Belsőégésű motorok BMW Valvetronic
Gas engine (atmospheric) (1855) Alfred Drake
HOW THE ATMOSPHERIC ENGINE WORKS Admission mixture flame Expansion Exhaust exhaust Dr. Jorge Martins
4-stroke engine (1876) Nicolaus Otto Dr. Jorge Martins
HOW THE 4-STROKE ENGINE WORKS Admission mixture Compression Expansion Exhaust exhaust
First car (1885) Daimler
Dugattyús belsőégésű motorok alapvető elnevezései és jelölései
Wankel-motor műkődése
A motorok kialakítása a motor működési elve a friss töltet (levegő vagy keverék) hengerbe jutása a tüzelőanyag jellege a keverékképzés helye az égéstér kialakítása gyújtás jellege A konstrukció szempontjából lényeges: a hengerek elrendezése a gázcserefolyamat vezérlése a motor hűtése
OTTO CYCLE 1-2 p 4 2-3 3-4 4-5 3 5 5-6 6-1 1 2 6 V
DIESEL CYCLE 1-2 2-3 p 3 4 3-4 4-5 5 5-6 6-1 1 2 6 V
A hengertérben kialakuló nyomás a főtengelyfok és a térfogat függvényében
2 D π pi * s 4 Pi = * z * n = i *1000 2 p i * VL * z * i *1000 2 n [kw] ahol: p i [N/m 2 ] - indikált középnyomás» D [m] - hengerátmérő» s [m] - löket z [-] - hengerszám n [1/sec] - fordulat i [-] - működések száma
A motor másik alapvető jellemzője a tüzelőanyag fogyasztása, ami a munkafolyamat fenntartására fordított tüzelőanyag tömeg- vagy térfogatáramával illetve a bejuttatott hő-árammal jellemezhető. Mivel ezen értékek alapvetően függenek a motor teljesítményétől, ezért a P [kw] teljesítményre vonatkoztatott B [g/h] a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás használata terjedt el. b = B& P
A motorok összehasonlítása céljából további jellemzők alakultak ki: 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 összlökettérfogatra vonatkoztatva [kg/kw] ill. [kg/l].
Dugattyú középsebessége az a képzeletbeli sebesség, amellyel a dugattyú ugyanolyan utat tesz meg, mint változó sebesség mellett. ahol: s [m] - löket n [1/sec] - fordulat c = 2* s * n Töltési fok (λ t ): a hengerbe bejutott valóságos friss töltet tömegének viszonya az elméleti friss töltet tömegéhez. λt Az elméleti friss töltet: m = = m m elm VL valós elm * ρ lev
Elméleti (szaggatott vonal) és valós indikátordiagram (folyamatos vonal)
A motorok hengerterében elégetett tüzelőanyag kémiai energiája (Q be bevezetett hőenergia) a fellépő veszteségek miatt nem alakítható át teljes egészében a motor tengelyén hasznosítható L e effektív munkává. A bevezetett hőenergia: Effektív munka: Q L be A motor veszteségeit három fő csoportba soroljuk: alapvető veszteségek = dt * Hi motorikus veszteségek mechanikai veszteségek e = Q be *10 3 Veszteségek
Az alapvető veszteséget a termikus hatásfokkal jellemezzük: ηt = Qbe Qel L0 Q be = Q Q be = Qbe1 + Qbe2 be A termikus hatásfok elsősorban a kompresszió nagyságától V L +Vc ( ε = ) függ és csak kisebb mértékben egyéb Vc paraméterektől (légfelesleg, κ, állandó térfogaton és állandó nyomáson bevezetett hőenergia aránya).
A termikus hatásfok változása a kompresszió függvényében.
