Emissziócsökkent eljárások • Az emisszió értéke csökkenthet : a motor el tt tüzel anyag
magában a motorban és konstrukció EGR légfelesleg
a motor után (szekunder eljárások) 3 utas katalizátor oxidációs katalizátor
Turbótöltéses motor elvi elrendezése
Turbótöltéses motor elvi elrendezése
Turbótöltéses motor elvi elrendezése
Turbótöltéses motor elvi elrendezése
