PŘEPLŇOVÁNÍ PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ

Transkript

1 PŘEPLŇOVÁNÍ PÍSOVÝCH SPALOVACÍCH MOORŮ (Beroun, S., Páv, K.: Vybrané statě z vozidlovýh salovaíh otorů 6.kaitola. Skrita FS U v Liberi, 3.) Účinnou estou ke zvyšování výkonů PSM je zvyšování středního efektivního tlaku oběhu e ooí řelňování. Současně se tí zravidla zvyšuje i elková účinnost otoru. Zvyšování e obeně zajišťuje vyšší zhodnoení ateriálu (konstrukčního ateriálu i aliva). Downsizing. Základní ožadavke, sojený s roblée zvyšování e, je dosažení vyššího hotnostního nalnění vále. Pro vznětové otory latí řibližné vztahy D, 5, 8 v Pe e Výhoda řelňovanýh otorů: ráe na výěnu obsahu vále se ůže zěnit na kladnou (u neřelňovanýh otorů je vždy záorná). Přelňování ooí D je založeno na využití energie výfukovýh lynů na výstuu z válů k rái v oběžné kole lynové turbíny: v turbíně se teelná energie výfukovýh lynů ění na ehanikou rái, která je využita ke stlačování atosférikého vzduhu v turbodyhadle. Stueň využití energie výfukovýh lynů závisí na konstruki výfukového systéu otoru a na elkové účinnosti D.

2 Přelňování: - ehaniky oháněný dyhadle - turbodyhadle na výfukové lyny (z energetikého hlediska nejvýhodnější a nejčastější) - tlakový výěníke Základní souvislosti význanýh araetrů řelňovanýh PSM ukazují následujíí vztahy: e P e L V vzd L V 36 e H u PL elk d V Z / M n M u elk L Základní definiční vztah ro doravní (lnií) účinnost řelňovaného otoru: d V Z M CN PV V V Z Z CN rv PV r v CN PV U řelňovanýh otorů s hlazení lniího vzduhu dohází s rostouí hlazení k oklesu d - je to dáno zvýšení t ezi telotou lniího vzduhu t PL a telotou stěn lniího otrubí, lniíh kanálů a stěn vále a salovaího rostoru. o ovše neá za následek okles e, neboť řevažuje vzrůst PL ři intenzivnější hlazení. d V PV CN PL d H Doravní účinnost d vyjadřuje vliv zbytkovýh lynů v čerstvé nálni vále a ohřev čerstvé nálně vále od stěn ve válové jednote: v režieh VOCH lze obvykle lze očítat s d,9,94. Zinnerův eiriký vztah ro vznětové řelňované otory s hlazení lniího vzduhu CN t PV

3 M Výočtový odhad otřebného lniího tlaku řelňovaného otoru ro stanovenou hodnotu e : Zážehový řelňovaný otor vzd / C / d vzd / al / vzd L V vzd / M al / L V V C / d M al / vzd al V V V M vzd M r vzd al / al l vzd P e M e i V Z / n V al H u elk M al / n i e Z / e Z l al / VZ / d / LV rvzd ral H u elk l H u elk l H e u l elk d H V L V u r elk vzd r al al r al l al benzin Hu = 43 MJ/kg LV =4,5 kg/kg r = 73 J/kgK!!! Pro naftový otor se úloha řeší ro lnění vále ouze vzduhe!!! LPG Hu = 46, MJ/kg LV = 5,6 kg/kg r = 68 J/kgK NG Hu = 49 MJ/kg LV = 6,9 kg/kg r = 56 J/kgK H Hu = MJ/kg LV = 34,78 kg/kg r = 457 J/kgK

4

5 Přelňování ulzační (iulzní) a rovnotlaké D CH Pulzační řelňování: se zahovaní tlakovýh a telotníh ulsů vznikajííh ři eriodiké výtoku lynů z jednotlivýh válů otoru a jejih řivedení až na lniího D. Konstruke výfukového systéu se vyznačuje: alý objee výfuk. otrubí - alý otrubí až k (i za enu určitýh ztrát) a krátká délka k (snížení ztrát) oddělenýi řívody od skuin válů s rozestue alesoň 4 KH ro 4-dobý otor axiálně 3 vále do jedné větve, aby se tyto ulsy navzáje neznehodnoovaly (8 KH ro dvoudobý otor). K rozdělené rozváděí skříni turbiny jsou řiojeny jeno ty vále, které se neohou vzájeně rušit ři výěně obsahu vále. VO v. Vstř ro 3 vále velká alituda ulsaí Vstř ro 6 válů alá alituda ulsaí

