Ústav automobilního a dopravního inženýrství PODPORA CVIČENÍ. Ing. Jan Vančura Ústav automobilního a dopravního inženýrství FSI VUTBR

Transkript

1 PODPORA CVIČENÍ 1

2 Sací systém spalovacího motoru zabezpečuje přívod nové náplně do válců motoru. Vzduchu u motorů vznětových a u motorů zážehových s přímým vstřikem paliva do válce motoru. U motorů s vnější tvorbou směsi pak přívod čerstvé směsi paliva se vzduchem. V druhém případě je nutno navrhovat sací systém i s ohledem na průběh vytváření směsi v průběhu sání. U motorů přeplňovaných je vhodnější používat název systém plnění válců motoru. Požadavky na sací systémy: Přívod nové náplně do válců motoru Minimální tlaková ztráta Co nejlepší naplnění válce ve všech pracovních režimech motoru Kvalitní řízení tvorby směsi Sací systémy, stejně jako i jiné strojní systémy, lze dělit podle několika kritérií. V tomto případě provedeme rozdělení podle taktnosti motoru a podle přeplňování. Sací systémy Dvoudobých motorů Čtyřdobých motorů Bez přeplňování S přeplňováním 2

3 Sací a výfukový systém dvoudobého rychloběžného motoru je určen specifickými podmínkami konstrukce jednostopého vozidla i jinými legislativními požadavky z hlediska hluku a emisí škodlivých látek ve výfukových plynech. Požadavky na sací systém dvoudobého motoru: Filtrace nasávaného vzduchu Utlumení hluku sání Příznivé ovlivnění průběhu točivého momentu a výkonu motoru První dva body řeší uklidňovací komora s integrovaným prostorem pro sací filtr. Objem komory je cca 20x větší než zdvihový objem válce. Dříve byla často komora tvořena z plechu, v dnešní době je však velmi často využíváno plastu. S karburátorem popřípadě klapkou je spojena pružným potrubím z gumy (s hladkou vnitřní plochou) Uklidňovací komora dvouválcového dvoudobého motoru Příznivého ovlivnění točivého momentu a výkonu motoru lze dosáhnout vhodnou volbou objemu a délky sacího potrubí. Dalším možným řešením je využití pulzační komory, které zabezpečuje obohacení směsi při prudkém otevření šoupátka karburátoru akumulovanou z předešlého režimu motoru. 3

4 Jak bylo uvedeno v kapitole 1.2, můžeme sací systémy čtyřdobých motorů rozdělit podle způsobu přeplňování. Jednotlivé části jsou uvedeny v následujícím schématu: Sací systém 4D motoru Bez přeplňování S přeplňováním Vzduchový filtr Vzduchový filtr Sací potrubí Sací potrubí Předehřev vzduchu Dmychadlo, regulace Škrtící klapka Mezichladič Sací kanál Škrtící klapka Sací kanál Vzduchový filtr má významný vliv na tlakové ztrátě celého sacího systému. Podílí se na předehřívání vzduchu, současně tlumí hluk. Musí být schopen filtrovat vzduch s obsahem prachu až 50 mg/m 3. U motorů pracujících ve vysoce prašném prostředí, např. motory nákladních automobilů na stavbách je používána vícestupňová filtrace. První stupeň tvoří odstředivý filtr. Lopatky 3 na vstupu filtru uvedou vzduch do rotace. Prachové částice jsou odstředivou silo neseny po povrchu kužele nahoru a mezerou mezi víkem 1 a kuželem propadávají 4

5 do zásobníku 2. Takto očištěný vzduch vstupuje přes papírovou filtrační vložku 5, do pojistného filtru 4 a dále do sacího traktu motoru. Moderní filtrační systémy jsou vybavovány ukazatelem zanesení filtru, měří velikost podtlaku v sání za filtrem. Sací potrubí je u současných motorů většinou vyrobeno z plastických hmot. Oproti potrubím z hliníkových slitin vykazuje nižší hmotnost, velmi hladké povrchy vnitřních stěn potrubí při současném poklesu výrobních nákladů. Dalším přínosem je zabezpečení velmi přesné geometrie vnitřních povrchů ve vztahu ke vstupům sacích kanálů v hlavě válců a možnost integrace dalších funkčních prvků do jednoho odlitku. Cílem přeplňování spalovacích motorů je zvýšení krouticího momentu v nízkých otáčkách a výkonu ve vysokých otáčkách při zachování zdvihového objemu motoru. Průběh točivého momentu je úměrný hmotnosti nasátého vzduchu v závislosti na otáčkách motoru. Přeplňováním je dosaženo vysoké plnící účinnosti což vede k zvýšení výkonu motoru. Jednotlivé druhy přeplňování lze dělit následovně: Přeplňování SM Dynamické Mechanické Pulzační Turbodmychadlo Rezonanční Supercharger Comprex 5

