Přeplňované spalovací motory - termodynamické principy, regulace, zvyšování účinnosti
Richard Matas
TATO PREZENTACE JE SPOLUFINANCOVÁNA EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Obsah • • • • •
Úvod Základy přeplňování Druhy dmychadel Regulace přeplňovaných PSM a technicky zajímavé systémy přeplňování Závěry, diskuse
2/58
Úvod • pístové motory zážehové a vznětové – velmi rozšířené • • •
pracovní stroje v dopravě, v energetice a v dalších oborech, významný zdroj energie a spotřeby paliv spalování probíhá přerušovaně při vysokých tlacích a teplotách uvnitř motoru a energie získaná z paliva se přeměňuje přímo na mechanickou práci nevýhody - vznikající vysoké emise a složitější mechanická konstrukce, nutno používat vysoce kvalitní palivo a také mazací oleje a různé filtry výhody - okamžitá pohotovost k provozu a možnost okamžité změny výkonu, regulace snadná
3/58
Spalovací motory v dopravě • zatím nejrozšířenější způsob pohonu dopravních • • • • • •
prostředků současné motory – výkonové a emisní parametry, jejichž dosažení bylo ještě před nedávném nemožné dáno – cenou paliv, legislativou atd. paliva – velmi důležitá otázka, možná klíčová posun od kapalných paliv k biopalivům a plynným palivům biopaliva – kontroverzní plynná paliva – horší infrastruktura, problematičtější nádrže, ale lepší vlastnosti z hlediska spalovacího procesu 4/58
Spalovací motory v energetice • vhodné zejména o výhodné využití kogeneračních a • • • •
trigeneračních jednotek nejde o konkurencí "turbínové kogenerace", ale její vhodný doplňek využívají se i takové zdroje energie, jako jsou bioplyny (skládky TKO, čistírny odpadních vod, bioplynové stanice), ale i např. důlní plyn moderní koncepce a konstrukce strojů, široká škála nasazení, nejen co do různorodosti jednotlivých aplikací, ale i výkonové škály lze efektivně a konkurenceschopně dosahovat až: - 30 MW elektrického výkonu - 35 MW tepelného výkonu - 25 MW chladícího výkonu (ve vazbě na absorpci) 5/58
1. Základy přeplňování
6/58
Skutečné diagramy a charakteristiky motoru (I) • skutečné diagramy se od teoretických liší - proces ve
skutečném motoru neprobíhá ideálně, ale je ovlivněn ztrátami a technickými a termodynamickými omezeními
Idealizovaný a skutečný oběh čtyřdobého vznětového motoru 7/58
Skutečné diagramy a charakteristiky motoru (II) • pístové motory - charakterizovány řadou veličin, zde uvedeny •
• •
jen některé základní kompresní poměr
VZ + V K ε= VK
VZ je zdvihový objem a VK objem kompresní v oboru spalovacích motorů určujeme veličiny indikované, tedy odpovídající stavu na horní ploše pístu a veličiny efektivní, tedy pro stav na výstupní hřídeli motoru další důležitou veličinou - střední indikovaný tlak na píst pi
Wi pi = Vz
Wi je indikovaná práce skut. oběhu 8/58
Skutečné diagramy a charakteristiky motoru (III) • na hřídeli potom motor charakterizuje střední efektivní tlak pe, •
který je snížen o mechanické ztráty motoru a platí pe=pi.ηm, kde ηm je mechanická účinnost mech. účinnost – charakterizuje mech. ztráty - nezáv. na zat. motoru (pohon agregátů, třecí ztráty rotačních sil, pohon rozvodového ústrojí, vent. ztráty) - záv. na zat. motoru (třecí ztráty závislé na tlaku nad pístem, pohon plnícího agregátu u mech. dmychadel) - spojené s výměnou obsahu válců (od záporné práce u nepřeplňovaných motorů až po práci kladnou u motorů přeplňovaných) 9/58
Výměna obsahu válců
Diagram výměny obsahu válců pro přeplňovaný a nepřeplňovaný motor
• důležitá veličina – dopravní účinnost ηd - význam vynikne
právě u přeplňovaných motorů, kde výměna obsahu válců je odlišná oproti motorům nepřeplňovaným 10/58
Skutečné diagramy a charakteristiky motoru (IV) • efektivní výkon motoru možno vyjádřit různými způsoby, např.
