Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 3. Előadás Motortechnikai alapegyenletek

2016.05.10.

Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna

Motorblokk

• Hengerátmérő (furat): a henger névleges belső átmérője. Jele: D [mm] • Hengerkeresztmetszet (dugattyúfelület): a henger belső átmérőjével meghatározott kör területe. Jele: AD Képlet: [mm2] • Forgattyúsugár: a forgattyúcsap középpontja és a forgattyús tengely forgáspontja közti távolság. Jele: r [mm] 2016.05.10.

D


2

Motorblokk

2016.05.10.

FHP

s

• Löket: a dugattyú két holtpontja közötti távolság. Jele: s [mm] • Hajtórúdhossz: a hajtórúd dugattyúcsap-furatának és forgattyúcsap-furatának középpontjai közötti távolság. Jele: l [mm]

AHP

l


3

Motorblokk Lökettérfogat: a hengerkeresztmetszet és a löket szorzata. Jele: Vh Képlet: [cm3] VH: teljes lökettérfogat z: hengerszám (A képlet alapján mm3-ben kapjuk meg a mértékegységet, de a gyakorlatban a litert és a cm3-t használják.)

2016.05.10.


4

Arányok • Löket/furat viszony: – a munkahenger legfontosabb jellemzője – nagy hatással van a motor teljes felépítésére, pl.: égéstér kialakítása: csökkenő értékénél az égéstér ellaposodik „felület/térfogat arány” – Képlet: κ > 1: hosszú löketű motor 𝑠 κ = 1: négyzetes motor 𝜅= 𝐷 κ < 1: rövid löketű motor

• Hajtórúdarány: – forgattyús hajtómű kialakítására jellemző – függ a löket/furat aránytól – Képlet: 𝜆 = 𝑟 = 𝑠 𝑙

2𝑙

• Forgattyúarány: – A hajtórúdarány reciproka:

2016.05.10.

𝜆′ =

1 𝑙 = 𝜆 𝑟


5

Dugattyúsebesség •

Dugattyú-középsebesség: A motor élettartama szempontjából releváns érték. A lökethossz kétszerese szorozva a másodpercre vonatkoztatott fordulatszámmal. Jele: ck Képlet: ck < 25 – Teherszállító hajók : 6 – 9 (≈10) – Erőgépek: 7 - 11 – Személygépkocsik: 14 – 24

– F1: 24 – 25

•

Dugattyú maximális sebessége:

2016.05.10.


6

Levegőarány • Levegőarány: a levegő tömegáramának és a tüzelőanyag tömegáramának az aránya. Jele: KL

Képlet:

• Elméleti levegőarány: a levegő és a tüzelőanyag tömegáramának kémiai reakcióegyenletek alapján számított (sztöchiometrikus) aránya. Jele: KL0 • Valós levegőarány: a tüzelőanyag egységnyi tömegének és ezen tüzelőanyag adott követelményeket kielégítő elégetéséhez szükséges levegő tömegének aránya. Jele: KLV 2016.05.10.


7

Levegőarány • Tényleges (effektív) levegőarány: egy munkafolyamat alatt a munkatérbe ténylegesen bejuttatott levegő és tüzelőanyag tömegének aránya. Jele: KLe • Légviszony: a tényleges és az elméleti levegőarány hányadosa. Jele: λ Képlet: • Sűrítési arány Jele: ε Képlet: Vc: kompresszió térfogat

2016.05.10.


8

Légnyelés • Légnyelés: a motor által ténylegesen beszívott levegő tömegáramának és az elméleti tömegáramnak a hányadosa.

Képlet: 𝜆𝐿 = 𝑚𝑚𝑏𝑒 = 𝑉 𝑚·𝜌𝑏𝑒 ill. 𝜆𝐿 = 𝑚𝑉𝑏𝑒·𝜌,ö𝑠𝑠𝑧 𝑒𝑙𝑚 ℎ 𝑒𝑙𝑚 𝐻 𝑡ℎ mbe: a munkafolyamat elején egy henger által ténylegesen beszívott töltet tömege mbe,össz: a munkafolyamat elején a motor által ténylegesen beszívott töltet tömege melm: elméleti töltet tömege ρelm: elméleti töltetsűrűség • A beszívott töltet tömege: Jele: λL

– Külső keverékképzésnél: mbe = mtü + ml ill. mbe,össz = mtü,össz + ml,össz – Közvetlen befecskendezésnél: mbe = ml ill. mbe,össz = ml,össz mtü: tüzelőanyag tömege ml: levegő tömege 2016.05.10.


9

Töltési fok • Töltési fok: a szelepek zárása után ténylegesen a hengerben maradó töltet és az elméleti töltet hányadosa.

