Belsőégésű motor AG71 BMW Valvetronic Dr. Bereczky Ákos BME, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
Korszerű motorokkal szemben támasztott igény: Teljesítmény növelése Hatásfok növelése Károsanyag kibocsátás csökkentése CO 2 Emisszió CO C x H y NO x Hatásfok Teljesítmény
Szgj. (Otto-motorok) emissziós határai
Szgj. (Diesel-motorok) emissziós határai Részecske kibocsátás [g/kwh] Füstgáz visszavezetés EURO 3 (2000) EURO 5 Részecske szűrő EURO 4 Jelenlegi motorok Katalizátor Füstgáz visszavezetés nélkül USA NOx [g/kwh] Prof. Bengt Johansson, ECM-2005
Várható trendek 2013-ig Bereczky-Meggyes-Török:Megújuló tüzelőanyagok jövőbeli várható trendjei
Várható trendek 2030-ig Bereczky-Meggyes-Török:Megújuló tüzelőanyagok jövőbeli várható trendjei
MPI (Ford)
OTTO ciklus 1 2 p 4 2-3 3 5 4-5 3-4 1 2 6 V V Komp. V Löket 6-1 5-6
Elméleti Otto-körfolyamat hatásfoka II. 1 2 3 1 4 2 3 1 4 2 3 1 1 1 1 1 ) ( ) ( ) ( T T T T T T c T T c T T c Q Q Q W v v v
Direkt befecskendezés OXFORD-Laser
DIESEL ciklus 1-2 2-3 p 3 4 3-4 4-5 5 5-6 6-1 1 2 6 V
Elméleti Diesel-körfolyamat
Elméleti Diesel-körfolyamat hatásfoka Égés hossz
Seiliger (kettős hőközlés) körfolyamat hatásfoka
Seiliger körfolyamat hatásfoka Égés hossz =3 =2
A motorikus belső veszteségek a következő fő okokra vezethetők vissza: Friss töltet bejuttatása (töltet csere, maradék gáz, szelep veszt.) Hőleadás a falak felé ill. felöl (nem adiabatikus) Véges égési sebesség Égés során hőleadás (+tökéletlen égés) Gázveszteség (dug.-persely) Súrlódási veszteségek nem belső veszteségek!
Töltet kialakulása m lev szivó vezeték m ö kipufogó vezeték m f m valós= m=m -m m=m-m t f m f lev ö m m
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)
Kompresszió h p 2 p 1 S
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)
Égési folyamat
Égés befolyásoló tényezők Hőmérséklet Légfelesleg Tüzelőanyag Áramlás, perdület Égéstér kialakítása..
Égési folyamat befolyásolása a geometriával
Égési folyamat Diesel-motorokban késöbb
Gázveszteség (dug.-persely)
Gázveszteség (blow-by) kezelése
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 nem belső veszteségek -mozgó alkatrészek súrlódási veszteségeiből, -segédberendezések (olajszivattyú, vízszivattyú, hűtőventilátor, adagolószivattyú, gyújtóberendezés, stb.) hajtásához szükséges energiából tevődik össze.
A fajlagos fogyasztás állandó fordulaton különböző terhelések esetén
Veszteségek a fordulatszám függvényében
Töltet kialakulása m lev szivó vezeték m ö kipufogó vezeték m f m valós= m=m -m m=m-m t f m f lev ö m m +Dinamikus hatás: A távozó kipufogó gáz megszívhatja a szívó vezetéket
Motor mindenkori teljesítményét a frisstöltet m tömege korlátozza A töltet tömege m= Ph V R T - az elméleti töltet környezeti állapotú közeggel töltve fel a hengert. l h p0 p V R T T 0 l A töltési fok m p0 Vl elm R T0 m ph t m T elm h T p 0 0 négyütemű motoroknál t 0,7 0,9 t növelés lehetőségei: - több szívószelep alkalmazása - p csökkentése : - kis szelep ellenállás - szívócsatorna kis ellenállás - T csökkentése: szívócső ne a meleg részeknél legyen - dinamikus töltés kihasználása (szelep együttnyitás).