1 W η ⋅ Qp n = = = η ⋅ mp ⋅ Hu = i ⋅ V ⋅ Z ⋅ pe ⋅ Pe = M ⋅ ω = M ⋅ 30 30 tc tc τ τ n
π ⋅n
M - točivý moment, w - úhlová rychlost, n - otáčky motoru, W - práce motoru za jeden cyklus, Qp - přivedené teplo, tc čas jednoho cyklu, h - účinnost, mp - množství paliva, Hu výhřevnost paliva, i počet válců spalovacího motoru, VZ zdvihový objem jednoho válce, t - otáčkový činitel (pro dvoudobý motor τ=1, pro čtyřdobý τ=2) 11/58
Důvod přeplňování • z uvedeného vyplývá -> jedinou veličinou, jíž je možno •
•
•
zvýšit výkon motoru přeplňováním, je pe. lze uskutečnit spálením většího množství paliva, ze kterého se uvolní větší množství energie, které pro dokonalé spálení vyžaduje větší množství dodaného vzduchu, což zajistíme právě přeplňováním přeplňováním - získáme z pracovního oběhu větší množství mechanické práce při vysoké účinnosti přeměny, sekundárně jsme schopni zvyšovat přebytek vzduchu ve válci motoru k regulaci teplot a ke snížení emisí dále možno přeplňováním zlepšit otáčkovou a momentovou pružnost motoru a zmenšení zastavěného objemu
12/58
Přeplňování • princip přeplňování znám již od konce 19. století • v současné době přeplňovány: - čtyřdobé vznětové motory - zážehové motory - dvoudobé motory vznětové (většinou stacionární a lodní)
• způsoby přeplňování: -
mechanické turbodmychadly kombinované inerční náporové
13/58
Mechanické přeplňování (I) • indikovaná práce motoru sestává z vysokotlaké části oběhu a z práce výměny obsahu válců
Ai = ∫ p.dV + ( p s + p o ).V = Ai1 + Ai 2
Idealizovaný p-V diagram přeplňovaného motoru
14/58
Mechanické přeplňování (II) • podobným způsoben lze přistoupit k celkovému •
indikovanému tlaku pi=pi1+pi2 a teoretické účinnosti ηt= ηt1+ ηt2 ηt1 lze teoreticky stanovit, pro smíšený oběh platí:
η t1 = 1 −
1
ε κ −1
ϑ ⋅ β κ −1 ⋅ ϑ − 1 + κ ⋅ ϑ ⋅ (β − 1)
• a dále pro účinnost práce výměny obsahu válců p0 rT1 ε −1 ⋅ λ ⋅ Lt ⋅ 1 − ηt 2 = ε χH u p s
• kde κ je součinitel zvýšení hmotnosti náplně v důsledku •
vstřiku paliva při mechanickém přeplňování je pro pohon dmychadla odebíráno asi 10% efektivního výkonu motoru
15/58
Přeplňování turbodmychadly (I) • dnes nejčastější způsob • mezi turbodmychadlem a motorem pouze termodynamická •
vazba výfukový systém možno uspořádat: - pro provoz pulzační neboli impulsní (převládá u vozidlových motorů, obecně vhodnější u dvoudobých motorů) - pro provoz rovnotlaký (vhodné zejména pro stacionární a lodní motory, je jednodušší) - s měničem pulsací
16/58
