Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Átírás

1 Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 3. Előadás Motortechnikai alapegyenletek Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna

2 Motorblokk Hengerátmérő (furat): a henger névleges belső átmérője. Jele: D [mm] Hengerkeresztmetszet (dugattyúfelület): a henger belső átmérőjével meghatározott kör területe. Jele: A D Képlet: [mm 2 ] Forgattyúsugár: a forgattyúcsap középpontja és a forgattyús tengely forgáspontja közti távolság. Jele: r [mm] D Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 2

3 s Motorblokk Löket: a dugattyú két holtpontja közötti távolság. Jele: s [mm] FHP Hajtórúdhossz: a hajtórúd dugattyúcsap-furatának és forgattyúcsap-furatának középpontjai közötti távolság. l AHP Jele: l [mm] Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 3

4 Motorblokk Lökettérfogat: a hengerkeresztmetszet és a löket szorzata. Jele: V h Képlet: [cm 3 ] V H : teljes lökettérfogat z: hengerszám (A képlet alapján mm 3 -ben kapjuk meg a mértékegységet, de a gyakorlatban a litert és a cm 3 -t használják.) Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 4

5 Löket/furat viszony: Arányok a munkahenger legfontosabb jellemzője nagy hatással van a motor teljes felépítésére, pl.: égéstér kialakítása: csökkenő értékénél az égéstér ellaposodik felület/térfogat arány Képlet: κ > 1: hosszú löketű motor Hajtórúdarány: κ = 1: négyzetes motor κ < 1: rövid löketű motor forgattyús hajtómű kialakítására jellemző függ a löket/furat aránytól Képlet: κ = s D λ = r l = s 2l Forgattyúarány: A hajtórúdarány reciproka: λ = 1 λ = l r Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 5

6 Dugattyúsebesség Dugattyú-középsebesség: A motor élettartama szempontjából releváns érték. A lökethossz kétszerese szorozva a másodpercre vonatkoztatott fordulatszámmal. Jele: c k Képlet: c k < 25 Teherszállító hajók : 6 9 ( 10) Erőgépek: 7-11 Személygépkocsik: F1: Dugattyú maximális sebessége: Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 6

7 Levegőarány Levegőarány: a levegő tömegáramának és a tüzelőanyag tömegáramának az aránya. Jele: K L Képlet: Elméleti levegőarány: a levegő és a tüzelőanyag tömegáramának kémiai reakcióegyenletek alapján számított (sztöchiometrikus) aránya. Jele: K L0 Valós levegőarány: a tüzelőanyag egységnyi tömegének és ezen tüzelőanyag adott követelményeket kielégítő elégetéséhez szükséges levegő tömegének aránya. Jele: K LV Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 7

8 Levegőarány Tényleges (effektív) levegőarány: egy munkafolyamat alatt a munkatérbe ténylegesen bejuttatott levegő és tüzelőanyag tömegének aránya. Jele: K Le Légviszony: a tényleges és az elméleti levegőarány hányadosa. Jele: λ Képlet: Sűrítési arány Jele: ε Képlet: V c : kompresszió térfogat Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 8

9 Légnyelés Légnyelés: a motor által ténylegesen beszívott levegő tömegáramának és az elméleti tömegáramnak a hányadosa. Jele: λ L Képlet: λ L = m be = m be ill. m elm m be : a munkafolyamat elején egy henger által ténylegesen beszívott töltet tömege m be,össz : a munkafolyamat elején a motor által ténylegesen beszívott töltet tömege m elm : elméleti töltet tömege ρ elm : elméleti töltetsűrűség A beszívott töltet tömege: Külső keverékképzésnél: m be = m tü + m l ill. m be,össz = m tü,össz + m l,össz Közvetlen befecskendezésnél: m be = m l ill. m be,össz = m l,össz m tü : tüzelőanyag tömege m l : levegő tömege V h ρ elm λ L = m be,össz V H ρ th Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 9

