Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei"

Attila Lukács
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 10. Előadás Feltöltés Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna, Müller Csaba

2 Feltöltés

3 Tartalom 1. Feltöltés célja 2. Turbófeltöltés 3. Szelepek a turbófeltöltőkön 4. Turbófeltöltés elrendezései 5. Mechanikus feltöltés 3

4 1. Feltöltés célja Indikált teljesítmény növelése: P 2 i i n zv h p i Amin változtathatunk: 1: Ütemszám változtatása 2: Fordulatszám növelése 3: Lökettérfogat növelése : Indikált középnyomás növelése 4

5 Középnyomás növelése 5

6 Feltöltés szükségessége A motor nyomatékának, teljesítményének növelése A motor teljesítménysűrűségének növelése (downsizing), fogyasztáscsökkentés, CO 2 kibocsátás csökkentés Károsanyag-kibocsátás csökkentése Otto: HC Diesel: Korom (nagyobb légfelesleg) NO x (több kipufogógáz visszavezetést enged, töltőlevegő visszahűtés) Fajlagos gyártási költség csökkentése [EUR/kW] Motorváltozatok számának csökkentése, ill. adott motorváltozaton belül a teljesítményspektrum szélesítése Súlycsökkentés 6

7 CO 2 csökkentés lehetőségei [%] CO 2 kibocsátás csökkentésének költségei Sugárvezetésű Szívócső befecskendezés Közvetlen benzinbefecskendezés Rendszer teljes költsége (motor és kipufogógázkezelés) [%] 7

8 Feltöltési módok Feltöltés Idegen feltöltés Saját feltöltés Sűrítő nélkül Sűrítővel Kipufogógáz használata nélkül Kipufogógáz használatával Kipufogógáz használata nélkül Kipufogógáz használatával Impulzusfeltöltés Nyomáshullámfeltöltés Mechanikus feltöltés Turbófeltöltés Lengőcsőfeltöltés Rezonanciafeltöltés Comprex-feltöltés Belső sűrítés nélkül Belső sűrítéssel Lüktető feltöltés Állandó nyomású feltöltés 8

9 Feltöltés korlátai: motor oldal Égésfolyamatból származó korlátok Otto-motor Beszívott levegő hőmérséklete nagyobb => Nagyobb kopogási hajlam Visszahűtéssel, vagy belső keverékképzéssel (párolgás) jelentősen javítható Előgyújtásai szöggel is kontrollálható, de ekkor romlik az indikált hatásfok Sűrítési arány nem növelhető tetszőlegesen Nagy légfelesleg esetén kissé javul a kopogás-ellenállás Diesel-motor Alacsony fordulatszámon általában a füsthatár ad korlátot 9

10 Feltöltés korlátai: motor oldal Mechanikai és termikus korlát Otto-motor Általában kevésbé korlátoz, mivel a kopogás előbb jelentkezik Diesel-motor Mechanikai: jelentős az égési csúcsnyomás növekedése (csapágyak, hajtórúd, dugattyúcsapszeg, dugattyú, hengerfejtömítés, hengerfejcsavarok) Termikus: jelentős hőfeszültségek (kipufogó szelep és fészke, szelepgát, dugattyútető, felső gyűrűhorony, hengerpersely) 10

11 Töltőlevegő visszahűtés T-s diagramja 11

12 2. Turbófeltöltés p4 p3 Kipufogó Turbina Belsőégésű Motor p1 p2 p2 Hatásvázlat: Kompresszor Levegőhűtő p1 p2 p3 p4 12

13 Turbófeltöltő felépítése A turbófeltöltő legfontosabb egységei Csapágyház és alkatrészei Axiális csapágy, radiális csapágy, csapágyház, biztosítógyűrűk, tömítések Forgórész Kompresszor-járókerék, turbina-járókerék, tengely (turbinakerék a tengely anyagából) 13

14 Kompresszor Kompresszor Kompresszorház: axiális belépés és radiális (centrifugális) kilépés, hátfal Turbina Turbinaház: radiális (centripetális) belépés és axiális kilépés 14

15 Lefújószelep Lefújószelep Levegő belépés Turbófeltöltő (kompresszor oldal) Pillangószelep Motor Lefújószelep 15

16 Wastegate Katalizátor Turbina Wastegate nyitva Kompresszor Beszívott levegő Égéstér Wastegate szabályzó Kipufogó gáz Töltőnyomás a wastegate szabályzószelephez Turbina kimenet Wastegate beavatkozó Szelep Állítható rúd 16

17 Változó turbinakeresztmetszet Működtetés membrános vákuum aktuátorral, elektronikus szervo, hidraulika, vagy a légfékrendszer levegőjével 17

18 Turbófeltöltő felépítése 18

19 Nyomásarány Feltöltés korlátai : feltöltő oldal Kompresszor jellegmező három üzemi határt definiál (ezzel a turbótöltés határai is egyben) Balra: Pumpálási határ (surge) Jobbra: Légnyelési határ (choke) Fent: Maximális fordulatszámhatár (max. speed) Ezeken kívül a hőmérsékleti határ fontos még, amely a jellegmezőben nem ábrázolható Térfogatáram 19

20 A turbófeltöltő üzemi korlátai Pumpálási határ elérése jet-wake effect π C =1.3 Szívott oldal Nyomott oldal π C =1.7 (leválás, stall) π C =1.8 (surge) 20