Jele: λT

Képlet:

ill.

– mö: öblítési veszteség, a beszívott töltetnek az a része, amely a szelepösszenyitás során, a kipufogónyíláson át eltávozik, így nem vesz részt az égésben. – mf: friss töltet, az öblítési veszteséggel csökkentett beszívott töltet, mf = mbe – mö – mm: maradék gáz, a kipufogónyílás zárása után a munkatérben visszamaradt égési gáz tömege. – mt: tényleges töltet, a friss töltet és a maradék gáz együtt, mt = mf + mm 2016.05.10.


10

Öblítési viszony Elsősorban kétütemű motoroknál használják. – A töltetcsere jóságát határozza meg. – A töltési fok és a légnyelés hányadosa. 𝜆𝑇 𝛼= 𝜆𝐿

2016.05.10.


11

Fuel Load Performance (13) Comparison Recalculation / Measurement

2016.05.10.


12


P_IM_A [bar]

Exhaust

1.2

Intake

10

0.6

5

0

Valve Lift [mm]

1_2L_Fire_EVO3.WOT_AVL.N_4000 BOOST Simulation Messung FIA_A270030_A2700301.0282

Engine Speed = 4000 rpm, BMEP = 10.9 bar

Exhaust

Intake

0.08

0.00

-0.08

1.6

1.0

40

Cylinder

0.4 0

60

120

180

240

300

360

420

20 480

540

600

660

720

Pressure [bar]

Pressure [bar]

2.2

Mass Flow [kg/s]

0.16

Crank Angle [deg. CRA]

2016.05.10.

1_2L_Fire_EVO3.WOT_AVL.N_4000 Belső Égésű Motorok Tanszék FIA_A270030_A2700301.0282

- Dr. Hanula Barna

13


2016.05.10.


14

Egy ciklus indikált munkája a p-V diagramból • Diagram alapján egy ciklus indikált munkája:

– Wbe: töltetcsere veszteség – szíváskor és kipufogáskor befektetett munka – Wki: a gáz munkája a motorban

• Az egyszerűség kedvéért létrehoztuk az indikált középnyomás fogalmát: Ez egy helyettesítő érték, amely a lökettérfogattal szorozva azonos munkaterületet eredményez 2016.05.10.

𝑊𝑖,𝑐𝑖𝑘𝑙 = 𝑝𝑖𝑘 ∙ 𝑉ℎ


15

Effektív munka és középnyomás • Effektív középnyomás: a forgattyús tengely végén megjelenő teljesítményből számítható középnyomás. pek = pik – pvk;

Pe pek   * VL

• Veszteség-középnyomás: a motor saját mozgatásához és a segédberendezések működtetéséhez együttesen felhasznált munka és a lökettérfogat hányadosa. (Ezt közvetlenül nem tudjuk mérni. Ezért az indikált és az effektív középnyomás különbségéből határozzuk meg)

Jele: pvk [Mpa, kPa, bar]; 2016.05.10.

pvk = pik – pek Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna

16

Fajlagos munka • Egy ciklus munkája: • Fajlagos energiasűrűség: • A motortechnikában használt mértékegység: • Fajlagos munka ≡ Középnyomás W [ kJ ] [ 103 * Nm ] N  6 w    10 *  [ MPa ] 3 3 3 2  V [ dm ] [ 10 * m ] m 

2016.05.10.


17

Teljesítmény • Teljesítmény: időegység alatt elvégzett munka mértéke. Átlagos teljesítmény. Jele: P Képlet: • Pillanatnyi teljesítmény: • Teljesítmény egyenes vonalú mozgásnál: a testre ható erő vektora az idő függvényében állandó.

Azaz a pillanatnyi teljesítmény az erő és a sebesség szorzata • Teljesítmény forgó mozgásnál: a mozgást létrehozó nyomaték a szögelfordulás függvényében állandó.

Azaz a pillanatnyi teljesítmény a nyomaték és a pillanatnyi szögsebesség szorzata. 2016.05.10.


