Belső égésű motorok I.

Átírás

1 Belső égésű motorok I. 4. Előadás Töltetcsere Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna

2 Áramlástani ismeretek Bernoulli-törvény megértése: egy adott közegben, annak áramlásakor az áramvonal mentén a különböző energia összetevők összege állandó Tehát a közeg nyomását ha két komponensre bontjuk, statikus és dinamikus nyomásra, ezek összege állandó, közöttük fordított arányosság van Belsőégésű 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 folyadék sebességéből származik 1 p din v 2 Hidrosztatikai nyomás: P g h Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 3

4 Áramlástani ismeretek Hidrosztatikai nyomás: a nehézségi erő miatt a folyadékok 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 Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 4

5 Áramlástani ismeretek Belsőégésű 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

6 Áramlástani ismeretek Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 6

7 Áramlástani ismeretek Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 7

8 Áramlástani ismeretek Bernoulli-egyenlet összenyomhatatlan közegre (folyadékok) p gz v 2 2 áll. Bernoulli-egyenlet összenyomható közegre v 2 2 áll. ahol Ψ=az egységnyi tömegre eső helyzeti energia Belsőégésű 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 Belsőégésű 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 hanghullámok nem képesek visszafelé haladni, mivel a gázsebesség nagyobb a hangénál Az áramlás sebességének továbbnövelése azonban így is lehetséges, Laval fúvóka alkalmazásával Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 10

11 Áramlástani ismeretek Laval-fúvóka: homokóra formájú csőszakasz, összenyomható gázok sebességének felgyorsítására használják Kis sebességnél a gázok viselkedése leírható a összenyomhatatlan folyadékokéhoz hasonlóan ->Bernoulli-egyenlet Nagy sebességnél nem hanyagolható el az összenyomhatóság ->energia egyenlet Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 11

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

13 Hangsebesség A hang terjedése különböző közegekben a rugók és golyók által felépített modellel: Az anyag molekuláit golyókkal, a köztük lévő kötést rugókkal helyettesítjük Itt az információ terjedése két dologtól függ: Golyók számától (valóságban közeg sűrűsége) - ha több, lassabb az áramlás Rugók keménységétől (anyag rugalmassági modulusa) keményebb rugókkal gyorsabb Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 13

14 Hangsebesség Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 14

15 Hangsebesség a gyakorlatban Levegőben, tengerszinten (15 C): 340 m/s m között (-57 C):295 m/s Oxigén: 316 m/s Víz: 1484 m/s Acél: 5920 m/s Alumínium: 6300 m/s Gyémánt: m/s Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 15

16 Hangsebesség Longitudinális hullámok (gázok és folyadékok): Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 16

17 Motorok - Töltetcsere Minden ciklus lefolyásához szükség van a megfelelő minőségű töltet megfelelő mennyiségben történő bejuttatására az égéstérbe Szívás ütem: levegő, vagy levegő-tüzelőanyag keverék beszívása a szívószelepen Kipufogó ütem: Kipufogógázok kitolása a kipufogószelepen keresztül Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 17

18 Fogalmak - ismétlés Elméleti töltet a hengerben: m Lth =ρvh Ténylegesen bejuttatott töltet Légnyelés: szívás ütem alatt ténylegesen bejuttatott töltet/elméleti töltet aránya Valós töltet: szelepek zárása után a hengerben maradt töltet Töltési fok: valós/elméleti töltet aránya Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 18

19 Töltetcsere A ténylegesen bejuttatott töltet külső keverékképzésű motoroknál az adott ütemhez szükséges üzemanyagmennyiséget is tartalmazza Kétütemű motoroknál fontos jellemző volt a valós töltet és a bejuttatott töltet aránya Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 19

20 Vezérlés A töltetcsere vezérlést igényel, mely lehet: Résvezérlés Vegyes vezérlés Szelep vezérlés Vezérlés módja szerint lehet Közvetlen Közvetett kombinált Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 20

