KATEDRA VOZIDEL A MOTOR
Vým na nápln
#7/14
válce PSM
Karel Páv
2 / 20
Vým na nápln válce u 4-dobých motor HÚ
10
VZ
8 6
h [mm]
SO
4 2
SZ
0 0
DÚ
90
DÚ 180
HÚ 360
270
VO
450
DÚ 540
630
720
[°KH]
Oblast vým ny nápln válce 0.10
Zp tný tok p i kompresi
0.06 0.04 0.02 0.00
50
Volný výf.
45 2500
35
1000 500 0
p [bar]
T [K]
2000 1500
Krit.
40
Nucený výfuk
-0.02
Podkritický výtok 700
T
30
S
600
V
25
500
p
20
400
15
300
10
200
5
100
0
0 -180
-90
0
90
180 [°KH]
270
360
450
540
S [mm2]
3000
dm/dt [kg/s]
0.08
Zp tný tok p i p ekrytí ventil
3 / 20
Ventilové rozvody 4-dobých motor Cílem je zajišt ní co nejdokonalejší vým ny nápln válce
F
OHV
SV
Flat Head
Overhead Valve
Side Valve
Šoupátkové rota ní rozvody: ploché, válcové Desmodromické rozvody i volb typu rozvodu jsou rozhodujícími faktory: innost vypláchnutí spalovacího prostoru Maximální otá ky motoru Požadovaný kompresní pom r Složitost konstrukce Cena
OHC DOHC Overhead Camshaft
Ventilové rozvody 4-dobých motor
4 / 20
Poloha a po et ventil v hlav válc : Cílem je dosažení maximální efektivní pr to né plochy ventil (s ohledem na rozví ení) Uspo ádání ventil ovliv uje polohu zapalovací sví ky, resp. vst ikova e Limitujícím faktorem bývá dosažení požadovaného kompresního pom ru
S S
V
Obvyklý pom r ploch ventil :
S
V
V
S S
V
S sání S výfuk
1,1 1,5
S
V
Typická uspo ádání: Vzn tové motory
Zážehové motory
St echovitý spalovací prostor umož uje zv tšit pr ry ventil
Základní pohyby nápln válce
Vtokový proud (málo stabilní)
Radiální vír (Squish)
Te ná rotace (Swirl)
Radiální vír i silném swirlu
ná rotace (Tumble)
Koutový vír
5 / 20
6 / 20
Vým na nápln válce u 4-dobých motor Proplachování: kompresní prostor je proplachován vzduchem p i p ekrytí ventil . u p epl ovaných motor , zvlášt pomalob žných u motor s dynamicky lad ným potrubím závisí na geometrickém uspo ádání ventil a kanál -
mpr me
mp Prochlazení spalovacího prostoru Odstran ní zbytkových plyn Vyšší napln ní válce vzduchem, resp. erstvou sm sí U zážehových motor p i =1 negativní dopad na funkci 3-cestného katalyzátoru
Sou initel propláchnutí: 1 pr
mvzd / sm
s .ventil
pr
mvzd / sm
válec
n 2
… (alternativn lze po ítat s hmotnostním pr tokem vzduchu nebo sm si) pr
1 1,2 d
Dopravní (plnící) ú innost:
d
mvzd / sm válec mvzd / sm teor
mvzd / sm válec V vzd / sm
0,85 1,05
… u motor s proplachováním nelze vycházet ze zm eného pr toku v sání
V … zdvihový nebo celkový objem motoru vzd … hustota vzduchu, resp. sm si v okolí nebo v plnícím potrubí motoru
Vc
Vz
1
U p epl ovaných motor dochází s rostoucím chlazením plnícího vzduchu k poklesu d - je to dáno zv tšením teplotního spádu mezi st nami plnících kanál a stla eným vzduchem. Výsledné pe je však vyšší, protože p evažuje dominantní vliv vyšší vzd i intenzivn jším chlazení vzduchu.
