Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Átírás

1 Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 4. Előadás Töltetcsere Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna

2 Bernoulli-törvény: Áramlástani ismeretek egy adott közeg áramlása során, az áramvonal mentén a különböző energia összetevők összege állandó. A közeg nyomását két komponensre, statikus és dinamikus nyomásra bontjuk, így azt a két komponens összege fogja meghatározni. Az energia-megmaradás értelmében, az egyik változása a másik értéket úgy befolyásolja, hogy az összegük ne változzon. Tehát, ha az egyik érték csökken, a másik komponens értéke nőni fog, így a közeg össznyomása mindvégig változatlan marad Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 2

3 Áramlástani ismeretek Statikus nyomás: F nyomóerő és A felület hányadosa, irányfüggetlen (izotróp) és skalár mennyiség Dinamikus nyomás: (sebesség- vagy torlónyomás) a közeg sebességéből származik, irányfüggő mennyiség 1 2 p din v 2 Hidrosztatikai nyomás: p g h Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 3

4 Áramlástani ismeretek Hidrosztatikai nyomás: a nehézségi erő miatt a közegek belsejében mért nyomás értéke a felszíntől h mélységben: p g h Ha a felszínre ható p 0 -al jelölt légköri nyomást is figyelembe vesszük, a nyomás értéke: p a p0 Ha az egyik nyomáskomponens megváltozik, (pl: megnő a dinamikus nyomás, azaz felgyorsul a közeg áramlása) akkor a másik komponens, a statikus nyomás lecsökken g h Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 4

5 Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna h g p v h g p v Az ideális folyadék stacionárius áramlására vonatkozó Bernoulliegyenlet azt mondja ki, hogy a folyadék egységnyi tömegére vonatkoztatott mozgási energiájának, nyomásból származó munkavégző képességének és helyzeti energiájának összege egy áramvonal mentén állandó. Ha az egyenlet mindkét oldalát a folyadék sűrűségével megszorozzuk, a Bernoulli-egyenlet nyomás dimenzióban felírt alakját kapjuk: h g p v h g p v Áramlástani ismeretek

6 Áramlástani ismeretek Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 6

7 Áramlástani ismeretek Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 7

8 Bernoulli-egyenlet összenyomhatatlan közegre (folyadékok) p g h v 2 2 áll. Bernoulli-egyenlet összenyomható közegre v 2 2 Áramlástani ismeretek áll. ahol Ψ az egységnyi tömegre eső helyzeti energia Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 8

9 Áramlástani ismeretek Kritikus sebesség: az áramló gáz sebessége nem tud hangsebesség fölé gyorsulni Hangsebesség alatti áramlás esetén, ha az áramlást meghatározó mennyiségekben változás áll be, az a gázon az áramlással ellentétes irányú nyomáshullámmal terjed tovább és az áramlás átáll az új feltételeknek megfelelően Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 9

10 Áramlástani ismeretek A kritikus sebesség elérésekor a fúvóka utáni változás nem képes visszahatni a torok előtti áramlásra, mert a nyomáshullámok nem képesek visszafelé haladni, mivel a gázsebesség azonos a hangsebességgel Az áramlás sebességének továbbnövelése azonban így is lehetséges, Laval fúvóka alkalmazásával Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 10

11 Áramlástani ismeretek Laval-fúvóka: homokóra formájú csőszakasz. összenyomható gázok sebességének növelésére használják Kis sebességnél a gázok viselkedése az összenyomhatatlan folyadékokéhoz hasonlóan Bernoulli-egyenlettel írható le Nagy sebességnél nem hanyagolható el az összenyomhatóság, itt az energia egyenletet alkalmazzuk Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 11

12 Először gőzturbinákon alkalmazták, ma a rakétahajtóművek fontos kelléke A szűkülő-bővülő keresztmetszet lehetővé tette a hangsebességnél gyorsabb áramlást Áramlástani ismeretek Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 12