18

Teljesítmény • Tényleges (effektív) teljesítmény: ténylegesen leadott (forgattyús tengelyen mérhető) teljesítmény. Jele: Pe Képlet: Pe = ω·M = 2π·n·M/60 [kW] ω: szögsebesség n: fordulatszám M: forgatónyomaték • Indikált teljesítmény: a gáz indikátordiagram alapján meghatározott munkája a motorban, időegységre vetítve. Jele: Pi

Képlet:

[kW] pik: indikált középnyomás

i: ütemszám

• Mechanikai teljesítményveszteség: a súrlódási teljesítmény és a segédberendezések hajtásához felhasznált teljesítmény együttesen. Jele: Pmv

Képlet:

[kW]

pv: veszteség-középnyomás 2016.05.10.

i: ütemszám


19

Égéshő és fűtőérték •

•

•

Égéshő: az a fajlagos hőmennyiség, amely 1 kg tüzelőanyagból összesen felszabadul, ha az égéstermékeket a kiindulási hőmérsékletre hűtjük vissza. Az égéshőből számítják a fűtőértéket és ezt szokás a gyakorlatban használni. Mértékegysége: (angolszász irodalomból tükörfordítással átvett elnevezése: felső fűtőérték) Fűtőérték: az a hőmennyiség, amely 1 kg tüzelőanyagból kinyerhető olyankor, ha a füstgázzal együtt távozó víz gőz halmazállapotban hagyja el a berendezést (pl.: kipufogógáz). Értékét megkapjuk, ha az anyag égéshőjéből kivonjuk a gőzként távozó vízmennyiség párolgáshőjét. Mértékegysége: (angolszász irodalomból tükörfordítással átvett elnevezése: alsó fűtőérték) A két fogalom közti különbség: Az égéshő nagyobb, mert beleszámolják az égésnél keletkező vízgőz kondenzációs hőjét (az égés végi hőmérsékletről a szobahőmérsékletre lehűlő és cseppfolyósodó víz által visszanyert hőmennyiséget).

•

Benzin: égéshő: 44 - 46

fűtőérték: 42 - 44

•

Gázolaj: égéshő: 44,4 - 45

fűtőérték: 41,7 - 43

2016.05.10.


20

Benzin égése • A benzin egy lehetséges összetevőjével számolva, az égés egyenlete: • 1 liter benzin elégetésekor keletkező víz mennyisége: 1 mol C8H18 moláris tömege 114 g 1000 g moláris tömegű C8H18: 8,77 mol Az egyenlet alapján 1 kg benzin égésekor: 9 ∙ 8,77 = 78,95 mol víz keletkezik, azaz 1421,05 g 1,421 liter. • Telítetlen szénhidrogén láncoknál és gyűrűs kötéseknél ez az érték kevesebb, de mindig több, mint 1 liter.

2016.05.10.


21

Üzemanyag-fogyasztás • Üzemanyag fogyasztás: a motor üzemeltetése során felhasznált, tüzelő-, kenő-, hűtő- stb. anyagok mennyisége, valamilyen működési vagy üzemeltetési mutatóra (pl.: idő, munka, teljesítmény) vetítve. • Tüzelőanyag fogyasztás: a motor által időegység alatt elfogyasztott tüzelőanyag mennyisége vagy energiatartalma. Jele: Bt Képlet: 2016.05.10.


22

Tüzelőanyag fogyasztás • Fajlagos tüzelőanyag fogyasztás: teljesítményegységre vonatkoztatott, időegységenkénti tüzelőanyag fogyasztás. Jele: bt

g kW ∙ h

Képlet:

: óránkénti tüzelőanyag tömegáram kg h effektív teljesítmény [kW]

effektív hatásfok – A tüzelőanyaggal bevezetett energia: mt: bevezetett tüzelőanyag tömege Ha: (alsó) fűtőérték – A tüzelőanyag fogyasztást térfogat- vagy tömegáramként mérve: 𝑚𝑡 ρt: tüzelőanyag sűrűsége 𝑚𝑡 = = 𝜌𝑡 ·𝑉𝑡 𝑡

2016.05.10.


23

Fajlagos tüzelőanyag fogyasztás • Teherszállító hajók: – 2 ütemű: 157 - 167 – 4 ütemű: 170 - 171

g kW ∙ h g kW ∙ h g kW ∙ h

• Haszongépjármű: 185 • Erőgépek: 190 - 230

g kW ∙ h

• Személygépkocsi: g kW ∙ h g kW ∙ h

– Diesel: 200 - 240 – Benzines: 250

• Motorkerékpár: 270

g kW ∙ h

• Kis, 2 ütemű motor: 350

g kW ∙ h

2016.05.10.


