ČTYŘDOBÝ VÍCEVÁLCOVÝ SPALOVACÍ MOTOR S VYUŽITÍM TLAKOVÝCH PULZŮ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KE ZVÝŠENÍ NAPLNĚNÍ VÁLCŮ Některé z možných uspořádání motoru se společnými ventily pro sání i výfuk v hlavě válce:
1
ČTYŘDOBÝ VÍCEVÁLCOVÝ SPALOVACÍ MOTOR S VYUŽITÍM TLAKOVÝCH PULZŮ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KE ZVÝŠENÍ NAPLNĚNÍ VÁLCŮ Následující simulace jsou prováděny s jedním prstencovým ventilem, který dosahuje nejlepších průtokových parametrů ve směru sání i výfuku a je výhodný i z hlediska proplachování hlavy
jazýčkový ventil – sací kanál
výfukový kanál
společný prstencový kanál prstencový ventil
2
ČTYŘDOBÝ VÍCEVÁLCOVÝ SPALOVACÍ MOTOR S VYUŽITÍM TLAKOVÝCH PULZŮ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KE ZVÝŠENÍ NAPLNĚNÍ VÁLCŮ Průtokové vlastnosti hlavy válce s prstencovým ventilem:
3
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání
Obr. :
• celý cyklus dvouválcového provedení s jazýčkovými zpětnými ventily v sání zobrazený po 90° otočení klikového hřídele • zvýrazněn pohyb čistého vzduchu v sacím a výfukovém systému
4
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání • VZNĚTOVÝ 2-válec (po 360 ), 77 x 85 mm (cca 800 cm3), = 17 • hoření převzato z jiných modelů • zpětný jazýčkový ventil v sání – pasivní člen, alternativně šoupátko – nuceně ovládané → varianta s šoupátkem, nebo šoupátkem a jaz. ventilem v sání má velmi podobné výsledky • tlak okolí na straně výfuku = 1,07 bar (pro 4000 min-1) – náhrada katalyzátoru a tlumiče • Air/Fuel ratio = 19 (lambda 1,32) • pro 4000 min-1: pe = 16 bar(101 Nm; 42,5 kW), mpe = 220 g/kW.h, podíl spalin po zavření sac. v. = 2,2% 14 bar (91 Nm; 37 kW), mpe = 217 g/kW.h (rozšíření průměru trubky za výf. svodem) Zdvihy prstencového ventilu obou válců:
konec sání #2
začátek výfuku #1
360° KH
5
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání • VZNĚTOVÝ 2-válec (po 360 ), 77 x 85 mm (cca 800 cm3), = 17 • hoření převzato z jiných modelů • zpětný jazýčkový ventil v sání – pasivní člen, alternativně šoupátko – nuceně ovládané → varianta s šoupátkem, nebo šoupátkem a jaz. ventilem v sání má velmi podobné výsledky • tlak okolí na straně výfuku = 1,07 bar (pro 4000 min-1) – náhrada katalyzátoru a tlumiče • Air/Fuel ratio = 19 (lambda 1,32) • pro 4000 min-1: pe = 16 bar(101 Nm; 42,5 kW), mpe = 220 g/kW.h, podíl spalin po zavření sac. v. = 2,2% 14 bar (91 Nm; 37 kW), mpe = 217 g/kW.h (rozšíření průměru trubky za výf. svodem) Ø35mm
Ø40mm
Ø35mm
L=2370mm Ø35mm Ø35mm
L=170mm
L=170mm Ø35mm
Ø47mm Ø35mm 6
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání
(flowsplit)
Průběh tlaku v hlavě (společný prstencový kanál) a ve válci v 4000 min-1
7
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání
Zdvih a hmotnostní průtok prst. ventilem v 4000 min-1 zvýšení hmotnostního průtoku ventilem způsobené primární tlakovou vlnou od druhého válce
8
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání VÝF. SVOD:
• citlivost na změnu úhlu větví výfukového svodu (druhé číslo udává vrch. úhel) • podobný vliv jako seškrcení výf. větve za svodem (velký úhel zvyšuje odpor ve výfuk. svodu – větší moment, větší spotřeba) zmenšující se vrch. úhel výfuk svodu
9
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání • použití ventilátoru (přetlak 7kPa v sání=1,08bar) pro jiné otáčkové režimy než laděný (< 4000)
10
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání • citlivost na změnu otáček v okolí vybraných otáčkových bodů (a pro ně naladěná geometrie) Točivý moment [Nm]
měrná spotřeba [g.kW-1.h-1]
podíl spalin ve válci po uzavření ventilu [%]
11
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání
12
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 1) propojovací trubkou mezi větvemi, ovládanou klapkami – není vhodné
13
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem
2D:
14
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem
3D:
15
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem •
rozsah použití zařízení pro plynulou změnu délky výfuku
max.