13 Motorok - Töltetcsere Töltetcsere: A belső égésű motor működéséhez szükség van egy pontosan szabályozott, ún. töltetcsere folyamatra. A töltetcsere során eltávolítjuk a hengertérből a maradék gázokat (kitolás, öblítés), majd új, megfelelő minőségű és mennyiségű friss töltetet juttatunk a helyére (szívás) Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 13

14 Motorok - Töltetcsere A szívóütem: a szívószelepek (csatornák) nyitása és a levegő, vagy levegő-tüzelőanyag keverék beszívása az égéstérbe A kipufogóütem: a kipufogószelepek (csatornák) nyitása és a kipufogógázok kitolása a hengertérből Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 14

15 Fogalmak - ismétlés Elméleti töltet a hengerben: m Lth =ρ*v h Ténylegesen bejuttatott töltet Légnyelés: szívási ütem alatt a szívócsövön ténylegesen beáramló töltet és az elméleti töltet aránya Töltet: szelepek zárása után a hengerben maradt levegő (+tüzelőanyag) Töltési fok: a valós és az elméleti töltet aránya Megmutatja, hogy az elméleti töltetnek mekkora része maradt a hengerben a szelepek (csatornák) zárása után (2T esetén fontos jellemző) Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 15

16 Töltetcsere A ténylegesen bejuttatott töltet külső keverékképzésű motoroknál az adott ütemhez szükséges tüzelőanyag mennyiséget is tartalmazza Kétütemű motoroknál fontos jellemző volt a tényleges töltet és a bejuttatott töltet aránya Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 16

17 A töltetcsere vezérlést igényel A vezérlés lehet: Résvezérlés Szelep vezérlés Vegyes vezérlés Vezérlés módja szerint: Közvetlen Közvetett Kombinált Vezérlés Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 17

18 Szelepvezérlési rendszerek A záróelem szerint: Tolattyús Tányérszelepes Forgószelepes A szelep állása szerint: Állószelepes vezérlés Függőszelepes vezérlés Nyitási zárási szöghelyzetek szerint Állandó paraméterű Változtatható paraméterű Működtetési mód szerint: Közvetett vezérlés: bütyök emelőtőke emelőrúd himba szelep Közvetlen vezérlés: a kinematikai láncban csak egy emelőtőke van Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 18

19 A szelepvezérlés elrendezései SV (Side Valve) alul vezérelt, oldalt szelepelt /állószelepes/ Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 19

20 A szelepvezérlés elrendezései OHV (Overhead Valve) alul vezérelt, felül szelepelt Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 20

21 A szelepvezérlés elrendezései OHC (Overhead Camshaft) felül vezérelt, felül szelepelt Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 21

22 A szelepvezérlés elrendezései DOHC (Double Overhead Camshaft) két vezérműtengelyes, felül vezérelt, felül szelepelt Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 22

23 A szelepvezérlés elrendezései CIH (Camshaft in Head) Az OHV és az OHC vezérlések ötvözete. A vezérműtengely már a hengerfejben, a szelephimbához közel helyezkedik el, de még nincs közvetlen kapcsolatban vele. A közvetítő elem egy hidraulikusan kiegyenlíthető emelő, amely lehetővé teszi a folyamatos szelephézag kiegyenlítést. Az elrendezéssel mérsékelni tudták a mozgó tömegerőket, viszont a vezérműtengely és az emelő közvetlen kapcsolata miatt hátrányos konstrukciónak bizonyult Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 23

24 Töltetcsere kipufogóütem A kipufogószelep nyitásakor a hengerben és a kipufogócsőben lévő nyomás aránya sokszor a kritikusnál nagyobb, ekkor a kezdeti fázisban az égéstermékek hangsebességgel áramlanak ki. A kiáramlási keresztmetszet fokozatosan nagyobbodik A henger nyomásesése is fokozatos Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 24

25 Töltetcsere kipufogóütem A kipufogás kezdeti fázisa nyomáseséssel jár A kipufogócsatornában nyomáshullám keletkezik, amely nagysága a csatorna ellenállásától függ A kezdeti fázis után az égéstermékek kitolása már kritikus nyomás alatt történik A kitolási fázis végén a szelepzárásból származó fojtásnövekedés miatt a hengernyomás emelkedhet Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 25

