Vým na nápln válce PSM

Transkript

1 KATEDRA VOZIDEL A MOTOR Výna nápln válce PM #7/4 Karel Páv

2 Výna nápln válce u 4-dobých otor / HÚ VZ 8 O h [] 6 4 Z DÚ VO 9 8 DÚ 7 HÚ DÚ [ KH] Oblast výny nápln válce. Zptný tok pi kopresi Zptný tok pi pekrytí ventil d/dt [kg/s] T [K] p [bar]. 5 Volný výf. Nucený výfuk Krit. Podkritický výtok 35 7 T V 5 p [ KH] [ ]

3 Ventilové rozvody 4-dobých otor Cíle je zajištní co nejdokonalejší výny nápln válce 3 / F OHV V OHC Overhead Valve ide Valve DOHC Flat Head Šoupátkové rotaní rozvody: ploché, válcové Desodroické rozvody i volb typu rozvodu jsou rozhodujícíi faktory: innost vypláchnutí spalovacího prostoru Maxiální otáky otoru Požadovaný kopresní por ložitost konstrukce Cena Overhead Cashaft

4 Ventilové rozvody 4-dobých otor 4 / Poloha a poet ventil v hlav válc: Cíle je dosažení axiální efektivní prtoné plochy ventil (s ohlede na rozvíení) Uspoádání ventil ovlivuje polohu zapalovací svíky, resp. vstikovae Liitující faktore bývá dosažení požadovaného kopresního poru V V V V V sání Obvyklý por ploch ventil:,, 5 Typická uspoádání: výfuk Vzntové otory Zážehové otory techovitý spalovací prostor uožuje zvtšit prry ventil

5 Základní pohyby nápln válce 5 / Vtokový proud (álo stabilní) Tená rotace (wirl) ná rotace (Tuble) Radiální vír (quish) Radiální vír i silné swirlu Koutový vír

6 Výna nápln válce u 4-dobých otor 6 / Proplachování: kopresní prostor je proplachován vzduche pi pekrytí ventil. u peplovaných otor, zvlášt poalobžných u otor s dynaicky ladný potrubí závisí na geoetrické uspoádání ventil a kanál - Prochlazení spalovacího prostoru - Odstranní zbytkových plyn - Vyšší naplnní válce vzduche, resp. erstvou ssí - U zážehových otor pi = negativní dopad na funkci 3-cestného katalyzátoru ouinitel propláchnutí: pr Dopravní (plnící) úinnost: pr d vzd / ss. ventil vzd / sválec V zdvihový nebo celkový obje otoru vzd hustota vzduchu, resp. ssi v okolí nebo v plnící potrubí otoru n vzd / sválec vzd / steor V vzd / sválec vzd / s p pr e (alternativn lze poítat s hotnostní prtoke vzduchu nebo ssi), u otor s proplachování nelze vycházet ze zeného prtoku v sání V c V U peplovaných otor dochází s rostoucí chlazení plnícího vzduchu k poklesu d - je to dáno zvtšení teplotního spádu ezi stnai plnících kanál a stlaený vzduche. Výsledné p e je však vyšší, protože pevažuje doinantní vliv vyšší vzd i intenzivnjší chlazení vzduchu. pr d,85,5 z

7 ložení nápln válce 7 / Hotnost nápln ve válci: v vzd pal zb EGR BB ouinitel zbytkových plyn (spalin): Pro Odhad T zb T spal c pzb = c ps zb - Zbytkové plyny zenšují naplnní válce vzduche, resp. ssí. - Množství zbytkových plyn roste u ZM s poklese zatížení (s klesající tlake v sací potrubí). - U ZM á zvýšený obsah zb. plyn pozitivní dopad na zenšení práce na výnu nápln válce, avšak negativní dopad na zážeh ssi a následný prh hoení (enší rychlost hoení). - Pítonost zbytkových plyn (spalin) vede k nižší produkci NO x (využití zvlášt u VM). tední souinitel pebytku vzduchu ve válci (z hlediska tvorby produkt spalování): vzd. s vzd neshoelý Zbytkové plyny Vnjší EGR Blow-by vzd shoelý pal shoelé L vvt Lokální souinitel pebytku vzduchu ve válci zb v zb, ibližný výpoet zb : zbc pzbt zb TZ sc pst Z Ts zbtzb s zb T Z sts pr T Z s psv Z zb r Z T Pro ustálený stav otoru bez proplachování do výfuku:,5 pal. s pal neshoelé ph O pb techioetrické nožství vlhkého vzduchu: L ph pb - Má význa u nehoogenních ssí, zvlášt pi vrstvenné tvorb ssi. zb zb psv r Z Z s T s vzd. s pal. s M H O Lvvt vt O M svzd L vvt 8,kg/kol 8,96kg/kol

