ČTYŘDOBÝ VÍCEVÁLCOVÝ SPALOVACÍ MOTOR S VYUŽITÍM TLAKOVÝCH PULZŮ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KE ZVÝŠENÍ NAPLNĚNÍ VÁLCŮ

Transkript

1 ČTYŘDOBÝ VÍCEVÁLCOVÝ SPALOVACÍ MOTOR S VYUŽITÍM TLAKOVÝCH PULZŮ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KE ZVÝŠENÍ NAPLNĚNÍ VÁLCŮ Některé z možných uspořádání motoru se společnými ventily pro sání i výfuk v hlavě válce: 1

2 ČTYŘDOBÝ VÍCEVÁLCOVÝ SPALOVACÍ MOTOR S VYUŽITÍM TLAKOVÝCH PULZŮ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KE ZVÝŠENÍ NAPLNĚNÍ VÁLCŮ Následující simulace jsou prováděny s jedním prstencovým ventilem, který dosahuje nejlepších průtokových parametrů ve směru sání i výfuku a je výhodný i z hlediska proplachování hlavy jazýčkový ventil sací kanál společný prstencový kanál výfukový kanál prstencový ventil 2

3 ČTYŘDOBÝ VÍCEVÁLCOVÝ SPALOVACÍ MOTOR S VYUŽITÍM TLAKOVÝCH PULZŮ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KE ZVÝŠENÍ NAPLNĚNÍ VÁLCŮ Průtokové vlastnosti hlavy válce s prstencovým ventilem: 3

4 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání Obr. : celý cyklus dvouválcového provedení s jazýčkovými zpětnými ventily v sání zobrazený po 90 otočení klikového hřídele zvýrazněn pohyb čistého vzduchu v sacím a výfukovém systému 4

5 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání VZNĚTOVÝ 2-válec (po 360 ), 77 x 85 mm (cca 800 cm 3 ), = 17 hoření převzato z jiných modelů zpětný jazýčkový ventil v sání pasivní člen, alternativně šoupátko nuceně ovládané varianta s šoupátkem, nebo šoupátkem a jaz. ventilem v sání má velmi podobné výsledky tlak okolí na straně výfuku = 1,07 bar (pro 4000 min -1 ) náhrada katalyzátoru a tlumiče Air/Fuel ratio = 19 (lambda 1,32) pro 4000 min -1 : p e = 16 bar(101 Nm; 42,5 kw), m pe = 220 g/kw.h, podíl spalin po zavření sac. v. = 2,2% 14 bar (91 Nm; 37 kw), m pe = 217 g/kw.h (rozšíření průměru trubky za výf. svodem) Zdvihy prstencového ventilu obou válců: konec sání #2 začátek výfuku #1 360 KH 5

6 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání VZNĚTOVÝ 2-válec (po 360 ), 77 x 85 mm (cca 800 cm 3 ), = 17 hoření převzato z jiných modelů zpětný jazýčkový ventil v sání pasivní člen, alternativně šoupátko nuceně ovládané varianta s šoupátkem, nebo šoupátkem a jaz. ventilem v sání má velmi podobné výsledky tlak okolí na straně výfuku = 1,07 bar (pro 4000 min -1 ) náhrada katalyzátoru a tlumiče Air/Fuel ratio = 19 (lambda 1,32) pro 4000 min -1 : p e = 16 bar(101 Nm; 42,5 kw), m pe = 220 g/kw.h, podíl spalin po zavření sac. v. = 2,2% 14 bar (91 Nm; 37 kw), m pe = 217 g/kw.h (rozšíření průměru trubky za výf. svodem) Ø35mm Ø40mm Ø35mm L=2370mm Ø35mm Ø35mm L=170mm L=170mm Ø35mm Ø35mm Ø47mm 6

7 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání (flowsplit) Průběh tlaku v hlavě (společný prstencový kanál) a ve válci v 4000 min -1 7

8 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání Zdvih a hmotnostní průtok prst. ventilem v 4000 min -1 zvýšení hmotnostního průtoku ventilem způsobené primární tlakovou vlnou od druhého válce 8

9 VÝF. SVOD: ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání citlivost na změnu úhlu větví výfukového svodu (druhé číslo udává vrch. úhel) podobný vliv jako seškrcení výf. větve za svodem (velký úhel zvyšuje odpor ve výfuk. svodu větší moment, větší spotřeba) zmenšující se vrch. úhel výfuk svodu 9

10 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání použití ventilátoru (přetlak 7kPa v sání=1,08bar) pro jiné otáčkové režimy než laděný (< 4000) 10

11 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání citlivost na změnu otáček v okolí vybraných otáčkových bodů (a pro ně naladěná geometrie) Točivý moment [Nm] měrná spotřeba [g.kw -1.h -1 ] podíl spalin ve válci po uzavření ventilu [%] 11

12 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání 12

13 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 1) propojovací trubkou mezi větvemi, ovládanou klapkami není vhodné 13