26 A kipufogás nyomáslefutása Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 26

27 Töltetcsere - szívóütem A hengerben gyors nyomáscsökkenés lép fel, amely hatására a szívócsőben lévő nagyobb nyomású térből beáramlik a friss töltet az égéstérbe. A beszívott levegő hőmérséklete a melegebb motoralkatrészek hatására megnő, ezért kitágul. A lecsökkent sűrűség következtében csökken a henger töltési foka is Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 27

28 A motor szelepnyitási diagramja Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 28

29 Szelepkeresztmetszetek hatása Különböző áramlási sebességek a szívószelepen és a szívószelep időzítésének hatása a teljesítményre Áramlási sebességek azonos szelepnyitási szögnél: Szívószelep-időzítések hatása a motor teljesítményére: Változó szelepvezérlésre van szükség ahhoz, hogy minden fordulatszámon ideális legyen a motor töltési foka Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 29

30 Hengernyomás [bar] Hengernyomás [bar] Töltetcseréhez szükséges befektetett munka különböző fordulatszámon Hengertérfogat [cm 3 ] Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 30

31 Henger-, kipufogó- és szívócsatorna nyomások a szelepemelés függvényében Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 31

32 Henger-, kipufogó-és szívócsatorna nyomások a szelepemelés függvényében Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 32

33 Szívórendszerek A motor szívórendszerével szemben támasztott követelmény, hogy különböző üzemállapotokban (fordulatszám) is biztosítani tudja a jó hengertöltéshez szükséges levegőáramot Ennek biztosítására változó szívórendszereket alkalmaznak Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 33

34 Szívórendszer felépítése Levegőszűrő Légmennyiségmérő Vezetőcső Pillangószelep Levegő elosztó Lengőcső Szívócsatorna/szívószelep Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 34

35 Szívórendszerek A változtatható szívórendszerek különféle kivitelűek lehetnek Hasznosítják a szívórendszerben fellépő hullámjelenségeket a töltési fok javítására Rezonanciafeltöltés Lengőcsőfeltöltés Kapcsolt lengőcső- és rezonanciafeltöltés Kombinált feltöltés (rezonancia- és turbófeltöltés) Légütemszelep Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 35

36 Rezonanciafeltöltés Állóhullám létrehozása a gázoszlop sajátfrekvenciáján Kellékei: rezonanciatartály és rezonanciacső Kettős, vagy összetett rezonanciarendszer Előnyösen használható hengeres motoroknál (240 -os elékelés), más esetben összetett rezonancia rendszer szükséges Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 36

37 Lengőcsőfeltöltés Szívási depresszió által a nyitott csővégről visszaverődő túlnyomás létrehozása a szívószelepzárás előtt Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 37

38 Alkalmaznak Lengőcsőfeltöltés Szakaszos szívócsőhossz változtatást Szívókeresztmetszet változtatást Folyamatos szívócsőhossz változtatást A töltetcsere folyamat dinamikus tulajdonságainak javítására alkalmazzák a változó szelepvezérlést is Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 38

39 Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Szakaszos szívócsőhossz, szívókeresztmetszet, vagy folyamatos szívócsőhossz változtatás Kétszakaszos szívócsőhossz változtatás Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 39

40 Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Négyszakaszos szívócsőhossz változtatás Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 40

41 Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Effektív szívókeresztmetszet változtatás Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 41

42 Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Folyamatos szívócsőhossz változtatás Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 42

43 Kapcsolt feltöltés Soros hathengeres motoroknál Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 43

44 Kapcsolt feltöltés Soros hathengeres Opel Dual Ram Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 44

45 Kapcsolt feltöltés Hathengeres V-motoroknál Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 45

46 Kapcsolt feltöltés Hathengeres boxermotornál Porsche Varioram Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 46

47 Kapcsolt feltöltés Nyolchengeres motornál nincs olyan gyújtási sorrend, ahol egyenletes gyújtásköz adódna egy hengersoron belül, ezért itt átellenes lengőcső kapcsolat szükséges Csappantyú a rezonátor tartályok között, emiatt nő a rezonanciafrekvencia Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 47

