Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 10. Előadás Feltöltés

2016.07.11.

Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna, Müller Csaba

Feltöltés

Tartalom • • • • •

1. Feltöltés célja 2. Turbófeltöltés 3. Szelepek a turbófeltöltőkön 4. Turbófeltöltés elrendezései 5. Mechanikus feltöltés

2016.07.11.

Belsőégésű motorok tanszék - Dr. Hanula Barna

3

1. Feltöltés célja Indikált teljesítmény növelése:

2 Pi  n zVh pi i 1 2

Amin változtathatunk: – – – –

3

4

1: Ütemszám változtatása 2: Fordulatszám növelése 3: Lökettérfogat növelése 4: Indikált középnyomás növelése 2016.07.11.


4

Középnyomás növelése

2016.07.11.


5

Feltöltés szükségessége • A motor nyomatékának, teljesítményének növelése • A motor teljesítménysűrűségének növelése (downsizing), fogyasztáscsökkentés, CO2 kibocsátás csökkentés • Károsanyag-kibocsátás csökkentése – Otto: HC – Diesel: • Korom (nagyobb légfelesleg) • NOx (több kipufogógáz visszavezetést enged, töltőlevegő visszahűtés)

• Fajlagos gyártási költség csökkentése [EUR/kW] • Motorváltozatok számának csökkentése, ill. adott motorváltozaton belül a teljesítményspektrum szélesítése • Súlycsökkentés

2016.07.11.


6

CO2 csökkentés lehetőségei [%]

CO2 kibocsátás csökkentésének költségei Sugárvezetésű

Közvetlen benzinbefecskendezés Szívócső befecskendezés

Rendszer teljes költsége (motor és kipufogógázkezelés) [%] 2016.07.11.


7

Feltöltési módok Feltöltés

Idegen feltöltés

Saját feltöltés

Sűrítő nélkül

Sűrítővel

Kipufogógáz használata nélkül

Kipufogógáz használatával

Kipufogógáz használata nélkül

Kipufogógáz használatával

Impulzusfeltöltés

Nyomáshullámfeltöltés

Mechanikus feltöltés

Turbófeltöltés

Lengőcsőfeltöltés

Rezonanciafeltöltés

Comprex-feltöltés

2016.07.11.

Lüktető feltöltés

Állandó nyomású feltöltés


8

Belső sűrítés nélkül

Belső sűrítéssel

Feltöltés korlátai: motor oldal Égésfolyamatból származó korlátok • Otto-motor – Beszívott levegő hőmérséklete nagyobb => Nagyobb kopogási hajlam – Visszahűtéssel, vagy belső keverékképzéssel (párolgás) jelentősen javítható – Előgyújtásai szöggel is kontrollálható, de ekkor romlik az indikált hatásfok – Sűrítési arány nem növelhető tetszőlegesen – Nagy légfelesleg esetén kissé javul a kopogás-ellenállás • Diesel-motor – Alacsony fordulatszámon általában a füsthatár ad korlátot 2016.07.11.


9

Feltöltés korlátai: motor oldal Mechanikai és termikus korlát • Otto-motor – Általában kevésbé korlátoz, mivel a kopogás előbb jelentkezik • Diesel-motor – Mechanikai: jelentős az égési csúcsnyomás növekedése (csapágyak, hajtórúd, dugattyúcsapszeg, dugattyú, hengerfejtömítés, hengerfejcsavarok) – Termikus: jelentős hőfeszültségek (kipufogó szelep és fészke, szelepgát, dugattyútető, felső gyűrűhorony, hengerpersely)

2016.07.11.


10

Töltőlevegő visszahűtés T-s diagramja

2016.07.11.


11

2. Turbófeltöltés p4 p3 Kipufogó Turbina

p1

p2’

p2

Kompresszor

Belsőégésű Motor

Levegőhűtő

Hatásvázlat:

p1

p2

p3

2016.07.11.


p4

12

Turbófeltöltő felépítése A turbófeltöltő legfontosabb egységei • Csapágyház és alkatrészei – Axiális csapágy, radiális csapágy, csapágyház, biztosítógyűrűk, tömítések

• Forgórész – Kompresszor-járókerék, turbina-járókerék, tengely (turbinakerék a tengely anyagából)

2016.07.11.


