Belsıégéső motorok mőködésének alapjai Dr. Bereczky Ákos BME, Energetikai Gépek G és s Rendszerek Tanszék A tantárgy részletes r tematikája okt. hét Naptári nap tematika 1 2015.09.08 Motorokfejlődésénekbemutatása. Alapfogalmakismertetése. 2015.09.15 A:Belsőégésű motorokfelépítésénekbemutatása 2 2015.09.15 B: Fékpadibemutató 2015.09.15 C: Számítási gyakorlat 3 2015.09.22 Elméleti és valóságos körfolyamatok, veszteségek 2015.09.29 A: Számítási gyakorlat 4 2015.09.29 B:Belsőégésű motorokfelépítésénekbemutatása 2015.09.29 C: Fékpadi bemutató 5 2015.10.06 Otto motorok, Diesel motorok. 2015.10.13 A: Fékpadibemutató 6 2015.10.13 B: Számítási gyakorlat 2015.10.13 C:Belsőégésű motorokfelépítésénekbemutatása 7 2015.10.20 Otto motorok, Diesel motorok. ZH 2015.10.27 A: MotorszerelésI. 8 2015.10.27 B: MotorszerelésII. 2015.10.27 C: Oktánszám mérő motor indikálása 9 2015.11.03 Otto motorok(?) 2015.11.10 A: MotorszerelésI. 10 2015.11.10 B: Oktánszámmérő motor indikálása 2015.11.10 C: MotorszerelésII. 11 2015.11.17 AVL látogatás 12 2015.11.24 Diesel motorok(hajnalpéter úr, AHM) 2015.12.01 A: Oktánszámmérő motor indikálása 13 2015.12.01 B: MotorszerelésII. 2015.12.01 C: MotorszerelésI. 14 2015.12.08 Feltöltési módszerek ésa Károsanyag keletkezése éscsökkentése ZH Fontos elérhet rhetıségek: ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/ http://remotelab.energia.bme.hu/index.php?lang=hu
Leonardo da Vinci (1508) Newcomen (1712) Atmoszférikus gázmotorg (1855) Alfred Drake
Atmoszférikus Motor MőködéseM Szívás keverék Expanzió láng füstgáz Kipufogás Négyütemő motor (1876) Nicolaus Otto MPI (Ford)
OTTO ciklus 1 2 p 4 ε = V L + VK V K 2-3 3 5 4-5 3-4 1 6 2 V V Komp. V Löket 6-1 5-6 Elméleti leti Otto-körfolyamat hatásfoka Egy ciklus során végzett munka 1 kg tömegő közeggel: A körfolyamat termodinamikai hatásfoka: W Q be Qki c v (T3 T2 ) cv (T4 T 1) η0 = = = =. Q be Q be c v (T3 T2 ) 1.. = 1 κ 1 ε Kompresszió viszony: Égési nyomás viszony: 11 A termikus hatásfok változv ltozása a kompresszió függvényében η elm. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Otto-motorok Kopogási határ Diesel-motorok 0 5 10 15 20 25 30 ε
Kompressziógy gyújtású motor (1892 92) Rudolf C. Karl Diesel Direkt befecskendezés OXFORD-Laser DIESEL ciklus 1-2 2-3 p 3 4 3-4 4-5 5-6 6-1 1 5 6 2 V
16 Az elméleti leti Diesel-körfolyamat hatásfoka Egy ciklus során végzett munka 1 kg tömegő közeggel: A körfolyamat termodinamikai hatásfoka: Kompresszió viszony: Égési expanzió viszony: Magyarok a jármj rmőiparban CSONKA JÁNOS (1852-1939) A szegedi születéső feltaláló a magyar technikatörténet kiemelkedı alakja. A jelenleg üzemeltetett sok száz millió benzinmotoron ma is olyan karburátor van, melynek alapgondolatával Bánki Donáttal együtt ık ajándékozták meg a világot és elsıként szabadalmaztatták. A legenda szerint Csonka János és Bánki Donát, hazafelé tartva közös kísérletezésükbıl, egyszer a Nemzeti Múzeum sarkán egy virágáruslányt vettek észre, aki a szájában tartott vékony csıbe levegıt fújva oldotta permetté a virágjainak szánt vizet. Állítólag ez adta az ötletet, hogy megalkossák a porlasztót, mely a motorokban azóta is az üzemanyag-levegı keveréket állítja elı. Az 1891-ben még csak rajzasztalon létezı szerkezet a motor változó üteméhez alkalmazkodva adagolta a megfelelı keveréket, kiküszöbölte a robbanásveszélyt, ráadásul - mivel a szívócsıben áramló levegı energiáját használja fel - nem igényelt külön energiaforrást. Forrás: http://www.mszh.hu/feltalalok/csonka.html?printable=1 1893. február 11-én kapta Petroleum motor etetıkészüléke szabadalmat August Wilhelm Maybach 1893. augusztus 17-én jelentette be 17 Az elemi karburátor felépítése
Magyarok a jármj rmőiparban JENDRASSIK GYÖRGY (Budapest, 1898. máj. 13. London, 1954. febr. 7.) Jendrassik György 1926-ban tervezte elsı Diesel-motorját, egyhengeres kivitelben. 1927-tıl dolgozott a Ganz Részvénytársaságnál, ahol a Diesel-motorok fejlesztésébe kapcsolódott be, és szerkesztette a világhírő Jendrassik motorokat, melyek elsı darabjai egy- és kéthengeresek voltak. Késıbb alakult ki a négy- és hathengeres, négyütemő, elıkamrás motor. Ezeket a nagyobb motorokat többek között kisebb sínautóbuszokba építettek be. A Jendrassik motorok három fı újítást tartalmaztak: 1. Elıkamrás égéstér a jobb keverékképzés elérésére és a magasabb üzemi fordulatszám érdekében. 2. Dekompressziós berendezés az indítás és a normál üzemi állapot elérésének meggyorsítására. 3. Rugós adagolószivattyú. Ezekkel az újításokkal megszületett egy olyan Diesel-motor konstrukció, mely kisebb méretével és tömegével, valamint nagyobb fordulatszámával a vasútüzem követelményeinek jobban megfelelt, mint az akkori nagy, nehéz és lassú fordulatú, hajózásban használt dízelmotor. A Jendrassik féle Diesel-motorokat Hollandiában, Spanyolországban, Angliában, Romániában (Malaxa) és Belgiumban is gyártották licenc alapján. Jendrassik György szabadalma száma: 60. http://www2.chem.elte.hu/gigant_club/mav/dizel.html http://www.sasovits.hu/anyag/feltalal/jendrassik_gy.htmganz Közlemények, 14. szám, 1934, Szıke Béla, Mőszaki nagyjaink, 1967 19 Jendrassik György (1898 1954) Belsıégéső motorok osztályoz lyozása Modell motorok V=0,5 5 cm 3 P=0,8 3 LE M=1 2,5 Nm n= 2500 18000 1/min m=45 100 g 21
