Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 11. Előadás Turbó, kompresszor hatásfoka, hűtése

2016.07.16.

Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna

Jelölés

-

2016.07.16.

Nem törzsanyag


2

Feltöltők hatásfoka A feltöltők elméletileg izentrópikus kompresszióval működnek, ez azt jelenti, hogy az entrópia nem változik. Ennek az izentrópikus hatásfoka: Exergia: Az energia azon része, ami más energiává alakítható Anergia: Ami nem alakítható más energiává Energia = Exergia + Anergia 2016.07.16.


3

Elméleti és valós sűrítés T Izentrópikus sűrítés munkája Politrópikus plusz munka Súrlódáshő 2

p2 2v isent

p1 p1’

1 1’

s 2016.07.16.


4

Elméleti és valós sűrítés Izentróp eset 12i: Politróp eset 12p : ahol - Sűrítő hűtésére jellemző szám értéke: 1,04-1,10 Tehát nagyobb sűrítési nyomás nagyobb hőmérsékletet okoz, ami nagyobb entrópiával jár és kisebb sűrűségű levegő fog a motorba jutni! 2016.07.16.


5

Mechanikus feltöltők (kompresszorok) hatásfoka Mivel a mechanikus feltöltő nem a motor veszteségéből dolgozik, hanem többnyire a motor forgattyús tengelyéről kapja a hajtást, így a motor hatásfokától függ a feltöltő hatásfoka is: ηm~ηf A többlet teljesítmény akár 15%-a a kompresszor hajtására fordítódik. A kompresszoros motor ezért is többet fogyaszt szívómotoros kivitelénél. 2016.07.16.


6

Mechanikus feltöltők (kompresszorok) hatásfoka Az ábrából jól látszik, hogy a fordulatszám növekedésével nem egyenes arányban növekszik a motor középnyomása, tehát a hatásfoka sem állandó. A mechanikus feltöltők közepes fordulatszámon a leghatékonyabbak. Mechanikusan Alacsony fordulatszámon nagy a résveszteség, így alacsony a hatásfok. Illetve magas fordulaton sem jó hatásfokúak. 2016.07.16.

feltöltött motor Szívó motor


7

Turbófeltöltő hatásfoka (sűrítő oldal) 1

2

2016.07.16.


8

Kompresszor nyomásviszony

Turbófeltöltő hatásfoka (sűrítő oldal)

Térfogatáram

A kompresszor belépő és kilépő oldalán lévő nyomás hányadosának növelésével növekszik a bevitt levegő mennyisége 2016.07.16.


9

Turbófeltöltő hatásfoka (sűrítő oldal)

2016.07.16.


10

Turbófeltöltő hatásfoka (turbina oldal) 3

4

2016.07.16.


11

Turbina tömegáram

Turbinahatásfok [-]

Turbófeltöltő hatásfoka (turbina oldal)

Turbina nyomásviszony 2016.07.16.


12

Turbófeltöltő hatásfoka (turbina oldal)

2016.07.16.


13

Ahol ηm=ηmT+ηmV ṁ= tömegáram cp= fajhő Abg= kipufogógáz L= levegő

Kompresszor nyomásviszony p2/p1 [-]

Turbófeltöltő hatásfoka

ηges*T3/T1 =2,5

Turbina nyomásviszony p3/p4 [-]

2016.07.16.


14

Kompresszor nyomásviszony (p2/p1)

Turbófeltöltő hatásfoka

Tömegáram

Turbina keresztmetszet

Turbina nyomásviszony (p3/p4)

2016.07.16.


15

Példák turbófeltöltésre Példa: p₁= 1bar T₁=293K (20°C) πv=p₂/p₁=2,5 μsV=0,85 T₂=371K (98 °C) T₃=313K (40°C)

Motor

ρ₂ [kg/m³]

Középnyomás

Szívómotor

1,19

100%

Feltöltött motor

2,23

187%

Feltöltött motor visszahűtéssel

2,78

234%

2016.07.16.


16

Töltőlevegő visszahűtés

2016.07.16.


17

Töltőlevegő visszahűtés Előnyei Otto-motornál: • Fajlagos teljesítmény megnő • Csökken a kopogási hajlam • NOx emisszió csökken az alacsonyabb hőmérsékletű levegő miatt

2016.07.16.


18

Töltőlevegő visszahűtés Előnyei Diesel-motornál: • NOx emisszió csökken az alacsonyabb hőmérsékletű levegő miatt • Tüzelőanyag fogyasztás csökken a szívómotorhoz képest a nagyobb légfelesleg miatt, ami jobb politróp kitevővel jár • Motor termikus terhelése csökken • Fajlagos teljesítmény megnő 2016.07.16.


19

Turbófeltöltő hatásfoka visszahűtéssel Az előző táblázat is mutatja, hogy a visszahűtött levegővel nagyobb teljesítmény érhető el. Ez köszönhető a levegő kisebb hőmérséklet értékének, ahogy a diagram is mutatja. Kisebb hőmérsékletű és entrópiájú levegő nagyobb teljesítményt okoz 2016.07.16.