21 Részleges/teljes leválás Áramlás leválása Repülőgép szárnyprofilon: 21

22 A turbófeltöltő üzemi korlátai Maximális fordulatszám Úgynevezett LCF-károsodást, kifáradási okoz (Low Cycle Fatigue) Mind a kompresszoron, mind a turbinán előfordulhat A szerkezet károsodását okozza a folyáshatár elérése miatt (centrifugális erőtér) Szerkezeti anyagtól függő jelenség Az anyagmegfolyás fellépésének elsődleges helye 22

23 A turbótöltő és a motor együttműködése Az együttműködés ábrázolása a kompresszor-jellegmezőben terhelés fordulatszám 23

24 A turbótöltő és a motor együttműködése 24

25 3. Szelepek a turbófeltöltőn 25

26 A töltőnyomás szabályozása Turbina megkerülő szeleppel (wastegate, vagy bypass) 26

27 A töltőnyomás szabályozása Változtatható álló-lapátozású (és keresztmetszetű) turbinageometria (VGT) Lapátozás zárva kis turbina Lapátozás nyitva nagy turbina 27

28 A töltőnyomás szabályozása 28

29 A töltőnyomás szabályozása Audi 1.8 TFSI motor nyomatékának szabályozása turbófeltöltőn keresztül, a hűtőközeg hőmérsékletének feltüntetésével 29

30 Pumpálás elkerülése Otto-motor esetén Kompresszor megkerülőszeleppel Feltöltött Otto-motornál az előgyújtás szabályozása igényel körültekintést kopogás! 30

31 Terhelési jel Forgatónyomaték A turbófeltöltő dinamikus viselkedése A feltöltő fordulatszáma, így a feltöltőnyomás késedelemmel épül fel, ami a motor nyomatékának lassú felépüléséhez vezet ún. turbólyuk jelensége Diesel-motornál emiatt a légfelesleget korlátozni kell a gyorsítás alatt (füstkorlátozó) Terhelő jel Turbómotor Szívómotor Idő 31

32 4. Feltöltés elrendezés Többféle elrendezésben építenek feltöltőrendszereket turbófeltöltéshez Ennek okai Szükséges nyomásviszony nem vagy nem gazdaságosan realizálható egy fokozatban Túl hosszú gázutak a kipufogó csatornában tipikusan V- motoroknál Turbókésés csökkentése d 4 -el arányosan csökkenő rotor inercia Jellegmező kiszélesítése dinamikus jellemzők kiszélesítése 32

33 Ikerturbó elrendezés Jellemzően V-motoroknál terjedt el, ahol a hosszú gázutak miatt jelentős lenne a turbókésés egy feltöltővel Előfordulhat soros motoroknál is, hogy kevesebb henger jusson egy feltöltőre, ezáltal javítva a dinamikus tulajdonságokat 33

34 Többlépcsős regiszter feltöltés Levegő Alacsony fordulatszám: a szabályzószelep zárva van, így csak a kis turbó működik. Közepes fordulatszám: a szabályzószelep félig nyitva van, mindkét turbó működik. Magas fordulatszám: a szabályzószelep teljesen ki van nyitva, az égéstermék csak a nagy turbó irányába áramlik. 34

35 Többlépcsős regiszter feltöltés 35

36 Kétlépcsős sűrítés 2-Stage Turbocharger.flv 36

37 Állandó nyomású feltöltés 37

38 Lüktető feltöltés 38

39 5. Mechanikus feltöltés A feltöltő és a motor mechanikusan csatolva van, fordulatszámuk arányos Hajtásuk a motor főtengelyéről állandó, vagy változtatható áttétellel Emiatt magasabb fogyasztás -> teljesítmény növekmény akár 15%-a a kompresszor hajtására fordítódik Általában Otto-motoroknál használják 39

40 Mechanikus feltöltés Kompresszor Levegőhűtő Hajtómű Belsőégésű Motor Jellemző keresztmetszetek: 1 Kompresszor előtt 2 Kompresszor után, visszahűtő előtt 3 Visszahűtő után 4 Kipufogó 40

41 Roots kompresszor Belső sűrítés nélküli térfogat-kiszorítású feltöltő Lapátelcsavarás nélküli Lapátelcsavarással 41

42 Belső sűrítéssel Csavarkompresszorok Szívás axiális irányból Sűrítés Kilépés radiális irányban 42

43 Csavarkompresszor Audi 3.0 V6 TFSI motoron Bypass szelep nyitva Töltőlevegő hűtő Rotorok Bypass szelep zárva Bypass szelep Hőmérséklet/szenzor Hőmérséklet / nyomásérzékelő 43

44 Centrifugálkompresszor Szíjtárcsa Hajtókerék Hajtott kerék Belső olajzott kerék 44

45 A legfontosabb mechanikus feltöltések összevetése Forgódugattyús gépek Spirálfeltöl tő Radiálkompressz or Roots-fúvó Wankel Ro-feltöltő Spirálfeltöltő G-feltöltő Csavarkompresszor Radiálkompresszor Belső sűrítés Felépítés bonyolultsága Nincs Van Van Van Van Hatásfok Zaj Nyomásviszony 45

46 Kétlépcsős feltöltés mechanikus- és turbófeltöltővel VW TSI Roots-fúvó Friss levegő belépés A feltöltő szíjhajtása Tengelykapcsol ó Kiegészítő szíjhajtás Főtengel y Bypass Szívócső Kipufogócső Pill. szelep Waste gate Levegő hűtő Szűrő Katalizátor Turbótöltő Bypass Kipufogás 46

47 Comprex feltöltés 47

Hasonló dokumentumok

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 11. Előadás Turbó, kompresszor hatásfoka, hűtése Jelölés - Nem törzsanyag 2 Feltöltők hatásfoka A feltöltők elméletileg izentrópikus kompresszióval működnek,