Belsıégéső motorok osztályoz lyozása Gépjármő motorok V=900 7000 cm 3 P=50 400 LE M=65 450 Nm n=800 8000 1/min m=60 200 kg 22 Belsıégéső motorok osztályoz lyozása Közepes erımővi rendszerek V=10 150 l P=0,5 15 MW M=65 450 Nm n=100 650 1/min m=300 12000 kg 23 Belsıégéső motorok osztályoz lyozása Hajó motorok Maximum power: 108,920 hp at 102 rpm Maximum torque: 5,608,312 lb/ft at 102rpm maximum economy the engine exceeds 50% thermal V=10 150 l P=8 25 MW M=0,5 20000 knm n=50 200 1/min m=10000 45000 kg 24
Korszerő motorokkal szemben támasztott t igények Teljesítmény növelése Hatásfok növelése Károsanyag kibocsátás csökkentése CO 2 Emisszió CO C x H y NO x Hatásfok Teljesítmény 25 Fosszilis készletek k kimerülése 26 A világ g kıolaj k termelése World Oil Production by Source, Reference Scenario, shown as Figure 11.1 on page 250 of IEA WEO 2008. 27
Várható trendek 2013-ig 28 Bereczky-Meggyes-Török:Megújuló tüzelıanyagok jövıbeli várható trendjei Várható trendek 2030-ig 29 Bereczky-Meggyes-Török:Megújuló tüzelıanyagok jövıbeli várható trendjei Advanced Propulsion Technology Strategy Improve Vehicle Fuel Economy and Emissions Energy Diversity Displace Petroleum IC Engine and Transmission Improvements Hybrid-Electric Vehicles (including Plug-in HEV) Hydrogen Fuel Cell-Electric Vehicles Battery-Electric Vehicles (including EREV) Petroleum (Conventional and Alternative Sources) Support the electrification of the vehicle Accelerate the use of clean, renewable, low-carbon fuels Implement advanced propulsion technologies that optimize fuel efficiency and minimize emissions Time Alternative Fuels (Ethanol, Biodiesel, CNG, LPG) Electricity (Conv. and Alternative Sources) Hydrogen
2006 Ridley Engineering Inc. 2006 Ridley Engineering Inc. Motorok csoportosítása sa A motorok kialakítása a motor mőködési elve a friss töltet (levegı vagy keverék) hengerbe jutása a tüzelıanyag jellege a keverékképzés helye az égéstér kialakítása gyújtás jellege szabályzási módszer A konstrukció szempontjából lényeges a hengerek elrendezése a gázcserefolyamat vezérlése a motor hőtése 33
Motorok csoportosítása sa Dr. Fülöp Zoltán: Belsıégéső motorok 34 Dugattyús s belsıégéső motorok alapvetı elnevezései és jelölései 35 Motorok dugattyú elrendezései a) Álló b) Logó c) Fekvı d) Csillag e) X f) H g) I h) delta Forrás: Dr. Fülöp Zoltán: Belsıégéső motorok 36
Motorok dugattyú elrendezései Boxer motor V-motor (180 fokos) Forrás: Dr. Fülöp Zoltán: Belsıégéső motorok 37 Wankel-motor mőkıdése 38 W motor 39
Szelepvezérl rlések Felülvezérelt, felülszelepelt OHC= Over Head Camshaft Alulvezérelt, oldalszelepelt SV= Side Valve Alulvezérelt, felülszelepelt OHV= Over Head Valve Wieser András 40 Atkinson-ciklus A szívószelep zárása késik (1 pont) Richard Rusnák :Atkinson or Miler cycle in p-v diagram. 41 2. elıad adás
43 Seiliger (kettıs hıközléső) ) körfolyamat k hatásfoka Egy ciklus során végzett munka 1 kg tömegő közeggel: A körfolyamat termodinamikai hatásfoka: Kompresszió viszony: Égési expanzió viszony: Égési nyomás viszony: Belsıégéső motorok veszteségei A motorikus, belsı veszteségek 1. Friss töltet t bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.) 2. Hıleadás a falak felé ill. felöl (nem adiabatikus kompresszió) 3. Véges égési sebesség 4. Égés során hıleadás (+tökéletlen égés) 5. Gázveszteség (dug.-persely) Súrlódási veszteségek nem belsı veszteségek! 44 Töltet kialakulása szivó vezeték m lev m ö kipufogó vezeték m f m valós= m =m -m m t=mf-mm f lev ö m m
Belsıégéső motorok veszteségei A motorikus belsı veszteségek: Friss töltet bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.) Hıleadás a falak felé (nem adiabatikus) Véges égési sebesség Égés során hıleadás (+tökéletlen égés) Gázveszteség (dug.-persely) Súrlódási veszteségek 46 Kompresszió Hıviszonyok Heywood, John B. Internal combustion engine fundamentals, ISBN 0-07-028637-X 48
Belsıégéső motorok veszteségei A motorikus belsı veszteségek a következı fı okokra vezethetık vissza: Friss töltet bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.) Hıleadás a falak felé (nem adiabatikus) Véges égési sebesség Égés során hıleadás (+tökéletlen égés) Gázveszteség (dug.-persely) 49 Égési folyamat Égés s befolyásol soló tényezık Tüzelıanyag Légfelesleg (?) Áramlás, perdület Hımérséklet Égéstér kialakítása..