7 / 20
Složení nápln válce Hmotnost nápln ve válci: mv
mvzd
m pal
Sou initel zbytkových plyn (spalin):
mzb
mEGR
mBB
mzb mv
zb
zb
0,02 0,25
- Zbytkové plyny zmenšují napln ní válce vzduchem, resp. sm sí. - Množství zbytkových plyn roste u ZM s poklesem zatížení (s klesajícím tlakem v sacím potrubí). - U ZM má zvýšený obsah zb. plyn pozitivní dopad na zmenšení práce na vým nu nápln válce, avšak negativní dopad na zážeh sm si a následný pr h ho ení (menší rychlost ho ení). - P ítomnost zbytkových plyn (spalin) vede k nižší produkci NOx (využití zvlášt u VM). ibližný výpo et mzb: Pro pr 1 Odhad Tzb Tspal cpzb = cpsm
m zbc pzb Tzb TSZ TSZ
msm c psm TSZ Tsm
psVSZ msm mzb rSZ
m zbTzb
mzb
msm
mzb TSZ
psVSZ rSZ
1 Tzb
msmTsm
msmTsm
St ední sou initel p ebytku vzduchu ve válci (z hlediska tvorby produkt spalování): • Zbytkové plyny • Vn jší EGR • Blow-by
mvzd m pal
. sm
. sm
mvzd m pal
nesho elý
nesho elé
mvzd m pal
Pro ustálený stav motoru bez proplachování do výfuku:
mvzd .sm m pal .sm Lvvt 18,02kg/kmol
sho elý
sho elé
p H 2O
Lvvt
Stechiometrické množství vlhkého vzduchu: Lvvt
Lvt 1
Lokální sou initel p ebytku vzduchu ve válci - Má význam u nehomogenních sm sí, zvlášt p i vrstvenné tvorb sm si.
M H 2O pb pH 2O M svzd 1 pb 28,96kg/kmol
8 / 20
Vým na nápln válce u 4-dobých motor
Oblast vým ny nápln válce bývá významn ovlivn na pulsacemi v sacím i výfukovém traktu: Vysokootá kové motory (významn jší pulsace v sání se objevují od 2500 min-1) epl ované motory (pulsace hlavn ve výfuku, v sání nejsou pulsace žádoucí) Intenzita pulsací roste se zatížením motoru (s rostoucím hmotnostním pr tokem) 70
70
Plné zatížení 60
Mean
SPEED rpm
IMEP bar
4500
12.2
Nízké zatížení 60
Mean 50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
2000
3.6
0 -360
-270
-180
-90
0 Crank Angle [deg]
90
180
270
360
4
4
3
3
p [bar]
p [bar]
IMEP bar
p [bar]
p [bar]
50
SPEED rpm
2
1
-360
-270
-180
-90
0 Crank Angle [deg]
90
180
270
360
-360
-270
-180
-90
0 Crank Angle [deg]
90
180
270
360
2
1
0
0 -360
-270
-180
-90
0 Crank Angle [deg]
90
180
270
360
9 / 20
Vým na nápln válce u 4-dobých motor
10
0.025
2000min-1, 5bar
Zp tný tok p es ventily lze o ekávat:
9
0.02
Výfuk
Sání
8
m [kg/s]
0.015
7 6
0.01
5 0.005
h [mm]
U motor s rovnotlakým p epl ováním p i pvýf > ppl V áste ném zatížení zážehových motor V po átku komprese p i nízkých otá kách motoru U motor s dynamicky lad ným potrubím U víceválcových motor s krátkým výfukovým potrubím
4 3
0
2 -0.005
Zp tný tok ventilem -0.01
1 0
90
180
270
360
450
540
630
Úhel [°KH]
5
4
3
1
2
Dlouhá výfuková potrubí u atmosférických motor Vytvá ení výfukových sekcí u víceválcových motor Použití TwinScroll uspo ádání na vstupu do rozvád cího kola turbíny u p epl ovaných motor Použití m ni e pulsací
3
4
2
1
0
Zdvihové k ivky výfuku
1
4.v - VO
Protiopat ení:
6
pPCYL [bar] v [bar]
U víceválcových motor je nutné po ítat se vzájemným ovlivn ním jak na stran sání, tak i na stran výfuku.