reálný rozsah použití variabilního svodu je cca 800mm
min.
16
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem a skoková regulace délek trubky za svodem - řešení v GT-Power: variabilní koleno – plynule měněná délka 3000mm
1.°
klapka č.1 D = 140mm
Potřebná změna délky výf. potrubí PŘED a ZA svodem v závislosti na otáčkách L [mm]
klapka č.2 D = 140mm 2.°
3.°
500mm
500mm
skoková regulace délky trubky za svodem (3-stupňová)
4500 4000
3500 3000 2500 2000 1500
klapky zavřeny
klap. č.1 ot.
klap. č.1 a č.2 ot.
1000 500 0 1500
y = 6887.6e-9E-04x 2000
2500
3000
3500
1/min.
4000
17
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem a skok. regul. délky za svod.
18
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem a skok. regul. délky za svod. + ventilátor v sání – nahrazen okrajovou podmínkou tlaku okolí pro n < 2000 min-1
zvýšený tlak na straně sání
průběh tlaku na straně sání (pro <2000) pro udržení konst. momentu
19
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem a skok. regul. délky za svod.
AF ratio limit 17 – 22 ~
1,17 – 1,65
20
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - se šoupátkem za spojem výfukových větví →zesílení tlakové vlny Obr. :
• celý cyklus dvouválcového provedení s jazýčkovými zpětnými ventily v sání a šoupátkem ve výfuku • zvýrazněn pohyb čistého vzduchu v plnicím a výfukovém systému
21
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - se šoupátkem za spojem výfukových větví →zesílení tlakové vlny − na obrázku č.2 pro porovnání uveden zelenou barvou standardní stav (bez šoupátka ve výfuku) šoup.otevřeno
šoupátko
zvýšený tlak ve výf. svodu - šoupátko tlak ve výf. svodu - varianta bez šoup.