Égési folyamat befolyásol solása sa a geometriával Égési folyamat Diesel-motorokban xϕ = a 1 e 6,908 ϕ ϕég,1 m + e 1 + (1 a) 1 e 6,908 ϕ ϕég, 2 m + e 1 késıbb Belsıégéső motorok veszteségei A motorikus belsı veszteségek : Friss töltet bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.) Hıleadás a falak felé (nem adiabatikus) Véges égési sebesség Égés során hıleadás (+tökéletlen égés) Gázveszteség (dug.-persely) 54
Gázveszteség g (dug.( dug.-persely) Gázveszteség g (blow( blow-by) ) kezelése Belsıégéső motorok veszteségei 57
Belsıégéső motorok veszteségei Az alapvetı veszteséget a termikus hatásfokkal jellemezzük: A termikus hatásfok elsısorban a kompresszió nagyságától függ és csak kisebb mértékben egyéb paraméterektıl (légfelesleg, κ, állandó térfogaton és állandó nyomáson bevezetett hıenergia aránya). 58 A termikus hatásfok változv ltozása a kompresszió függvényében η elm. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Otto-motorok Kopogási határ Diesel-motorok 0 5 10 15 20 25 30 ε 59 Valóságos indikátor diagram Elméleti (szaggatott vonal) Valós indikátordiagram (folyamatos vonal) 60
61 Belsıégéső motorok veszteségei Wi ηi = Qbe Belsıégéső motorok veszteségei 62 Belsıégéső motorok veszteségei 63
Fajlagos tüzelt zelıanyag-fogyasztás A motor másik alapvetı jellemzıje a tüzelıanyag fogyasztása, ami a munkafolyamat fenntartására fordított tüzelıanyag tömeg- vagy térfogatáramával illetve a bejuttatott hı-árammal jellemezhetı. Mivel ezen értékek alapvetıen függenek a motor teljesítményétıl, ezért a P [kw] teljesítményre vonatkoztatott B [g/h] a fajlagos tüzelıanyagfogyasztás használata terjedt el. b = B& P 64 A fajlagos fogyasztás állandó fordulaton különbk nbözı terhelések esetén A motorok összehasonlítása sa céljc ljára szolgáló további jellemzık 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 össz lökettérfogatra vonatkoztatva [kg/kw] ill. [kg/l]. 66
67 Dugattyús s belsıégéső motorok alapvetı elnevezései és jelölései Löket/Furat arány A motor felépítésére, égéstér kialakítására jelentıs hatással van a löket/furat arány (S/D=γ). γ>1 hosszúlökető motorról, γ=1 négyzetes motorról, γ<1 rövidlökető motorról beszélünk. Rövidlökető motor esetén az égéstér ellaposodik, holt terek alakulnak, ki, a nagy szelep méretek javítják a töltési fokot, csökken dugattyú közép sebesség és ezzel súrlódási veszteségek csökkenek, viszont nı a hıátadás felülete, és érzékenyebb a kopogásra! Hosszúlökető motor esetén kisebb a felület térfogat arány, csökken a motor mérete és az elıállítás költsége. Légfelesleg tényezt nyezı C 8 H 18 + 12,5 O 2 = 8 CO 2 + 9 H 2 O C 8 H 18 + 12,5 (O 2 +79/21N 2 ) = 8 CO 2 + 9 H 2 O + 12,5 79/21N 2 114 kg C 8 H 18 + 400 kg O 2 + 1316,67 kg N 2 = 352kgCO 2 + 162kgH 2 O + 1316,67kgN 2 1 kg C 8 H 18 + 15,06 kg levegı = 3,09 kg CO 2 + 1,42 kg H 2 O + 11,55 kg N 2 λ = m valós /m elm = m valós /B*µ lo Elméleti égési levegı igény 69
A fajlagos fogyasztás, s, és s az effektív v középnyomk pnyomás s a légfelesleg l függvényében 3. elıad adás A dugattyú középsebessége és s a töltt ltési fok 72
Töltet kialakulása szivó vezeték m lev m ö kipufogó vezeték m f m valós= m =m -m m t=mf-mm f lev ö m m +Dinamikus hatás: A távozó kipufogó gáz megszívhatja a szívó vezetéket A töltet t kialakulása 74 Töltési fok hagyományos szívó motornál Áramlási vesztségek Melegedés Dinamikus hatás hiánya 75
Veszteségek Jelleggörb rbék Belsıégéső motorok jelleggörb rbéi 0-n min. : Lendkerék nem tárol elég energiát, Rossz keverékképzés, Nagy hıveszteség, n min. -n M max. : Javul a keverékképzés, Nı a töltési fok, Csökken a hıveszteség (csökken az idı), n M max n be min. : Csökken a töltési fok (áramlási vesztségek nınek), n be min. n pe max. : Romlik a keverékképzés Tovább növekvı veszteség n pe max. n max : Súrlódási veszteség növekmény (f[n 2 ]) jelentısebb mint a ford. szám növekedés hatása (f[n]) 78
Abnormális égési folyamatok Otto-motorokban Kopogásos égés Öngyulladás 79 A termikus hatásfok változv ltozása a kompresszió függvényében η elm. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Otto-motorok Kopogási határ Diesel-motorok 0 5 10 15 20 25 30 ε 80 Kopogásos égés 7,5 KHz p [bar] 13,25 KHz p [bar] 950 Frekvencia [Hz] 52100 Kopogásos égés nyomáslefutása és a nyomás lengés frekvenciája. (a spektrumon megfigyelhetı 13 KHz körüli rezgés a nyomásmérı sajátfrekvenciájából adódik!) 81
