Výměna náplně válce PSM

Transkript

1 KATEDRA OZIDEL A MOTORŮ ýěna náplně válce PSM #7/4 Karel Páv

2 S [ ] T [K] p [bar] d/dt [kg/s] ýěna náplně válce u 4-dobých otorů / HÚ Z 8 SO h [] 6 4 SZ DÚ O 9 8 DÚ 7 HÚ DÚ j [ KH] Oblast výěny náplně válce. Zpětný tok při kopresi Zpětný tok při překrytí ventilů olný výf. Nucený výfuk Krit. Podkritický výtok 35 7 T S p j [ KH]

3 entilové rozvody 4-dobých otorů Cíle je zajištění co nejdokonalejší výěny náplně válce 3 / F OH S OHC Overhead alve Side alve DOHC Flat Head Šoupátkové rotační rozvody: ploché, válcové Desodroické rozvody Při volbě typu rozvodu jsou rozhodujícíi faktory: Účinnost vypláchnutí spalovacího prostoru Maxiální otáčky otoru Požadovaný kopresní poěr Složitost konstrukce Cena Overhead Cashaft

4 entilové rozvody 4-dobých otorů 4 / Poloha a počet ventilů v hlavě válců: Cíle je dosažení axiální efektivní průtočné plochy ventilů (s ohlede na rozvíření) Uspořádání ventilů ovlivňuje polohu zapalovací svíčky, resp. vstřikovače Liitující faktore bývá dosažení požadovaného kopresního poěru S S S S S S,, sání Obvyklý poěr ploch ventilů: 5 Typická uspořádání: S S výfuk znětové otory Zážehové otory Střechovitý spalovací prostor uožňuje zvětšit průěry ventilů

5 Základní pohyby náplně válce 5 / tokový proud (álo stabilní) Tečná rotace (Swirl) Příčná rotace (Tuble) Radiální vír (Squish) Radiální vír při silné swirlu Koutový vír

6 ýěna náplně válce u 4-dobých otorů 6 / Proplachování: kopresní prostor je proplachován uche při překrytí ventilů. u přeplňovaných otorů, zvláště poaloběžných u otorů s dynaicky laděný potrubí závisí na geoetrické uspořádání ventilů a kanálů - Prochlazení spalovacího prostoru - Odstranění zbytkových plynů - yšší naplnění válce uche, resp. čerstvou sěsí - U zážehových otorů při = negativní dopad na funkci 3-cestného katalyzátoru Součinitel propláchnutí: pr Plnící účinnost: pl pr / sválec / steor / ss. ventil / sválec r zdvihový nebo celkový obje otoru r hustota uchu, resp. sěsi v okolí nebo v plnící potrubí otoru n / sválec / s s T s p pr e c z s T s z (alternativně lze počítat s hotnostní průtoke uchu nebo sěsi) pr, pl u otorů s proplachování nelze vycházet ze zěřeného průtoku v sání,85,5 T U přeplňovaných otorů dochází s rostoucí chlazení plnícího uchu k poklesu pl - je to dáno zvětšení teplotního spádu ezi stěnai plnících kanálů a stlačený uche. ýsledné p e je však vyšší, protože převažuje doinantní vliv vyšší r při intenzivnější chlazení uchu.

7 Plnící účinnost 7 / - Poěr ezi skutečný a teoretický nožství uchu (sěsi) ve válci otoru pl / sválec / steor r / sválec / s r hustota uchu, resp. sěsi v okolí nebo v plnící potrubí otoru zdvihový nebo celkový obje otoru c z Tvorba sěsi Přeplňování Plnící účinnost ýkon otoru nitřní Ne Ano pl zr okolí r n pl z pl n r p r T P e P e r L z okolí zr L vvt vvt n H pl u pl n H u celk pl celk nější Ne Ano r pal pl z sokolí rs n pal pl z pl n r s r s r ps r T s L L vvt vvt s r pal P e P e r L z sokolí zr L vvt vvt n H s pl u pl n H u celk pl celk

8 BLOW-BY Složení náplně válce 8 / EGR zduch pal Palivo vyf pal Spaliny Pro hoogenní sěs (globální ): v v v pal v spal v v pallvvt Čerstvý uch Čerstvé palivo Zbytkové plyny EGR plyny Blow-by plyny Globální při ustálené stavu otoru bez proplachování do výfuku: L pal vvt Součinitel přebytku uchu: Lokální ph O p M at H Lvvt Lvt ph O M pat - Má význa u nehoogenních sěsí (vznětové otory, vrstvená tvorba sěsi) O s Globální - Jedná se o úhrnnou ( střední ) hodnotu (pro hoogenní sěs je Lokální = Globální)

