Belső égésű motorok I. 4. Előadás Töltetcsere 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 2
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 2 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 3
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 4
Áramlástani ismeretek 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 5 2 2 2 2 1 1 2 1 2 2 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: 2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 2 1 h g p v h g p v
Áramlástani ismeretek 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 6
Áramlástani ismeretek 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 7
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 8
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 9
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 10
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 11
Áramlástani ismeretek Először gőzturbinkákon alkalmazták, ma a rakétahajtóművek fontos kelléke A szűkülő-bővülő keresztmetszet lehetővé tette a hangsebességnél gyorsabb áramlást 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 12
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 13
Hangsebesség 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 14
Hangsebesség a gyakorlatban Levegőben, tengerszinten (15 C): 340 m/s 11000-20000m között (-57 C):295 m/s Oxigén: 316 m/s Víz: 1484 m/s Acél: 5920 m/s Alumínium: 6300 m/s Gyémánt: 18000 m/s 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 15
Hangsebesség Longitudinális hullámok (gázok és folyadékok): 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 16
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 17
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 18
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 19
Vezérlés A töltetcsere vezérlést igényel, mely lehet: Résvezérlés Vegyes vezérlés Szelep vezérlés Vezérlés módja szerint lehet Közvetlen Közvetett kombinált 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 20
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 21
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 22
OHC elrendezés/dohc elrendezés 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 23
SV/CIH/OHV elrendezés 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 24
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 25
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 26
A kipufogás nyomáslefutása 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 27
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 28
A motor szelepnyitási diagramja 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 29
Szelepkeresztmetszetek hatása Különböző áramlási sebességek a szívószelepen és a szívószelep időzítésének hatása a teljesítményre 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 30
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 31
Töltetcseréhez szükséges befektetett munka különböző fordulatszámon 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 32
Henger-, kipufogó-és szívócsatorna nyomások a szelepemelés függvényében 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 33
Henger-, kipufogó-és szívócsatorna nyomások a szelepemelés függvényében 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 34
Szívórendszerek A motor szívórendszerével szemben támasztott követelmény, hogy különböző üzemállapotokban (fordulatszám) is biztosítani tudja a keverékképzéshez szükséges levegőáramot Ennek biztosítására változó szívórendszereket alkalmaznak 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 35
Szívórendszer felépítése Levegőszűrő Légmennyiségmérő Vezetőcső Pillangószelep Levegő elosztó Lengőcső Szívócsatorna/szívószelep 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 36
Szívórendszer felépítése 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 37
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 38
Rezonanciafeltöltés Állóhullám létrehozása a gázoszlop sajátfrekvenciáján Kellékei: rezonanciatartály és rezonanciacső Előnyösen használható 3-6-12 hengeres motoroknál (240 -os elékelés), más esetben összetett rezonancia rendszer szükséges 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 39
Rezonanciafeltöltés Kettős, vagy összetett rezonanciarendszer 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 40
Lengőcsőfeltöltés Szívási depresszió által a nyitott csővégről visszaverődő túlnyomás létrehozása a szívószelep-zárás előtt 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 41
Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Szakaszos szívócsőhossz, szívókeresztmetszet, vagy folyamatos szívócsőhossz változtatás Kétszakaszos szívócsőhossz változtatás 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 42
Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Négyszakaszos szívócsőhossz változtatás 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 43
Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Effektív szívókeresztmetszet változtatás 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 44
Változtatható paraméterű lengőcsőfeltöltés Folyamatos szívócsőhossz változtatás 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 45
Kapcsolt feltöltés Soros hathengeres motoroknál 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 46
Kapcsolt feltöltés Soros hathengeres Opel Dual Ram 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 47
Kapcsolt feltöltés Hathengeres V-motoroknál 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 48
Kapcsolt feltöltés Hathengeres boxermotornál Porsche Varioram 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 49
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 50
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 51
Légütemszelep 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 52
Légütemszelep működési elve 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 53
Légütemszelep 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 54
Szívórendszerek Alkalmaznak Szakaszos szívócsőhossz változtatást Szívókeresztmetszet változtatást Folyamatos szívócsőhossz változtatást A töltetcsere folyamat dinamikus tulajdonságainak javítására alkalmazzák a változó szelepvezérlést is 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 55
Töltetmozgások Keverékképzés szempontjából megkülönböztetünk külső- és belső keverékképzésű motorokat A hatékony keverékképzéshez fontos (különösen a belső keverékképzésű motorok esetében) a hengerben zajló töltetcseremozgás 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 56
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 57
Töltetmozgások Perdület (Drall) 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 58
Perdület kialakítása többszelepes motorokban 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 59
Tumble (-bukó) áramlás 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 60
Bukóáramlás kialakítása Tumble kialakulása a szívószelep nyitásának függvényében 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 61
Bukóáramlás kialakítása 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 62
Bukóáramlás kialakítása 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 63
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 64
Kipufogó rendszer elemei Leömlőcsonk: a motor hengereiből kiáramló kipufogógáz szűkítése egy, vagy két csővezetkbe Leömlőcsövek: a kipufogógázok tovább szűkítése 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 65
Kipufogó rendszer elemei Lambdaszonda: leömlőcsonk, vagy a csővezeték első méretébe csavarozva Flexibilis csőtag Katalizátor 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 66
Kipufogó rendszer elemei Fojtó- és hangtompító dobok Végdob Csatlakozó elemek 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 67
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 68
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 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 69
Rezonátor kipufogó (2 ütem) Részei: Leömlő Diffúzor Konfúzor Dob, vagy hangtompító Power szelep 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 70
Power szelep felépítése és működése Feladata: Kipufogó csatorna keresztmetszetének változtatása a fordulatszám függvényében 2016.05.12. Belsőégésű Motorok Tanszék - Dr. Hanula Barna 71