Průtoková charakteristika PSM Pro 4dobý přeplňovaný motor je podstatná část průtočného množství vzduchu odměřována pístem v průběhu plnicího zdvihu:
ms
mv
Ts
Tv
mp
D
mpr me
2,4 stupeň stlačení p D2/pD1
m pv
p pv n VZ pl propl 1 r T pv 120
propl
m pv m propl m pv
n = konst (čárkované průběhy ukazují vliv T pv při zvyšování D)
2,2 průtok vzduchu motorem bez proplachování
2 1,8 1,6 1,4
průtok vzduchu motorem s účinným proplachováním
1,2 1 0,1
0,15
0,2
0,25
hmotnostní tok [kg/s]
Závislosti průtoku vzduchu přeplňovaným motorem na otáčkách motoru a plnicím tlaku popisují křivky hltnosti motoru. Od teoretické lineární závislosti se skutečné průběhy odchylují účinkem proplachování a zvyšováním Tpv s rostoucím stupněm stlačení plnicího vzduchu.
D V m D PZP (2011/2012)
7/1
Stanislav Beroun
Základní úlohou při optimalizaci plnicího TBD a PSM je plnění požadavků na: • co nejvyšší využití energie výfukových plynů ke zvýšení výkonových parametrů motoru (hnací turbina s
vysokou td, přijatelné hodnoty pT1, TT1), • zajištění vysokých Ds v oblastech kde motor a TBD nejčastěji pracují, tj. umístění křivky hltnosti motoru do oblastí nejvyšších Ds, • umístění křivky hltnosti motoru v dostatečné vzdálenosti od pumpovní meze. Optimalizace spolupráce TBD a vozidlového přeplňovaného PSM je vždy kompromisem mezi požadavky a možnostmi: bez speciálních regulačních opatření jsou optimalizační úlohy obtížně zvládnutelné. Výpočtová řešení vychází z popisu parametrů na vstupu do T (množství a teplota výfukových plynů) a výstupu z D: určují se tlaky před a za motorem, parametry přeplňovaného PSM (otáčky, výkon, … ), energetická bilance TBD, ... (řešení podle Zinnera, Winklera). Řešení podle Winklera je založeno na zjednodušeních, která umožňují určit pro zadané hodnoty pi, cs, Pe, SRED-T konstanta 1, pomocí kterých se graficko-výpočtovým postupem provádí iterace z výchozího návrhu, až se dosáhne přijatelné shody ve dvou po sobě jdoucích iteracích.
! Konečná optimalizace musí být provedena experimentem ! Tepelný výkon ve výfuk. plynech
ODV / chlaz
Pvýf mvp c p / vp TT 1 T pv m p H u 1 ODV / chlaz i
podíl tepelného výkonu chlazení motoru na tepelném příkonu
p pv n mvp VZ pl propl f 1 r T pv 120 TT 1 p D1 1 K1 T pv p pv PZP (2011/2012)
f
mvp
m
pv
1,03
pi
m p H u i 120 VZ n
1 ODV / chlaz i m pv 1 pi K1 i propl p D1 mvp 7/2
Stanislav Beroun
Chlazení plnicího vzduchu: hmotnostní plnění válců přeplňovaného motoru ovlivňují zejména ppv a Tpv. Účinek obou veličin je protichůdný – mimořádný význam má proto chlazení plnicího vzduchu. Systémů chlazení plnicího vzduchu je několik, nejobvyklejší jsou způsoby chlazení pomocí výměníků tepla., v menší míře se používá ochlazování vzduchu expanzí ve válci motoru nebo chlazením v expanzní turbině. Chladiče plnicího vzduchu jsou typu vzduch-vzduch Chladič plnicího vzduchu nebo vzduch-voda. Tzv. mezichladiče vzduch-vzduch jsou konstruovány s prakticky stejnou teplosměnnou m pv , pD 2 , TD 2 plochou na straně chladicího i plnicího vzduchu. Měrný chladicí povrch (velikost teplosměnné plochy v 1m3 chladiče) je 500-700 m2/m3. Účinnost chlazení bývá v rozsahu 0,75-0,90. TChV 2 TD 2 T pv ChV ChV1