Kopogásos égési kialakulása http://www.onestopauto.com/what-causes-spark-knock.html 82 Kopogásos égés s okai, elkerülése Kompresszió viszony helyes megválasztása Ilyenkor nem éri el a nyomás szint, illetve az ezzel arányos kompresszió véghımérséklet a kritikus szintet. Viszont a kompresszió viszony csökkentésével csökken a hatásfok is. Gyertya helyes elhelyezése Amennyiben az égés a melegebb keveréktıl a hidegebb felé halad a kopogási hajlam csökken. Égéstér helyes kialakítása, közeg hőtése Ha az égéstérnek abban a részében, amit lángfront az égés végén ér el, alacsonyabb a hımérsékletet valósítunk meg, szintén csökken a kopogási hajlam. Elıgyújtási szög helyes megválasztása Nagy elıgyújtás esetén a kompresszió és az égés együttes hatására igen nagy nyomásemelkedés jön létre a hengerben, így a kopogás valószínősége rohamosan nı. Légfelesleg tényezı megválasztása A lángterjedés sebessége λ=0,9 körül a legnagyobb, itt a legnagyobb a nyomásemelkedés, ennek hatására a kopogási hajlam is. Tüzelıanyag kopogási hajlama. 83 Az elıgy gyújtás s szabályz lyzása 84
26/02/13 Otto-motorok szabályz lyzása-keverék képzése Mennyiségi szabályz lyzás Teljes terhelés Mennyiségi szabályz lyzás Részterhelés 87
88 Mennyiségi szabályz lyzás Ottó motor fojtásos szabályozása - fojtás nélkül --- fojtással Töltési fok és s a fajlagos fogyasztás állandó fordulaton különbözı terhelések esetén A fajlagos fogyasztás, s, és s az effektív v középnyomk pnyomás s a légfelesleg l függvényében
További követelmk vetelmények Indítás: dús keverék (kondenzáció) Alapjárat: dús keverék (kondenzáció) Maximális nyomaték: dús keverék (nagyobb nyomaték) Gyorsítás: dús keverék (nagyobb nyomaték) Elemi karburátor mőködésem A Venturi-csövön keresztül haladó levegı tömegáram: 1 κ CDTATpo pt 2κ ma = 1 RTo po κ 1 κ pt κ ( ) po ahol C DT a torok szőkítési tényezıje és A T a torok területe, egyszerőbb alakban: 1 [2. 1] ahol: ma = CDTAT 2ρa paφ [2. 2] pa = p0 pt Φ = κ 1 κ a tüzelıanyag tömegárama: f DO o f m = C A 2ρ p f 2 κ pt p0 pt p0 1 pt p0 ahol C DO a furat szőkítési tényezıje és A O a furat területe, és p f = pa ρ f gh κ+ 1 κ [2. 3] [2. 4] [2. 5] Innen a légfelesleg tényezı: ma λ Φ CDT AT = m = L L C A f 0 0 DO O ρa pa 1 C ρ f pa ρ f gh pa [2. 6] Az elemi karburátor felépítése
94 Tüzelıanyag befecskendezés A keverék létrehozásának másik elterjedt megoldása a tüzelıanyag befecskendezés. Mőködési elvük alapján három típusra lehet osztani ezeket: hengerenkénti befecskendezés, központi befecskendezés, direkt (közvetlen) befecskendezés. A hengerenkénti befecskendezı rendszerek terjedtek el elıször, ennek fıbb okai a következık: optimális tüzelıanyag mennyiség bejuttatása minden üzemmódban egyforma keveréket lehet létrehozni minden egyes hengerben feltöltés jobb megvalósíthatósága jobb motor dinamika, gyorsulás, lassítás szabályzó körök kialakításának lehetısége 4. elıad adás Befecskendezési si módszerekm Hengerenkénti befecskendezés Központi befecskendezés Multi-Point Inj. (MPI) Single-Point Inj. (SPI) 95 Direkt befecskendezés
Bosch direkt befecskendezı rendszer mőködésem Direkt befecskendezı rendszer két k üzemmódja Inhomogén keverék Homogén keverék Forrás: VW FSI (GDI) Engines Piston Falvezetéses Wall control type
Hagyományos gyújt jtás 1. Akkumulátor 2. Gyújtás kapcsoló 3. Munkaellenállás 4. Indító kapcsoló 5. Gyújtótranszformátor 6. Kondenzátor 7. Megszakító 8. Elosztó 9. Gyertyák transzformátor tárolja az energiát Fıbb elemek Gyújtótranszformátor: lemezelt vasmagból és az azt körülvevı 100-200 menetszámú 0,4-0,6 mm-es primer, valamint a 10 000-20 000 menetszámú 0,05-0,1 mm-es szekunder tekercsekbıl áll. A tekercseket kitöltı és szigetelıanyag, valamint a köpenylemez veszi körül Megszakító: A primer áramkör megszakítását végzi. Problémák: Kis fordulaton a megszakítókalapács lassan mozog, ezért sokáig tart érintkezıi között a megszakítási szikra, ezzel gátolva a primer áram megszőnését. Nagy fordulatszámon nagyon gyors mozgás Kondenzátor: A megszakítás pillanatában a primer tekercsben 300-400 V feszültség indukálódik, amely a megszakító érintkezıinek beégését okozná. Ezt a szikrázást csökkenti a kondenzátor. Általában papírszigeteléső tekercskondenzátorokat alkalmaznak.