Elméleti (szaggatott vonal) és valós indikátordiagram (folyamatos vonal)
A motorikus belső veszteségek a következő fő okokra vezethetők vissza: hőleadás a falak felé tökéletlen égés véges égési sebesség töltéscsere veszteségek
A motorikus belső veszteségeket a jósági fok jellemzi: ηj 0 L0 Az indikált hatásfok pedig: = Li L = L + L ηi = L Q i be
Elméleti (szaggatott vonal) és valós indikátordiagram (folyamatos vonal)
A mechanikai veszteségek egyrészt a mozgó alkatrészek súrlódási veszteségeiből, másrészt a segédberendezések (olajszivattyú, vízszivattyú, hűtőventilátor, adagolószivattyú, gyújtóberendezés, stb.) hajtásához szükséges energiából tevődik össze. A mechanikai veszteségeket a mechanikai hatásfokkal jellemezhetők: η m = A motor tengelyén kinyerhető munkát pedig az effektív hatásfok fejezi ki: L L e 0 i e η e = = * * = ηt * ηj * be be 0 i Q Q L L L L e i L L ηm
Belsőégésű motorok szabályzásakeverék képzés
Diesel-motor mennyiségi szabályozása (- teljes dózis, --- csökkentett dózis)
Ottó motor fojtásos szabályozása (- fojtás nélkül, --- fojtással)
Ottó-motorok
Ottó motor fojtásos szabályozása (- fojtás nélkül, --- fojtással)
A fajlagos fogyasztás, és az effektív középnyomás a légfelesleg függvényében
Az elemi karburátor felépítése
A V en tu ri-csö v ö n k eresztü l h alad ó lev eg õ tö m eg áram : m C A p p p κ DT T o T a = 1 RT o o 1 2κ κ 1 ( ) p p ah o l C D T a to ro k szû k ítési tén y ezõ je és A T a to ro k terü lete, eg y szerû b b alak b an : T o κ 1 κ [2. 1 ] m a = C DT A T 2 ρ a p a Φ ah o l: [2. 2 ] p = p p a 0 Φ = T κ 1 κ 2 κ p T p 0 p T p 1 p T p 0 0 κ + 1 κ [2. 3 ] [2. 4 ] a tü zelõ an y ag tö m eg áram a: m f = C D O A o 2 ρ f p f [2. 5 ] ah o l C D O a fu rat szû k ítési tén y ezõ je és A O a fu rat terü lete, és p p gh f = a ρ f In n en a lég felesleg tén y ezõ : m a λ Φ = m = L L f 0 0 ah o l L 0 b en zin = 1 4,7 C C D T D O A A T O ρ a ρ f p p a ρ 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
Befecskendező típusok Multi-Point Inj. (MPI) Single-Point Inj. (SPI)
Bosch L-Jetornic rendszer benzinbefecskendező rendszer
MPI (Ford)
Monotronic benzinbefecskendező rendszer
Egy mérési pontban végzett optimum keresés eredményei előgyújtási idő (ms) 1500rpm, 100% nyomaték(nm) 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 52 52 50 50 49 47 47 45 57 57 57 57 56 55 55 54 61 61 61 61 60 59 59 63 64 63 63 63 62 61 64 65 64 64 64 63 62 65 65 65 65 64 63 62 65 65 65 64 63 63 62 61 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 befecskendezési idő (ms) 64 65 64 64 63 62 61 60 előgyújtási idő (ms) 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 1500rpm, 100% CO(V/V%) 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.6 0.5 0.5 0.5 0.4 0.6 0.4 1.3 1.2 1.3 1.3 1.3 1.3 1.2 1.7 1.7 1.7 1.7 1.6 1.7 1.6 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.1 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési idő (ms) 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 előgyújtási idő (ms) 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 1500rpm, 100% NO(ppm) 3200 2600 1800 1570 1270 1070 850 740 4180 4040 3890 3680 3470 3270 3070 2890 4210 4180 4070 3940 3770 3600 3460 3880 3880 3800 3700 3630 3520 3430 3150 3120 3050 3000 2990 2850 2860 2170 2270 2170 2160 2040 1970 1840 1520 1500 1580 1480 1480 1430 1300 1160 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési idő (ms) 645 660 705 650 690 740 755 750 előgyújtási idő (ms) 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 1500rpm, 100% T ki(fok C) 544.0 550.0 564.0 572.0 