14 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem 2D: 14

15 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem 3D: 15

16 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem rozsah použití zařízení pro plynulou změnu délky výfuku max. reálný rozsah použití variabilního svodu je cca 800mm min. 16

17 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem a skoková regulace délek trubky za svodem - řešení v GT-Power: variabilní koleno plynule měněná délka 3000mm klapka č.2 1. klapka č.1 D = 140mm D = 140mm mm 500mm L [mm] Potřebná změna délky výf. potrubí PŘED a ZA svodem v závislosti na otáčkách skoková regulace délky trubky za svodem (3-stupňová) klapky zavřeny klap. č.1 ot. klap. č.1 a č.2 ot y = e -9E-04x /min

18 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem a skok. regul. délky za svod. 18

19 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem a skok. regul. délky za svod. + ventilátor v sání nahrazen okrajovou podmínkou tlaku okolí pro n < 2000 min -1 zvýšený tlak na straně sání průběh tlaku na straně sání (pro <2000) pro udržení konst. momentu 19

20 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - možnosti regulace délky výf. potrubí pro vozidlovou charakteristiku 2) plně variabilní délka výfukových větví před svodem a skok. regul. délky za svod. AF ratio limit ~ 1,17 1,65 20

21 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - se šoupátkem za spojem výfukových větví zesílení tlakové vlny Obr. : celý cyklus dvouválcového provedení s jazýčkovými zpětnými ventily v sání a šoupátkem ve výfuku zvýrazněn pohyb čistého vzduchu v plnicím a výfukovém systému 21

22 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - se šoupátkem za spojem výfukových větví zesílení tlakové vlny na obrázku č.2 pro porovnání uveden zelenou barvou standardní stav (bez šoupátka ve výfuku) šoup.otevřeno šoupátko zvýšený tlak ve výf. svodu - šoupátko tlak ve výf. svodu - varianta bez šoup. se šoupátkem zdvih. křivky prst. ventilu bez šoupátka 22

23 ATMOSFÉRICKÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. ventil v sání - se šoupátkem za spojem výfukových větví zesílení tlakové vlny na obrázcích pro porovnání uveden zelenou barvou standardní stav (bez šoupátka ve výfuku) M v závislosti na otáčkách ( ) bez šoupátka ve výfuku se šoupátkem ve výfuku Výsledky pro variantu se šoupátkem ve výfuku: 4000 min -1, AF ratio = 19 p e = 19,1 bar (bez šoup. 16 bar) M = 120 Nm m pe = 228 g.kw -1.h -1 (bez šoup.220 g.kw -1.h -1 ) se šoupátkem Podíl spalin v závislosti na otáčkách bez šoupátka bez šoupátka ve výfuku se šoupátkem ve výfuku 23

24 PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) 24

25 PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) Air/Fuel ratio = 22 ( = 1,53) rozvodový orgán v sání: a) jednocestný ventil (zatím pouze komponent orifice, s reálným jaz. reed problémy) menší výkyvy otáček turbiny b) jednocestný ventil se šoupátkem (hodně otevřené, omezuje průtok sáním pouze během expanze) lepší parametry (proplach); možno naladit i reálný jaz. reed - s větší tuhostí použit mezichladič stlačeného vzduchu; protitlak výfuku = 1,08 bar Průběh zdvihu/průměru šoupátka a hm. průtok reálným zpětným ventilem šoupátko průběh zdvihu (průměru) 25

26 PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) Obr. : celý cyklus přeplňovaného dvouválcového provedení s jednocestným ventilem a rotačním šoupátkem v sání zobrazený po 90 otočení klikového hřídele zvýrazněn pohyb čistého vzduchu v plnicím a výfukovém systému 26

27 PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jednocest. ventil+šoupátko v sání Motor se společným ventilem (prstencovým) pro sání i výfuk PŘEPLŇOVANÝ 2-válec (800cm 3 ) nejvhodnější varianta je: turbina BV39 (VTG variabilní geometrie rozváděcích lopatek) kompresor GT-12 (pro nižší otáčky 2000min -1 byl kompresor BV39 příliš velký) 2000 min min min min -1 27

28 PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jednocest. ventil+šoupátko v sání pro přeplňovaný dvouválec je nejvýhodnější varianta s šoupátkem a jednocestným ventilem, 1V motor pak lze provozovat v celém spektru otáček není třeba regulovat délky potrubí mění se pouze okamžik příchodu tlakové vlny viz obr. průtoků ventilem; díky turbině odpadá také vliv délky trubky za svodem, která u atmosférické verze ovlivňovala správný proplach Tlak v hlavě válce (společný prst. kanál) /min. Hm. průtok ventilem 2,3,4 tis. ot./min. 28