Zárásszög g optimalizálás optimális túl kicsi túl nagy Gyújt jtás s idızítés elıgyújtási szög 50 fok Indikált nyomás 30 fok 10 fok Relatív nyomaték optimum gyújtás Fıtengely szög [fok] Elıgyújtás [fok] Tranzisztoros gyújt jtás 1. Akkumulátor, 2. Gyújtás kapcsoló, 3. Munkaellenállás, 4 Indító kapcsoló, 5. Gyújtótranszformátor, 6. Tranzisztoros megszakító, 7. Megszakító, 8. Elosztó, 9. Gyertyák transzformátor tárolja az energiát
Iker v. parazita gyújt jtás s rendszer 1. Akkumulátor, 2. Gyújtás kapcsoló, 3. Gyújtótranszformátor, 4. Gyertyák Integrált gyújt jtó rendszer felépítése Integrált gyújt jtó rendszer Bemeneti adatok: Fordulatszám Idızítı jel Levegı mennyiség Motor hımérséklet Levegı hımérséklet Akku fesz. Kapcsoló jel kopogás szenzor Egyéb - 30-40 kv is lehet - integrált ionizációs érzékelı
Gyújt jtógyertya hıértéke Hıérték: A gyertya üzem közbeni felmelegedését írja le. Mértékegysége: milyen gyorsan éri el az öngyulladási hımérsékletet a gyertya kísérleti motorban. A gyertya annál "hidegebb" minél nagyobb ez a szám. Forrás: NGK Forrás: NGK Diesel-motorok
A termikus hatásfok változv ltozása a kompresszió függvényében η elm. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Otto-motorok Kopogási határ Diesel-motorok 0 5 10 15 20 25 30 ε Diesel-motor minıségi szabályoz lyozása (- teljes dózis, --- csökkentett dózis) A káros k anyagok emissziója a légfelesleg l függvényében Diesel-motorok Otto-motorok részecske gépjármő. gázmotorok.
Diesel-motorok égési folyamata I Diesel-motorok keverékképzése alapvetıen meghatározza az égési folyamat lefolyását. Diesel-motoroknál az égést nem egy külsı energiaforrás segítségével indítjuk el, hanem a kompresszió során felmelegedı közeg (levegı) párologtatja el és gyújtja meg a levegıtüzelıanyag keveréket. Mind a tüzelıanyag elpárologtatásához, mind annak keverékképzéséhez és égéséhez az Ottó-motorokhoz képest igen jelentıs idıre van szükség. A fenti folyamat jól kezelhetısége megkívánja, hogy a tüzelıanyagot csak akkor juttassuk a tüzelıtérbe, amikor annak égése kívánatos. Égési folyamat elıkamr kamrás s Diesel motorban Direkt befecskendezés
Befecskendezés Égés s kezdet Elıkevert égés
(Elhúzódó) ) Diffúz égés Diesel-motorok égési folyamata II A Diesel motorok égési folyamatát általában két részre osztjuk. Az égés kezdetén az égési késedelem miatt felhalmozódott tüzelıanyag a nagy légfelesleg mellett gyors, jól elıkevert égése zajlik le. Ezt a szakaszt nevezzük kinetikus-, vagy elıkevert égésnek. A második szakasz a diffúz- vagy fıégés. Ebben a szakaszban a porlasztóból kilépı tüzelıanyag keresztülhalad a már elégett keveréken ott a párolgási folyamat lezajlik, majd ebbıl a térfogatból kikerülve keveredik a levegıvel. Ebben a szakaszban az égés lényegesen lassabb. Minél nagyobb a gyulladási késedelem annál több tüzelıanyag jut az égéstérbe az égés kezdete elıtt. Így amikor beindul az égés nagymértékő hıfelszabadulást áll elı, minek következménye kemény égési zaj, ami mechanikai túlterhelést eredményezhet. Mint az a fentiekbıl következik a befecskendezés idıbeli lefolyása jelentısen befolyásolja az égési folyamatot, a motor mőködését. Égési folyamat Diesel-motorokban késöbb
Tüzelıanyag rendszer Üzemanyag tank Szállító szivattyú Adagoló- (v. Befecskendezı) (nagynyomású) Szivattyú 100-2000 bar Adagoló vezeték Visszafolyó vezeték Tüzelıanyag szőrı Porlasztó (v. injektor) Égéstér Adagoló szivattyú A tüzelıanyag bejuttatására az égéstérbe, valamint annak jó porlasztásához nagy tüzelıanyag nyomásra van szükség. Ennek elıállításáról az adagoló szivattyú gondoskodik melynek fıbb feladatai: jobb és egyenletesebb porlasztás érdekében minél nagyobb nyomás létrehozása (200-2000 bar), befecskendezés idızítése, optimalizálva a befecskendezett tüzelıanyag mennyiségére, gyúlási késedelmére, a motor mőködési körülményeinek megfelelı kompenzálása (pl. hidegindítás) Az adagoló szivattyúk általában dugattyús szivattyúk. A dugattyúk mozgását profilos bütykök vezérlik, melyek kialakítása meghatározza egy részrıl a befecskendezés idıbeli lefutását, más részrıl a befecskendezés idıpontját. Állandó lökető adagoló szivattyú 1. Adagoló ház, 2. Elfolyó nyílás, 3. Vezérlıél, 4. Dugattyú, 5. Visszahúzó rugó, 6. Dózis vezérlés, 7. Adagoló bütyök és tengely, 8. Görgı, 9. töltı nyilás, 10. fejszelep,