21 A záróelem szerint: Tolattyús Tányérszelepes Forgószelepes A szelep állása szerint: Állószelepes vezérlés Függő szelepes vezérlés Szelepvezérlési rendszerek 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 Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 21

22 Szelepvezérlés elrendezései Felül vezérelt felül szelepelt OHC Két vezérműtengelyes felül vezérelt felül szelepelt DOHC Oldalt vezérelt felül szelepelt OHV Felülvezérelt felül szelepelt CIH Oldalt vezérelt oldalt szelepelt SV Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 22

23 OHC elrendezés/dohc elrendezés Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 23

24 SV/CIH/OHV elrendezés Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 24

25 Töltetcsere kipufogóütem A kipufogószelep nyitásakor a hengerben és a kipufogócsőben lévő nyomás aránya a kritikusnál nagyobb, kezdeti fázisban az égéstermékek kritikus sebességgel áramolnak ki. Kiáramlási keresztmetszet fokozatosan nagyobbodik henger nyomásesése is fokozatos Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 25

26 Töltetcsere - kipufogóütem A kipufogás kezdeti fázisa nyomáseséssel jár Kipufogóvezetékben nyomáshullám keletkezik, amely nagysága a kipufogóvezeték 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 emelkedik Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 26

27 A kipufogás nyomáslefutása Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 27

28 Töltetcsere - szívóütem Első fázisában gyors nyomáscsökkenés lép fel, a szívócsőben lévő nagyobb nyomás miatt tud beáramlani a friss töltet a hengertérbe A beszívott levegő a meleg motoralkatrészektől felmelegszik, ennek hatására kitágul, ami rontja a töltési fokot Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 28

29 A motor szelepnyitási diagramja Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 29

30 Szelepkeresztmetszetek hatása Különböző áramlási sebességek a szívószelepen és a szívószelep időzítésének hatása a teljesítményre Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 30

31 Szelepkeresztmetszetek hatása Az első ábrán különböző motorfordulatszámok esetén kialakuló áramlási sebességek figyelhetők meg azonos szelepnyitási szögnél A második ábrán különböző szívószelep időzítések hatása látható a motor teljesítményére a teljes fordulatszám tartományban Ebből látható, hogy változó szelepvezérlésre van szükség ahhoz, hogy minden fordulatszámon ideális legyen a motor töltési foka Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 31

32 Töltetcseréhez szükséges befektetett munka különböző fordulatszámon Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 32

33 Henger-, kipufogó-és szívócsatorna nyomások a szelepemelés függvényében Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 33

34 Henger-, kipufogó-és szívócsatorna nyomások a szelepemelés függvényében Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 34

35 Szívórendszerek A motor szívórendszerével szemben támasztott követelmény, hogy különböző üzemállapotokban (fordulatszám) is biztosítani tudja a keverékképzéshez szükséges levegőáramot Ennek biztosítására változó szívórendszereket alkalmaznak Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 35

36 Szívórendszer felépítése Levegőszűrő Légmennyiségmérő Vezetőcső Pillangószelep Levegő elosztó Lengőcső Szívócsatorna/szívószelep Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 36

37 Szívórendszer felépítése Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 37

38 Szívórendszerek A változtatható szívórendszerek különféle kivitelűek lehetnek Hasznosítják a szívórendszerben fellépő hullámjelenségeket a töltési fok javítására Rezonanciafeltöltés Lengőcsőfeltöltés Kapcsolt lengőcső- és rezonancia feltöltés Kombinált feltöltés (rezonancia és turbófeltöltés) Légütemszelep Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 38

39 Rezonanciafeltöltés Állóhullám létrehozása a gázoszlop sajátfrekvenciáján Kellékei: rezonanciatartály és rezonanciacső Előnyösen használható hengeres motoroknál (240 -os elékelés), más esetben összetett rezonancia rendszer szükséges Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 39

