BMW Valvetronic. Dr. Bereczky Ákos BME, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Átírás

1 Belsőégésű motorok BMW Valvetronic Dr. Bereczky Ákos BME, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

2 Leonardo da Vinci (1508)

3 Newcomen (1712)

4 Atmoszférikus gázmotor (1855) Alfred Drake

5 Atmoszférikus Motor Működése Szívás keverék láng Expanzió Kipufogás füstgáz

6 Négyütemű motor (1876) Nicolaus Otto

7 Négyütemű motor működése Szívás mixture Sűrítés Expanzió Kipufogás exhaust

8 Első gépjármű (1885) Daimler

9 Kompressziógyújtású motor (1892) Rudolf C. Karl Diesel

10 Modell motorok

11 Gépjármű motorok

12 Közepes erőművi rendszerek

13 Er m vi rendszerek

14 Dugattyús belsőégésű motorok alapvető elnevezései és jelölései

15 Wankel-motor műkődése

16 A motorok kialakítása a motor működési elve a friss töltet (levegő vagy keverék) hengerbe jutása a tüzelőanyag jellege a keverékképzés helye az égéstér kialakítása gyújtás jellege szabályzási módszer A konstrukció szempontjából lényeges: a hengerek elrendezése a gázcserefolyamat vezérlése a motor hűtése

17 Wankel-motor műkődése

18 W motor

19 OTTO ciklus 1 2 p V V Komp. V Löket

20 DIESEL ciklus p V

21 A motorikus belső veszteségek a következő fő okokra vezethetők vissza: Friss töltet bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.) Hőleadás a falak felé (nem adiabatikus) Véges égési sebesség Égés során hőleadás (+tökéletlen égés) Gázveszteség (dug.-persely) Súrlódási veszteségek

22 Elméleti (szaggatott vonal) és valós indikátordiagram (folyamatos vonal)

23 2 D π pi * s 4 Pi = * z * n = i * p i * VL * z * i * n [kw] ahol: p i [N/m 2 ] - indikált középnyomás» D [m] - hengerátmérő» s [m] - löket z [-] - hengerszám n [1/sec] - fordulat i [-] - működések száma

24 A motorok hengerterében elégetett tüzelőanyag kémiai energiája (Q be bevezetett hőenergia) a fellépő veszteségek miatt nem alakítható át teljes egészében a motor tengelyén hasznosítható L e effektív munkává. A bevezetett hőenergia: Effektív munka: Q L be A motor veszteségeit három fő csoportba soroljuk: alapvető veszteségek = dt * Hi = Q motorikus veszteségek mechanikai veszteségek e be *10 3 Veszteségek

25 Az alapvető veszteséget a termikus hatásfokkal jellemezzük: ηt = Qbe Qel L0 Q be = Q Q be = Qbe1 + Qbe2 be A termikus hatásfok elsősorban a kompresszió nagyságától V L +Vc ( ε = ) függ és csak kisebb mértékben egyéb Vc paraméterektől (légfelesleg, κ, állandó térfogaton és állandó nyomáson bevezetett hőenergia aránya).

26 A termikus hatásfok változása a kompresszió függvényében. Vkomp. + V V komp. löket

27 7,5 KHz p [bar] 13,25 KHz p [bar] 950 Frekvencia [Hz] Kopogásos égés nyomáslefutása és a nyomás lengés frekvenciája. (a spektrumon megfigyelhető 13 KHz körüli rezgés a nyomásmérő sajátfrekvenciájából adódik!)

28 Kompresszió viszony 1 atmospheric engine 3 Otto motor 4 rés szelep 6 Ricardo hengerfej 7 felső szelep 9 ólmozott üzemanyag (5 star) 10 MPI 11 kopogás mérés Vkomp. + V komp. V cc V cil V löket

30 A motorikus belső veszteségeket a jósági fok jellemzi: ηj 0 L0 Az indikált hatásfok pedig: = Li L = L + L ηi = L Q i be

31 A mechanikai veszteségek egyrészt a mozgó alkatrészek súrlódási veszteségeiből, másrészt a segédberendezések (olajszivattyú, vízszivattyú, hűtőventilátor, adagolószivattyú, gyújtóberendezés, stb.) hajtásához szükséges energiából tevődik össze. A mechanikai veszteségeket a mechanikai hatásfokkal jellemezhetők: η m = A motor tengelyén kinyerhető munkát pedig az effektív hatásfok fejezi ki: Le L0 Li Le η e = = * * = ηt * ηj * ηm Qbe Qbe L0 Li L L e i