13

Kompresszor • Kompresszor – Kompresszorház: axiális belépés és radiális (centrifugális) kilépés, hátfal • Turbina – Turbinaház: radiális (centripetális) belépés és axiális kilépés

2016.07.11.


14

Lefújószelep Lefújószelep

Levegő belépés

Turbófeltöltő (kompresszor oldal)

Pillangószelep

Motor

Lefújószelep 2016.07.11.


15

Wastegate Turbina

Kompresszor

Katalizátor

Beszívott levegő

Wastegate nyitva

Égéstér

Wastegate szabályzó

Kipufogó gáz

Töltőnyomás a wastegate szabályzószelephez

Turbina kimenet

Wastegate beavatkozó

Szelep 2016.07.11.


Állítható rúd 16

Változó turbinakeresztmetszet • Működtetés membrános vákuum aktuátorral, elektronikus szervo, hidraulika, vagy a légfékrendszer levegőjével

2016.07.11.


17

Turbófeltöltő felépítése

2016.07.11.


18

• Kompresszor jellegmező három üzemi határt definiál (ezzel a turbótöltés határai is egyben) – Balra: Pumpálási határ (surge) – Jobbra: Légnyelési határ (choke) – Fent: Maximális fordulatszámhatár (max. speed) – Ezeken kívül a hőmérsékleti határ fontos még, amely a jellegmezőben nem ábrázolható

Nyomásarány

Feltöltés korlátai : feltöltő oldal

Térfogatáram

2016.07.11.


19

A turbófeltöltő üzemi korlátai Pumpálási határ elérése – jet-wake effect πC=1.3

Szívott oldal

πC=1.7 (leválás, stall)

2016.07.11.

Nyomott oldal

πC=1.8 (surge)


20

Áramlás leválása • Részleges/teljes leválás

Repülőgép szárnyprofilon:

2016.07.11.


21

A turbófeltöltő üzemi korlátai Maximális fordulatszám • Úgynevezett LCF-károsodást, kifáradási okoz (Low Cycle Fatigue) • Mind a kompresszoron, mind a turbinán előfordulhat • A szerkezet károsodását okozza a folyáshatár elérése miatt (centrifugális erőtér) • Szerkezeti anyagtól függő jelenség

Az anyagmegfolyás fellépésének elsődleges helye

2016.07.11.


22

A turbótöltő és a motor együttműködése • Az együttműködés ábrázolása a kompresszor-jellegmezőben

terhelés

fordulatszám

2016.07.11.


23

A turbótöltő és a motor együttműködése

2016.07.11.


24

3. Szelepek a turbófeltöltőn

2016.07.11.


25

A töltőnyomás szabályozása • Turbina megkerülő szeleppel (wastegate, vagy bypass)

2016.07.11.


26

A töltőnyomás szabályozása • Változtatható álló-lapátozású (és keresztmetszetű) turbinageometria (VGT)

Lapátozás zárva – kis turbina

2016.07.11.

Lapátozás nyitva – nagy turbina


27

A töltőnyomás szabályozása

2016.07.11.


28

A töltőnyomás szabályozása • Audi 1.8 TFSI motor nyomatékának szabályozása turbófeltöltőn keresztül, a hűtőközeg hőmérsékletének feltüntetésével

2016.07.11.


29

Pumpálás elkerülése Otto-motor esetén • Kompresszor megkerülőszeleppel

Feltöltött Otto-motornál az előgyújtás szabályozása igényel körültekintést – kopogás! 2016.07.11.


30

A turbófeltöltő dinamikus viselkedése

Terhelő jel Turbómotor Szívómotor

Forgatónyomaték

Terhelési jel

• A feltöltő fordulatszáma, így a feltöltőnyomás késedelemmel épül fel, ami a motor nyomatékának lassú felépüléséhez vezet – ún. „turbólyuk” jelensége • Diesel-motornál emiatt a légfelesleget korlátozni kell a gyorsítás alatt (füstkorlátozó)

Idő

2016.07.11.