Přeplňování turbodmychadly (II) -
komprese v dmychadle (D1-D2, v případě bez mezichlazení D1’-D2’) odvod tepla v mezichladiči (D2-1) komprese v motoru (1-2) přívod tepla při V=konst. (2-3) přívod tepla při p=konst., expanze v motoru (4-5) odvod tepla z válce motoru při konstantním objemu (5-1) expanzní práce, jež se přemění na kinetickou energii a dále na vnitřní energii při izobarickém nárůstu teploty; Qe=c´p(TT1’-TT1) (5-T1-6-5) práce v turbíně při impulzním provozu (12-T1-T2-11-12) práce v turbíně při rovnotlakém provozu (12-T1’-T2‘-1112) práce dmychadla bez mezichladiče (13-D2’-D1‘-10-13) práce dmychadla s mezichladičem (13-D2-D1-10-13) odvod tepla v mezichladiči (D2-D2’)
Idealizovaný p-V diagram TD přeplňovaného motoru
17/58
Přeplňování turbodmychadly (III) • je vhodné zavést
εM
V5 = V2
εD =
VD1' V → ε c = ε M ⋅ ε D ⋅ D1' V5 V2
• motor s turbodmychadlem pak možno charakterizovat poměrným stlačením v dmychadle
• dále poměrnou expanzí v turbíně
pD2 πD = p D1
pT 2 πT = pT 1
• pro případy s mezichladičem i stupněm ochlazení plnícího vzduchu V1 ω CH = VD 2 18/58
Přeplňování turbodmychadly (IV) • opět platí (při vynechání práce turbíny a dmychadla), že práce je dána součtem Ai = Ai1 + Ai 2 Ai 2 = ( p D 2 − pT 1 ) ⋅ (V1 − V2 ) • a celková účinnost opět ηt= ηt1+ ηt2 • pro účinnost ηt2 pak platí vztah pv ε M − 1 r ⋅ T1 ηt 2 = ⋅ (λ ⋅ Lt + 1) ⋅ 1 − pD2 ε M κ ⋅ Hu • nebo (pro rovnotlaký provoz)
εM ε M −1 κ −1 ⋅ T0 .cv (λ ⋅ Lt + 1) ⋅ ηt2 = ε M Hu εC
κ n
ε ⋅ C ε M
κ
p v − p0
• z výše uvedených vztahů a dalších předpokladů možno pro
různé podmínky stanovit hodnotu optimálního stlačení pro dosažení optimální účinnosti 19/58
2. Druhy dmychadel
20/58
Rootsovo dmychadlo I. • Patentováno roku 1860
• Použito k přeplňování roku 1900
• Vnější komprese • Π=2 • Původně 2 „zuby“,
v současnosti většinou 3 (existují i čtyřzubá provedení) 21/58
Rootsovo dmychadlo II. • Charakteristika • Současná •
provedení Tvary rotorů dmychadel
22/58
Lysholmovo dmychadlo • Poprvé použito 1940 • Vnitřní stlačení • Vyrábí IHI – používá AMG – úpravce Mercedes
23/58
G-dmychadlo • Francouzský vynález • Nízká hmotnost • Nároky na výrobu • Rychlá změna plnícího tlaku
• Používáno na některých vozech VW
24/58
Odstředivé dmychadlo • Nízká hmotnost • Malé rozměry • Použití spíše pro elektrocetrály
25/58
Turbodmychadlo I. • Využití energie • • •
výfukových plynů Nízká hmotnost Malé rozměry „Turboefekt“
26/58
Turbodmychadlo II. • Uspořádání v systému motoru
27/58
Turbodmychadlo III.