10 Töltési fok Töltési fok: a szelepek zárása után ténylegesen a hengerben maradó töltet és az elméleti töltet hányadosa. Jele: λ T Képlet: ill. m ö : öblítési veszteség, a beszívott töltetnek az a része, amely a szelepösszenyitás során, a kipufogónyíláson át eltávozik, így nem vesz részt az égésben. m f : friss töltet, az öblítési veszteséggel csökkentett beszívott töltet, m f = m be m ö m m : maradék gáz, a kipufogónyílás zárása után a munkatérben visszamaradt égési gáz tömege. m t : tényleges töltet, a friss töltet és a maradék gáz együtt, m t = m f + m m Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 10

11 Öblítési viszony Elsősorban kétütemű motoroknál használják. A töltetcsere jóságát határozza meg. A töltési fok és a légnyelés hányadosa. α = λ T λ L Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 11

12 Fuel Load Performance (13) Comparison Recalculation / Measurement Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 12

13 Pressure [bar] Pressure [bar] Mass Flow [kg/s] P_IM_A [bar] Valve Lift [mm] Fuel Load Performance (19) Comparison Recalculation / Measurement Engine Speed = 4000 rpm, BMEP = 10.9 bar 1_2L_Fire_EVO3.WOT_AVL.N_4000 BOOST Simulation FIA_A270030_A Messung 1.2 Exhaust Intake Exhaust Intake Cylinder Crank Angle [deg. CRA] Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 13

14 Fuel Load Performance (22) Comparison Recalculation / Measurement Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 14

15 Egy ciklus indikált munkája a p-v diagramból Diagram alapján egy ciklus indikált munkája: W be : töltetcsere veszteség szíváskor és kipufogáskor befektetett munka W ki : a gáz munkája a motorban Az egyszerűség kedvéért létrehoztuk az indikált középnyomás fogalmát: Ez egy helyettesítő érték, amely a lökettérfogattal szorozva azonos munkaterületet eredményez W i,cikl = p ik V h Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 15

16 Effektív munka és középnyomás Effektív középnyomás: a forgattyús tengely végén megjelenő teljesítményből számítható középnyomás. p ek = p ik p vk ; Pe *V L Veszteség-középnyomás: a motor saját mozgatásához és a segédberendezések működtetéséhez együttesen felhasznált munka és a lökettérfogat hányadosa. (Ezt közvetlenül nem tudjuk mérni. Ezért az indikált és az effektív középnyomás különbségéből határozzuk meg) Jele: p vk [Mpa, kpa, bar]; p ek p vk = p ik p ek Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 16

17 Fajlagos munka Egy ciklus munkája: Fajlagos energiasűrűség: A motortechnikában használt mértékegység: Fajlagos munka Középnyomás 3 W [ kj] [ 10 * Nm] 6 N w 10 * 3 V [ dm ] [ * m ] m 2 [ MPa ] Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 17

18 Teljesítmény Teljesítmény: időegység alatt elvégzett munka mértéke. Átlagos teljesítmény. Jele: P Képlet: Pillanatnyi teljesítmény: Teljesítmény egyenes vonalú mozgásnál: a testre ható erő vektora az idő függvényében állandó. Azaz a pillanatnyi teljesítmény az erő és a sebesség szorzata Teljesítmény forgó mozgásnál: a mozgást létrehozó nyomaték a szögelfordulás függvényében állandó. Azaz a pillanatnyi teljesítmény a nyomaték és a pillanatnyi szögsebesség szorzata Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 18

19 Teljesítmény Tényleges (effektív) teljesítmény: ténylegesen leadott (forgattyús tengelyen mérhető) teljesítmény. Jele: P e Képlet: P e = ω M = 2π n M/60 [kw] ω: szögsebesség n: fordulatszám M: forgatónyomaték Indikált teljesítmény: a gáz indikátordiagram alapján meghatározott munkája a motorban, időegységre vetítve. Jele: P i Képlet: [kw] p ik : indikált középnyomás i: ütemszám Mechanikai teljesítményveszteség: a súrlódási teljesítmény és a segédberendezések hajtásához felhasznált teljesítmény együttesen. Jele: P mv Képlet: [kw] p v : veszteség-középnyomás i: ütemszám Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 19

