Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 4. Előadás Töltetcsere

2016.05.10.

Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna

Áramlástani ismeretek Bernoulli-törvény: – egy adott közeg áramlása során, az áramvonal mentén a különböző energia összetevők összege állandó. – A közeg nyomását két komponensre, statikus és dinamikus nyomásra bontjuk, így azt a két komponens összege fogja meghatározni. Az energia-megmaradás értelmében, az egyik változása a másik értéket úgy befolyásolja, hogy az összegük ne változzon. Tehát, ha az egyik érték csökken, a másik komponens értéke nőni fog, így a közeg össznyomása mindvégig változatlan marad.

2016.05.10.


2

Áramlástani ismeretek • Statikus nyomás: F nyomóerő és A felület hányadosa, irányfüggetlen (izotróp) és skalár mennyiség • Dinamikus nyomás: (sebesség- vagy torlónyomás) a közeg sebességéből származik, irányfüggő 1 mennyiség p    v2 din

• Hidrosztatikai nyomás: 2016.05.10.

2

p    g h


3

Áramlástani ismeretek • Hidrosztatikai nyomás: a nehézségi erő miatt a közegek belsejében mért nyomás értéke a felszíntől h mélységben: p    g  h • 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 2016.05.10.


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 2016.05.10.


5

Áramlástani ismeretek

2016.05.10.


6

Áramlástani ismeretek

2016.05.10.


7

Áramlástani ismeretek • Bernoulli-egyenlet összenyomhatatlan közegre (folyadékok) v2  g  h   áll .  2 p

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

ahol Ψ az egységnyi tömegre eső helyzeti energia 2016.05.10.


8

Áramlástani ismeretek • 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 2016.05.10.


9

Áramlástani ismeretek • A kritikus sebesség elérésekor a fúvóka utáni változás nem képes visszahatni a torok előtti áramlásra, mert a nyomáshullámok nem képesek visszafelé haladni, mivel a gázsebesség azonos a hangsebességgel • Az áramlás sebességének továbbnövelése azonban így is lehetséges, Laval fúvóka alkalmazásával 2016.05.10.


10

Áramlástani ismeretek • Laval-fúvóka: homokóra formájú csőszakasz. – összenyomható gázok sebességének növelésére használják

• Kis sebességnél a gázok viselkedése az összenyomhatatlan folyadékokéhoz hasonlóan Bernoulli-egyenlettel írható le • Nagy sebességnél nem hanyagolható el az összenyomhatóság, itt az energia egyenletet alkalmazzuk 2016.05.10.


11

Áramlástani ismeretek • Először gőzturbinákon alkalmazták, ma a rakétahajtóművek fontos kelléke • A szűkülő-bővülő keresztmetszet lehetővé tette a hangsebességnél gyorsabb áramlást 2016.05.10.


12

Motorok - Töltetcsere Töltetcsere: – A belső égésű motor működéséhez szükség van egy pontosan szabályozott, ún. töltetcsere folyamatra. – A töltetcsere során eltávolítjuk a hengertérből a maradék gázokat (kitolás, öblítés), majd új, megfelelő minőségű és mennyiségű friss töltetet juttatunk a helyére (szívás).

2016.05.10.


13

Motorok - Töltetcsere – A szívóütem: a szívószelepek (csatornák) nyitása és a levegő, vagy levegő-tüzelőanyag keverék beszívása az égéstérbe – A kipufogóütem: a kipufogószelepek (csatornák) nyitása és a kipufogógázok kitolása a hengertérből

2016.05.10.


14

Fogalmak - ismétlés • Elméleti töltet a hengerben: 𝑚𝐿𝑡ℎ=𝜌*𝑉ℎ • Ténylegesen bejuttatott töltet • Légnyelés: szívási ütem alatt a szívócsövön ténylegesen beáramló töltet és az elméleti töltet aránya • Töltet: szelepek zárása után a hengerben maradt levegő (+tüzelőanyag) • Töltési fok: a valós és az elméleti töltet aránya – Megmutatja, hogy az elméleti töltetnek mekkora része maradt a hengerben a szelepek (csatornák) zárása után (2T esetén fontos jellemző) 2016.05.10.