m
,T
CHL
p pv , T pv
TD 2 TChV 1
c pV TChV 2 TChV 1 m pv c pV TD 2 T pv PCHL mChV
PCHL
TD 2 T pv TChV 1 TChV 2 pv S pv 2 2
pv konst Re 0,6 (pro t=50 0C) PZP (2011/2012)
vz d
_
c vz d Re vz
vz 0,03Wm 1 K 1 7/3
t MCH / ln
(t D 2 t ChV 2 ) (t pv t ChV 1 ) (t t ) ln D 2 ChV 2 (t pv t ChV 1 )
vz 18 10 6 m 2 s 1 Stanislav Beroun
Chladicí vzduch Trubky s vnitřní vložkou
PCHL k č S č MZCH
Oddělovací (krajní) desky
Pájeno: pojivo Kaliumfluoraluminat
Plnicí vzduch
CHL PZP (2011/2012)
TD 2 T pv TD 2 TChV 1
140 50 0,82 140 30 7/4
t D 2 t pv t ChV 1 t ChV 2 2 2
Příklad: chladič plnicího vzduchu k motoru VW 1,9 TDI, rychlost 120 km/h (33 m/s) • čelní průřez Sč-MZCH = 0,185x0,185=0,035m2, hloubka 0,07m (VMZCH = 0,0245 m3) • tD2 = 140 0C, tpv = 50 0C, mpv = 0,15 kg/s, PCHL= 0,15 x 1,005 x 90 = 13,5 kW • tChV1 = 30 0C, tChV2 = 53 0C • mChV = Sč-MZCH x vv x v x v =0,58 kg/s • podle změřených hodnot jednotlivých veličin vychází měrný (čelní) výkon MZCH ve velikosti kč = 7,2 kW/m2K • odhad teplosměnné plochy na straně plnicího vzduchu: SChl/pv = 1,715 m2 • pro uvedený režim a odhad plochy vychází hodnota pv = 147 W/m2K – výsledek lze považovat za reálný (rychlost omývání teplosměnné plochy je velká, vložky uvnitř trubek jsou upraveny k vyvolání vysoké turbulence)
Stanislav Beroun
Zidealizovaný pracovní oběh přeplňovaného motoru s MCH v T-s diagramu 4
T
v1
3
B 2
1
p1
5 A T1
T2
D2 D1
s
D1 – D2 skutečné stlačení v D D2 – 1 chlazení plnicího vzduchu v MCH 1–2 komprese ve válci motoru (ideální) 2–3–4 smíšený přívod tepla 4–5 expanze ve válci motoru (ideální) 5–A změna stavu při výtoku výfukových plynů z válce A–B mísení výfukových plynů s proplachovacím vzduchem B – T1 isotermická změna stavu ve výfukovém potrubí mezi válcem a turbinou (předpoklad: jedná se zejména o škrcení T = konst.) T1 – T2 skutečná expanze v turbině.
PZP (2011/2012)
7/5
Stanislav Beroun
pD2 SZ
pD1
PZP (2011/2012)
Chlazení plnicího vzduchu expanzí ve válci – Millerův způsob: vzduch stlačený na poměrně vysoký plnicí tlak prochází mezichladičem do válce motoru. Dalšího ochlazení ve válci se dosahuje tím, že plnicí ventil se uzavře ještě před DÚ, vzduch ve válci expanduje a klesá jeho teplota. Výhodou řešení je plnění válce vysokým tlakem (kladná práce pístu) a sníží se kompresní i spalovací tlak, což je pro zvládnutí teplotních problémů i mechanického namáhání příznivé. Zvyšuje se účinnost pracovního oběhu (relativní prodloužení expanze). Celkově je však provedení tohoto řešení konstrukčně komplikované.
7/6
Stanislav Beroun
Chlazení plnicího vzduchu v expanzní turbině: k dosažení potřebného efektu vysokého hmotnostního naplnění válce je potřeba vysoké účinnosti všech proudových strojů v plnicím systému (0,8): dosahuje se však nižší hodnota tpv než lze dosáhnout chlazením ve výměníku tepla.