48 Funkciói: Dinamikus impulzusfeltöltés - Töltési fok növelése légütemszelep Fojtásmentes frisstöltet-szabályozás (Miller-ciklus) Kipufogógáz visszavezetés fojtásmentes szabályozása Töltetmelegítés a hidegindítási fázis rövidítésére Hengerlekapcsolás Hátrányai: Túl rövid átkapcsolási idők szükségesek Nagy átkapcsolási ciklusszám Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 48

49 Légütemszelep Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 49

50 Légütemszelep működési elve Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 50

51 Légütemszelep Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 51

52 Töltetmozgások Keverékképzés szempontjából megkülönböztetünk külső - és belső keverékképzésű motorokat A hatékony keverékképzéshez fontos (különösen a belső keverékképzésű motorok esetében) a hengerben zajló töltetcsere mozgás Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 52

53 Töltetmozgások A töltetmozgások között megkülönböztetünk elsődleges (primer) és másodlagos (szekunder) mozgásokat Mozgás típusa szerint létezik spirális áramlás (Drall/Swirl), amit főleg Diesel-motoroknál használnak és bukóáramlás (Tumble), amit jellemzően az Otto-motoroknál alkalmaznak Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 53

54 Töltetmozgások Primer töltetcsere mozgásnak nevezzük a friss töltet és a kipufogógáz motorba való ki-és bejutását (vagyis magát a töltetcserét) Szekunder töltetcsere mozgásnak a friss töltet hengerben történő másodlagos mozgását (mozgásait), pl. örvénylését nevezzük Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 54

55 Töltetmozgások Perdület (Drall) Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 55

56 Perdület kialakítása többszelepes motorokban Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 56

57 Tumble (-bukó) áramlás Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 57

58 Bukóáramlás kialakítása Tumble kialakulása a szívószelep nyitásának függvényében Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 58

59 Bukóáramlás kialakítása Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 59

60 Bukóáramlás kialakítása Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 60

61 Kipufogórendszer Feladata a motor hengereiből a kipufogógáz elvezetése, valamint a működési zaj tompítása Kipufogórendszer ezen kívül részt vesz a töltetcsere gázdinamikai folyamataiban, a kialakítása és a motor működésének paraméterei függvényében Általában a kipufogórendszerbe integráljuk a kipufogógáz utánkezeléséhez szükséges elemeket, pl. katalizátor, részecskeszűrő Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 61

62 Kipufogó rendszer elemei Leömlő csonk: a motor hengereiből kiáramló kipufogógáz közösítése egy, vagy két csővezetékbe Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 62

63 Kipufogó rendszer elemei Lambdaszonda: leömlőcsonkba, vagy a csővezetékbe csavarozva Flexibilis csőtag Katalizátor Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 63

64 Kipufogó rendszer elemei Hangtompító dobok Végdob Csatlakozó elemek Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 64

65 Rezonátor kipufogó (2 ütem) Kétütemű motoroknál szükséges gázlengések szabályzásához és a töltetcsere lefolyásához Rezonátor: speciális alakú, a kipufogógázban lengéseket okozó acélcső, melyben az állandó nyomáson álló gáz és a rezonátor saját frekvenciája megegyezik az adott fordulaton a motorból kiáramló gáz lengésszámával Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 65

66 Rezonátor kipufogó (2 ütem) A különböző fázisban visszaverődő szívó- és nyomáshullámok segítik a töltetcserét Hátránya, hogy csak szűk fordulatszám tartományban működik Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 66

67 Rezonátor kipufogó (2 ütem) Részei: Leömlő Diffúzor Konfúzor Dob, vagy hangtompító Power szelep Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 67

68 Power szelep felépítése és működése Feladata: Kipufogó csatorna keresztmetszetének változtatása a fordulatszám függvényében Belső Égésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 68