Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 11. Előadás Turbó, kompresszor hatásfoka, hűtése
Jelölés - Nem törzsanyag 2
Feltöltők hatásfoka A feltöltők elméletileg izentrópikus kompresszióval működnek, ez azt jelenti, hogy az entrópia nem változik. Ennek az izentrópikus hatásfoka: Exergia: Az energia azon része, ami más energiává alakítható Anergia: Ami nem alakítható más energiává Energia = Exergia + Anergia 3
T Elméleti és valós sűrítés Izentrópikus sűrítés munkája Politrópikus plusz munka Súrlódáshő p 2 2 isent 2 v p 1 p 1 1 1 s 4
Izentróp eset 1 2 i : Elméleti és valós sűrítés Politróp eset 1 2 p : ahol - Sűrítő hűtésére jellemző szám értéke: 1,04-1,10 Tehát nagyobb sűrítési nyomás nagyobb hőmérsékletet okoz, ami nagyobb entrópiával jár és kisebb sűrűségű levegő fog a motorba jutni! 5
Mechanikus feltöltők (kompresszorok) hatásfoka Mivel a mechanikus feltöltő nem a motor veszteségéből dolgozik, hanem többnyire a motor forgattyús tengelyéről kapja a hajtást, így a motor hatásfokától függ a feltöltő hatásfoka is: ηm~ηf A többlet teljesítmény akár 15%-a a kompresszor hajtására fordítódik. A kompresszoros motor ezért is többet fogyaszt szívómotoros kivitelénél. 6
Mechanikus feltöltők (kompresszorok) hatásfoka Az ábrából jól látszik, hogy a fordulatszám növekedésével nem egyenes arányban növekszik a motor középnyomása, tehát a hatásfoka sem állandó. A mechanikus feltöltők közepes fordulatszámon a leg- hatékonyabbak. Alacsony fordulatszámon nagy a résveszteség, így alacsony a hatásfok. Illetve magas fordulaton sem jó hatásfokúak. Mechanikusan feltöltött motor Szívó motor 7
Turbófeltöltő hatásfoka (sűrítő oldal) 1 2 8
Kompresszor nyomásviszony Turbófeltöltő hatásfoka (sűrítő oldal) Térfogatáram A kompresszor belépő és kilépő oldalán lévő nyomás hányadosának növelésével növekszik a bevitt levegő mennyisége 9
Turbófeltöltő hatásfoka (sűrítő oldal) 10
Turbófeltöltő hatásfoka (turbina oldal) 3 4 11
Turbófeltöltő hatásfoka (turbina oldal) Turbina tömegáram Turbinahatásfok [-] Turbina nyomásviszony 12
Turbófeltöltő hatásfoka (turbina oldal) 13
Kompresszor nyomásviszony p2/p1 [-] Turbófeltöltő hatásfoka Ahol ηm=ηmt+ηmv ṁ= tömegáram cp= fajhő Abg= kipufogógáz L= levegő ηges*t3/t1 =2,5 Turbina nyomásviszony p3/p4 [-] 14
Turbina keresztmetszet Kompresszor nyomásviszony (p2/p1) Turbófeltöltő hatásfoka Tömegáram Turbina nyomásviszony (p3/p4) 15
Példák turbófeltöltésre Példa: p₁= 1bar T₁=293K (20 C) πv=p₂/p₁=2,5 μsv=0,85 T₂=371K (98 C) T₃=313K (40 C) Motor ρ₂ [kg/m³] Középnyomás Szívómotor 1,19 100% Feltöltött motor 2,23 187% Feltöltött motor visszahűtéssel 2,78 234% 16
Töltőlevegő visszahűtés 17
Töltőlevegő visszahűtés Előnyei Otto-motornál: Fajlagos teljesítmény megnő Csökken a kopogási hajlam NO x emisszió csökken az alacsonyabb hőmérsékletű levegő miatt 18
Töltőlevegő visszahűtés Előnyei Diesel-motornál: NO x emisszió csökken az alacsonyabb hőmérsékletű levegő miatt Tüzelőanyag fogyasztás csökken a szívómotorhoz képest a nagyobb légfelesleg miatt, ami jobb politróp kitevővel jár Motor termikus terhelése csökken Fajlagos teljesítmény megnő 19
Turbófeltöltő hatásfoka visszahűtéssel Az előző táblázat is mutatja, hogy a visszahűtött levegővel nagyobb teljesítmény érhető el. Ez köszönhető a levegő kisebb hőmérséklet értékének, ahogy a diagram is mutatja. Kisebb hőmérsékletű és entrópiájú levegő nagyobb teljesítményt okoz 20