32 A motor másik alapvető jellemzője a tüzelőanyag fogyasztása, ami a munkafolyamat fenntartására fordított tüzelőanyag tömeg- vagy térfogatáramával illetve a bejuttatott hő-árammal jellemezhető. Mivel ezen értékek alapvetően függenek a motor teljesítményétől, ezért a P [kw] teljesítményre vonatkoztatott B [g/h] a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás használata terjedt el. b = B& P

33 A motorok összehasonlítása céljából további jellemzők alakultak ki: literteljesítmény: a teljesítmény viszonya az összlökettérfogathoz [kw/l] fajlagos dugattyúteljesítmény (dugattyúterhelés) a dugattyú felületre vonatkoztatott teljesítmény [kw/m 2 ] fajlagos tömeg: a motor száraz tömege az effektív teljesítményre, illetve összlökettérfogatra vonatkoztatva [kg/kw] ill. [kg/l].

34 Dugattyú középsebessége az a képzeletbeli sebesség, amellyel a dugattyú ugyanolyan utat tesz meg, mint változó sebesség mellett. ahol: s [m] - löket n [1/sec] - fordulat c = 2* s * n Töltési fok (λ t ): a hengerbe bejutott valóságos friss töltet tömegének viszonya az elméleti friss töltet tömegéhez. λt Az elméleti friss töltet: m = = m m elm VL valós elm * ρ lev

35 Töltet kialakulása m lev szivó vezeték m ö kipufogó vezeték m f m valós= m =m -m m t=mf-mm f lev ö m m

36 Motor mindenkori teljesítményét a frisstöltet m tömege korlátozza A töltet tömege m= Ph V R T h ( p0 p) Vl R( T + T ) - az elméleti töltet környezeti állapotú közeggel töltve fel a hengert. l = 0 A töltési fok m p0 Vl elm = R T0 m ph T0 λ t = = m T p elm h 0 négyütemű motoroknál λ t 0,7 0,9 λ t növelés lehetőségei: - több szívószelep alkalmazása - p csökkentése : - kis szelep ellenállás - szivócsatorna kis ellenállás - T csökkentése: szívócső ne a meleg részeknél legyen - dinamikus töltés kihasználása.

37 Töltés javítása I

38 Töltés javítása II

39 Töltés javítása III

40 A hengertérben kialakuló nyomás a főtengelyfok és a térfogat függvényében

42 Belsőégésű motorok szabályzásakeverék képzés

43 Diesel-motor mennyiségi szabályozása (- teljes dózis, --- csökkentett dózis)

44 Ottó-motorok

45 Ottó motor fojtásos szabályozása (- fojtás nélkül, --- fojtással)

46 A fajlagos fogyasztás, és az effektív középnyomás a légfelesleg függvényében

47 Az elemi karburátor felépítése

48 A V en tu ri-csö vö n k eresztü l h aladó lev egõ tö m egáram : m C A p p p κ DT T o T a = 1 RT o o 1 2κ κ 1 ( ) p p aho l C D T a to ro k szû kítési tény ezõ je és A T a toro k terü lete, eg yszerûb b alakb an: T o κ 1 κ [2. 1] m a = C DT A T 2 ρ a p a Φ aho l: [2. 2] p = p p a 0 Φ = T κ 1 κ a tü zelõan yag tö m egáram a: m C A p f = 2 ρ D O o f f 2 κ p T p 0 p T p 1 p T p 0 aho l C D O a furat szû k ítési tén yezõje és A O a fu rat terü lete, és p p gh f = a ρ f 0 κ + 1 κ [2. 3] [2. 4] [2. 5] Inn en a légfelesleg tén yezõ: m a λ Φ = m = L L f 0 0 C C D T D O A A T O ρ a ρ f p p a ρ gh C 1 p a f a aho l L 0 ben zin = 14,7 [2. 6]

49 A segédberendezésekkel ellátott karburátor

50 A keverék létrehozásának másik elterjedt megoldása a tüzelõanyag befecskendezés. Működési elvük alapján három típusra lehet osztani ezeket: hengerenkénti befecskendezés, központi befecskendezés, direkt (közvetlen) befecskendezés. A hengerenkénti befecskendezõ rendszerek terjedtek el elõször, ennek főbb okai a következõk: a.) optimális tüzelõanyag mennyiség bejuttatása minden üzemmódban b.) egyforma keveréket lehet létrehozni minden egyes hengerben c.) feltöltés jobb megvalósíthatósága d.) jobb motor dinamika, gyorsulás, lassítás e.) szabályzó körök kialakításának lehetõsége