Příklady charakteristik turbodmychadel
28/58
Kompaudní přeplňování • 1980 Scania • 2 turbíny • Výkonová turbína n=50000 1/min
• M a P vyšší • Nižší spotřeba paliva • Složité 29/58
3. Regulace přeplňovaných PSM a technicky zajímavé systémy přeplňování
30/58
• současnost - dobou prudkého rozvoje elektronické •
• • • •
regulace spalovacího motoru, syst. dále rozvíjeny (podstatné rozšíření jeho užitných vlastností) u vozidlových motorů se regulace plnicích agregátů využívá - ke zvýšení efektivního výkonu, točivého momentu a snížení spotřeby paliva - k získání maximální pružnosti a tím i schopnosti akcelerace přeplň. motorů změna otáčkové charakteristiky pístového spalovacího motoru se v současné době provádí především: 1) rezonančním přeplňováním (plněním) 2) jednostupňovým regulovaným turbopřeplňováním 3) dvoustupňovým regulovaným turbopřeplňováním 31/58
• rezonanční plnění - dává v rezonanční oblasti relativně
• •
malé zvýšení plnicího tlaku ∆ppl = 15 - 30 kPa a tudíž i výkonu motoru o 10 až 35% - tento způsob se zpočátku rozšířil především pro vyrovnání parametrů motoru při montáži katalyzátoru hlavním nástrojem – regulované turbopřeplňování regulací turbíny turbodmychadla lze dosáhnout: - maxima točivého momentu a to již při nízkých otáčkách motoru - výrazné zvýšení jeho akceleraceschopnosti
• hlavní omezující faktory: - maximální spalovací tlaky a teploty - teploty spalin před turbínou - u zážehových motorů - detonační spalování 32/58
REZONANČNÍ PLNĚNÍ • založeno na ladění délek rezonančních trubek tak, aby sáním motoru • • • • •
buzená frekvence kmitů ω se při rezonanci rovnala vlastní frekvenci vzduchového sloupce v rezonanční trubce ωi při rezonanci dostáváme maximální amplitudy tlaku ∆p, které využíváme k plnění válce ladí se na nejsilnější 1. harmonickou složku kmitů jen v případě, kdy jednou rezonanční trubkou chceme zvýraznit více oblastí otáčkové charakteristiky, využívá se i 2. harmonické předpokládá se širší uplatnění této techniky přeplňování použítí – AUDI, Peugeot, (např.: P607 – motor ZVJ4 3.0 – 123 kW), BMW (3.0 - 90 kW/6650ot.300 Nm/2500–4000 ot.
33/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ODPOUŠTĚNÍM VÝFUKOVÝCH PLYNÚ PŘED TURBÍNOU (I)
• v současné době spíše ústup metody - na hranici p i T – omezení zvyšování parametrů • použití při optimalizaci TD pro nízké otáčky u všech typů motorů • zhoršuje se však ekonomie ve vyšších otáčkách v důsledku zvyšujících se ztrát vznikajících odpouštěním výfukových plynů • velmi rozšířená metoda u VM i ZM, používá řada výrobců
34/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ODPOUŠTĚNÍM VÝFUKOVÝCH PLYNÚ PŘED TURBÍNOU (II) obtok
odpouštěcí klapka
• EMV – elmag. ventil • pM – tlak na membránu
odpoušť. ventilu, ovládá klapku obtoku • změnou tlaku pM lze modelovat průběh p2K = ppl podle potřeb charakteristiky motoru
• při hmotnostním toku kompresorem mK a hmotnostní spotřebě paliva Mp platí následující tvar rovnice kontinuity: • z rovnice je patrné, že jestliže mK > mT, nehledě na účinnosti, musí být celkový isoentropický spád turbíny HisTc větší, než kompresoru HisKc, který je daný tlakem p2K, proto při zvýšení otáček motoru musí růst tlak p0T a teplota T0T před turbinou - limitující • nahoře a vpravo - provedení regulace na reálném TD
35/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ŠKRCENÍM VÝTLAKU DMYCHADLA • způsob zejména pro přeplňované PSM zážehové, tj. s kvantitativní