20 Égéshő és fűtőérték Égéshő: az a fajlagos hőmennyiség, amely 1 kg tüzelőanyagból összesen felszabadul, ha az égéstermékeket a kiindulási hőmérsékletre hűtjük vissza. Az égéshőből számítják a fűtőértéket és ezt szokás a gyakorlatban használni. Mértékegysége: (angolszász irodalomból tükörfordítással átvett elnevezése: felső fűtőérték) Fűtőérték: az a hőmennyiség, amely 1 kg tüzelőanyagból kinyerhető olyankor, ha a füstgázzal együtt távozó víz gőz halmazállapotban hagyja el a berendezést (pl.: kipufogógáz). Értékét megkapjuk, ha az anyag égéshőjéből kivonjuk a gőzként távozó vízmennyiség párolgáshőjét. Mértékegysége: (angolszász irodalomból tükörfordítással átvett elnevezése: alsó fűtőérték) A két fogalom közti különbség: Az égéshő nagyobb, mert beleszámolják az égésnél keletkező vízgőz kondenzációs hőjét (az égés végi hőmérsékletről a szobahőmérsékletre lehűlő és cseppfolyósodó víz által visszanyert hőmennyiséget). Benzin: égéshő: fűtőérték: Gázolaj: égéshő: 44,4-45 fűtőérték: 41, Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 20

21 Benzin égése A benzin egy lehetséges összetevőjével számolva, az égés egyenlete: 1 liter benzin elégetésekor keletkező víz mennyisége: 1 mol C 8 H 18 moláris tömege 114 g 1000 g moláris tömegű C 8 H 18 : 8,77 mol Az egyenlet alapján 1 kg benzin égésekor: keletkezik, azaz 1421,05 g 1,421 liter. 9 8,77 = 78,95 mol víz Telítetlen szénhidrogén láncoknál és gyűrűs kötéseknél ez az érték kevesebb, de mindig több, mint 1 liter Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 21

22 Üzemanyag-fogyasztás Üzemanyag fogyasztás: a motor üzemeltetése során felhasznált, tüzelő-, kenő-, hűtő- stb. anyagok mennyisége, valamilyen működési vagy üzemeltetési mutatóra (pl.: idő, munka, teljesítmény) vetítve. Tüzelőanyag fogyasztás: a motor által időegység alatt elfogyasztott tüzelőanyag mennyisége vagy energiatartalma. Jele: B t Képlet: Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 22

23 Tüzelőanyag fogyasztás Fajlagos tüzelőanyag fogyasztás: teljesítményegységre vonatkoztatott, időegységenkénti tüzelőanyag fogyasztás. Jele: b t Képlet: A tüzelőanyaggal bevezetett energia: m t : bevezetett tüzelőanyag tömege H a : (alsó) fűtőérték : óránkénti tüzelőanyag tömegáram effektív teljesítmény [kw] effektív hatásfok A tüzelőanyag fogyasztást térfogat- vagy tömegáramként mérve: m t = m t t = ρ t V t g kw h ρ t : tüzelőanyag sűrűsége kg h Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 23

24 Fajlagos tüzelőanyag fogyasztás Teherszállító hajók: 2 ütemű: ütemű: Haszongépjármű: 185 Erőgépek: Személygépkocsi: Diesel: Benzines: 250 Motorkerékpár: 270 g kw h g kw h g kw h g kw h g kw h g kw h g kw h g kw h Kis, 2 ütemű motor: Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 24

25 A fajlagos fogyasztáshoz egy kézzelfoghatóbb példa: Házat építek a testvéremmel. A bátyám minden 1 m 2 fal felrakása közben, mely fél órába telik, egy db 0,4l kiszerelésű dobozos sört iszik meg. Én 1 db 0,5l-es üveges sört iszom meg ugyanannyi idő alatt, de közben 1,5 m 2 falat rakok fel. A két sörtípus azonos alkoholtartalmú, 5% m/m. A sörfogyasztás mindkét esetben a munka elvégzésének feltétele. Hogyan alakul tehát a fajlagos alkoholfogyasztásunk? (1l sör = 1kg) Fiatal: (0,4kg*0,05)/(1m 2 ) = 20g/m 2 Idősebb: (0,5kg*0,05)/(1,5m 2 ) = 16,7g/m 2 Az én fajlagos fogyasztásom alacsonyabb, ugyan magasabb abszolút fogyasztással, de arányaiban a magasabb teljesítmény miatt (1,5m 2 /h), vagyis jobb hatásfokkal. (Ezt akkor tudnánk számszerűsíteni, ha meghatároznánk egy kg-nyi sör energiatartalmát és azt összevetnénk egy m 2 fal felrakásához szükséges energiamennyiséggel) Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 25