Állandó lökető adagoló szivattyú Elosztórendszer rendszerő adagoló szivattyú 1. Görgıház 2. Görgı 3. Bütykös tárcsa 4. Görgıház elforgató (befecskendezés idızítı) 5. Dózis vezérlı furat (by-pass csatorna) 6. Mennyiség állító 7. Visszatoló rugó 8. Leállító szelep 9. Dugattyú elem 10. Henger választó csatorna BOSCH VE típusú elosztórendszer rendszerő adagoló szivattyú
PD rendszer mőködése m (UI( UI) 1. Adagoló elemház 2. Adagoló bütyök és vezérmőtengely 3. Himba 4. Dugattyú elem 5. Vezérlı szelep 6. Porlasztó egység Szabályoz lyozócsapos és lyukporlasztó Common-rail rendszer Nagy befecskendezési nyomás Üzemállapothoz illesztett befecskendezési nyomás (200-1800 bar) Változtatható befecskendezés kezdet Több elı és utó befecskendezés lehetısége
Elıbefecskendez befecskendezés s lehetısége Common-rail rendszer elemei Nagynyomású szivattyú felépítése
Mágnes szelepes porlasztó 1. elektromágnes tekercs, 2. tüzelıanyag visszafolyás, 3. szervo-szelep, 4. kilépı fojtás, 5. vezérlı kamra, 6. rugó, 7. befecskendezı tő, 8. nagynyomású tüzelıanyag, 9. belépı fojtás Piezo-porlaszt porlasztó Szervó szelep Befecskendezı furat Piezo állító elem Hidraulikus csatoló Lényege: Feszültségre mechanikai elmozdulás 110-148V szabályozó feszültség Elönye: Befecskendezés karakterisztikája hasonlít a négyszögjelhez, többszöri befecskendezés lehetséges Fúvóka és fúvóka tő (fúvókamodul) Szervó-szelep mőködése 1- vezérlı szelep, 2- kimeneti fojtás, 3-vezérlı kamra, 4-bemeneti fojtás, 5-fúvókatő 6- by-pass csatorna I rail nyomás, II - Vezérlı kamra nyomás, III - Résolaj nyomás
Common Rail System Generation N4 (APCRS) System Layout for Heavy Duty Truck Application Rail pressure sensor Filter Rail Fuel controlled high pressure pump P Nozzle Fuel tank Forrás: Bosch (Amplifier Piston Common Rail System) Levegı perdület szabályz lyzás
Levegı perdület szabályz lyzás Lánghımérséklet b j j Tad, 298 c p,b ( T) dt = a i cp,a ( T) dt j i i Tkiinnd, 298 NO x környezeti és élettani hatásai NO 2 koncentráció Szimptómák [ppm] 400 Azonnali halál 150 Halál bronchitisz miatt 50 Reverzibilis bronchitisz 10 Szagérzékelés romlása 5 Vér és a tüdı közti gázáramlás romlása 2,5 Növekvı légúti ellenállás felnıtteknél 1,0 Növekvı légúti ellenállás bronchitiszes betegeknél 0,5 Károsodási küszöb 0,17 WHO által javasolt max. NO2 koncentrációérték 0,12 Szagküszöb Tartós belélegzés esetén! 2 NO2 + H2O HNO2 + HNO3 (salétrom sav)! Fotokémiai szmog képzı (NOx + VOC)
NO keletkezés II Termikus NO: szegény keverékek esetén keletkezik a levegı nitrogén és oxigén tartalmából, magas hımérsékleten (T>1500 C). Képzıdéséhez idıreakció, kinetikusan kontrollált. Prompt NO: dús keverékek esetén jellemzı, mennysége elhanyagolható a termikushoz NO-hoz képest. Tüzelıanyag eredető NO: a tüzelıanyag kötött nitrogént tartalmából keletkezik. Mennyisége elhanyagolható, mivel a Magyarországon szolgáltatott földgáz kötött nitrogént nem tartalmaz Mérési elv: kemilumineszcens A mőszer mérési elv az, hogy a gázminta NO tartalmának meghatározott hányada ózon hatására gerjesztett NO2*-á alakul. A gerjesztett molekulák jellemzı hullámhosszú fényt sugároznak ki, miközben az alapállapotukba visszajutnak. Az így kibocsátott fény mennyisége arányos a minta NO tartalmával. A teljes NOx tartalom mérésekor a különbözı nitrogén-oxidokat elıször NO-á alakítják, és mérik a keletkezett NO2* által a kibocsátott fényt. CO keletkezése Elsıdleges: A szénmonoxid a tökéletlen égés eredménye, akkor keletkezik, ha nem áll rendelkezésre elegendı oxigén (lokálisan) a tüzelıanyag tökéletes kiégésére.