regulací výkonu • možno použít i u plynových motorů • škrcení výtlaku se realizuje samostatnou klapkou ovládanou přes mechanismus akčním členem (AČ) v závislosti na velikosti tlaku pD2 plnicího vzduchu, který je současně i pracovním mediem AČ
36/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ODPOUŠTĚNÍM VZDUCHU Z VÝTLAKU DMYCHADLA (I) a) odpouštěním zpět do jeho sání • aby nedocházelo k nadměrnému růstu teploty vzduchu ve výtlaku dmychadla, je vhodnější odpouštění provést až za mezichladičem plnicího vzduchu • realizováno např. u plynových motorů (LIAZ a další)
37/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ODPOUŠTĚNÍM VZDUCHU Z VÝTLAKU DMYCHADLA (II) b) odpouštěním do výfukového potrubí před turbinou • použití při optimalizaci TD pro oblast Pej zejména u VM • odpouštěním části plnicího vzduchu klesne protitlak ve výtlaku D, klesne potřebný příkon D, tím vzroste dodávka vzduchu a vzroste výkon T, tím dodávka vzduchu z D a plnicí tlak • výsledkem je zvýšený průtok nejenom T, ale i motorem, což umožní zvýšit dodávku paliva a tím i výkon motoru
38/58
KOMBINOVANÉ PŘEPLŇOVÁNÍ • využití dynamických účinků příslušným způsobem upraveného plnicího • • • • •
potrubí přeplňovaného motoru zejména v rezonanční oblasti při vhodném naladění systému se docílí vyššího naplnění válců v určité pracovní oblasti motoru, což skýtá možnost zlepšení jak provozních, tak i výkonových parametrů motoru opatření zlepšující vlastnosti normálně přeplňovaného motoru ústav Autokut v Maďarsku – prof. Czer, patentováno při výpočtu se uplatňuje se analogie s kmitáním elektrických obvodů umožňuje naladění na určitou oblast provozu motoru Vv - vyrovnávací nádoba; minimálně Vv = 1,5.VM lr – délka rezonanční trubky; lr > 8.dr; průměr dr dán skutečností, že průřez Sr se volí zpravidla tak, aby vmax = 60 m/s Vr - objem rezonanční nádoby do které mohou ústit max. 4 válce Vr = (0,5 ÷ 10).VM lp - plnicí potrubí, co nejkratší a má platit lp < k / nM , kde k je konstanta závislá na provedení motoru a uspořádání systému, kupř. pro 6-ti válcový motor při napojení 3 válců do jedné Vr je k = 1500 1/min
39/58
SYSTÉM HYPERBAR • regulace obtoku vzduchu mimo válec motoru z výtlaku dmychadla do výfukového potrubí před turbínu • umožňuje výrazné zvýšení výkonu turbíny tím, že je před ní vřazena spalovací komora využívající tento vzduch z obtoku k dalšímu spálení paliva a tím ke zvýšení energie výfukových plynů vstupujících do turbíny • lze tak dosáhnout vysokých plnicích tlaků a tedy i výkonu motoru • aby maximální spalovací tlaky nepřesáhly přípustné hodnoty je nutné používat nízkých kompresních poměrů motoru řádově jen ε = 6 ÷ 8; poměrné stlačení v kompresoru πD = 5 ÷ 6; čemuž odpovídá εD = 3,2 ÷ 3,6 a dosahovaný střední efektivní tlak je až pe = 3 MPa - nízké ε motoru neumožňuje startování - rozběh TD elektromotorem, po dosaž. dost. tlaku a teploty plnicího vzduchu se tento vede i do motoru a provede se startování - horší ekonomie, složité - použití např. tank AMX Leclerc (F) 40/58
SÉRIOVÉ VŘAZENÍ MECHAN. DMYCHADLA (I)
• v oblasti nízkých provozních otáček dochází navíc s růstem dopravovaného množství i ke zlepšování ηise, což celý efekt dále umocňuje • tento systém je tedy vhodný pro: - oblast nízkých provozních otáček, kdy motor pracuje s malým přebytkem vzduchu - pro provozní režimy, kde dmychadlo pracuje s nižší ηise blízko meze nestability • růst přebytku vzduchu blíže k optimální hodnotě zlepšuje ekonomiku provozu a při dané dodávce paliva roste s λ i pe, a tedy klesá mpe , příčinou je růst indikované účinnosti (zejména chemické) • poměrně perspektivní systém 41/58