9 Složení náplně válce 9 / Hotnost náplně ve válci: v č. s palč. s zb. spal EGR BB Součinitel zbytkových plynů (spalin): ) Zahrnuje pouze zbytkové spaliny: zb. spal zb. spal v zb. spal,,3 ) Zahrnuje celkový obsah spalin ve válci: celk. spal zb. spal - Zbytkové spaliny zenšují naplnění válce uche, resp. sěsí. - Součinitel zbytkových spalin roste u ZM s poklese zatížení (s klesající tlake v sací potrubí). - U ZM á zvýšený obsah zb. spalin pozitivní dopad na zenšení práce na výěnu náplně válce, avšak negativní dopad na zážeh sěsi a následný průběh hoření (enší rychlost hoření). EGR spal v BB spal celk. spal,,4 - Přítonost zbytkových spalin vede k nižší produkci NO x (využití zvláště u M). p 3 ýpočtový odhad zb.spal : c p konst. p rt h p 6h 6 p6 6 p 6 s válec hs zb. spal p z 6 sválects p6 p T r r 6 p vyf p sac

10 p [bar] p [bar] p [bar] p [bar] ýěna náplně válce u 4-dobých otorů / Oblast výěny náplně válce bývá význaně ovlivněna pulsacei v sací i výfukové traktu: ysokootáčkové otory (význanější pulsace v sání se objevují od 5 in - ) Přeplňované otory (pulsace hlavně ve výfuku, v sání nejsou pulsace žádoucí) Intenzita pulsací roste se zatížení otoru (s rostoucí hotnostní průtoke) 7 6 Plné zatížení ZM Mean SPEED rp 45 IMEP bar. 7 6 Nízké zatížení ZM Mean SPEED rp IMEP bar Crank Angle [deg] Crank Angle [deg] válec výfuk sání Crank Angle [deg] Crank Angle [deg]

11 / U víceválcových otorů je nutné počítat se vzájený ovlivnění jak na straně sání, tak i na straně výfuku. PEXH [bar] PCYL [bar] ýěna náplně válce u 4-dobých otorů Zpětný tok přes ventily lze očekávat: U otorů s rovnotlaký přeplňování při p výf > p pl částečné zatížení zážehových otorů počátku koprese při nízkých otáčkách otoru U otorů s dynaicky laděný potrubí U víceválcových otorů s krátký výfukový potrubí Protiopatření: Dlouhá výfuková potrubí u atosférických otorů ytváření výfukových sekcí u víceválcových otorů Použití TwinScroll uspořádání na vstupu do rozváděcího kola turbíny u přeplňovaných otorů Použití ěniče pulsací p výfuk [bar] p v [bar] 4.v - O [kg/s] ýfuk in -, 5bar Sání Zpětný tok ventile Úhel [ KH] 3 4 Zdvihové křivky výfuku Crank Angle [8] Úhel [ KH] h []

12 PCYL [bar] Zdvih ventilu [] PCYL [bar] ýěna náplně válce u 4-dobých otorů při nízké zatížení / U zážehových otorů s kvantitativní regulací je snahou zenšit práci na výěnu náplně válce při nízké zatížení otoru Deaktivace válců Early Inlet alve Close EIC (Millerův cyklus) Late Inlet alve Close LIC (Atkinsonův cyklus) 8 6 in - bar,, , 7,8 6 S 8,4 EIC ,,,,4,6,8, Rel. olue [-],,,4,6,8, Rel. olue [-] 3 LIC EIC Úhel klikového hřídele [ KH] ýhody EIC časování oproti LIC: Nedochází ke zpětnéu výtoku čerstvé sěsi (éně koplikované přechodové stavy otoru) Čerstvá sěs se díky expanzi více ohřívá od stěn válce, takže je částečně kopenzován negativní vliv nízké kopresní teploty