8 Výna nápln válce u 4-dobých otor 8 / Oblast výny nápln válce bývá význan ovlivnna pulsacei v sací i výfukové traktu: Vysokootákové otory (význanjší pulsace v sání se objevují od 5 in - ) eplované otory (pulsace hlavn ve výfuku, v sání nejsou pulsace žádoucí) Intenzita pulsací roste se zatížení otoru (s rostoucí hotnostní prtoke) 7 6 Plné zatížení Mean PEED rp 45 IMEP bar. 7 6 Nízké zatížení Mean PEED rp IMEP bar p [bar] 3 p [bar] Crank Angle [deg] Crank Angle [deg] p [bar] p [bar] Crank Angle [deg] Crank Angle [deg]

9 Výna nápln válce u 4-dobých otor 9 / Zptný tok pes ventily lze oekávat: U otor s rovnotlaký peplování pi p výf >p pl V ástené zatížení zážehových otor V poátku koprese pi nízkých otákách otoru U otor s dynaicky ladný potrubí U víceválcových otor s krátký výfukový potrubí U víceválcových otor je nutné poítat se vzájený ovlivnní jak na stran sání, tak i na stran výfuku. Protiopatení: Dlouhá výfuková potrubí u atosférických otor Vytváení výfukových sekcí u víceválcových otor Použití Twincroll uspoádání na vstupu do rozvádcího kola turbíny u peplovaných otor Použití nie pulsací p výfuk PEXH [bar] p PCYL v [bar] [kg/s] Výfuk in -, 5bar ání Zptný tok ventile Úhel [ KH] 3 4 Zdvihové kivky výfuku 4.v - VO Crank Angle [8] Úhel [ KH] h []

10 Výna nápln válce u 4-dobých otor pi nízké zatížení / U zážehových otor s kvantitativní regulací je snahou zenšit práci na výnu nápln válce pi nízké zatížení otoru Deaktivace válc Early Inlet Valve Close EIVC (Millerv cyklus) Late Inlet Valve Close LIVC (Atkinsonv cyklus) PCYL [bar] in - bar PCYL [bar],,6,,8,4, EIVC,,,4,6,8, Rel. Volue [-],,,4,6,8, Rel. Volue [-] Zdvih ventilu [] V LIVC EIVC Úhel klikového hídele [ KH] Výhody EIVC asování oproti LIVC: Nedochází ke zptnéu výtoku erstvé ssi (én koplikované pechodové stavy otoru) erstvá ss se díky expanzi více ohívá od stn válce, takže je áste kopenzován negativní vliv nízké kopresní teploty

11 Výna nápln válce u 4-dobých otor pi plné zatížení / Naplnní válce u nepeplovaných otor význan závisí na vzájené sladní asování s geoetrií sacího potrubí M [N] 6 P [kw] h [] [ KH] n [/in] V 5 5 Rychlost šíení tlakové vlny v trubce konst. prezu: c w a dw + Dopedná vlna Zptná vlna da dp a Moderní otory si vynucují použití pronného asování Alternativou (nebo rozšíení) bývá pronná délka sacího potrubí