578.0 587.0 596.0 605.0 562.0 570.0 575.0 582.0 588.0 593.0 599.0 602.0 586.0 594.0 602.0 609.0 616.0 622.0 627.0 599.0 608.0 614.0 621.0 628.0 634.0 637.0 600.0 606.0 616.0 622.0 629.0 634.0 639.0 595.0 601.0 610.0 616.0 624.0 630.0 636.0 580.0 584.0 591.0 599.0 604.0 614.0 622.0 628.0 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési idő (ms) 562.0 571.0 576.0 584.0 590.0 598.0 605.0 613.0 1500rpm, 100% fajlagos fogy. (100ms/Nm) előgyújtási idő (ms) 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 5.4 5.4 5.6 5.6 5.7 5.9 6.0 6.2 5.3 5.2 5.3 5.3 5.4 5.4 5.5 5.6 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.4 5.5 5.4 5.4 5.4 5.4 5.4 5.5 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.7 5.8 5.9 5.8 5.9 5.9 6.0 6.0 6.1 6.2 6.2 6.2 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési idő (ms) 6.5 6.5 6.6 6.6 6.7 6.7 6.9 7.0
Bosch direkt befecskendező rendszer működése
FSI (GDI) Engines mixtures
FSI (GDI) Engines Piston Wall control type
FSI (GDI) Engines Piston Wall control type FORD
7,5 KHz p [bar] 13,25 KHz p [bar] 950 Frekvencia [Hz] 52100 Kopogásos égés nyomáslefutása és a nyomás lengés frekvenciája. (a spektrumon megfigyelhető 13 KHz körüli rezgés a nyomásmérő sajátfrekvenciájából adódik!)
Kopogásos égés okai: a.) Kompresszió viszony helyes megválasztása. Ilyenkor nem éri el a nyomás szint, illetve az ezzel arányos kompresszió véghőmérséklet a kritikus szintet. Viszont a kompresszió viszony csökkentésével csökken a hatásfok is. b.) Gyertya helyes elhelyezése. Amennyiben az égés a melegebb keveréktől a hidegebb felé halad a kopogási hajlam csökken. c.) Égéstér helyes kialakítása, közeg hűtése. Ha az égéstérnek abban a részében, amit lángfront az égés végén ér el, alacsonyabb a hőmérsékletet valósítunk meg, szintén csökken a kopogási hajlam. d.) Előgyújtási szög helyes megválasztása. Nagy előgyújtás esetén a kompresszió és az égés együttes hatására igen nagy nyomásemelkedés jön létre a hengerben, így a kopogás valószínűsége rohamosan nő. e.) Légfelesleg tényező megválasztása. A lángterjedés sebessége λ=0,9 körül a legnagyobb, itt a legnagyobb a nyomásemelkedés, ennek hatására a kopogási hajlam is. f.) Tüzelőanyag kopogási hajlama.
Öngyulladás Öngyulladásról akkor beszélünk, ha az égés nem a gyújtószikra hatására indul meg, hanem egy olyan helyről, amely hőmérséklete eléri a keverék gyújtási hőmérsékletét és jó hőátadás lehetséges a keverék irányába. Ilyen helyek abban az esetben jönnek létre, ha égéstér hűtése romlik, illetve az égéstérben tökéletlen égés miatt lerakódások keletkeznek (koksz, korom). Az öngyulladás hatására az égési folyamat kezelhetősége megszűnik, az égés már a gyújtás előtt megkezdődik, ami jelentős hatásfokromláshoz vezet. Egyes esetekben a gyújtás megszüntetése után is tovább üzemel a motor.
Diesel-motorok
A termikus hatásfok változása a kompresszió függvényében.
Diesel-motor mennyiségi szabályozása (- teljes dózis, --- csökkentett dózis)
Diesel-motorok keverékképzése alapvetõen meghatározza az égési folyamat lefolyását. Diesel-motoroknál az égést nem egy külsõ energiaforrás segítségével indítjuk el, hanem a kompresszió során felmelegedõ közeg (levegõ) párologtatja el és gyújtja meg a levegõtüzelõanyag keveréket. Mind a tüzelõanyag elpárologtatásához, mind annak keverékképzéséhez és égéséhez az Ottó-motorokhoz képest igen jelentõs idõre van szükség. A fenti folyamat jól kezelhetõsége megkívánja, hogy a tüzelõanyagot csak akkor juttassuk a tüzelõtérbe, amikor annak égése kívánatos ezért ezek belsõ keverékképzéses rendszerek.