13 M [N] P [kw] ýěna náplně válce u 4-dobých otorů při plné zatížení 3 / Naplnění válce u nepřeplňovaných otorů význaně závisí na vzájené sladění časování s geoetrií sacího potrubí h [] j [ KH] n [/in] S 5 5 Rychlost šíření tlakové vlny v trubce konst. průřezu: c w a + Dopředná vlna Zpětná vlna dw da dp ra Moderní otory si vynucují použití proěnného časování Alternativou (nebo rozšíření) bývá proěnná délka sacího potrubí

14 ýěna náplně válce u plynových otorů 4 / Určující paraetre z hlediska dosažitelné práce otoru je nožství zachyceného uchu (kyslíku) ve válci otoru. U plynových otorů s vnější tvorbou sěsi dochází ke snížení obsahu uchu v náplni válce. zbytek spalin pali vo-benzin zbytek spalin pali vo-plyn Odhad snížení p estř při přechodu na plynné palivo (předpoklad stejných účinností, =): p p estřplyn estřbenzin L vt Benzin r r Benzin Lvt Plyn r rplyn HuBenzin TSZ Plyn H uplyn T SZ Benzin čerstvý uch čerstvý uch L vt [kg/kg] r [J/kgK] H u [MJ/kg] p estř Plyn/Benzin [-] Benzín 4, ,4 - LPG 5, ,94 CNG 7, 58 5,87 H 34, 44,8 T SZ Benzin T SZ Plyn

15 entilové rozvody -dobých otorů 5 / Na výěnu náplně válce je oproti 4-dobý otorů éně času. entilové rozvody Šoupátkové rotační rozvody: ploché, válcové Rozvod píste, výfuková přívěra Syetrický rozvod (rozvod píste) Asyetrický rozvod Syetrický rozvod Asyetrický rozvod Proplachovací kanály ýfukové kanály P Jazýčkové zpětné ventily: DÚ DÚ Předběžný výfuk ýplach a plnění Únik nebo doplnění Předběžný výfuk ýplach a plnění Doplnění Při výplachu usí být zajištěn tlakový spád na plnících kanálech. Přeplňování turbodychadle nebo kopresore Stlačení uchu (sěsi) v klikové skříni otoru Kobinace obou případů nitřní tvorba sěsi je perspektivnější Nižší spotřeba paliva a eise C x H y

16 yplachovaci ucinnost Sc [-] yplachování -dobých otorů 6 /. yplachování yplachovaci poer [-] yplachování: Příčné ratné Souproudé příklady stlačování a plnění čerstvé sěsi

17 Sc, Tr [-] yplachovací součinitele u -dobých otorů 7 / yplachovací poěr (Delivery ratio): / ss. ventil válec / ss. ventil / steor / r ss. ventil / s n Zachycovací účinnost (Trapping efficiency): Tr / sválec / ss. ventil (pro experientální účely) yplachovací účinnost (Scavenging efficiency): Sc / sválec Tr válec Plnící účinnost (Charging efficiency): Ch / sválec Tr / steor..8.6 Při úplné íšení čerstvé sěsi a zbytkových spalin: Sc e.4. Tr Sc Tr e [-]

18 p [bar] ýěna náplně válce u -dobých otorů 8 / yužití laděného výfukového potrubí 3.5 n = 7 in - Plné zatížení álec PO p [bar].5 PZ Z ýfuk.5 Kliková skříň O Zpětný tok výfuke do válce se vrací uniklá sěs ) po O Spaliny Úhel kliky [ KH] álec.5 PO ) po DÚ Sěs Spaliny.5 Kliková skříň Z PZ 3) před Z Sěs Spaliny Rel. obje [-]

19 nější tvorba sěsi 9 / Zážehové otory s hoogenní sěsí HCCI otory znětové dvoupalivové otory Realizace: Karburátory (strhávání paliva v difuzoru) Sěšovače pro plynná paliva Jednobodové vstřikování ícebodové vstřikování (obvykle sekvenční vstřik) Charakteristika procesu vstřikování paliva: střikovací tlaky, MPa Založeno na koncepci Coon Rail Počátek vstřikování obvykle ještě před otevření sacího ventilu Po vstřiknutí paliva dochází k rozpadu paprsku tvorba kapek Palivo se odpařuje v proudu uchu (objeová tvorba sěsi) i na stěnách sacích kanálů a na sacích ventilech (povrchová - filová tvorba sěsi) Odpařování paliva se ochlazují stěny a tvořící se sěs Palivový fil na stěnách činí potíže při přechodových režiech otoru Odpařování probíhá i ve válci otoru Kapalné palivo by se neělo dostávat na stěny válce kvůli naředění olejového filu K hoogenizaci sěsi výrazně napoáhá rozvíření náplně válce střikovací trysky určené pro: střik do jednoho kanálu (ventilu) střik do dvou kanálů (4-ventilová hlava)