12 Výna nápln válce u plynových otor / Urující paraetre z hlediska dosažitelné práce otoru je nožství zachyceného vzduchu (kyslíku) ve válci otoru. U plynových otor s vnjší tvorbou ssi dochází ke snížení obsahu vzduchu v náplni válce. zbytek spalin pali vo-benzin zbytek spalin palivo-plyn Odhad snížení p est i pechodu na plynné palivo (pedpoklad stejných úinností, =): p p est Plyn est Benzin L vt Benzin r vzd r Benzin LvtPlyn rvzd rplyn H ubenzin TZ Plyn H uplyn T Z Benzin erstvý vzduch erstvý vzduch L vt [kg/kg] r [J/kgK] H u [MJ/kg] p est Plyn/Benzin [-] Benzín 4, ,4 - LPG 5, ,,93 CNG 6,9 5 49,,86 H 34, 44,8 T Z Benzin T Z Plyn

13 Ventilové rozvody -dobých otor 3 / Na výnu nápln válce je oproti 4-dobý otor énasu. Ventilové rozvody Šoupátkové rotaní rozvody: ploché, válcové Rozvod píste, výfuková pívra yetrický rozvod (rozvod píste) Asyetrický rozvod yetrický rozvod Asyetrický rozvod Proplachovací kanály Výfukové kanály V P Jazýkové zptné ventily: DÚ DÚ edbžný výfuk Výplach a plnní Únik nebo doplnní edbžný výfuk Výplach a plnní Doplnní i výplachu usí být zajištn tlakový spád na plnících kanálech. eplování turbodychadle nebo kopresore tlaení vzduchu (ssi) v klikové skíni otoru Kobinace obou pípad Vnitní tvorba ssi je perspektivnjší Nižší spoteba paliva a eise C x H y

14 Vyplachování -dobých otor 4 /. Vyplachování Vyplachovaci ucinnost c [-] Vyplachovaci poer [-] Vyplachování: né Vratné ouproudé píklady stlaování a plnní erstvé ssi

15 Vyplachovací souinitele u -dobých otor 5 / Vyplachovací por (Delivery ratio): vzd / ss. ventil válec vzd / ss. ventil vzd / steor vzd / V ss. ventil vzd / s n Zachycovací úinnost (Trapping efficiency): Tr vzd / sválec vzd / ss. ventil (pro experientální úely) Vyplachovací úinnost (cavenging efficiency): c vzd / sválec Tr válec Plnící úinnost (Charging efficiency): Ch vzd / sválec Tr vzd / steor c, Tr [-] i úplné íšení erstvé ssi a zbytkových spalin: Tr c c Tr e e [-]

16 Výna nápln válce u -dobých otor 6 / Využití ladného výfukového potrubí 3.5 n = 7 in - Plné zatížení Válec PO VZ p [bar].5 PZ Výfuk.5 Kliková sk VO Zptný tok výfuke do válce se vrací uniklá ss ) po VO paliny Úhel kliky [ KH] Válec.5 PO ) po DÚ s paliny p [bar].5 Kliková sk VZ PZ 3) ped VZ s paliny Rel. obje [-]

17 Vnjší tvorba ssi 7 / Zážehové otory s hoogenní ssí HCCI otory Vzntové dvoupalivové otory Realizace: Karburátory (strhávání paliva v difuzoru) šovae pro plynná paliva Jednobodové vstikování Vícebodové vstikování (obvykle sekvenní vstik) Charakteristika procesu vstikování paliva: Vstikovací tlaky, MPa Založeno na koncepci Coon Rail Poátek vstikování obvykle ješt ped otevení sacího ventilu Po vstiknutí paliva dochází k rozpadu paprsku tvorba kapek Palivo se odpauje v proudu vzduchu (objeová tvorba ssi) i na stnách sacích kanál a na sacích ventilech (povrchová - filová tvorba ssi) Odpaování paliva se ochlazují stny a tvoící se ss Palivový fil na stnách iní potíže pi pechodových režiech otoru Odpaování probíhá i ve válci otoru Kapalné palivo by se nelo dostávat na stny válce kvli naední olejového filu K hoogenizaci ssi výrazn napoáhá rozvíení nápln válce Na okažiku paliva vstiku píliš nezáleží Vstikovací trysky urené pro: Vstik do jednoho kanálu (ventilu) Vstik do dvou kanál (4-ventilová hlava)