40 Rezonanciafeltöltés Kettős, vagy összetett rezonanciarendszer Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 40

41 Lengőcsőfeltöltés Szívási depresszió által a nyitott csővégről visszaverődő túlnyomás létrehozása a szívószelep-zárás előtt Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 41

42 Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Szakaszos szívócsőhossz, szívókeresztmetszet, vagy folyamatos szívócsőhossz változtatás Kétszakaszos szívócsőhossz változtatás Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 42

43 Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Négyszakaszos szívócsőhossz változtatás Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 43

44 Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Effektív szívókeresztmetszet változtatás Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 44

45 Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Folyamatos szívócsőhossz változtatás Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 45

46 Kapcsolt feltöltés Soros hathengeres motoroknál Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 46

47 Kapcsolt feltöltés Soros hathengeres Opel Dual Ram Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 47

48 Kapcsolt feltöltés Hathengeres V-motoroknál Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 48

49 Kapcsolt feltöltés Hathengeres boxermotornál Porsche Varioram Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 49

50 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 Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 50

51 Dinamikus impulzusfeltöltés - légütemszelep Funkciói: Töltési fok növelése Fojtásmentes frisstöltet-szabályozás (Miller-ciklus) Kipufogógáz visszavezetés fojtásmentes szabályozása Töltetmelegítés a hidegindítás fázis rövidítésére Hengerlekapcsolás Hátrányai: Túl rövid átkapcsolási idők szükségesek Nagy átkapcsolási ciklusszám Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 51

52 Légütemszelep Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 52

53 Légütemszelep működési elve Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 53

54 Légütemszelep Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 54

55 Szívórendszerek Alkalmaznak Szakaszos szívócsőhossz változtatást Szívókeresztmetszet változtatást Folyamatos szívócsőhossz változtatást A töltetcsere folyamat dinamikus tulajdonságainak javítására alkalmazzák a változó szelepvezérlést is Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 55

56 Töltetmozgások Keverékképzés szempontjából megkülönböztetünk külső- és belső keverékképzésű motorokat A hatékony keverékképzéshez fontos (különösen a belső keverékképzésű motorok esetében) a hengerben zajló töltetcseremozgás Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 56

57 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 Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 57

58 Töltetmozgások Perdület (Drall) Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 58

59 Perdület kialakítása többszelepes motorokban Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 59

60 Tumble (-bukó) áramlás Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 60

61 Bukóáramlás kialakítása Tumble kialakulása a szívószelep nyitásának függvényében Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 61

62 Bukóáramlás kialakítása Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 62

63 Bukóáramlás kialakítása Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 63

64 Kipufogó rendszer Feladata a motor hengereiből a kipufogó gáz elvezetése a szabadba, valamint a működési zaj tompítása Kipufogó nélkül nem működne jól az öblítés, gázlengések nem lennének megfelelők, akár a szívócsőbe is visszaáramolhatna a kipufogógáz szelepösszenyitáskor Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 64

65 Kipufogó rendszer elemei Leömlőcsonk: a motor hengereiből kiáramló kipufogógáz szűkítése egy, vagy két csővezetkbe Leömlőcsövek: a kipufogógázok tovább szűkítése Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 65

66 Kipufogó rendszer elemei Lambdaszonda: leömlőcsonk, vagy a csővezeték első méretébe csavarozva Flexibilis csőtag Katalizátor Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 66

67 Kipufogó rendszer elemei Fojtó- és hangtompító dobok Végdob Csatlakozó elemek Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 67

68 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 Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 68

69 Rezonátor kipufogó (2 ütem) A két frekvencia mennyiség rezonanciájától a gázhullámok felgyorsulnak, ezáltal elszívják a hengerek elhasznált töltetét Hátránya, hogy csak szűk fordulatszám tartományban működik Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 69

70 Rezonátor kipufogó (2 ütem) Részei: Leömlő Diffúzor Konfúzor Dob, vagy hangtompító Power szelep Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 70

71 Power szelep felépítése és működése Feladata: Kipufogó csatorna keresztmetszetének változtatása a fordulatszám függvényében Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 71