6 htt://

7 Rovnotlaký systé se řednostně ulatňuje v říadeh staionárníh otorů. Podínkou úsěšného oužití rovnotlakého systéu je vysoká účinnost turbiny. S klasiký rovnotlaký systée lze dosáhnout vůbe nejvyššíh účinností řelňovaného otoru. Výfukové lyny jsou do sběrného kolektoru vedeny krátký difuzorový nátrubke z výfukovýh kanálů hlavy válů: difuzory se tvarují s úhle rozevření a 8 (ax ) o elé déle. Rovnotlaký systé ívá obje sběrného otrubí vztažený ke zdvihu objeu vále: (,5) x V Z x očet řiojenýh válů. Rovnotlaké řelňování - využívá ředevší oteniální a teelnou energii výfukovýh lynů. Je ro ně tyiké velký obje výfukového otrubí se solečný vstue všeh válů s otlačení kitů ve sběrné otrubí. Kinetiká část energie výfukovýh lynů se v důsledku víření se ění na teelnou. D CH

8 Energetiká bilane agregátu lniího turbodyhadla Agregát lniího turbodyhadle a řelňovaný PSM jsou vzájeně roojeny terodynaikou vazbou. Základní vztahy ukazuje shéa a oisují následujíí rovnie: P D D w P D D v /v v D is / D w / v P D P Q od/ P v /v v D / is P v / D w is / D is / D v k v / D v / w is / / k,3, 4 is / is / D v / D is / D is / D D v / wis / D / v D is / / v / v D D v v v v w Otiální hodnoty účinností: is/d =,75 is/ =,75 =,96 D

9 Energetiká bilane agregátu lniího turbodyhadla / / / ztr v ztr q q i i e w / q v i i w / v q i i w / v q i i w Průtok turbínovou skříní: Průtok loatkovou říží OK: Průtok výfukovýh lynů turbínou: Rovnii lze zjednodušit ředoklade řibližné shody ryhlostí (to je zajištěno konstrukí turbíny). v v S L S R Obená bilanční rovnie teelného stroje (w a q v jsou ěrné veličiny ro kg raovní látky): / / / v v v q q i i w w Pro oložky e ztr/- a q ztr/- (ztráty nevratností) latí: / / ztzr e ztr q q v/- jsou ztráty tela řestue z výfukovýh lynů do těles turbínové skříně a OK Dostředivá turbína

10 Průtok výfukovýh lynů turbinou lze v určité rozsahu ovlivnit (ěnit) ooí konstrukčníh oatření ro regulai výkonu turbiny: hlavní sysle takovýh oatření je regulae stlačení turbodyhadla (regulae lniího tlaku) k dosažení otřebného růběhu oentové harakteristiky řelňovaného otoru: odouštění výfukovýh lynů řed turbinou (waste-gate) zěnou geoetrie v turbinové skříni: a) natáčení rozváděíh loatek b) zěnou šířky turbinové skříně v artii řítoku do OK ) oužití sěrové klaky v bezloatkové turbinové skříni Řešení regulae růtoku rozváděíi loatkai s roěnlivou geoetrií zajišťuje kroě regulae lniího tlaku i relativně vysokou izoentroikou účinnost radiální turbiny. urbinová skříň s evnou geoetrií B A R D Význaný konstrukční araetre dostředivé turbíny je oěr R/(D/) A R konst. D u w = r B sin konst. B konst. Pozn.: jako úhel se někdy označuje odhylka ryhlosti od radiálního sěru je roto otřeba věnovat ozornost jednotlivý shéatů a rovnií.