29 m pe [g.kw -1.h -1 ] hmotnostní podíl [%] M [Nm] P e [kw] p e [bar] p max [bar] PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jednocest. ventil+šoupátko v sání pro přeplňovaný dvouválec je nejvýhodnější varianta s šoupátkem a jednocestným ventilem, 1V motor pak lze provozovat v celém spektru otáček není třeba regulovat délky potrubí mění se pouze okamžik příchodu tlakové vlny viz obr. průtoků ventilem; díky turbině odpadá také vliv délky trubky za svodem, která u atmosférické verze ovlivňovala správný proplach Moment a výkon pro AF=22 ( =1,53) moment výkon nastavení turbiny v jednotlivých bodech laděno podle nejmenší měrné spotřeby otáčky [min -1 ] Měr. spotřeba a hm. podíl spalin na zač. komprese měrná spotřeba podíl spalin na zač. komprese 5 Střední už. ef. tlak a max. spal. tlak pro AF=22 ( =1,53) pe pmax otáčky [min -1 ] Nastavení lopatek turbíny otáčky [min -1 ] otáčky [min -1 ] 29

30 PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jednocest. ventil+šoupátko v sání průtoky kyslíku jedn. částmi motoru sáním výfukem L=140mm D=55mm T prstencem IC D=55mm L=140mm K 30

31 PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jednocest. ventil+šoupátko v sání další možná varianta: turbina GT-12 (WG obtokový ventil) méně vhodná velký tlak před turbinou horší proplach kompresor GT min -1 AF = 22 ( = 1,53), WG = 0 p e = 20,2 bar m pe = 211,5 g.kw -1.h -1 podíl spalin = 2,25 % 2000 min min -1 AF = 22 ( = 1,53), WG = 6 mm p e = 20,7 bar m pe = 229 g.kw -1.h -1 podíl spalin = 16,5 % 4000 min -1 31

32 PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jednocest. ventil (ideál.) v sání Jediný rozvodový orgán v sání ideální jednocestný ventil (komp. s 0 zpětnými průt. koefic.) nutné přeladit geometrii výfukového potrubí před svodem delší potrubí s menší průměrem (z ø55 na ø35mm) dochází k průtoku sáním i během expanze menší celk. účinnost, horší proplach v době sání ale menší výkyvy otáček turbodmychadla Průtok jednocestným ventilem jednocest.v.+šoupátko Průtok kyslíku jednotlivými částmi se šoupátkem pouze jednocest. vent. bez šoupátka n = 2000min -1 p e = 22,5 bar m pe = 217,5 g.kw -1.h -1 spaliny = 7% menší průtok výfukovým kanálem horší proplach společného prstencového kanálu 32

33 víceventilový ATMOSFÉR. VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. vent. v s. simulace hlavy válců s více klasickými zdvižnými ventily nahrazující prstencový ventil = zmenšení efektivní průtočné plochy prstencového ventilu na 50% (+ doladění geometrie) porovnání s původními průběhy (červeně) v 3000 min -1 ( flowsplitu - společný prst. kanál) AF = 19 ( = 1,32) 33

34 víceventilový ATMOSFÉR. VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. vent. v s. simulace hlavy válců s více klasickými zdvižnými ventily nahrazující prstencový ventil = zmenšení efektivní průtočné plochy prstencového ventilu na 50% (+ doladění geometrie) porovnání s původními průběhy (červeně) v 3000 min -1 AF = 19 ( = 1,32) 34

35 víceventilový ATMOSFÉR. VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. vent. v s. simulace hlavy válců s více klasickými zdvižnými ventily nahrazující prstencový ventil = zmenšení efektivní průtočné plochy prstencového ventilu na 50% (+ doladění geometrie) porovnání s původními průběhy (červeně) v 3000 min -1 AF = 19 ( = 1,32) 35

36 víceventilový PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. vent. v s. simulace hlavy válců s více klasickými zdvižnými ventily nahrazující prstencový ventil = zmenšení efektivní průtočné plochy prstencového ventilu na 50% (+ doladění geometrie) naladění turbiny na nejnižší měr. spotřebu, 3000 min -1 AF = 22 ( = 1,53) víceventil. (50% A eff ) měrná spotřeba [g.kw -1.h -1 ] prstencový ventil střední efektivní tlak [bar] víceventil. (50% A eff ) prstencový ventil víceventil. (50% A eff ) podíl spalin ve válci po uzavř. ventilu [%] prstencový ventil 36

37 víceventilový PŘEPLŇOVANÝ VZNĚTOVÝ 2-válec (800cm 3 ) jaz. vent. v s. simulace hlavy válců s více klasickými zdvižnými ventily nahrazující prstencový ventil = zmenšení efektivní průtočné plochy prstencového ventilu na 50% (+ doladění geometrie) naladění turbiny na nejnižší měr. spotřebu, 3000 min -1 AF = 22 ( = 1,53) 37

38 ČTYŘDOBÝ VÍCEVÁLCOVÝ SPALOVACÍ MOTOR S VYUŽITÍM TLAKOVÝCH PULZŮ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KE ZVÝŠENÍ NAPLNĚNÍ VÁLCŮ , ČVUT - Výzkumné centrum spal. motorů a automobilů Josefa Božka vypracoval : Ondřej Bolehovský ve spolupráci s KNOB Engines s.r.o. využit software GT-Power 7.0 (Gamma Technologies, Inc.) 38