Hőmérséklet Lépcsős feltöltés visszahűtéssel Magasnyomású feltöltő után visszahűtés nélkül A köztes hűtés jóvoltából megtakarított munka Alacsony nyomású feltöltő után Magasnyomású feltöltő után Magasnyomású feltöltő Visszahűtő Magasnyomású feltöltő előtt Alacsonynyomású feltöltő Alacsonynyomású feltöltő előtt nyomásveszteség a hűtés jóvoltából Entrópia 21
Mechanikus feltöltő visszahűtése A való életben általában a fojtószelep a kompresszor után van és nincs Bypass kör LadeLuft Kühler Töltőlevegő visszahűtő Hűtés hatásfoka: Feltöltő Fojtószelep 22
Töltőlevegő hűtés Típusok: Levegő levegő hűtők Levegő folyadék hűtők Kettő kombinálása 23
Töltőlevegő hűtés Levegő-levegő Levegő-folyadék Motor hűtőkörén Levegő-folyadék Saját hűtőkör Kombinált hűtés - Leggyakrabban alkalmazott megoldás -Olcsó és megbízható - Elhelyezése a motorban menetiránytól függő - Nagy hűtőtömb alkalmazása -Motortérben való kialakítása kevesebb problémával jár - Kisebb hűtőtömb alkalmazása - Motor hűtőkör miatt, nem olyan jó a visszahűtés - Hatékonyabb a levegő levegő rendszernél -Hatékonyabb hűtés, mivel külön hűtőkör van kialakítva - Emiatt drágább és bonyolultabb a kivitelezése -Legdrágább és legbonyolultabb megoldás, ellenben a legjobb hűtést biztosítja is egyben - Csak versenysportban alkalmazzák 24
Hűtés hatásfoka: Töltőlevegő hűtés Φ=ΔThűtő/ΔTkomp, ahol ΔThűtő a töltőlevegő tényleges hőmérséklet csökkenése a hűtőben, ΔTkomp a belépési hőmérséklet és a környezeti levegő hőmérsékletének különbsége Levegő - levegő hűtőknél: 40-80% Levegő - folyadék (motorhűtésbe integrálva ): <50% Levegő - folyadék hűtőknél (saját hűtőkör): 80% 25
Töltőlevegő hűtés Töltőlevegő sűrűségének változása: Δρ=Tbe/Tki-1, ahol Tbe és Tki a hűtőbe belépő és kilépő levegő hőmérséklete Példa: belépő levegő hőmérséklete 363K (90 C), kilépő hőmérséklete 313K (40 C) Δρ=363/313-1=0,16 16% több levegő kerül a motorba. Ez majdnem 16% teljesítménynövekedést fok okozni a hűtetlen levegőhöz képest 26
Levegő levegő hűtés A töltőlevegő hűtése a környezeti levegővel A visszahűtés maximális értéke a környezeti hőmérséklet +15 C Jó szerkezeti kialakításúak nagy felülettel és kis mélységgel rendelkeznek Ajánlott méretek: 30-50mm, 3-80 dm² Hőleadás szempontjából nagy érintkező felületek Nyomásvesztés szempontjából rövid, nagy keresztmetszetű hűtők. A kettő kompromisszuma hozza a legjobb eredményt 27
Töltőlevegő átáramlási útja Egy irányú Két irányú - Kis nyomásesés - Jobb hőleadás - Kompakt 28
Hatásfok Hűtőtömb mélysége Jó kivitel Rossz kivitel Hűtőtömb vastagsága 29
Levegő folyadék hűtők Előnye: Előnyösebb kialakítás kisebb nyomásesés Folyadékoldalon hatékonyabb hővezetés kisebb méret kisebb térfogat kisebb késedelem A folyadék vezetése iránya szabadon választható Motortér szabadabb kialakítási lehetősége, mivel kisebb a hűtő és a hűtőfolyadék vezetése kevésbé problematikus 30
Hátránya: Levegő folyadék hűtők A hűtés két lépcsőben történik, a levegő és a folyadék hűtésnél (ΔT!) Külön hőcserélő kell a szekunder rendszer(hűtőfolyadék) hűtésére Komplett rendszer csak magas költségek árán kivitelezhető 31
Kialakítások (önálló hűtőkör) Hűtő folyadék Turbófeltöltő töltőlevegő 32
Kialakítások (motor hűtőkörébe integrált rendszer) töltőlevegő 33
Kialakítások (kombinált hűtés) 34
Kialakítások 35
Irodalomjegyzék Dr. Kováts Miklós Turbófeltöltés alkalmazása járműmotoroknál Dr. Németh Huba Gépjárműmotorok 2 Klaus von Rüden Beitrag zum Downsizing von Fahrzeug-Ottomotoren 36