SÉRIOVÉ VŘAZENÍ MECHAN. DMYCHADLA (II) • systém použit např. u zážehového motoru VW 1,4 TSI • maximální výkon 125 kW a točivý moment 240 Nm v rozmezí 1750 – 4500 ot./min při kompresním poměru 10,1:1 • obrácené uspořádání TD a MD, doplněno regulační klapkou (twincharger), turbina s obtokem výf. plynů
42/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU NATÁČENÍM ROZVÁDĚCÍCH LOPATEK TURBÍNY • při tomto způsobu regulace plnicího tlaku protéká turbínou stále plný
hmotnostní tok, daný hltností motoru a hmotnostní spotřebou paliva • turbína se navrhuje na maximální hmotnostní tok a optimální geometrie na hmotnostní tok odpovídající přibližně středu regulované oblasti • v důsledku narůstajících třecích a sekundárních ztrát při náběhu vstupujícího proudu na lopatky rotoru dochází na obě strany od optimální výpočtové oblasti ke zvýšení HisTc, ale jen k malým změnám stupně reakce turbíny ρT • regulace se provádí úpravou rychlostního trojúhelníku na vstupu do rotoru turbíny
Turbodmychadlo s natáčivými rozváděcími lopatkami
43/58
KOMBINOVANÁ REGULACE PLNICÍHO TLAKU • snaha snížit tlaky a teploty výf. plynů před turbínou při jejich odpouštění • odpouštěcí klapka b doplněnou směrovou klapkou a pro úpravu víru v rozváděcí skříni a tím i rychlostního trojúhelníku na vstupu do rotoru turbíny • v poloze d směrová klapka vytváří podmínky normální turbínové skříně s regulací jen odpouštěním, v poloze c zvětšuje obvodovou složku rychlosti v bezlopatkové rozváděcí skříni • v kombinaci s odpouštěním se vytváří při této regulaci příznivější stavy plynu před turbínou, než při samotném odpouštění výfukových plynů
• v menší míře se dociluje efektu, jako při natáčení rozváděcích lopatek • jednodušší systém než natáčení lopatek • použito na motoru XU10J4TE automobilu Peugeot 405 T16
44/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ZMĚNOU ŠÍŘKY STATORU TURBÍNY • zdánlivě nejjednodušší způsob změny geometrie turbíny, ale technická náročnost vyplývá z jeho principu • celé rozváděcí kolo s lopatkami, je nutno rovnoměrně po celém obvodě axiálně posouvat v turbínové skříni při teplotách až 800 oC a přitom lopatky zasouvat do prstence v druhé stěně, která má vytvořené otvory s profilem zasouvaných lopatek
45/58
DVOUSTUPŇOVÉ REGULOVANÉ PŘEPLŇOVÁNÍ • realizováno větším NT TD a menším VT TD, kde VT T1 je opatřena
bypassem s elektronicky řízeným regulačním ventilem RV • RV s bypassem je možné část mv odvést VT, která však vyexpanduje v nízkotlaké turbíně T2, takže nárůst tlaků a teplot při regulaci je podstatně mírnější, než u jednostupňové regulace • při použití dvou chladičů plnicího vzduchu CH1 a CH2 se dosáhne téměř konst. průběhu středního efektivního tlaku pe v širokém rozmezí otáček • při maximálním zatížení se v převážné části charakteristiky dosáhne poměrně vysoké hodnoty minimálního spalovacího přebytku vzduchu λZ = 1,9 a tudíž i minimální kouřivosti motoru • je možné se regulací přiblížit k optimálnímu stlačení vzduchu v obou stupních kompresorů K1 a K2 a tím i k jejich minimální kompresní práci - snížení měrné spotřeby paliva • oproti klas. 2° přeplňování u motoru se zdvihovým objemem 12 dm3 o 6 až 8 g kW-1h-1
46/58