CO keletkezése Másodlagos keletkezés: A szénhidrogének fokozatos H vesztéssel járó oxidációja gyors reakció reakciósorozat: RCH 3 2 RCH RCH RCOH RCO CO R : tetszıleges szénhidrogén A további reakció egy lassabb egyensúlyi reakció: CO OH CO + H + 2 Ha túl gyors a füstgáz hőlési folyamata, nem oxidálódik le a CO Elégetlen szénhidrog nhidrogén n kibocsátás THC Total HidroCarbon, (CxHy): színtelen, különbözı összetételő szénhidrogén gázok. Egyes komponensei gyenge szaghatásúak (parafinok), az aromás komponensek kellemetlen szaghatásúak jelentıs rákkeltık. Alapvetıen üvegházhatásúak, elsısorban a metán (CH4), ami a CO2-nél sokkal erıteljesebb üvegházhatású gáz. Olefinek (Egy vagy több kettıs kötést tartalmazó szénhidrogének.) Elnevezések: HC, HidroCarbon THC, Total HidroCarbon VOC, (Volatile organic compounds) CH4, NMHC (metán és nem metán szénhidrogének) THC Keletkezés Láng kioltás hatására Égésben részt nem vevı térrészekben keletkezı el nem égett szénhidrogének (pl. tüzelıanyag) Égéstérbe jutó (kenı)olaj abszorpciója és deszorpciója Nem megfelelı égési folyamat (égés kimaradás) Túl szegény vagy túl gazdag keverék (Alacsony égés hımérséklet)
Részecske kibocsátás Diesel-Engines [g/kwh or g/km], (ECE R49) PM10 mérete kisebb vagy egyenlı 10 mikrométerrel PM2.5 - mérete kisebb vagy egyenlı 2.5 mikrométerrel A részecske képzıdés három fı oka: Hideg, folyékony és elıkészítetlen tüzelıanyag befecskendezése a lángfrontba: Oxigén hiány és helyi kedvezıtlen keverékképzési feltételek. Hirtelen nyomás-, vagy hımérséklet csökkenés az égéstérben Részecske kibocsátás s képzk pzıdése Lokális légfelesleg tényezı KOROM NO x Hagyományos belsıégéső motorok Lokális lánghımérséklet [K] Forrás: Buergler, L., Cartus, T., Herzog, P., Neunteufl, K., and Weissbaeck, M., Brennverfahren,Abgasnachbehandlung, Regelung Kernelemente der motorischen HSDI Diesel Emissionsentwicklung, 13. Aachener KolloquiumFahrzeug- und Motorentechnik, 2004.
Diesel részecske r összetételetele Franz X. Moser, Theodor Sams, Rolf Dreisbach: Lowest Engine-Out Emissions as the Key to the Future of the Heavy Duty Diesel Engine - New Development Results, AVL Részecske kibocsátás s képzk pzıdése és s kiégése Koromkoncentráció a hengerben Koromképzıdés Koromkiégés Koromkiégés Korom koncentráció kipufogáskor Kinetikus szakaszban keletkezı korom A CPC (Condensation Particle Counter) ) rendszer mőködése
Füstölés s mérése m Opacimetria (átlátszatlanság) Lambert Beer-törvény A törvény szerint logaritmikus összefüggés van a T transzmittancia (az anyagon átesı fény hányada) illetve az anyag α abszorpciós együtthatójának és a fény által az anyagban megtett l távolságnak (a fényút hosszának) a szorzata között. Mérték egységek: opacitás N [%], (0-100%) abszorpciós együttható (elnyelési tényezı) k [m-1] (0-10 m-1) Füstölés típusai: Feketefüst ( C ) Fehér füst (H2O) Kékfüst (VOC) Filter Smoke Number (FSN) AVL Emisszió csökkent kkentı eljárások Az emisszió értéke csökkenthetı: a motor elıtt Tüzelıanyag Stb. magában a motorban és konstrukció EGR Légfelesleg Stb. a motor után (szekunder eljárások) 3 hatású katalizátor oxidációs katalizátor Részecske szőrık Stb.