se šoupátkem zdvih. křivky prst. ventilu
bez šoupátka
22
ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. ventil v sání - se šoupátkem za spojem výfukových větví →zesílení tlakové vlny − na obrázcích pro porovnání uveden zelenou barvou standardní stav (bez šoupátka ve výfuku) M v závislosti na otáčkách (3500-4500) se šoupátkem ve výfuku
Výsledky pro variantu se šoupátkem ve výfuku: − 4000 min-1, AF ratio = 19 − pe = 19,1 bar (bez šoup. 16 bar) − M = 120 Nm
bez šoupátka ve výfuku
− mpe = 228 g.kW-1.h-1(bez šoup.220 g.kW-1.h-1) se šoupátkem
Podíl spalin v závislosti na otáčkách
bez šoupátka
bez šoupátka ve výfuku
se šoupátkem ve výfuku
23
PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3)
24
PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) − Air/Fuel ratio = 22 ( = 1,53) − rozvodový orgán v sání: a) jednocestný ventil (zatím pouze komponent „orifice“, s reálným jaz. „reed“ problémy) – menší výkyvy otáček turbiny b) jednocestný ventil se šoupátkem (hodně otevřené, omezuje průtok sáním pouze během expanze) – lepší parametry (proplach); možno naladit i reálný jaz. „reed“- s větší tuhostí − použit mezichladič stlačeného vzduchu; protitlak výfuku = 1,08 bar Průběh zdvihu/průměru šoupátka a hm. průtok reálným zpětným ventilem šoupátko – průběh zdvihu (průměru)
25
PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) Obr. : • celý cyklus přeplňovaného dvouválcového provedení s jednocestným ventilem a rotačním šoupátkem v sání zobrazený po 90° otočení klikového hřídele • zvýrazněn pohyb čistého vzduchu v plnicím a výfukovém systému
26
3) – jednocest. ventil+šoupátko v sání PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm Motor se společným ventilem (prstencovým) pro sání i výfuk – PŘEPLŇOVANÝ 2-válec (800cm3)
− nejvhodnější varianta je: • turbina – BV39 (VTG – variabilní geometrie rozváděcích lopatek) • kompresor – GT-12 (pro nižší otáčky – 2000min-1 byl kompresor BV39 příliš velký)
2000 min-1
2000 min-1
4000 min-1
4000 min-1
27
PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jednocest. ventil+šoupátko v sání − pro přeplňovaný dvouválec je nejvýhodnější varianta s šoupátkem a jednocestným ventilem, 1V motor pak lze provozovat v celém spektru otáček – není třeba regulovat délky potrubí – mění se pouze okamžik příchodu tlakové vlny – viz obr. průtoků ventilem; díky turbině odpadá také vliv délky trubky za svodem, která u atmosférické verze ovlivňovala správný proplach Tlak v hlavě válce (společný prst. kanál) - 2000/min.
Hm. průtok ventilem – 2,3,4 tis. ot./min.
28
PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jednocest. ventil+šoupátko v sání − pro přeplňovaný dvouválec je nejvýhodnější varianta s šoupátkem a jednocestným ventilem, 1V motor pak lze provozovat v celém spektru otáček – není třeba regulovat délky potrubí – mění se pouze okamžik příchodu tlakové vlny – viz obr. průtoků ventilem; díky turbině odpadá také vliv délky trubky za svodem, která u atmosférické verze ovlivňovala správný proplach Moment a výkon pro AF=22 ( =1,53) 200
Střední už. ef. tlak a max. spal. tlak pro AF=22 ( =1,53)
výkon
70 60
160
pe
30
pmax
220 210
25
nastavení turbiny v jednotlivých bodech laděno podle nejmenší měrné spotřeby
40
0 2000
2250
2500
2750
3000
3250
3500
3750
30
190 15 180
20
10
10
5
0 4000
170 160
0 2000
2250
2500
2750
3000
Měr. spotřeba a hm. podíl spalin na zač. komprese
otáčky [min-1]
měrná spotřeba
3250 3500 otáčky [min-1]
3750
150 4000
podíl spalin na zač. komprese
225
10
220
8
215
6
210
4
205
2
Nastavení lopatek turbíny 1 hmotnostní podíl [%]
80
pe [bar]
40
200
20 Pe [kW]
120
mpe [g.kW-1.h-1]
M [Nm]
50
pmax [bar]
moment
0.8 0.6 0.4 0.2 0
200 2000
2250
2500
2750
3000 3250 otáčky [min-1]
3500
3750
0 4000
otáčky [min-1]
29
PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jednocest. ventil+šoupátko v sání L=140mm D=55mm
průtoky kyslíku jedn. částmi motoru
T
sáním výfukem prstencem
D=55mm L=140mm
IC
K
30
PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jednocest. ventil+šoupátko v sání − další možná varianta: • turbina – GT-12 (WG – obtokový ventil) – méně vhodná – velký tlak před turbinou – horší proplach • kompresor – GT-12
2000 min-1 AF = 22 ( = 1,53), WG = 0 pe = 20,2 bar mpe = 211,5 g.kW-1.h-1 podíl spalin = 2,25 %
2000 min-1
4000 min-1 AF = 22 ( = 1,53), WG = 6 mm pe = 20,7 bar mpe = 229 g.kW-1.h-1 podíl spalin = 16,5 %
4000 min-1
31
PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jednocest. ventil (ideál.) v sání Jediný rozvodový orgán v sání – ideální jednocestný ventil (komp. s „0“ zpětnými průt. koefic.) − nutné přeladit geometrii výfukového potrubí – před svodem delší potrubí s menší průměrem (z ø55 na ø35mm) − dochází k průtoku sáním i během expanze → menší celk. účinnost, horší proplach v době sání → ale menší výkyvy otáček turbodmychadla Průtok jednocestným ventilem
jednocest.v.+šoupátko
Průtok kyslíku jednotlivými částmi se šoupátkem
pouze jednocest. vent.