20 Rozpad paprsku paliva / w k p inj r p k Priární rozpad paprsku Rayleigh-Taylorova nestabilita (Ø kapek Ø otvoru) Odpařování, konvekce, difúze, přenos hybnosti Srážky a slučování kapek (různé rychlosti kapek, zpoalování čela, odraz) Kavitace, tvorba parních bublin, narušení proudu Sauterův střední průěr kapek: Ekvivalentní průěr kapky, který á stejný poěr /S jako původní sěs kapek. d 3 3 d i d i d3 55μ Možnosti lepšího rozprášení paliva: yšší vstřikovací tlak (rychlost) Menší průěr trysek Mezikruhové ústí trysky Kitající jehla v ústí trysky efukování lhy palivo-uch (pro stlačení uchu do zásobníku s elg. ventile lze využít závěrečnou část kopresního zdvihu předchozího cyklu) Sekundární rozpad kapek Kelvin-Helholtzova nestabilita (kapky o řád enší velikosti) Weberovo číslo: r wk D (poěr vnějších a We vnitřních sil na kapce) k rk k D Laplaceovo číslo: La (poěr sil povrchové napjatosti k k silá vnitřního tření v kapce) Rozpad paprsku paliva: Rostoucí Re Klesající La otvor otvor Reynoldsovo číslo: (poěr setrvačných a vnitřních třecích sil) (povrchové napětí pro naftu k =,5 N/) (dynaická viskozita pro naftu k = (,6 3,8) -3 Pa s) Počáteční fáze vstřikování benzínu: Nízkotlaký vstřik r Re efuk lhy palivo-uch k wk D k otvor ysokotlaký swirl vstřik

21 nitřní tvorba sěsi / Zážehové otory s heterogenní (vrstvenou) i hoogenní sěsí HCCI otory znětové otory Zážehové otory: střikovací tlaky 5 3 MPa Založeno na koncepci Coon Rail Tvorba hoogenní nebo vrstvené sěsi s využití vnitřního proudění, tvaru pístu nebo koůrky (výsledná řízeně tvořená sěs je chudá, u svíčky bohatá) ýhodou je vyšší ochlazení náplně válce (vyšší odolnost proti klepání) a lépe zvládnutelné přechodové stavy Kapalné palivo by se neělo dostávat na stěny válce kvůli naředění olejového filu Pro konec vstřiku je typický špatný rozpad paprsku (velké kapky jsou zdroje pro tvorbu sazí) znětové otory: střikovací tlaky až 5 MPa Realizace: echanicko-hydraulické systéy (pístek-potrubí-tryska, sdružená vstřikovací jednotka) nebo akuulační systéy (Coon Rail) Příý nebo nepříý (koůrkový) vstřik Eliinace dopadu paliva na stěnu válce je zajištěna tvare spalovacího prostoru v pístu Rychlý rozpad paprsku paliva u příovstřikových otorů vede k rychlejší torbě sěsi (nižší kouřivost) a ke zkrácení průtahu vznícení (nižší eise NO x ) Energie podporující tvorbu sěsi: Kinetická energie vlastního vstřiku paliva Rozvíření náplně válce (zesilující swirl a squish při kopresi) Priární hoření v koůrce Teplá stěna (M-způsob, terický povrchový způsob tvoření sěsi, vysoké eise i spotřeba studeného otoru) Swirl + Squish Squish Swirl > <

22 p [bar] p [bar] Regulace výkonu otoru / Kvalitativní regulace (vznětové nepřeplňované otory) Kvantitativní regulace (zážehové otory) Kvalitativní regulace T ax = f (p e ) 9 8 Palivo 7 zduch 6 = = zduch % % p e % % % p e % p i p i Crank Angle [deg] Síšená regulace (plynové otory) Síšená regulace (přeplňované vznětové otory, dvoupalivové plynové otory) 5 Kvantitativní regulace T ax konst Palivo zduch Palivo zduch = = 5 % % p e % % % p e % 5 p i p i Crank Angle [deg]