18 Rozpad paprsku paliva 8 / w k p inj k p Priární rozpad paprsku Rayleigh-Taylorova nestabilita (Ø kapek Ø otvoru) vzd Odpaování, konvekce, difúze, penos hybnosti rážky a sluování kapek (rzné rychlosti kapek, zpoalování ela, odraz) Kavitace, tvorba parních bublin, narušení proudu auterv stední prr kapek: Ekvivalentní prr kapky, který á stejný por V/ jako pvodní ss kapek. d 3 d d Možnosti lepšího rozprášení paliva: 3 i i d3 5 5 Vyšší vstikovací tlak (rychlost) Menší prr trysek Mezikruhové ústí trysky Kitající jehla v ústí trysky Vefukování lhy palivo-vzduch (pro stlaení vzduchu do zásobníku s elg. ventile lze využít závrenou ást kopresního zdvihu pedchozího cyklu) ekundární rozpad kapek Kelvin-Helhotzova nestabilita (kapky o ád enší velikosti) Weberovo íslo: vzd wk D (por vnjších a We vnitních sil na kapce) k k k D Laplaceovo íslo: La (por sil povrchové napjatosti k k silá vnitního tení v kapce) Rozpad paprsku paliva: Rostoucí Re Klesající La otvor otvor Reynoldsovo íslo: (por setrvaných a vnitních tecích sil) (povrchové naptí pro naftu k =,5 N/) (dynaická viskozita pro naftu k = (,6 3,8) -3 Pas) Poátení fáze vstikování benzínu: Nízkotlaký vstik Re Vefuk lhy palivo-vzduch k wk D k otvor Vysokotlaký swirl vstik

19 Vnitní tvorba ssi 9 / Zážehové otory s heterogenní (vrstvenou) i hoogenní ssí HCCI otory Vzntové otory Zážehové otory: Vstikovací tlaky 5 3 MPa Založeno na koncepci Coon Rail Tvorba hoogenní nebo vrstvené ssi s využití vnitního proudní, tvaru pístu nebo korky (výsledná ízen tvoená ss je chudá, u svíky bohatá) Výhodou je vyšší ochlazení nápln válce (vyšší odolnost proti klepání) a lépe zvládnutelné pechodové stavy Kapalné palivo by se nelo dostávat na stny válce kvli naední olejového filu Pro konec vstiku je typický špatný rozpad paprsku (velké kapky jsou zdroje pro tvorbu sazí) Vzntové otory: Vstikovací tlaky až 5 MPa Realizace: echanicko-hydraulické systéy (pístek-potrubí-tryska, sdružená vstikovací jednotka) nebo akuulaní systéy (Coon Rail) íý nebo nepíý (korkový) vstik Eliinace dopadu paliva na stnu válce je zajištna tvare spalovacího prostoru v pístu Rychlý rozpad paprsku paliva u píovstikových otor vede k rychlejší torb ssi (nižší kouivost) a ke zkrácení prtahu vznícení (nižší eise NO x ) Energie podporující tvorbu ssi: Kinetická energie vlastního vstiku paliva Rozvíení nápln válce (zesilující swirl a squish pi kopresi) Priární hoení v korce Teplá stna (M-zpsob, terický povrchový zpsob tvoení ssi, vysoké eise i spoteba studeného otoru) wirl + quish quish wirl > <

20 Regulace výkonu otoru / Kvalitativní regulace (vzntové nepeplované otory) Kvantitativní regulace (zážehové otory) Kvalitativní regulace T ax = f (p e ) 9 8 Palivo 7 Vzduch 6 = = Vzduch p [bar] % % p e % % % p e % p i p i Crank Angle [deg] íšená regulace (plynové otory) íšená regulace (peplované vzntové otory, dvoupalivové plynové otory) 5 Kvantitativní regulace T ax konst Palivo Vzduch Palivo Vzduch p [bar] = = 5 % % p e % % % p e % 5 p i p i Crank Angle [deg]