24

A fajlagos fogyasztáshoz egy kézzelfoghatóbb példa: Házat építek a testvéremmel. A bátyám minden 1 m2 fal felrakása közben, mely fél órába telik, egy db 0,4l kiszerelésű dobozos sört iszik meg. Én 1 db 0,5l-es üveges sört iszom meg ugyanannyi idő alatt, de közben 1,5 m2 falat rakok fel. A két sörtípus azonos alkoholtartalmú, 5% m/m. A sörfogyasztás mindkét esetben a munka elvégzésének feltétele. Hogyan alakul tehát a fajlagos alkoholfogyasztásunk? (1l sör = 1kg)

Fiatal: (0,4kg*0,05)/(1m2) = 20g/m2 Idősebb: (0,5kg*0,05)/(1,5m2) = 16,7g/m2 Az én fajlagos fogyasztásom alacsonyabb, ugyan magasabb abszolút fogyasztással, de arányaiban a magasabb teljesítmény miatt (1,5m2/h), vagyis jobb hatásfokkal. (Ezt akkor tudnánk számszerűsíteni, ha meghatároznánk egy kg-nyi sör energiatartalmát és azt összevetnénk egy m2 fal felrakásához szükséges energiamennyiséggel).

2016.05.10.


25

A fajlagos fogyasztás ugyanolyan természetű érték, mint mondjuk a fajlagos ár, az alacsonyabb kellemesebb: Ha a családi kiszerelésű sör (2l) 800Ft-ba kerül, az azonos típusú, hagyományos kiszerelésű (0,5l) pedig 220Ft-ba, akkor a fajlagos ár alapján tudjuk eldönteni, melyik az olcsóbb vagyis a jobb. 400 Ft/l ill. 440Ft/l a fajlagos ár, úgy is mondhatjuk, hogy a 2l-es kiszerelés nagyobb hatásfokú, kevesebb befektetéssel fogunk ugyanannyi sört kapni. A motor esetében a befektetés a tüzelőanyag, a kívánt eredmény a hasznos munka, melyet mindig egységnyinek tekintünk. Minél alacsonyabb a fajlagos ár vagy fogyasztás, annál magasabb a hatásfok.  [g/kWh]  [Etüz.a./Ehasznos]  [Ehasznos/Etüz.a.] = ηeffektív Ha például egy motor egy munkapontban 300 [g/kWh] fajlagos fogyasztással üzemel gázolajjal (42 kJ/g), akkor ennek a motornak az effektív hatásfoka: Etüz.a = 42[kJ/g]*300[gtüz.a.] = 12600 [kJ] Ehasznos = kWh = (kJ/sec)*h = 3600 [kJ] ηeffektív = 3600/12600 = 28,6 %

2016.05.10.


26

Egy jármű mozgásban tartásához vagy gyorsításához egy minden pillanatban meghatározható nagyságú teljesítményt használunk. A motor fordulatszám-forgatónyomaték koordináta rendszerében, mivel a kettő szorzata adja a teljesítményt, az egy állandó teljesítményhez tartozó pontok hiperbolát alkotnak. Elsősorban a motor mechanikai veszteségei miatt, azonos teljesítménnyel, de magasabb terhelésen és alacsonyabb fordulatszámon a motor kedvezőbb fajlagos fogyasztással, magasabb hatásfokkal üzemel. Az azonos fajlagos fogyasztás értékeket összekötve kagyló formájú görbéket kapunk. Tehát a motor terhelése, melyet adott hajtó teljesítmény-igénynél a sebességi fokozat határoz meg, erőteljesen befolyásolja a fajlagos, ezáltal a km-re vagy üzemórára vetített tüzelőanyag fogyasztást.

M pek

Sweet spot: 270 g/kWh

100% gázpedálállás

300 g/kWh 400 g/kWh

300 g/kWh

500 g/kWh 400 g/kWh 75% gázpedálállás 50% gázpedálállás

500 g/kWh

15kW

500

1500

2500

3500 2016.05.10.

4500

5500

6500

n


27

Kagylódiagram (Otto-motor)

2016.05.10.


28

Kagylódiagram (Diesel-motor)

2016.05.10.


29

Hatásfok • Indikált hatásfok: az indikált teljesítmény és a tényleges, bevezetett hőenergia-áram aránya. Jele: ηi Képlet:

• Tényleges (effektív) hatásfok: az effektív teljesítmény és a tényleges, bevezetett hőenergia-áram (tüzelőanyag kémiai energiájának) aránya. Jele: ηe

Képlet:

Otto-motor: 35…40 % Diesel-motor: 42…46 % (turbócompound: 50 % felett) Teherszállító hajók: 50 - 54 % • Mechanikai hatásfok: az effektív teljesítmény és az indikált teljesítmény aránya. Jele: ηm Képlet: 2016.05.10.


30

Hatásfok • Az elégetett tüzelőanyag kémiai energiájának csak egy része alakul át hasznos mechanikai energiává. (Tipikus értékek.) Tüzelőanyag energia: Otto Diesel

a motor főtengelyén

2016.05.10.

28 %

24 %

29 %

26 %

6%

5%

37 %

45 %


31

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Recommend Documents