bez šoupátka
n = 2000min-1 pe = 22,5 bar mpe = 217,5 g.kW-1.h-1 spaliny = 7%
menší průtok výfukovým kanálem → horší proplach společného prstencového kanálu
32
„víceventilový“ ATMOSFÉR. VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. vent. v s. − „simulace“ hlavy válců s více klasickými zdvižnými ventily nahrazující prstencový ventil = zmenšení efektivní průtočné plochy prstencového ventilu na 50% (+ doladění geometrie) − porovnání s původními průběhy (červeně) v 3000 min-1
AF = 19 ( = 1,32)
(„flowsplitu“- společný prst. kanál)
33
„víceventilový“ ATMOSFÉR. VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. vent. v s. − „simulace“ hlavy válců s více klasickými zdvižnými ventily nahrazující prstencový ventil = zmenšení efektivní průtočné plochy prstencového ventilu na 50% (+ doladění geometrie) − porovnání s původními průběhy (červeně) v 3000 min-1
AF = 19 ( = 1,32)
34
„víceventilový“ ATMOSFÉR. VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. vent. v s. − „simulace“ hlavy válců s více klasickými zdvižnými ventily nahrazující prstencový ventil = zmenšení efektivní průtočné plochy prstencového ventilu na 50% (+ doladění geometrie) − porovnání s původními průběhy (červeně) v 3000 min-1
AF = 19 ( = 1,32)
35
„víceventilový“ PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. vent. v s. − „simulace“ hlavy válců s více klasickými zdvižnými ventily nahrazující prstencový ventil = zmenšení efektivní průtočné plochy prstencového ventilu na 50% (+ doladění geometrie) − naladění turbiny na nejnižší měr. spotřebu, 3000 min-1 AF = 22 ( = 1,53) víceventil. (50% Aeff)
měrná spotřeba [g.kW-1.h-1] střední efektivní tlak [bar] prstencový ventil
prstencový ventil
víceventil. (50% Aeff) víceventil. (50% Aeff)
podíl spalin ve válci po uzavř. ventilu [%] prstencový ventil 36
„víceventilový“ PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm3) – jaz. vent. v s. − „simulace“ hlavy válců s více klasickými zdvižnými ventily nahrazující prstencový ventil = zmenšení efektivní průtočné plochy prstencového ventilu na 50% (+ doladění geometrie) − naladění turbiny na nejnižší měr. spotřebu, 3000 min-1
AF = 22 ( = 1,53)
37
ČTYŘDOBÝ VÍCEVÁLCOVÝ SPALOVACÍ MOTOR S VYUŽITÍM TLAKOVÝCH PULZŮ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KE ZVÝŠENÍ NAPLNĚNÍ VÁLCŮ
9.3.2011, ČVUT - Výzkumné centrum spal. motorů a automobilů Josefa Božka • vypracoval : Ondřej Bolehovský ve spolupráci s KNOB Engines s.r.o. • využit software GT-Power 7.0 (Gamma Technologies, Inc.)
38