Töltési fok hagyományos szívó motornál Áramlási vesztségek Melegedés Dinamikus hatás hiánya
Szelepnyitás időtartama Laza Tamás
Nyitás idejének hatása a nyomatékra Laza Tamás
Feltöltési eljárások A motor hengerterébe jutó levegő mennyiségét a töltési fokkal jellemezzük. A töltési fok növelésére, azaz a feltöltésre a következő eljárások lehetségesek: feltöltés nyomáshullámokkal feltöltés a motortól független hajtással mechanikus feltöltés a motortól függő hajtással kipufogógáz-turbinás feltöltés (turbótöltés)
Szívórendszer hangolása Helmholtz rezonátor: f a 2 A V L 0 Orgonasíp effektus (negyed hullám) f a 4L Dr. Fülöp Z.: Belsőégésű motorok
Előnyök és hátrányok Kisebb helyszükséglet (Down-sizing) Nagyobb teljesítmény/tömeg viszony Jobb hatásfok Pe/Pm arány javul töltet csere W(-) -> W(+) Kisebb hűtő Termikus és mechanikus terhelés növekszik Kedvezőtlen rugalmasság (optimalizálandó, turbótöltés)
Töltési fok hagyományos szívó motornál Áramlási vesztségek Melegedés Dinamikus hatás hiánya
Jelleggörbék
0-n min. : Lendkerék nem tárol elég energiát, Rossz keverékképzés, Nagy hőveszteség, n min. -n M max. : Javul a keverékképzés, Nő a töltési fok, Csökken a hőveszteség (csökken az idő), n M max n be min. : Csökken a töltési fok (áramlási vesztségek nőnek), n be min. n pe max. : Romlik a keverékképzés Tovább növekvő veszteség n pe max. n max Súrlódási veszteség növekmény (f[n 2 ]) jelentősebb mint a ford. szám növekedés hatása (f[n])
Ottó-motorok
Motorok szabályzása
Diesel-motor mennyiségi szabályozása (- teljes dózis, --- csökkentett dózis)
Mennyiségi szabályzás Ottó motor fojtásos szabályozása (- fojtás nélkül, --- fojtással)
Mennyiségi szabályzás Teljes terhelés
Mennyiségi szabályzás Részterhelés
Töltési fok és a fajlagos fogyasztás állandó fordulaton különböző terhelések esetén
Jellegmező (kagyló görbe)
Jellegmező (kagyló görbe) TDI 1.9L ALH 1999.5-2003
Benzines és dízel üzemű VW motor összehasonlítása (ECOMODDER) EcoModder
Járműves felhasználás NEDC ciklus üzemállapotai 1.6 TDI motor működési tartományán VAGarena (2011): Ominaiskulutus, hyötysuhde ja polttoaineenkulutus. VAGarena.fi - Das. Forum, Finnország
VW 1.4 l TSI motor fogyasztása és az 5-6. sebességi fokozatok VAGarena (2011): Ominaiskulutus, hyötysuhde ja polttoaineenkulutus. VAGarena.fi - Das. Forum, Finnország
Hibridizáció (16, 2ea innen) A hagyományos belső égésű motorral szerelt járművek jó teljesítményt és hosszú hatótávolságot biztosítanak, az üzemanyagaik nagy energiasűrűségének kihasználásával. Ugyanakkor, ezeknek a járművek a hátránya, hogy nem üzemanyag takarékosak, valamint környezetszennyezők is. A nagy fogyasztás fő okai, hogy 1.a motor hatásfoka alacsony és üzemi tartománya nem a legjobb hatásfok mezőben van 2.a fékezésnél keletkező kinetikus energiát nem nyerik vissza, ami főleg városi környezetben fontos, 3. a sebességváltók alacsony részterhelési hatásfokkal üzemelnek Az akkumulátorokkal hajtott elektromos járművek (EV) azonban olyan előnyökkel bírnak a hagyományos belső égésű motoros járművekkel szemben, mint a jobb energia-hatékonyság és az üzem közbeni nagyon alacsony károsanyag-kibocsátás. Mindazonáltal a teljesítménymutatóik, főleg a töltésenkénti hatótávolság, jelentősen elmaradnak a belső égésű motoros járművekétől, az akkumulátorok üzemanyagokhoz képest kisebb energiasűrűsége miatt. A hibrid elektromos járművek (HEV), melyek két erőforrást használnak egy elsődleges és egy másodlagos erőforrást- elvileg ötvözik a belső égésű és az elektromos hajtás jó tulajdonságait, és kiküszöbölik a hátrányaikat.