3
4
2
PEXH [bar] [bar] pvýfuk
2.0
1.5
1.0 180
270
360
450
540 Crank Angle [180]
Úhel [°KH]
630
720
810
900
10 / 20
Vým na nápln válce u 4-dobých motor p i nízkém zatížení U zážehových motor s kvantitativní regulací je snahou zmenšit práci na vým nu nápln válce p i nízkém zatížení motoru Deaktivace válc Early Inlet Valve Close – EIVC (Miller v cyklus) Late Inlet Valve Close – LIVC (Atkinson v cyklus) 20
2,0
2000 min-1 2bar
18
10 9
1,6
16 14
PCYL [bar]
12
7
Zdvih ventilu [mm]
PCYL [bar]
8 1,2
0,8
EIVC
10 0,4 8
S
5 4 3
0,0 6
V
6
0,0
0,2
0,4 0,6 Rel. Volume [-]
0,8
1,0
LIVC
2
4
EIVC
1 2
0 90
0 0,0
0,2
0,4 0,6 Rel. Volume [-]
0,8
1,0
180
270
360
450
540
630
Úhel klikového h ídele [°KH]
Výhody EIVC asování oproti LIVC: Nedochází ke zp tnému výtoku erstvé sm si (mén komplikované p echodové stavy motoru) erstvá sm s se díky expanzi více oh ívá od st n válce, takže je áste kompenzován negativní vliv nízké kompresní teploty
720
Vým na nápln válce u 4-dobých motor p i plném zatížení
11 / 20
40
90
35
80
30
70
25
60
20
P [kW]
100
9
50
15
8 7 6
h [mm]
M [Nm]
Napln ní válce u nep epl ovaných motor významn závisí na vzájemném slad ní asování s geometrií sacího potrubí.
40
5
10
4
Rychlost ší ení tlakové vlny v trubce konst. pr ezu:
3
V
2
30
S
5
1
c
+ … Dop edná vlna … Zp tná vlna
w a
0 0
90
180
270
360
450
540
630
720
[°KH]
20
0 0
1000
2000
3000
n [1/min]
4000
5000
6000
dw
2 1
da
1 dp a
Moderní motory si vynucují použití prom nného asování Alternativou (nebo rozší ením) bývá prom nná délka sacího potrubí
12 / 20
Vým na nápln válce u plynových motor Ur ujícím parametrem z hlediska dosažitelné práce motoru je množství zachyceného vzduchu (kyslíku) ve válci motoru. U plynových motor s vn jší tvorbou sm si dochází ke snížení obsahu vzduchu v náplni válce. zbytek spalin
zbytek spalin
pali vo-benzin
Odhad snížení pest i p echodu na plynné palivo (p edpoklad stejných ú inností, =1):
pali vo-plyn
pest pest
erstvý vzduch erstvý vzduch
Lvt
Plyn
Benzin
Lvt
Benzin
Plyn
rvzd
rBenzin H u
Plyn
TSZ
Benzin
rvzd
rPlyn H u
Benzin
TSZ
Plyn
Lvt [kg/kg]
r [J/kgK]
Hu [MJ/kg]
pest Plyn/Benzin [-]
Benzín
14,3
76
43,4
-
LPG
15,6
168
46,1
0,93
CNG
16,9
520
49,1
0,86
H2
34,2
4124
120
0,81
TSZ
Benzin
TSZ
Plyn
13 / 20
Ventilové rozvody 2-dobých motor Na vým nu nápln válce je oproti 4-dobým motor m mén Ventilové rozvody Šoupátkové rota ní rozvody: ploché, válcové Rozvod pístem, výfuková p ív ra
asu.