6 Pulzačního přeplňování je dosaženo změnou délky sacího potrubí. Dochází k rozkmitání vzduchu v sacím potrubí, kmitání postupuje směrem k válci. Krátké sací potrubí má za následek vysoký jmenovitý výkon a pokles krouticího momentu v nízkých otáčkách, dlouhé potrubí naopak. Z toho plyne požadavek dlouhého potrubí v nízkých a krátkého ve vysokých otáčkách. Obrázek 1 Radiální systém změny délky SP Obrázek 2 Přímý systém změny délky SP Obrázek 3 Rotační systém změny délky sacího potrubí 6

7 Rezonanční přeplňování je tvořeno rezonanční soustavou pro vílce válců. Jednotlivé skupiny válců jsou propojeny pomocí krátkých potrubí s rezonanční komorou. Mohou být opatřeny klapkami pro přepínání větví a zvýšení tlaku ve vyšších otáčkách. Turbodmychadlo se skládá z kompresoru a výfukové turbíny, jejichž kola jsou umístěna na společné hřídeli. Výfuková turbína převádí část energie výfukových plynů na rotační energii kompresoru, který pak zvyšuje tlak v sání a zajišťuje vysokou plnící účinnost. Turbodmychadla musí být opatřena regulací, buď obtokovým ventile (Wastegate, vlevo) nebo rozváděcími lopatkami (VNT, vpravo). Dmychadlo je na rozdíl od turbodmychadla poháněno klikovou hřídelí. Příkon dmychadla tak snižuje výkon odebíraný z klikové hřídele. Nevýhodami jsou kromě výše uvedeného vysoká výrobní náročnost a vysoké náklady. Výhodou je pak okamžitá odezva na změnu provozního režimu motoru. 7

8 V podstatě se jedná o tlakový výměník. K přenosu energie dochází tlakovými vlnami v komorách tvořenými podélnými lopatkami rotoru. Výhodou je rychlá reakce na změnu zatížení motoru a minimální potřebný příkon. Nevýhodou pak pouze nízký přetlak v sání. Mezichladič stlačeného vzduchu slouží k ochlazení vzduchu, který se ohřál vlivem stlačení v dmychadle. Je vždy umístěn mezi škrticí klapkou a dmychadlem. Může být buď jeden pro celý motor anebo jeden pro řadu válců. 8

9 Recirkulace spalin zajišťuje snížení obsahu oxidů dusíku ve výfukových plynech. Část výfukových plynů je přiváděna zpět do spalovacích prostor motoru, aby se snížila teplota spalování a tím se snížil podíl škodlivých látek ve výfukových plynech. Když je požadován vyšší výkon motoru, nejsou přiváděny zpět do motoru žádné výfukové plyny. 9

10 Ústav automobilního Z teoretické části jasně vyplynuly požadavky na jednotlivé části sacího systému. Veškeré prvky sacího systému, kromě dmychadel, způsobují tlakovou ztrátu, čímž snižují plnicí účinnost a snižují výkon motoru, resp. zvyšují podíl CO2 ve spalinách. Vaším úkolem bude provést sadu měření vybraných komponent spočívající ve stanovení tlakové ztráty při daných okrajových podmínkách. Pro danou hlavu zážehového motoru stanovte velikost tlakové ztráty v závislosti na zdvihu ventilů. Okrajové podmínky určete z následujícího: Zdvihový objem motoru: V 1598 ccm Počet válců: i 4 Otáčky motoru: n 6500 /min Maximální zdvih ventilu: z 14 mm Počet ventilů na válec: s 4 Pozor! Porovnejte také tlakovou ztrátu jednotlivých sacích kanálů a tlakovou ztrátu celku. Naměřené veličiny vyneste do grafu, stanovte rovnici regrese a velikost ztrátového součinitele. Vyjádřete se k výsledkům. Rada: Objemový tok můžete stanovit podle vztahu: kde t je taktnost motoru, v našem případě pro čtyřdobý motor t = 2. Pro stejnou hlavu válců a stejný motor jako v případě 1 určete ztrátový součinitel vstupu sacího potrubí. Použijte následující geometrické varianty: Ostrá hrana Vstup s kruhovým průřezem Vstup s eliptickým průřezem Vstup s průřezem profilu NACA 012 Tato měření proveďte pro otáčky v rozsahu /min, krok 500 /min. Výsledky zaneste do grafu a vyjádřete se k nim. 10

11 Pro daný motor jako v případě 1 proveďte měření ztrátového součinitele sacích filtrů. Změřte následující varianty: Bez sacího filtru Se sériovým sacím filtrem S nízko-odporovým filtrem KN Tato měření proveďte pro otáčky v rozsahu /min, krok 500 /min. Výsledky zaneste do grafu a vyjádřete se k nim. Pro daný motor jako v případě 1 a pro stejný režim stanovte celkový ztrátový součinitel sacího a výfukového traktu. Pro vyhodnocení použijte software Port Flow Analysis v1.0 dostupný na webu ÚADI. 11