Hibridizáció lépései Start/Stop rendszer álló járműnél a belsőégésű motort automatikusan leállítsa. A leállítás létrejön, ha: a sebességváltó üres állapotban van, az ABS jeladó zérót jelez, Üzemi paraméterek (pl. hűtővíz) az akkumulátor töltöttsége megfelelő szinten van.
Mild hibridek Start/stop villamos gép által biztosított rekuperációs fékezés villamos rásegítés lehetőségével. Full hibrid A fullhibrid tisztán villamos hajtásra is képes és ezekkel hosszabb távolságok megtételére is képes. Ilyenkor csak a villamos gép hajt, a belsőégésű motor nem működik. Plug-in hibrid Plug-in, azaz a tölthető fullhibrid. Az akkumulátor pakk nem csak visszatáplálás révén belső hálózatról tölthető, hanem külső forrásból (például: hálózati csatlakozóból) is. A külső töltés speciális csatlakozón keresztül történik
Soros hibrid
Soros hibrid üzemmódjai 1. Tiszta villamos hajtás 2. Tiszta motorikus mód 3. Hibrid mód 4. Motorikus és akkumulátortöltő mód 5. Visszatápláló fékezési mód 6. Akkumulátortöltő mód 7. Hibrid akkumulátortöltő mód
Előnyök és hátrányok: A belsőégésű motor a jármű hajtásigényétől függetlenül működik. Ezáltal a fordulatszám-nyomaték karakterisztikájának bármely tartományában üzemeltethető, és akár kizárólag a legnagyobb hatásfok közelében tartható. Mivel az elektromos motorok jármű hajtás szempontjából kedvező fordulatszám nyomaték karakterisztikával rendelkeznek, ezért nincs szükség több fokozatú sebességváltókra. Egyszerű irányítás használható, az elektromos váltómű által végzett, mechanikus szétválasztás miatt A motorból érkező energia kétszer is átalakításra kerül, (mechanikusról elektromosra a generátorban és villamosból mechanikusra a vontatómotorban). A generátor és a vontatómotor hatásfoka szorzódik és a veszteség akár jelentős is lehet. A vontatómotort úgy kell méretezni, hogy a maximális követelményeknek is megfeleljen, mert ez az egyetlen erőforrás mely a járművet hajtja
Párhuzamos hibrid-elektromos hajtásrendszer
Bolygóműves sebességösszegző rendszer 1. Elektromos mód: az 1-es zár 2. Belsőégésű motorikus mód: a 2-es zár 3. Hibrid hajtás: mindkét fék nyitott állapotban van 4. Regeneratív fékezés: Az 1-es zár zárva van, a belsőégésű motor leáll vagy a kuplung leválasztja 5. Akkumulátortöltő mód: ha az irányítás negatív sebességet ad meg az elektromos motornak,
Keverékképzési módszerek
A fajlagos fogyasztás, és az effektív középnyomás a légfelesleg függvényében
Hármashatású katalizátor 3-way (NSCR) Catalysts ( =1) NO x N 2 +O 2 CO CO 2 C x H y H 2 O+CO 2
További követelmények: Indítás: dús keverék (kondenzáció) Alapjárat: dús keverék (kondenzáció) Maximális nyomaték: dús keverék (nagyobb nyomaték) Gyorsítás: dús keverék (nagyobb nyomaték)
Otto-motor kibocsátása különböző fordulatszámokon és terheléseken
Az elemi karburátor felépítése