11 Regulae výkonu turbiny (lniího tlaku) řeouštění části výfukovýh lynů io oběžné kolo turbiny je ztrátová regulae a nevýhodou je i zvyšování tlaku a teloty výfukovýh lynů řed turbinou. Agregát lniího turbodyhadla je otializován ro otáčkový reži MtMAX, řeouštění části výfukovýh lynů je aktivováno ro režiy vyššíh otáček a zatížení. Zěna růtočnosti turbiny ooí roěnné geoetrie turbinové skříně zěna úhlu loatek r Nízké otáčky otoru Vysoké otáčky otoru r MtMAX PeMAX

12 Zěna růtočnosti turbiny ooí roěnné geoetrie turbinové skříně zěna šířky B B i B konst. Praovní oblasti turbiny s evnou geoetrií turbinové skříně jsou výsledke koroisu a oezují dosažitelné výkonové araetry otoru. Zěna šířky rozvaděče je zdánlivě jednodušší než natáčení loatek, ve skutečnosti je však sojena s elou řadou konstrukčníh těžkostí. Praovní oblasti turbiny s konete VG jsou otializovány ro režiy MtMAX i ro PeMAX. Sěrová klaka v bezloatkové turbinové skříni

13 Průtoková harakteristika PSM Pro 4dobý řelňovaný otor je odstatná část růtočného nožství vzduhu oděřována íste v růběhu lniího zdvihu. Průtok vzduhu řelňovaný otore na otáčkáh otoru a lnií tlaku oisují křivky hltnosti otoru. Od teoretiké lineární závislosti se skutečné růběhy odhylují účinke rolahování a zvyšování v s rostouí stuně stlačení lniího vzduhu. v V Z v r v n l rol s v 3. s v.8 r e rol v v rol [-] D D V D R E D [k g /s ] Praovní body v harakteristie dyhadla řelňovaného vznětového vozidlového otoru o V z =,6 d 3 (s hlazení lniího vzduhu) v elé rovozní oblasti otoru. Modrá čára sojuje body v režieh vnější otáčkové harakteristiky otoru.

14 Chlazení lniího vzduhu: hotnostní lnění válů řelňovaného otoru ovlivňují zejéna v a v. Účinek obou veličin je rotihůdný iořádný význa á roto hlazení lniího vzduhu. Systéů hlazení lniího vzduhu je několik, nejobvyklejší jsou zůsoby hlazení ooí výěníků tela., v enší íře se oužívá ohlazování vzduhu exanzí ve váli otoru nebo hlazení v exanzní turbině. Chladič lniího vzduhu, ChV ChV ChV P P CHL CHL v ChV v S v konst V,6 Re (ro t=5 C),, v D D v, v ChV D d vz v vz ChV ChV Re v,3w Chladiče lniího vzduhu jsou tyu vzduh-vzduh nebo vzduh-voda. zv. ezihladiče vzduh-vzduh jsou konstruovány s raktiky stejnou telosěnnou lohou na straně hladiího i lniího vzduhu. Měrný hladií ovrh (velikost telosěnné lohy v 3 hladiče) je 5-7 / 3. Účinnost hlazení bývá v rozsahu,75-,9. V ChV _ vz d vz K D t CHL v MCH / ln ( t vz D D D t v ChV ChV ( t ln ( t D v 8 ) ( t t t 6 v ChV ChV s t ) ) ChV )

15 rubky s vnitřní vložkou Chladií vzduh P CHL k č S č MZCH t t t t D v ChV ChV Oddělovaí (krajní) desky Pájeno: ojivo Kaliufluoraluinat Příklad: hladič lniího vzduhu k otoru VW,9 DI, ryhlost k/h (33 /s) čelní růřez Sč-MZCH =,85x,85=,35, hloubka,7 (VMZCH =,45 3 ) td = 4 C, tv = 5 C, v =,5 kg/s, PCHL=,5 x,5 x 9 = 3,5 kw tchv = 3 C, tchv = 53 C ChV = Sč-MZCH x vv x v x v =,58 kg/s odle zěřenýh hodnot jednotlivýh veličin vyhází ěrný (čelní) výkon MZCH ve velikosti kč = 7, kw/ K odhad telosěnné lohy na straně lniího vzduhu: SChl/v =,75 Plnií vzduh CHL D D v ChV ,8 ro uvedený reži a odhad lohy vyhází hodnota v = 47 W/ K výsledek lze ovažovat za reálný (ryhlost oývání telosěnné lohy je velká, vložky uvnitř trubek jsou uraveny k vyvolání vysoké turbulene)