Symetrický rozvod (rozvod pístem) Asymetrický rozvod Asymetrický rozvod
Symetrický rozvod
Jazý kové zp tné ventily:
Výfukové kanály V
Proplachovací kanály
P
DÚ
edb žný výfuk
Výplach a pln ní
DÚ
Únik nebo dopln ní
edb žný výfuk
Výplach a pln ní
Dopln ní
i výplachu musí být zajišt n tlakový spád na plnících kanálech. epl ování turbodmychadlem nebo kompresorem Stla ení vzduchu (sm si) v klikové sk íni motoru Kombinace obou p ípad Vnit ní tvorba sm si je perspektivn jší Nižší spot eba paliva a emise CxHy
14 / 20
Vyplachování 2-dobých motor Vyplachování
0.8
Vyplachovaci ucinnost
Sc
[-]
1.0
0.6
0.4
0.2
0.0 0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Vyplachovaci pomer
1.6
1.8
[-]
Vyplachování:
né
Vratné
Souproudé
… p íklady stla ování a pln ní erstvé sm si
15 / 20
Vyplachovací sou initele u 2-dobých motor Vyplachovací pom r (Delivery ratio):
mvzd / sm s.ventil mválec
1
Zachycovací ú innost (Trapping efficiency): Vyplachovací ú innost (Scavenging efficiency): Plnící ú innost (Charging efficiency):
2
mvzd / sm s.ventil mvzd / sm teor
mvzd / sm s.ventil V vzd / sm n
(pro experimentální ú ely)
Tr
mvzd / sm válec mvzd / sm s.ventil
Sc
mvzd / sm válec mválec
Tr
1
Ch
mvzd / sm válec mvzd / sm teor
Tr
2
1.0
i úplném míšení erstvé sm si a zbytkových spalin: Sc
0.6
1 e
1
1 e
1
Sc,
Tr
[-]
0.8
0.4
Sc Tr
0.2
Tr 1
0.0 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 [-]
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
1
16 / 20
Vým na nápln válce u 2-dobých motor Využití „lad ného“ výfukového potrubí
3
n = 7000 min-1 Plné zatížení
2.5
Válec
PO
p [bar]
2
VZ 1.5
Výfuk
PZ 1
Kliková sk
VO
0.5
Zp tný tok výfukem – do válce se vrací uniklá sm s 0 -180
-135
-90
-45
1) po VO
0
45
90
135
180
Úhel kliky [°KH]
Spaliny
3
Válec 2.5
2) po DÚ
2
p [bar]
Sm s Spaliny
PO
VZ
1.5
Kliková sk
PZ
1
3) p ed VZ
0.5
Sm s Spaliny 0 0
0.2
0.4
0.6
Rel. objem [-]
0.8
1
1.2
Vn jší tvorba sm si
17 / 20
Zážehové motory s homogenní sm sí HCCI motory Vzn tové dvoupalivové motory
Realizace: Karburátory (strhávání paliva v difuzoru) Sm šova e pro plynná paliva Jednobodové vst ikování Vícebodové vst ikování (obvykle sekven ní vst ik)
Charakteristika procesu vst ikování paliva: Vst ikovací tlaky 0,1÷1 MPa Založeno na koncepci Common Rail Vst ikovací trysky ur ené pro: Po átek vst ikování obvykle ješt p ed otev ením sacího Vst ik do Vst ik do dvou ventilu jednoho kanálu kanál Po vst iknutí paliva dochází k rozpadu paprsku – tvorba kapek (ventilu) (4-ventilová hlava) Palivo se odpa uje v proudu vzduchu (objemová tvorba sm si) i na st nách sacích kanál a na sacích ventilech (povrchová filmová tvorba sm si) Odpa ováním paliva se ochlazují st ny a tvo ící se sm s Palivový film na st nách iní potíže p i p echodových režimech motoru Odpa ování probíhá i ve válci motoru Kapalné palivo by se nem lo dostávat na st ny válce kv li na ed ní olejového filmu K homogenizaci sm si výrazn napomáhá rozví ení nápln válce Na okamžiku paliva vst iku p íliš nezáleží
18 / 20
Rozpad paprsku paliva Primární rozpad paprsku „Rayleigh-Taylorova nestabilita“ (Ø kapek Ø otvoru)
wk
2 pinj
Odpa ování, konvekce, difúze, p enos hybnosti
Srážky a slu ování kapek (r zné rychlosti kapek, zpomalování ela, odraz)
pvzd k
Kavitace, tvorba parních bublin, narušení proudu
Sauter v st ední pr
r kapek:
Ekvivalentní pr r kapky, který má stejný pom r V/S jako p vodní sm s kapek.