51 Befecskendező típusok Multi-Point Inj. (MPI) Single-Point Inj. (SPI)

52 Bosch L-Jetornic rendszer benzinbefecskendező rendszer

53 MPI (Ford)

54 Monotronic benzinbefecskendező rendszer

55 Egy mérési pontban végzett optimum keresés eredményei előgyújtási idő (ms) 1500rpm, 100% nyomaték(nm) befecskendezési idő (ms) előgyújtási idő (ms) rpm, 100% CO(V/V%) befecskendezési idő (ms) előgyújtási idő (ms) rpm, 100% NO(ppm) befecskendezési idő (ms) előgyújtási idő (ms) rpm, 100% T ki(fok C) befecskendezési idő (ms) rpm, 100% fajlagos fogy. (100ms/Nm) előgyújtási idő (ms) befecskendezési idő (ms)

56 Bosch direkt befecskendező rendszer működése

57 FSI (GDI) Engines mixtures

58 FSI (GDI) Engines Piston Wall control type

59 FSI (GDI) Engines Piston Wall control type

60 7,5 KHz p [bar] 13,25 KHz p [bar] 950 Frekvencia [Hz] Kopogásos égés nyomáslefutása és a nyomás lengés frekvenciája. (a spektrumon megfigyelhető 13 KHz körüli rezgés a nyomásmérő sajátfrekvenciájából adódik!)

61 Kopogásos égés okai: a.) Kompresszió viszony helyes megválasztása. Ilyenkor nem éri el a nyomás szint, illetve az ezzel arányos kompresszió véghőmérséklet a kritikus szintet. Viszont a kompresszió viszony csökkentésével csökken a hatásfok is. b.) Gyertya helyes elhelyezése. Amennyiben az égés a melegebb keveréktől a hidegebb felé halad a kopogási hajlam csökken. c.) Égéstér helyes kialakítása, közeg hűtése. Ha az égéstérnek abban a részében, amit lángfront az égés végén ér el, alacsonyabb a hőmérsékletet valósítunk meg, szintén csökken a kopogási hajlam. d.) Előgyújtási szög helyes megválasztása. Nagy előgyújtás esetén a kompresszió és az égés együttes hatására igen nagy nyomásemelkedés jön létre a hengerben, így a kopogás valószínűsége rohamosan nő. e.) Légfelesleg tényező megválasztása. A lángterjedés sebessége λ=0,9 körül a legnagyobb, itt a legnagyobb a nyomásemelkedés, ennek hatására a kopogási hajlam is. f.) Tüzelőanyag kopogási hajlama.

62 Öngyulladás Öngyulladásról akkor beszélünk, ha az égés nem a gyújtószikra hatására indul meg, hanem egy olyan helyről, amely hőmérséklete eléri a keverék gyújtási hőmérsékletét és jó hőátadás lehetséges a keverék irányába. Ilyen helyek abban az esetben jönnek létre, ha égéstér hűtése romlik, illetve az égéstérben tökéletlen égés miatt lerakódások keletkeznek (koksz, korom). Az öngyulladás hatására az égési folyamat kezelhetősége megszűnik, az égés már a gyújtás előtt megkezdődik, ami jelentős hatásfokromláshoz vezet. Egyes esetekben a gyújtás megszüntetése után is tovább üzemel a motor.

63 Diesel-motorok

64 A termikus hatásfok változása a kompresszió függvényében.

65 Diesel-motor mennyiségi szabályozása (- teljes dózis, --- csökkentett dózis)

66 Diesel-motorok keverékképzése alapvetõen meghatározza az égési folyamat lefolyását. Diesel-motoroknál az égést nem egy külsõ energiaforrás segítségével indítjuk el, hanem a kompresszió során felmelegedõ közeg (levegõ) párologtatja el és gyújtja meg a levegõtüzelõanyag keveréket. Mind a tüzelõanyag elpárologtatásához, mind annak keverékképzéséhez és égéséhez az Ottó-motorokhoz képest igen jelentõs idõre van szükség. A fenti folyamat jól kezelhetõsége megkívánja, hogy a tüzelõanyagot csak akkor juttassuk a tüzelõtérbe, amikor annak égése kívánatos ezért ezek belsõ keverékképzéses rendszerek.