20

Lépcsős feltöltés visszahűtéssel Hőmérséklet

Magasnyomású feltöltő után visszahűtés nélkül

A köztes hűtés jóvoltából megtakarított munka

Magasnyomású feltöltő

Magasnyomású feltöltő után Alacsony nyomású feltöltő után

Visszahűtő

Alacsonynyomású feltöltő

Magasnyomású feltöltő előtt

Alacsonynyomású feltöltő előtt

nyomásveszteség a hűtés jóvoltából

Entrópia 2016.07.16.


21

Mechanikus feltöltő visszahűtése LadeLuft Kühler Töltőlevegő visszahűtő

A való életben általában a fojtószelep a kompresszor után van és nincs Bypass kör

Hűtés hatásfoka:

Feltöltő

Fojtószelep

2016.07.16.


22

Töltőlevegő hűtés Típusok: • Levegő – levegő hűtők • Levegő – folyadék hűtők • Kettő kombinálása

2016.07.16.


23

Töltőlevegő hűtés Levegő-levegő

Levegő-folyadék Motor hűtőkörén

Levegő-folyadék Saját hűtőkör

Kombinált hűtés

- Leggyakrabban alkalmazott megoldás -Olcsó és megbízható - Elhelyezése a motorban menetiránytól függő - Nagy hűtőtömb alkalmazása

-Motortérben való kialakítása kevesebb problémával jár - Kisebb hűtőtömb alkalmazása - Motor hűtőkör miatt, nem olyan jó a visszahűtés - Hatékonyabb a levegő – levegő rendszernél

-Hatékonyabb hűtés, mivel külön hűtőkör van kialakítva - Emiatt drágább és bonyolultabb a kivitelezése

-Legdrágább és legbonyolultabb megoldás, ellenben a legjobb hűtést biztosítja is egyben - Csak versenysportban alkalmazzák

2016.07.16.


24

Töltőlevegő hűtés Hűtés hatásfoka: Φ=ΔThűtő/ΔTkomp , ahol ΔThűtő a töltőlevegő tényleges hőmérséklet csökkenése a hűtőben, ΔTkomp a belépési hőmérséklet és a környezeti levegő hőmérsékletének különbsége Levegő - levegő hűtőknél: 40-80% Levegő - folyadék (motorhűtésbe integrálva ): <50% Levegő - folyadék hűtőknél (saját hűtőkör): 80%

2016.07.16.


25

Töltőlevegő hűtés Töltőlevegő sűrűségének változása: Δρ=Tbe/Tki-1, ahol Tbe és Tki a hűtőbe belépő és kilépő levegő hőmérséklete Példa: belépő levegő hőmérséklete 363K (90 °C), kilépő hőmérséklete 313K (40°C) Δρ=363/313-1=0,16  16% több levegő kerül a motorba. Ez majdnem 16% teljesítménynövekedést fok okozni a hűtetlen levegőhöz képest 2016.07.16.


26

Levegő – levegő hűtés • A töltőlevegő hűtése a környezeti levegővel • A visszahűtés maximális értéke a környezeti hőmérséklet +15°C • Jó szerkezeti kialakításúak nagy felülettel és kis mélységgel rendelkeznek • Ajánlott méretek: 30-50mm, 3-80 dm² • Hőleadás szempontjából  nagy érintkező felületek • Nyomásvesztés szempontjából  rövid, nagy keresztmetszetű hűtők. A kettő kompromisszuma hozza a legjobb eredményt 2016.07.16.


27

Töltőlevegő átáramlási útja Egy irányú

- Kis nyomásesés 2016.07.16.

Két irányú

- Jobb hőleadás - Kompakt Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna

28

Hatásfok 

Hűtőtömb mélysége

Jó kivitel

Rossz kivitel

Hűtőtömb vastagsága 

2016.07.16.


29

Levegő – folyadék hűtők Előnye: • Előnyösebb kialakítás  kisebb nyomásesés • Folyadékoldalon hatékonyabb hővezetés  kisebb méretkisebb térfogatkisebb késedelem • A folyadék vezetése iránya szabadon választható • Motortér szabadabb kialakítási lehetősége, mivel kisebb a hűtő és a hűtőfolyadék vezetése kevésbé problematikus 2016.07.16.


30

Levegő – folyadék hűtők Hátránya: • A hűtés két lépcsőben történik, a levegő és a folyadék hűtésnél (ΔT!) • Külön hőcserélő kell a szekunder rendszer(hűtőfolyadék) hűtésére • Komplett rendszer csak magas költségek árán kivitelezhető

2016.07.16.


31

Kialakítások (önálló hűtőkör) Hűtő folyadék

Turbófeltöltő töltőlevegő

2016.07.16.


32

Kialakítások (motor hűtőkörébe integrált rendszer)

töltőlevegő 2016.07.16.


33

Kialakítások (kombinált hűtés)

2016.07.16.


34

Kialakítások

2016.07.16.


35

Irodalomjegyzék • Dr. Kováts Miklós – Turbófeltöltés alkalmazása járműmotoroknál • Dr. Németh Huba – Gépjárműmotorok 2 • Klaus von Rüden – Beitrag zum Downsizing von Fahrzeug-Ottomotoren

2016.07.16.


36

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Recommend Documents