TURBODMYCHADLO S ELEKTRICKÝM POHONEM • • • •
pro zvýšení akceleraceschopnosti turbodmychadly přeplňovaných motorů probíhá vývoj pro všechny typy motorů (Turbodyne + Garret, BMW) asynchronní elektromotor mezi kompresorem a turbínou elektromotor turbodmychadla pracuje pouze při potřebě prudké akcelerace, kdy je schopen zvednout podstatně plnicí tlak a tím i točivý moment motoru • předpokládá se speciální elektrická výstroj – akumulátor a jeho dobíjení v generátorovém provozu při konst. zatížení motoru
47/58
DMYCHADLO S ELEKTRICKÝM POHONEM
• VTES (Variable Torque Enhancement System) • Elektricky poháněný radiální kompresor s integrovanou kontrolní a výkonovou elektronikou • Neodebírá motoru tolik výkonu jako mechanicky poháněný kompresor • Lze použít pro zážehové, vznětové motory i na již přeplňované • Výhody – Nižší odběr výkonu motoru – Řídící jednotka určuje potřebné otáčky kompresoru nezávislé na otáčkách motoru – Menší nároky na zástavný prostor – Rychlejší reakce na sešlápnutí plynového pedálu – Roztočení na provozní otáčky téměř okamžitě – Nižší spotřeba, emise CO2, obsah pevných částic • Nevýhody – Nevyužívá energii výfukových plynů
48/58 48
DYNAMICKÉ IMPULSNÍ PŘEPLŇOVÁNÍ • hlavní výkonnou součástí elektricky řízený • •
klapkový ventil,vložený do sacího nátrubku mezi ventil a kolektor sání plnicí tlak - závislý na otáčkách motoru a činí kolem 1,18 kPa při nejnižších otáčkách motoru a zlepšuje hmotnostní naplnění válce nejlepší účinnost - hned po startu motoru při otáčkách 1000 1/min , kde zlepšení vůči motoru s přirozeným nasáváním je kolem 13%. Při zvýšení otáček zlepšení plnicíKlapka pro dynamické impulsní přeplňování… účinnosti přibližně lineárně klesá a při 2000 1/min je již jen kolem 7%
Průběh tlaků před a za klapkou, průběh zdvihu ventilů a otevření klapky
Porovnání průběhů točivého momentu motoru s dynam. impuls. přeplňováním a jinými systémy
49/58
DVA SEKVENČNÍ TURBOKOMPRESORY • dvoustupňový systém nové konstrukce pro vznětové motory PSA/FORD • technologie dvou sekvenčních turbokompresorů, systém (patent Honeywell
Turbo Technology) se skládá ze dvou identických turbokompresorů menších rozměrů • při nízkých otáčkách pracuje pouze jedno turbo, druhé je aktivováno paralelně v rozpětí od 2 600 do 3 200 otáček v závislosti na zatížení motoru a atmosférických podmínkách • management přeplňovací soustavy umožňuje výrazné potlačení prodlevy motoru po sešlápnutí plynového pedálu, navíc, protože v nízkých otáčkách pracuje pouze nízkotlaké turbo, dochází k výraznému snížení spotřeby
50/58
TURBODMYCHADLO TWIN-SCROLL • dvoustupňový systém nové konstrukce pro zážehové motory PSA/BMW • komp. poměr 10,5:1, max. otáčky TD 220,000 min-1 • TD Twin-Scroll má ne jeden ale dva kanály, z nichž každý přivádí výfukové
plyny vždy od dvou válců, to vede ke snížení protitlaku turbodmychadla při nízkých otáčkách, lepšímu využitím dynamiky pulsujících výfukových plynů
51/58
Dvoudobý turbodiesel Daihatsu 2CDDI-II • frankfurtský autosalón 2005 • v sání je zařazen mechanický kompresor, poháněný řemenem od •