67 Direct befecskendezés

68 Égéstörvény repceolaj ill. gázolaj esetén dqégés/dφ [J/fok] φ [fok] 100% repceolaj 100% gázolaj

69 A Diesel motorok égési folyamatát általában két részre osztjuk. Az égés kezdetén az égési késedelem miatt felhalmozódott tüzelõanyag a nagy légfelesleg mellett gyors, jól elõkevert égése zajlik le. Ezt a szakaszt nevezzük kinetikus-, vagy elõégésnek. A második szakasz a diffúz- vagy fõégés. Ebben a szakaszban a porlasztóból kilépõ tüzelõanyag keresztül halad a már elégett keveréken ott a párolgási folyamat lezajlik, majd ebbõl a térfogatból kikerülve keveredik a levegõvel. Ebben a szakaszban az égés lényegesen lassabb. Minél nagyobb a gyulladási késedelem annál több tüzelõanyag jut az égéstérbe az égés kezdete előtt. Így amikor beindul az égés nagymértékû hõfelszabadulást áll elő, minek következménye kemény égési zaj, ami mechanikai túlterhelést eredményezhet. Mint az a fentiekből következik a befecskendezés idõbeli lefolyása jelentõsen befolyásolja az égési folyamatot, a motor működését.

70 Állandó löketû adagoló szivattyú elrendezése és működése

71 BOSCH VE típusú elosztórendszerû adagoló szivattyú

72 Common Rail rendszer

73 Radiál dugattyús elosztó rendszerű befecskendező P= 1500 bar

74 Radiál dugattyús elosztó rendszerű befecskendező

75 Szabályozócsapos és lyukporlasztó

76 Pumpe-Düse-Einspritzsystem

77 Piezo-befecskendező: Lényege: Feszültségre mechanikai elmozdulás V szabályozó feszültség Elönye: Befecskendezés karakterisztikája hasonlít a négyszögjelhez, többszöri befecskendezés

78 Előkamrás égéstér

79 Örvénykamrás égéstér

80 Hártyás keverékképzés

81 Károsanyag kibocsátás csökkentése

82 Common Rail System P= bar

83 Indikátordiagramok

84 Közvetlen befecskendezés, különböző égéstér kialakítással

85 Feltöltési eljárások A motor hengerterébe jutó levegő mennyiségét a töltési fokkal jellemezzük. A töltési fok növelésére, azaz a feltöltésre a következő eljárások lehetségesek: feltöltés a motortól független hajtással mechanikus feltöltés a motortól függő hajtással kipufogógáz-turbinás feltöltés (turbótöltés) feltöltés nyomáshullámokkal

86 Mechanikus feltöltés (Roots fúvó)

87 Turbótöltés

88 Turbótöltéses motor elvi elrendezése

90 Napier-Nomad Diesel-kompaund m

91 Nyomáshullámmal történő feltöltés Négyütemű motor jó hengertöltése akkor érhető el, ha: a kiömlő szelep nyitási szakaszának a vége felé a hengerben kicsi nyomás uralkodik, hogy lehetőleg kevés maradék gáz maradjon vissza, és jó legyen az öblítés a szívószelep zárásakor a hengerben nagy nyomás található, hogy a töltet minél nagyobb legyen. A vezetékhosszak és keresztmetszetek összehangolásával az előző feltételek teljesíthetők. Összehangolás csak szűk fordulatszámtartományban lehetséges, mert a gázoszlopok sajátfrekvenciája a vezetékhosszaktól függ. Ha a sajátfrekvenciákat a motor különböző fordulatszámaihoz akarjuk illeszteni, akkor a vezetékhosszakat a motor fordulatszáma függvényében változtatni kell.

92 Akusztikus feltöltés

93 Acoustical Charger

94 Motorokban keletkező főbb káros anyagok A motorokban lejátszódó égés során a következő káros anyagok keletkeznek: szén-monoxid (CO) nitrogén-oxidok (NO x ) szénhidrogének (C x H y ) részecskék (korom)

95 A káros anyagok emissziója a légfelesleg függvényében

96 NO keletkezés számító modell felépítése:

97 Az előgyújtás és előbefecskendezés hatása a károsanyag emisszió egyes komponenseire és a fajlagos fogyasztásra

98 Emissziócsökkentő eljárások Az emisszió értéke csökkenthető: a motor előtt tüzelőanyag magában a motorban és konstrukció EGR légfelesleg a motor után (szekunder eljárások) 3 utas katalizátor oxidációs katalizátor

99