16 Idealizovaný raovní oběh řelňovaného otoru s hlazení lniího vzduhu v -s diagrau 4 Chlazení lniího vzduhu exanzí ve váli: Millerův zůsob hlazení v -V diagrau 3 5 v A B Vzduh stlačený na oěrně vysoký lnií tlak rohází ezihladiče do vále otoru. Dalšího ohlazení ve váli se dosahuje tí, že lnií ventil se uzavře ještě řed DÚ, vzduh ve váli exanduje a klesá jeho telota. Výhodou řešení je lnění vále vysoký tlake (kladná ráe ístu) a sníží se koresní i salovaí tlak, ož je ro zvládnutí telotníh robléů i ehanikého naáhání říznivé. Zvyšuje se účinnost raovního oběhu (relativní rodloužení exanze). Celkově je však rovedení tohoto řešení konstrukčně kolikované. D D s D D skutečné stlačení v D D hlazení lniího vzduhu v MCH korese ve váli otoru (ideální) 3 4 síšený řívod tela 4 5 exanze ve váli otoru (ideální) 5 A zěna stavu ři výtoku výfukovýh lynů z vále A B ísení výfukovýh lynů s rolahovaí vzduhe B isoteriká zěna stavu ve výfukové otrubí ezi vále a turbinou (ředoklad: jedná se zejéna o škrení = konst.) skutečná exanze v turbině. D D SZ

17 Systéy dvoustuňového řelňování M Dvoustuňové dyhadlo je na solečné hřídeli s (shéa vravo). Proti jednostuňovéu stlačování se dosahuje írně vyššího stuně stlačení, ale za enu konstrukčně složitějšího (a tedy i dražšího) D. MCHH S M V MCHV S V D D MCHN DN DV V N S dvěa lniíi agregáty BD (shéa vravo) je ožno dosáhnout D > 5 a až 3 MPa. e Sladění ráe obou agregátů BD ro dosažení Celk/ot je tehniky náročné, rostou i ožadavky na zástavbu a ena. Realizuje se v říadeh dostatečného využití získaného výkonu a dosažení vyšší hosodárnosti rovozu. DV - dyhadlo turbodyhadla vysokotlakého (DV) V - turbina DV s iulsní rovoze DN- dyhadlo turbodyhadla nízkotlakého (DN) N - turbina DN s rovnotlaký rovoze. Mezi V a N se někdy do výfukového traktu instaluje vyrovnávaí nádoba. Do elkové energetiké bilane otoru se usí zahrnout i ráe otřebná na ohlazení vzduhu v ezihladiči (ventilátor, náorové hlazení aod.). Řešení zástavby dvou D a MCH je konstrukčně kolikované, ro eliinai zoalení náběhu lniího tlaku rozběhe dvou rotorů D je často nutná regulae řehodovýh režiů.

18 Základní návrh -stuňového řelňování: rozdělení elkového stlačení DC na DN a DV K dosažení vysoké účinnosti lniího agregátu turbodyhadla se usí do otializae zahrnout i turbínová strana a tí se skutečné otiální rozdělení stlačení zění. Dvoustuňové řelňování je konstrukčně kolikované. Mehaniké a terodynaiké vazby ezi lniíi agregáty a řelňovaný otore vyžadují seiální regulae elého systéu: - Regulae lniího tlaku (zejéna ro režiy na vnější otáčkové harakteristie otoru) - Regulae ro zajištění ryhlého náběhu lniího tlaku v řehodovýh režieh Nejjednodušší varianta dvoustuňového řelňování dvojií BD s regulaí ooí vysokotlakého OV (OV se v režieh VOCH ostuně otvírá od středníh otáček otoru). Dvoustuňové stlačování lniího vzduhu ro vozidlový vznětový řelňovaný otor s e =,8 MPa DV6 DN -s diagra ro vzduh (odle M. P. Vukaloviče) Sekvenční zaojení dvou BD s jední obtokový ventile. Dvojie BD je zaojena aralelně se sekvenční řeínání ooí dvou klaek jde o řeínání ezi enší a větší BD. oto usořádání uožňuje oužít ještě enší (M) a tí se zajistí ryhlý nárůst lniího tlaku od nejnižšíh otáček otoru.