26 A fajlagos fogyasztás ugyanolyan természetű érték, mint mondjuk a fajlagos ár, az alacsonyabb kellemesebb: Ha a családi kiszerelésű sör (2l) 800Ft-ba kerül, az azonos típusú, hagyományos kiszerelésű (0,5l) pedig 220Ft-ba, akkor a fajlagos ár alapján tudjuk eldönteni, melyik az olcsóbb vagyis a jobb. 400 Ft/l ill. 440Ft/l a fajlagos ár, úgy is mondhatjuk, hogy a 2l-es kiszerelés nagyobb hatásfokú, kevesebb befektetéssel fogunk ugyanannyi sört kapni. A motor esetében a befektetés a tüzelőanyag, a kívánt eredmény a hasznos munka, melyet mindig egységnyinek tekintünk. Minél alacsonyabb a fajlagos ár vagy fogyasztás, annál magasabb a hatásfok. [g/kwh] [E tüz.a. /E hasznos ] [E hasznos /E tüz.a. ] = η effektív Ha például egy motor egy munkapontban 300 [g/kwh] fajlagos fogyasztással üzemel gázolajjal (42 kj/g), akkor ennek a motornak az effektív hatásfoka: E tüz.a = 42[kJ/g]*300[g tüz.a. ] = [kj] E hasznos = kwh = (kj/sec)*h = 3600 [kj] η effektív = 3600/12600 = 28,6 % Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 26

27 Egy jármű mozgásban tartásához vagy gyorsításához egy minden pillanatban meghatározható nagyságú teljesítményt használunk. A motor fordulatszám-forgatónyomaték koordináta rendszerében, mivel a kettő szorzata adja a teljesítményt, az egy állandó teljesítményhez tartozó pontok hiperbolát alkotnak. Elsősorban a motor mechanikai veszteségei miatt, azonos teljesítménnyel, de magasabb terhelésen és alacsonyabb fordulatszámon a motor kedvezőbb fajlagos fogyasztással, magasabb hatásfokkal üzemel. Az azonos fajlagos fogyasztás értékeket összekötve kagyló formájú görbéket kapunk. Tehát a motor terhelése, melyet adott hajtó teljesítmény-igénynél a sebességi fokozat határoz meg, erőteljesen befolyásolja a fajlagos, ezáltal a km-re vagy üzemórára vetített tüzelőanyag fogyasztást. M p ek Sweet spot: 270 g/kwh 300 g/kwh 100% gázpedálállás 300 g/kwh 400 g/kwh 500 g/kwh 400 g/kwh 75% gázpedálállás 500 g/kwh 15kW 50% gázpedálállás n Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 27

28 Kagylódiagram (Otto-motor) Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 28

29 Kagylódiagram (Diesel-motor) Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 29

30 Hatásfok Indikált hatásfok: az indikált teljesítmény és a tényleges, bevezetett hőenergia-áram aránya. Jele: η i Képlet: Tényleges (effektív) hatásfok: az effektív teljesítmény és a tényleges, bevezetett hőenergia-áram (tüzelőanyag kémiai energiájának) aránya. Jele: η e Képlet: Otto-motor: % Diesel-motor: % (turbócompound: 50 % felett) Teherszállító hajók: % Mechanikai hatásfok: az effektív teljesítmény és az indikált teljesítmény aránya. Jele: η m Képlet: Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 30

31 Hatásfok Az elégetett tüzelőanyag kémiai energiájának csak egy része alakul át hasznos mechanikai energiává. (Tipikus értékek.) Tüzelőanyag energia: Otto Diesel 28 % 24 % 29 % 26 % 6 % 5 % a motor főtengelyén 37 % 45 % Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 31