Direct befecskendezés
A Diesel motorok égési folyamatát általában két részre osztjuk. Az égés kezdetén az égési késedelem miatt felhalmozódott tüzelõanyag a nagy légfelesleg mellett gyors, jól elõkevert égése zajlik le. Ezt a szakaszt nevezzük kinetikus-, vagy elõégésnek. A második szakasz a diffúz- vagy fõégés. Ebben a szakaszban a porlasztóból kilépõ tüzelõanyag keresztül halad a már elégett keveréken ott a párolgási folyamat lezajlik, majd ebbõl a térfogatból kikerülve keveredik a levegõvel. Ebben a szakaszban az égés lényegesen lassabb. Minél nagyobb a gyulladási késedelem annál több tüzelõanyag jut az égéstérbe az égés kezdete előtt. Így amikor beindul az égés nagymértékû hõfelszabadulást áll elő, minek következménye kemény égési zaj, ami mechanikai túlterhelést eredményezhet. Mint az a fentiekből következik a befecskendezés idõbeli lefolyása jelentõsen befolyásolja az égési folyamatot, a motor működését.
Állandó löketû adagoló szivattyú elrendezése és működése
BOSCH VE típusú elosztórendszerû adagoló szivattyú
Common Rail rendszer
Szabályozócsapos és lyukporlasztó
Előkamrás égéstér
Örvénykamrás égéstér
Hártyás keverékképzés
Közvetlen befecskendezés, különböző égéstér kialakítással
Feltöltési eljárások A motor hengerterébe jutó levegő mennyiségét a töltési fokkal jellemezzük. A töltési fok növelésére, azaz a feltöltésre a következő eljárások lehetségesek: feltöltés a motortól független hajtással mechanikus feltöltés a motortól függő hajtással kipufogógáz-turbinás feltöltés (turbótöltés) feltöltés nyomáshullámokkal
Mechanikus feltöltés (Roots fúvó)
Turbótöltés
Turbótöltéses motor elvi elrendezése
Turbótöltéses motor elvi elrendezése
Napier-Nomad Diesel-kompaund m
Nyomáshullámmal történő feltöltés Négyütemű motor jó hengertöltése akkor érhető el, ha: a kiömlő szelep nyitási szakaszának a vége felé a hengerben kicsi nyomás uralkodik, hogy lehetőleg kevés maradék gáz maradjon vissza, és jó legyen az öblítés a szívószelep zárásakor a hengerben nagy nyomás található, hogy a töltet minél nagyobb legyen. A vezetékhosszak és keresztmetszetek összehangolásával az előző feltételek teljesíthetők. Összehangolás csak szűk fordulatszámtartományban lehetséges, mert a gázoszlopok sajátfrekvenciája a vezetékhosszaktól függ. Ha a sajátfrekvenciákat a motor különböző fordulatszámaihoz akarjuk illeszteni, akkor a vezetékhosszakat a motor fordulatszáma függvényében változtatni kell.
Akusztikus feltöltés
Motorokban keletkező főbb káros anyagok A motorokban lejátszódó égés során a következő káros anyagok keletkeznek: szén-monoxid (CO) nitrogén-oxidok (NO x ) szénhidrogének (C x H y ) részecskék (korom)
A káros anyagok emissziója a légfelesleg függvényében
Az előgyújtás és előbefecskendezés hatása a károsanyag emisszió egyes komponenseire és a fajlagos fogyasztásra
Emissziócsökkentő eljárások Az emisszió értéke csökkenthető: a motor előtt tüzelőanyag magában a motorban és konstrukció EGR légfelesleg a motor után (szekunder eljárások) 3 utas katalizátor oxidációs katalizátor