A káros k anyagok emissziója a légfelesleg l függvényében Otto-motorok gépjármő. gázmotorok. Füstgáz z recirkuláci ció alkalmazása (EGR, AGR) Nagynyomású füstgáz z visszavezetı rendszer felépítése 1. Füstgáz visszavezetés szabályzó szelepe, 2. Füstgáz hőtı (opcionális), 3. Intercooler, 4. Levegı mennyiség szabályzó szelepe
Alacsony nyomású füstgáz z visszavezetı rendszer felépítése 1. Füstgáz visszavezetés szabályzó szelepe, 2. Füstgáz hőtı (opcionális), 3. Részecske szőrı, 4. Füstgáz visszavezetés szabályzó szelepe (fojtás) Katalizátorok torok Hármas hatású katalizátor (λ=1) (NSCR) 1. A nitrogénoxidokat oxigénre és nitrogénre redukálja. 2NOx xo2 + N2 2. Szénmonoxid oxidációja széndioxiddá: 2CO+ O2 2CO2 3. Az elégetlen szénhidrogén oxidálása széndioxiddá és vízzé: CxH2x+2 + 2xO2 xco2 +2xH2O. Katalizátorok torok λ
Oxidáci ciós s katalizátor tor (OCC( OCC) ) kettıshat shatású 1. Szénmonoxid oxidációja széndioxiddá: 2CO+ O 2 2CO 2 2. Az elégetlen szénhidrogén oxidálása széndioxiddá és H2Ová: C x H 2x+2 + 2xO 2 xco 2 +2xH 2 O. Diesel motor katalizátorok torok Szelektív katalizátor (SCR) NO x +NH 3 N 2 +H 2 O (nagyobb teljesítményő motorok) Oxidációs katalizátor (OCC, DOC) CO CO 2 C x H y H 2 O+CO 2 Az elsı lépésben az karbamid vizes oldatából ammóniát kell kinyerni, majd ennek segítségével történik NOx kibocsátás csökkentése: 4NO+4NH 3 +O 2 4N 2 +6H 2 O NO+ NO 2 +2NH 3 2N 2 +3H 2 O 6NO 2 +8NH 3 7N 2 +12H 2 O A karbamid vizes oldat német rövidítése HWL, de AdBlue márkanéven forgalmazzák Részecske szőrık felépítése 1 Szinterfém szőrıbetét Franz X. Moser, Theodor Sams, Rolf Dreisbach: Lowest Engine-Out Emissions as the Key to the Future of the Heavy Duty Diesel Engine - New Development Results, AVL
Részecske szőrık felépítése 2 Monolit szilíciumkarbid kerámia szőrıbetét Dr. Varga Vilmos: Részecskeszırök (DPF) alkalmazásának szükségszerősége CRT (Continuosly Regeneratig Technology), Elsı szakasz egy platinával borított oxidációs katalizátor, a nitrogén-oxidokat alakítja NO2-á, Második szakasz a DPF Dr. Varga Vilmos: Részecskeszırök (DPF) alkalmazásának szükségszerősége CDPF (Catalyzed Diesel Particulate Filter), katalitikus bevonatú részecskeszőrık A részecskeszőrı katalitikus hatású anyag bevonattal a koromszemcsék leégése érdekében. a CO és a HC az oxidációs katalizátorokhoz hasonlóan oxidálódik, -> hımérsékletnövekedést A korom gyulladási hımérsékletének leszállítása érdekében rendszerint adalékanyagot is alkalmaznak. A regeneráció 350-500 C közötti hımérséklet tartományban megy végbe, és fıleg a többnyire az autópályán használt autóknál minden különösebb teendı nélkül folyamatosan mőködik. A szőrı csak akkor igényli kb. 1.000-1.200 kilométerenként a kipufogó hımérsékletének 600 C környékére történı aktív megnövelését, és a szőrı kiegészítı regenerálását, ha az autó többet közlekedik kisebb terhelés mellett, pl. városi forgalomban Dr. Varga Vilmos: Részecskeszırök (DPF) alkalmazásának szükségszerősége
CCRT (Catalyzed Continuosly Regeneratig Technology) Elsı szakasz egy platinával borított oxidációs katalizátor, (a nitrogén-oxidokat alakítja NO2-á), Második szakasz DPF katalitikus hatású anyag bevonattal a koromszemcsék leégése érdekében. a CO és a HC az oxidációs katalizátorokhoz hasonlóan oxidálódik, -> hımérsékletnövekedést A korom gyulladási hımérsékletének leszállítása érdekében rendszerint adalékanyagot is alkalmaznak. Teljesítm tmény növeln velés Feltölt ltési eljárások Motor mindenkori teljesítm tményét t a frisstöltet m tömege korlátozza A töltet tömege Ph Vl ( p0 p) Vl m= = R Th R T0 + T - az elméleti töltet környezeti állapotú közeggel töltve fel a hengert. A töltési fok négyütemő motoroknál λ t növelés lehetıségei: - több szívószelep alkalmazása - p csökkentése : - kis szelep ellenállás - szívócsatorna kis ellenállás - csökkentése: T -szívócsı ne a meleg részeknél legyen - dinamikus töltés kihasználása (szelep együttnyitás). t m λ = elm p0 Vl = R T m m elm 0 ph T0 = Th p0 λ t ( ) 0,7 0,9
Töltet kialakulása szivó vezeték m lev m ö kipufogó vezeték m f m valós= m =m -m m t=mf-mm f lev ö m m +Dinamikus hatás: A távozó kipufogó gáz megszívhatja a szívó vezetéket Szelep vezérlés Feltölt ltési eljárások A motor hengerterébe jutó levegı mennyiségét a töltési fokkal jellemezzük. A töltési fok növelésére, azaz a feltöltésre a következı eljárások lehetségesek: feltöltés nyomáshullámokkal feltöltés a motortól független hajtással mechanikus feltöltés a motortól függı hajtással kipufogógáz-turbinás feltöltés (turbótöltés)
Szívórendszer hangolása Helmholtz rezonátor: a f = 2π A V L 0 Orgonasíp effektus (negyed hullám) f = a 4L Dr. Fülöp Z.: Belsıégéső motorok Feltölt ltés s nyomáshull shullámokkal Feltölt ltés s nyomáshull shullámokkal
Mechanikus feltölt ltés (Térfogatkiszorításossos feltölt ltı) Roots fúvó Mechanikus feltölt ltés s (Roots( fúvó), (V8( kompressor ) Mechanikus feltölt ltés (Áramlástechnikai töltök) Centrifugál kompresszor
Turbótölt ltéses motor elvi elrendezése 1. Közbensı hőtı (intercooler), Turbófelt feltöltés További elınyök: Kipufogó hasznosítása Hatásfok javítás Zajcsillapítás Együttm ttmőködési diagram B nincs öblítés B kiöblítés B átöblítés
Nem szabályzott feltölt ltés M n Szabályozhat lyozható feltölt ltı Szabályozhat lyozható feltölt ltı
E-töltı Soros biturbó rendszer szabályzása Köszönöm a figyelmet!