PZP (2011/2012)
7/7
Stanislav Beroun
Kombinované přeplňování: podstata tohoto systému spočívá ve 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. Jedná se tedy o opatření zlepšující vlastnosti normálně přeplňovaného motoru tím, že umožňuje naladění na určitou oblast provozu motoru. Systém je sice poměrně jednoduchý a nenáročný na výrobu, je ale náročný na zástavbu jednotlivých prvků. • Vv - vyrovnávací nádoba; minimálně Vv = 1,5 VM • Vr - rezonanční nádoby do které mohou ústit max. 4 válce. Vr = (0,5 10)×VM. • lr - rezonanční trubky; lr > 8.dr; průměr trubky dr vychází z požadavku, aby v průřezu Sr byla rychlost vmax = 60 m/s. • lp - plnicí potrubí, co nejkratší a má platit lp < k / nM , kde k je konstanta závislá na provedení motoru a uspořádání systému.
PZP (2011/2012)
7/8
Stanislav Beroun
Systém COMPREX – tlakový výměník: k přeplňování motoru se 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. Dosahované výkonové parametry jsou srovnatelné s přeplňováním TBD, systém však rychleji reaguje na změny provozních režimů, je však rozměrnější, což komplikuje jeho zástavbu ve vozidle.
http://www.opel-turbo.de
http://imagineauto.files.wordpress.com
PZP (2011/2012)
http://www.kfz-tech.de
7/9
Spaliny vstupují do tlakového výměníku o tlaku značně vyšším než je tlak vzduchu v jednotlivých kanálcích a vzduch z kanálků je proto vytlačován do plnicího potrubí motoru. Protože se rotor výměníku pootáčí a protilehlé konce kanálků se střídavě dostávají proti otvorům připojených přírub a proti pevným čelním stěnám tělesa tlakového výměníku, neprocházejí spaliny celým rotorem, ale vrací po odrazu tlakové vlny na čelní stěně zpět stejným kanálkem k otvoru příruby výfukového potrubí, přičemž se z druhé strany současně kanálek plní čerstvým vzduchem.
Stanislav Beroun
Systém COMPREX – tlakový výměník: k přeplňování motoru se 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.
http://www.opel-turbo.de
http://imagineauto.files.wordpress.com
http://www.egr.msu.edu/mueller/forweb.jpg
PZP (2011/2012)
7/10
Stanislav Beroun
Systém COMPREX – tlakový výměník: k přeplňování motoru se 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.
http://www.opel-turbo.de
Comprex Supercharger Mazda 626 Capella PZP (2011/2012)
7/11
Stanislav Beroun
Systém COMPREX – tlakový výměník:
Senator Comprex D
Comprex-Dieselmotor 23DK
PZP (2011/2012)
7/12
http://www.senatorman.de
TURBODMYCHADLO VTG
PZP (2011/2012)
7/13
Stanislav Beroun
PZP (2011/2012)
7/14
Stanislav Beroun
PZP (2011/2012)
7/15
Stanislav Beroun
PZP (2011/2012)
7/16
Stanislav Beroun
Výroba lopatek do turbinové skříně VTG
Technologie vstřikování kovových prášků (MIM) byla vyvinuta před cca 20 lety v USA. Jedná se o metodu, při níž se kovové prášky smísí s organickými pojivy (binders), které fungují jako jejich nosič. Po ohřevu je možno směs vstříknout do formy. Po odstranění pojiva (debinding) se díly sintrují (při teplotě cca 1360 oC), přičemž získají konečnou hustotu, tvary a rozměry. Technologie MIM je v důsledku nákladů na formy, nákladů na provoz potřebných zařízení apod. omezena tvarem a velikostí dílů: největší rozměr menší než 100 mm, hmotnost menší než 100 g a síla stěny menší než 10 mm .
PZP (2011/2012)
7/17
Stanislav Beroun
PZP (2011/2012)
7/18
Stanislav Beroun
PZP (2011/2012)
7/19
Stanislav Beroun
PZP (2011/2012)
7/20
Stanislav Beroun