15

Töltetcsere • A ténylegesen bejuttatott töltet külső keverékképzésű motoroknál az adott ütemhez szükséges tüzelőanyag mennyiséget is tartalmazza • Kétütemű motoroknál fontos jellemző volt a tényleges töltet és a bejuttatott töltet aránya

2016.05.10.


16

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

• Vezérlés módja szerint: – Közvetlen – Közvetett – Kombinált 2016.05.10.


17

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

• A szelep állása szerint: – Állószelepes vezérlés – Függőszelepes 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 2016.05.10.


18

A szelepvezérlés elrendezései

SV (Side Valve) alul vezérelt, oldalt szelepelt /állószelepes/

2016.05.10.


19


OHV (Overhead Valve) alul vezérelt, felül szelepelt

2016.05.10.


20


OHC (Overhead Camshaft) felül vezérelt, felül szelepelt

2016.05.10.


21


DOHC (Double Overhead Camshaft) két vezérműtengelyes, felül vezérelt, felül szelepelt

2016.05.10.


22

A szelepvezérlés elrendezései CIH (Camshaft in Head) • Az OHV és az OHC vezérlések ötvözete. A vezérműtengely már a hengerfejben, a szelephimbához közel helyezkedik el, de még

nincs közvetlen kapcsolatban vele. • A közvetítő elem egy hidraulikusan kiegyenlíthető emelő, amely lehetővé teszi a

folyamatos szelephézag kiegyenlítést. • Az elrendezéssel mérsékelni tudták a mozgó tömegerőket, viszont a vezérműtengely és az

emelő közvetlen kapcsolata miatt hátrányos konstrukciónak bizonyult.

2016.05.10.


23

Töltetcsere – kipufogóütem • A kipufogószelep nyitásakor a hengerben és a kipufogócsőben lévő nyomás aránya sokszor a kritikusnál nagyobb, ekkor a kezdeti fázisban az égéstermékek hangsebességgel áramlanak ki. • A kiáramlási keresztmetszet fokozatosan nagyobbodik A henger nyomásesése is fokozatos

2016.05.10.


24

Töltetcsere – kipufogóütem • A kipufogás kezdeti fázisa nyomáseséssel jár • A kipufogócsatornában nyomáshullám keletkezik, amely nagysága a csatorna 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 emelkedhet

2016.05.10.


25

A kipufogás nyomáslefutása

2016.05.10.


26

Töltetcsere - szívóütem • A hengerben gyors nyomáscsökkenés lép fel, amely hatására a szívócsőben lévő nagyobb nyomású térből beáramlik a friss töltet az égéstérbe. • A beszívott levegő hőmérséklete a melegebb motoralkatrészek hatására megnő, ezért kitágul. A lecsökkent sűrűség következtében csökken a henger töltési foka is. 2016.05.10.


27

A motor szelepnyitási diagramja

2016.05.10.


28

Szelepkeresztmetszetek hatása Különböző áramlási sebességek a szívószelepen és a szívószelep időzítésének hatása a teljesítményre Áramlási sebességek azonos szelepnyitási szögnél:

Szívószelep-időzítések hatása a motor teljesítményére:

Változó szelepvezérlésre van szükség ahhoz, hogy minden fordulatszámon ideális legyen a motor töltési foka. 2016.05.10.


29

Hengernyomás [bar]

Hengernyomás [bar]

Töltetcseréhez szükséges befektetett munka különböző fordulatszámon

Hengertérfogat [cm3]

2016.05.10.


30

Henger-, kipufogó- és szívócsatorna nyomások a szelepemelés függvényében

2016.05.10.


31

Henger-, kipufogó-és szívócsatorna nyomások a szelepemelés függvényében

2016.05.10.


32

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

2016.05.10.


33

Szívórendszer felépítése • • • • • • •

Levegőszűrő Légmennyiségmérő Vezetőcső Pillangószelep Levegő elosztó Lengőcső Szívócsatorna/szívószelep

2016.05.10.


34

Szívórendszerek • A változtatható szívórendszerek különféle kivitelűek lehetnek • Hasznosítják a szívórendszerben fellépő hullámjelenségeket a töltési fok javítására – Rezonanciafeltöltés – Lengőcsőfeltöltés – Kapcsolt lengőcső- és rezonanciafeltöltés – Kombinált feltöltés (rezonancia- és turbófeltöltés) – Légütemszelep 2016.05.10.