klikové hřídele, druhým stupněm je dmychadlo poháněné výfukovými plyny. vyhovuje emisním limitům díky elektronicky řízená recirkulace výfukových plynů (značná část spalin se vrací do sání), elektronicky ovládaný přepouštěcí ventil, vstřikování paliva a optimalizovaný tlak v sacím potrubí za všech otáček resp. optimalizovaný tvar přepouštěcího kanálu, který umožňuje kontrolovanou výměnu staré a nové náplně válce Motor má dva ventily (v každém válci jeden), které obsluhují výfukovou stranu procesu. Motor má konvenční systém mazání (tedy netřeba míchat palivo s olejem), spotřebu oleje snižují tradiční pístní kroužky. Vyšší kulturu projevu dvouválci propůjčuje vyvažovací hřídel. Tech. údaje: zdvihový objem 1200 cm3, nejvyšší výkon 65 kW a točivý moment 230 Nm. 52/58
SYSTÉM COMPREX – TLAKOVÝ VÝMĚNÍK • využívá energie výfukových plynů, která se přímo předává plnicímu • • • •
vzduchu v průchodném rotoru tlakového výměníku, resp. v jeho jednotlivých komorách pohon rotoru je zajištěn od klikového hřídele motoru a má v podstatě pouze synchronizační funkci spaliny vstupující do tlakového výměníku o tlaku značně vyšším než je tlak vzduchu v jednotlivých komůrkách tento vytlačují do plnicího potrubí motoru protože se rotor výměníku pootáčí, neprocházejí spaliny celým rotorem, ale vrací se do výfukového potrubí za současného plnění komůrek rotoru čerstvým vzduchem atd. celý děj je značně složitější v důsledku kmitů probíhajících v plnicím i výfukovém traktu motoru
53/58
BMW – systém „Efficient Dynamics“ řada úprav pro zvýšení energetické účinnosti jak v motorech, tak v dalších partiích vozidla Motor: - přímé vstřikování paliva - přeplňování - snižování objemu motoru Další možnosti v příslušenství motoru, převodech, rekuperace energie atd… Typ
BMW 323i - 1983
BMW 325i - 2009
Spotřeba paliva
10,3 l/100 km
- 31 %
7,1 l/100 km
Výkon motoru
102 kW
+ 57 %
160 kW
Točivý moment
205 Nm
+ 32 %
270 Nm
Kvalita emisí
ECE R15-04
+ 95 %
EU4
Zrychlení
9,2 s
- 27 %
6,7 s
Hmotnost vozidla
1080 kg
+ 39 %
1505 kg
54/58
BMW – systém „Turbostreamer“
55/58
Současné motory s nejvyšší účinností • současné motory pro nákl. vozy – max. účinnost kolem 45 % • ve výzkumu a vývoji vícepalivové motory pro vozidla s řízeným
spalováním s již dosaženou účinností 50 až 53 % • velké motory – většinou lodní, přeplňované dvoudobé motory • až čtrnáctiválcový přeplňovaný vznětový dvoudobý motor WartsilaSulzer určený pro lodě dává z 1820 litrů objemu jednoho válce výkon až 6 MW (102 ot/min) při účinnosti přes 50%
• lodní motor MAN MC7 s účinností dokonce kolem 55% 56/58
Závěry • spalovací motory – velmi důležité stroje v dopravě i • • • • •
energetice v současnosti a minimálně i v blízké budoucnosti přeplňování – základní způsob pro zvýšení parametrů motoru i jeho efektivity, parametry lze významně ovlivnit regulací velmi důležitá volba – paliva (zemní plyn, alternativní paliva, vícepalivové systémy) další prvky motoru pro zvýšení efektivity - řízení a regulace spalovacího procesu, vypínání válců, elektrická čerpadla, rekuperace spalin, doplnění oběhu příslušenství motoru - filtrace a čištění spalin a jiné, start-stop systémy a rekuperace energie z brzdění v dopravě pro velké motory – podařilo se dosáhnout tepelnou účinnost přes 50 % 57/58
POUŽITÉ ZDROJE • Doc. Ing. Karel Hofmann, CSc.: REGULOVANÉ PŘEPLŇOVÁNÍ VOZIDLOVÝCH MOTORŮ, Učební text Ústavu dopravní techniky FSI-VUT Brno, 2000
• Ing. Ladislav Bartoníček, CSc.: PŘEPLŇOVÁNÍ PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORÛ, TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI, Fakulta strojní, Katedra strojů průmyslové dopravy, 2004
• www.auto.cz, www.autorevue.cz, www.turbobygarrett.com a další…
TATO PREZENTACE JE SPOLUFINANCOVÁNA EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
58/58