31

4. Feltöltés elrendezés • Többféle elrendezésben építenek feltöltőrendszereket turbófeltöltéshez • Ennek okai – Szükséges nyomásviszony nem vagy nem gazdaságosan realizálható egy fokozatban – Túl hosszú gázutak a kipufogó csatornában – tipikusan Vmotoroknál – Turbókésés csökkentése – d4-el arányosan csökkenő rotor inercia – Jellegmező kiszélesítése – dinamikus jellemzők kiszélesítése 2016.07.11.


32

Ikerturbó elrendezés • Jellemzően V-motoroknál terjedt el, ahol a hosszú gázutak miatt jelentős lenne a turbókésés egy feltöltővel • Előfordulhat soros motoroknál is, hogy kevesebb henger jusson egy feltöltőre, ezáltal javítva a dinamikus tulajdonságokat

2016.07.11.


33

Többlépcsős – regiszter feltöltés

Levegő

Alacsony fordulatszám:

Közepes fordulatszám:

Magas fordulatszám:

a szabályzószelep zárva van, így csak a kis turbó működik.

a szabályzószelep félig nyitva van, mindkét turbó működik.

a szabályzószelep teljesen ki van nyitva, az égéstermék csak a nagy turbó irányába áramlik.

2016.07.11.


34

Többlépcsős – regiszter feltöltés

2016.07.11.


35

Kétlépcsős sűrítés • 2-Stage Turbocharger.flv

2016.07.11.


36

Állandó nyomású feltöltés

2016.07.11.


37

Lüktető feltöltés

2016.07.11.


38

5. Mechanikus feltöltés • A feltöltő és a motor mechanikusan csatolva van, fordulatszámuk arányos • Hajtásuk a motor főtengelyéről állandó, vagy változtatható áttétellel • Emiatt magasabb fogyasztás -> teljesítmény növekmény akár 15%-a a kompresszor hajtására fordítódik • Általában Otto-motoroknál használják 2016.07.11.


39

Mechanikus feltöltés Kompresszor Levegőhűtő

Jellemző keresztmetszetek: 1 – Kompresszor előtt

Belsőégésű Motor

Hajtómű

2 – Kompresszor után, visszahűtő előtt

3 – Visszahűtő után 4 – Kipufogó

2016.07.11.


40

Roots kompresszor • Belső sűrítés nélküli térfogat-kiszorítású feltöltő

Lapátelcsavarás nélküli

Lapátelcsavarással 2016.07.11.


41

Csavarkompresszorok • Belső sűrítéssel

Szívás axiális irányból

Sűrítés 2016.07.11.

Kilépés radiális irányban


42

Csavarkompresszor Audi 3.0 V6 TFSI motoron Bypass szelep nyitva

Töltőlevegő hűtő Rotorok Bypass szelep zárva

Hőmérséklet/szenzor

2016.07.11.

Bypass szelep

Hőmérséklet / nyomásérzékelő


43

Centrifugálkompresszor Szíjtárcsa

Hajtókerék

Hajtott kerék

Belső olajzott kerék

2016.07.11.


44

A legfontosabb mechanikus feltöltések összevetése Forgódugattyús gépek

Belső sűrítés

Spirálfeltöl tő

Radiálkompressz or

Roots-fúvó

Csavarkompresszor

Wankel Ro-feltöltő

Spirálfeltöltő G-feltöltő

Radiálkompresszor

Nincs

Van

Van

Van

Van

Felépítés bonyolultsága

Hatásfok Zaj Nyomásviszony

2016.07.11.


45

Kétlépcsős feltöltés mechanikus- és turbófeltöltővel • VW TSI

Friss levegő belépés

Roots-fúvó

Szűrő A feltöltő szíjhajtása

Pill. szelep

Bypass Szívócső

Tengelykapcsol ó

Levegő hűtő

Kiegészítő szíjhajtás Főtengel y

Kipufogócső

Waste gate

Katalizátor

Turbótöltő Bypass Kipufogás

2016.07.11.


46

Comprex feltöltés

2016.07.11.


47

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Recommend Documents