35

Rezonanciafeltöltés • Állóhullám létrehozása a gázoszlop sajátfrekvenciáján • Kellékei: rezonanciatartály és rezonanciacső

Kettős, vagy összetett rezonanciarendszer

• Előnyösen használható 3-6-12 hengeres motoroknál (240°-os elékelés), más esetben összetett rezonancia rendszer szükséges 2016.05.10.


36

Lengőcsőfeltöltés Szívási depresszió által a nyitott csővégről visszaverődő túlnyomás létrehozása a szívószelepzárás előtt.

2016.05.10.


37

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

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

2016.05.10.


38

Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés • Szakaszos szívócsőhossz, szívókeresztmetszet, vagy folyamatos szívócsőhossz változtatás • Kétszakaszos szívócsőhossz változtatás

2016.05.10.


39

Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés

• Négyszakaszos szívócsőhossz változtatás

2016.05.10.


40

Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés • Effektív szívókeresztmetszet változtatás

2016.05.10.


41

Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés

• Folyamatos szívócsőhossz változtatás

2016.05.10.


42

Kapcsolt feltöltés • Soros hathengeres motoroknál

2016.05.10.


43

Kapcsolt feltöltés • Soros hathengeres – Opel Dual Ram

2016.05.10.


44

Kapcsolt feltöltés • Hathengeres V-motoroknál

2016.05.10.


45

Kapcsolt feltöltés • Hathengeres boxermotornál – Porsche Varioram

2016.05.10.


46

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

2016.05.10.


47

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

• Hátrányai: – Túl rövid átkapcsolási idők szükségesek – Nagy átkapcsolási ciklusszám 2016.05.10.


48

Légütemszelep

2016.05.10.


49

Légütemszelep működési elve

2016.05.10.


50

Légütemszelep

2016.05.10.


51

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

2016.05.10.


52

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

2016.05.10.


53

Töltetmozgások • Primer töltetcsere mozgásnak nevezzük a friss töltet és a kipufogógáz motorba való ki-és bejutását (vagyis magát a töltetcserét) • Szekunder töltetcsere mozgásnak a friss töltet hengerben történő másodlagos mozgását (mozgásait), pl. örvénylését nevezzük

2016.05.10.


54

Töltetmozgások – Perdület (Drall)

2016.05.10.


55

Perdület kialakítása többszelepes motorokban

2016.05.10.


56

Tumble (-bukó) áramlás

2016.05.10.


57

Bukóáramlás kialakítása • Tumble kialakulása a szívószelep nyitásának függvényében

2016.05.10.


58

Bukóáramlás kialakítása

2016.05.10.


59

Bukóáramlás kialakítása

2016.05.10.


60

Kipufogórendszer • Feladata a motor hengereiből a kipufogógáz elvezetése, valamint a működési zaj tompítása • Kipufogórendszer ezen kívül részt vesz a töltetcsere gázdinamikai folyamataiban, a kialakítása és a motor működésének paraméterei függvényében • Általában a kipufogórendszerbe integráljuk a kipufogógáz utánkezeléséhez szükséges elemeket, pl. katalizátor, részecskeszűrő 2016.05.10.


61

Kipufogó rendszer elemei • Leömlő csonk: a motor hengereiből kiáramló kipufogógáz közösítése egy, vagy két csővezetékbe

2016.05.10.


62

Kipufogó rendszer elemei • Lambdaszonda: leömlőcsonkba, vagy a csővezetékbe csavarozva • Flexibilis csőtag

• Katalizátor

2016.05.10.


63

Kipufogó rendszer elemei • Hangtompító dobok • Végdob

• Csatlakozó elemek

2016.05.10.


64

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

2016.05.10.


65

Rezonátor kipufogó (2 ütem) • A különböző fázisban visszaverődő szívó- és nyomáshullámok segítik a töltetcserét • Hátránya, hogy csak szűk fordulatszám tartományban működik

2016.05.10.


66

Rezonátor kipufogó (2 ütem) • Részei: – Leömlő – Diffúzor – Konfúzor – Dob, vagy hangtompító – Power szelep

2016.05.10.


67

Power szelep felépítése és működése • Feladata: Kipufogó csatorna keresztmetszetének változtatása a fordulatszám függvényében

2016.05.10.


68

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Recommend Documents