CSONKA JÁNOS (1852-1939) A szegedi születésű feltaláló a magyar technikatörténet kiemelkedő alakja. A jelenleg üzemeltetett sok száz millió benzinmotoron ma is olyan karburátor van, melynek alapgondolatával Bánki Donáttal együtt ők ajándékozták meg a világot és elsőként szabadalmaztatták. A legenda szerint Csonka János és Bánki Donát, hazafelé tartva közös kísérletezésükből, egyszer a Nemzeti Múzeum sarkán egy virágáruslányt vettek észre, aki a szájában tartott vékony csőbe levegőt fújva oldotta permetté a virágjainak szánt vizet. Állítólag ez adta az ötletet, hogy megalkossák a porlasztót, mely a motorokban azóta is az üzemanyag-levegő keveréket állítja elő. Az 1891-ben még csak rajzasztalon létező szerkezet a motor változó üteméhez alkalmazkodva adagolta a megfelelő keveréket, kiküszöbölte a robbanásveszélyt, ráadásul - mivel a szívócsőben áramló levegő energiáját használja fel - nem igényelt külön energiaforrást. http://www.mszh.hu/feltalalok/csonka.html?printable=1
A Venturi-csövön keresztül haladó levegõtöm egáram : m a C A p p 2 1 DT RT T o o p T o 1 1 p p ahol C DT a torok szûkítési tényezõje és A T a torok területe, egyszerûbb alakban: o T 1 [2. 1] m a C DT A T 2 a p a ahol: [2. 2] pa p0 pt [2. 3] 2 1 1 p T p 0 p T p 0 1 p T p 0 [2. 4] a tüzelõanyag tömegárama: m f C D O A o 2 f p f [2. 5] ahol C DO a furat szûkítési tényezõje és A O a furat területe, és p p gh f a f Innen a légfelesleg tényezõ: m a m L L f 0 0 ahol L 0benzin =14,7 C C D T D O A A T O a f p p a g h C 1 p a f a [2. 6]
A segédberendezésekkel ellátott karburátor
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
Befecskendezési módszerek Hengerenkénti befecskendezés Hengerenkénti befecskendezés Multi-Point Inj. (MPI) Single-Point Inj. (SPI)
ECU működése
Programozható ECU (MOTEC) 73
Befecskendező rendszer
Befecskendező rendszer menedzsment * -pl. Klíma, stb **-automata váltó, fékpedál, kuplung, stb + -a főtengelyen elhelyezett jeladó nem ad információt az ütemről, csak a helyzetről!
Befecskendező típusok Felső betáplálású Oldalsó betáplálású
Kétállasú lambda szonda Felépítése: Cirkónium szilárdtest-elektrolit Működése: Belsőelektród levegővel érintkezik, a külső a füstgázzal. A kialakuló parciális oxigénnyomás különbség feszültség jellé alakul. Meggyes 119 oldal
Kétállasú lambda szonda Légfelesleg tényező
Szélessávú lambda szonda 1: kipufogó cső, 2: érzékelő fűtés, 3: szabályzó elektronika, 4: referencia lev. cella, 5: diffúziós rés, 6: Nerst cella, 7: oxigénszivattyú cella, 8: védőréteg, 9: porozús diffúziós gát
Szélessávú lambda szonda Légfelesleg tényező
Levegő mennyiség mérés Elfordulólapos (L-jetronic) Szívótérnyomás (Depressziós, D-jetronic) Hődrótos (L-jetronic) Hőfilmes
Elforduló lapos (ajtós) áramlásmérő
Hődrótos S F hődrót, S 0 környezeti hőmérséklet kompenzáció R M mérőellenállás, R 1, R 2 trim ellenállások
Hőfilmes S0 - levegő hőm. érzékelő, S1, S2 - hőmérséklet érzékelő, F- fűtés, SF- fűtés hőm. érzékelő
Monotronic benzinbefecskendező rendszer
Bosch L-Jetornic rendszer benzinbefecskendező rendszer
MPI (Ford)
Motor rendszer
Direkt befecskendezés
Ottó motor fojtásos szabályozása (- fojtás nélkül, --- fojtással)
Bosch direkt befecskendező rendszer működése
FSI (GDI) Engines Piston Wall control type
Direktbefecskendező rendszerek Gyertya kontrol Fal kontrol Perdület kontrol
FSI (GDI) Engines mixtures
FSI (GDI) Engines Piston Wall control type
Az ECM bekötési vázlata
A ma használt direkt befecskendezés előnyei és hátrányai - Elégetlen tüzelőanyag kibocsátás Égési folyamat romlik Mechanikus veszteségek nőnek + Hő veszteség csökken Sűrítési arány Ideálishoz közelítő körfolyamat Töltéscsere javul
2015-ben és 2016-ban idáig!