19 Systé COMPREX tlakový výěník: k řelňování otoru se využívá energie výfukovýh lynů, která se řío ředává lniíu vzduhu v růhodné rotoru tlakového výěníku, res. v jeho jednotlivýh kooráh. Pohon rotoru je zajištěn od klikového hřídele otoru a á v odstatě ouze synhronizační funki. htt://iagineauto.files.wordress.o htt:// Dosahované výkonové araetry jsou srovnatelné s řelňování BD, systé však ryhleji reaguje na zěny rovozníh režiů, je však rozěrnější, ož kolikuje jeho zástavbu ve vozidle. Saliny vstuují do tlakového výěníku o tlaku značně vyšší než je tlak vzduhu v jednotlivýh kanálíh a vzduh z kanálků je roto vytlačován do lniího otrubí otoru. Protože se rotor výěníku ootáčí a rotilehlé kone kanálků se střídavě dostávají roti otvorů řiojenýh řírub a roti evný čelní stěná tělesa tlakového výěníku, neroházejí saliny elý rotore, ale vraí o odrazu tlakové vlny na čelní stěně zět stejný kanálke k otvoru říruby výfukového otrubí, řičež se z druhé strany současně kanálek lní čerstvý vzduhe. htt://

20 Přelňované vznětové otory s výkonovou turbínou turbokooudní otory Výfukové lyny na výstuu z hnaí turbíny lniího agregátu ají stále vysoký energetiký obsah (vstuní telota do a 7 C, výstuní z a 58 C) Za lniího BD je do výfukového systéu uístěna další radiální : ehaniká ráe je řes víestuňovou lanetovou řevodovku, hydrodynaikou sojku a další ehaniké řevody řivedena na klikový hřídel otoru (otáčky výkonové jsou a 55 /in). elota výfukovýh lynů se o růtoku výkonovou (exanzí v ) sníží od 5 C: výkonová turbína zvyšuje efektivní výkon otoru a její řiojení ke KH snižuje nerovnoěrnost jeho úhlové ryhlosti. Vozidlový otor SCANIA s V z = d 3 dosahuje v rozsahu otáček otoru n = 5-35 /in hodnoty e =,3 MPa: ři v =,6 kg/s, telotní sádu na ve velikosti a C a elkové účinnosti ( td a ) a,5 bude na KH výkonová dodávat výkon a 3 kw (ři n = /in je elkový výkon otoru P e = 76 kw, tj. výkonová se na elkové výkonu otoru odílí až %).

21 Přelňování zážehovýh otorů Cíle řelňování ZM je ředevší zvýšení výkonu otoru (ale i zlešení hosodárnosti rovozu a snižování obsahu škodlivin ve výfukovýh lyneh). Zvyšování výkonu, res. středního efektivního tlaku, je oezováno rizike kleání (detonačního salování). Nejrozšířenější varianta vozidlového zážehového otoru řelňovaného turbodyhadle. Vnější otáčková harakteristika řelňovaného zážehového otoru ŠA (VW), SI 77 kw s říý vstřike aliva ( = ). Konstruke otoru využívá integrálníh odulů výfukového otrubí s turbínovou skříní a lniího otrubí s hladiče vzduh-voda. Přel. ZM (benzinovýh, lynovýh) vyžaduje: Vysokou odolnost aliva roti kleání (OČ, MN) vyhovuje BA+etanol (ří. se.řísady), LPG, CNG Účinné hlazení lniího vzduhu Obohaování sěsi u benzinovýh otorů Aktivní regulai ředstihu zážehu a regulai lniího tlaku Otializai salovaího rostoru, tvoření sěsi a zůsobu zážehu (vrstvená sěs) Plnií tlaky u běžnýh řelňovanýh ZM zravidla neřekračují kpa Výhodné jsou vyšší otáčky otoru

22 Dvoustuňové řelňování twinharger řešení VW ro sortovní verzi otoru. Vývoj tohoto systéu je zaěřen na variabilní řevod ezi otore a objeový dyhadle (vč. ehaniké vyínaí sojky v náhonu objeového dyhadla). Zdroj: ČVU-Navrátil Dvoustuňové řelňování s elektriky oháněný objeový dyhadle. Výhodou systéu je výrazné zlešení v řehodovýh režieh otoru a ožnost otializae elektroniký řízení.