d 32
d d
3 i 2 i
Sekundární rozpad kapek „Kelvin-Helmhotzova nestabilita“ (kapky o ád menší velikosti) Weberovo íslo: (pom r vn jších a vnit ních sil na kapce)
We
Laplaceovo íslo: La (pom r sil povrchové napjatosti k silám vnit ního t ení v kapce)
Reynoldsovo íslo: (pom r setrva ných a vnit ních – t ecích sil) 2 k
w Dotvor
vzd
k
Re
(povrchové nap tí pro naftu
wk Dotvor k
k
= 0,025 N/m)
k k
Dotvor
k 2 k
(dynamická viskozita pro naftu -3 k = (1,6÷3,8) 10 Pa s)
Po áte ní fáze vst ikování benzínu:
d 32 15 50 m Rozpad paprsku paliva: Možnosti lepšího rozprášení paliva: Vyšší vst ikovací tlak (rychlost) Menší pr r trysek Mezikruhové ústí trysky Kmitající jehla v ústí trysky Vefukování mlhy palivo-vzduch (pro stla ení vzduchu do zásobníku s elmg. ventilem lze využít záv re nou ást kompresního zdvihu p edchozího cyklu)
Rostoucí Re Klesající La
Nízkotlaký vst ik
Vefuk mlhy palivo-vzduch
Vysokotlaký swirl vst ik
19 / 20
Vnit ní tvorba sm si
<1
Zážehové motory s heterogenní (vrstvenou) i homogenní sm sí HCCI motory Vzn tové motory
>1
Zážehové motory: Vst ikovací tlaky 5÷30 MPa Založeno na koncepci Common Rail Tvorba homogenní nebo vrstvené sm si s využitím vnit ního proud ní, tvaru pístu nebo kom rky (výsledná ízen tvo ená sm s je chudá, u sví ky bohatá) Výhodou je vyšší ochlazení nápln válce (vyšší odolnost proti klepání) a lépe zvládnutelné p echodové stavy Kapalné palivo by se nem lo dostávat na st ny válce kv li na ed ní olejového filmu Pro konec vst iku je typický špatný rozpad paprsku (velké kapky jsou zdrojem pro tvorbu sazí)
Vzn tové motory: Vst ikovací tlaky až 250 MPa Realizace: mechanicko-hydraulické systémy (pístek-potrubí-tryska, sdružená vst ikovací jednotka) nebo akumula ní systémy (Common Rail) ímý nebo nep ímý (kom rkový) vst ik Eliminace dopadu paliva na st nu válce je zajišt na tvarem spalovacího prostoru v pístu Rychlý rozpad paprsku paliva u p ímovst ikových motor vede k rychlejší torb sm si (nižší kou ivost) a ke zkrácení pr tahu vznícení (nižší emise NOx)
Energie podporující tvorbu sm si: Kinetická energie vlastního vst iku paliva Rozví ení nápln válce (zesilující swirl a squish p i kompresi) Primární ho ení v kom rce Teplá st na (M-zp sob, termický povrchový zp sob tvo ení sm si, vysoké emise i spot eba studeného motoru)
Swirl Squish
Swirl + Squish
20 / 20
Regulace výkonu motoru Kvalitativní regulace (vzn tové nep epl ované motory)
Kvalitativní regulace
Kvantitativní regulace (zážehové motory)
Tmax = f (pe)
100 90
m
m 80
Palivo
70 60
Vzduch
p [bar]
Vzduch
40
=1
=1
50
30 20
0%
0%
pe
0%
100%
0%
pi
pe
100%
10
pi
0 -180
Smíšená regulace (plynové motory)
Smíšená regulace (p epl ované vzn tové motory, dvoupalivové plynové motory)
-135
-90
-45 0 45 Crank Angle [deg]
90
135
180
Kvantitativní regulace
Tmax
50
konst.
45
m
m
40 35
Palivo Palivo Vzduch
p [bar]
30
Vzduch
25 20
=1
=1
15 10
0%
0%
pe pi
100%
0%
0%
pe pi
100%
5 0 -180
-135
-90
-45 0 45 Crank Angle [deg]
90
135
180
