022_Preplnovane spalovaci motory - Matas

Přeplňované spalovací motory
- termodynamické principy, regulace,
zvyšování účinnosti
Richard Matas
TATO PREZENTACE JE SPOLUFINANCOVÁNA EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Obsah
•
•
•
•
•
Úvod
Základy přeplňování
Druhy dmychadel
Regulace přeplňovaných PSM a technicky
zajímavé systémy přeplňování
Závěry, diskuse
2/58
Úvod
• pístové motory zážehové a vznětové – velmi rozšířené
•
•
•
pracovní stroje v dopravě, v energetice a v dalších
oborech, významný zdroj energie a spotřeby paliv
spalování probíhá přerušovaně při vysokých tlacích a
teplotách uvnitř motoru a energie získaná z paliva se
přeměňuje přímo na mechanickou práci
nevýhody - vznikající vysoké emise a složitější
mechanická konstrukce, nutno používat vysoce kvalitní
palivo a také mazací oleje a různé filtry
výhody - okamžitá pohotovost k provozu a možnost
okamžité změny výkonu, regulace snadná
3/58
Spalovací motory v dopravě
• zatím nejrozšířenější způsob pohonu dopravních
•
•
•
•
•
•
prostředků
současné motory – výkonové a emisní parametry,
jejichž dosažení bylo ještě před nedávném nemožné
dáno – cenou paliv, legislativou atd.
paliva – velmi důležitá otázka, možná klíčová
posun od kapalných paliv k biopalivům a plynným
palivům
biopaliva – kontroverzní
plynná paliva – horší infrastruktura, problematičtější
nádrže, ale lepší vlastnosti z hlediska spalovacího
procesu
4/58
Spalovací motory v energetice
• vhodné zejména o výhodné využití kogeneračních a
•
•
•
•
trigeneračních jednotek
nejde o konkurencí "turbínové kogenerace", ale její
vhodný doplňek
využívají se i takové zdroje energie, jako jsou bioplyny
(skládky TKO, čistírny odpadních vod, bioplynové
stanice), ale i např. důlní plyn
moderní koncepce a konstrukce strojů, široká škála
nasazení, nejen co do různorodosti jednotlivých aplikací,
ale i výkonové škály
lze efektivně a konkurenceschopně dosahovat až:
- 30 MW elektrického výkonu
- 35 MW tepelného výkonu
- 25 MW chladícího výkonu (ve vazbě na absorpci)
5/58
1. Základy přeplňování
6/58
Skutečné diagramy
a charakteristiky motoru (I)
• skutečné diagramy se od teoretických liší - proces ve
skutečném motoru neprobíhá ideálně, ale je ovlivněn
ztrátami a technickými a termodynamickými omezeními
Idealizovaný a skutečný oběh čtyřdobého vznětového motoru
7/58
Skutečné diagramy
a charakteristiky motoru (II)
• pístové motory - charakterizovány řadou veličin, zde uvedeny
•
•
•
jen některé základní
kompresní poměr
VZ + V K
ε=
VK
VZ je zdvihový objem a VK objem kompresní
v oboru spalovacích motorů určujeme veličiny indikované,
tedy odpovídající stavu na horní ploše pístu a veličiny
efektivní, tedy pro stav na výstupní hřídeli motoru
další důležitou veličinou - střední indikovaný tlak na píst pi
Wi
pi =
Vz
Wi je indikovaná práce skut. oběhu
8/58
Skutečné diagramy
a charakteristiky motoru (III)
• na hřídeli potom motor charakterizuje střední efektivní tlak pe,
•
který je snížen o mechanické ztráty motoru a platí pe=pi.ηm,
kde ηm je mechanická účinnost
mech. účinnost – charakterizuje mech. ztráty
- nezáv. na zat. motoru (pohon agregátů, třecí ztráty
rotačních sil, pohon rozvodového ústrojí, vent. ztráty)
- záv. na zat. motoru (třecí ztráty závislé na tlaku nad pístem,
pohon plnícího agregátu u mech. dmychadel)
- spojené s výměnou obsahu válců (od záporné práce u
nepřeplňovaných motorů až po práci kladnou u motorů
přeplňovaných)
9/58
Výměna obsahu válců
Diagram výměny obsahu válců pro přeplňovaný a nepřeplňovaný motor
• důležitá veličina – dopravní účinnost ηd - význam vynikne
právě u přeplňovaných motorů, kde výměna obsahu válců
je odlišná oproti motorům nepřeplňovaným
10/58
Skutečné diagramy
a charakteristiky motoru (IV)
• efektivní výkon motoru možno vyjádřit různými způsoby,
např.
1
W η ⋅ Qp
n
=
=
= η ⋅ mp ⋅ Hu
= i ⋅ V ⋅ Z ⋅ pe ⋅
Pe = M ⋅ ω = M ⋅
30
30
tc
tc
τ
τ
n
π ⋅n
M - točivý moment, w - úhlová rychlost, n - otáčky motoru,
W - práce motoru za jeden cyklus, Qp - přivedené teplo, tc čas jednoho cyklu, h - účinnost, mp - množství paliva, Hu výhřevnost paliva, i počet válců spalovacího motoru, VZ zdvihový objem jednoho válce, t - otáčkový činitel (pro
dvoudobý motor τ=1, pro čtyřdobý τ=2)
11/58
Důvod přeplňování
• z uvedeného vyplývá -> jedinou veličinou, jíž je možno
•
•
•
zvýšit výkon motoru přeplňováním, je pe.
lze uskutečnit spálením většího množství paliva, ze kterého
se uvolní větší množství energie, které pro dokonalé spálení
vyžaduje větší množství dodaného vzduchu, což zajistíme
právě přeplňováním
přeplňováním - získáme z pracovního oběhu větší množství
mechanické práce při vysoké účinnosti přeměny,
sekundárně jsme schopni zvyšovat přebytek vzduchu ve
válci motoru k regulaci teplot a ke snížení emisí
dále možno přeplňováním zlepšit otáčkovou a momentovou
pružnost motoru a zmenšení zastavěného objemu
12/58
Přeplňování
• princip přeplňování znám již od konce 19. století
• v současné době přeplňovány:
- čtyřdobé vznětové motory
- zážehové motory
- dvoudobé motory vznětové (většinou stacionární a lodní)
• způsoby přeplňování:
-
mechanické
turbodmychadly
kombinované
inerční
náporové
13/58
Mechanické přeplňování (I)
• indikovaná práce motoru sestává z vysokotlaké části oběhu
a z práce výměny obsahu válců
Ai = ∫ p.dV + ( p s + p o ).V = Ai1 + Ai 2
Idealizovaný p-V diagram přeplňovaného motoru
14/58
Mechanické přeplňování (II)
• podobným způsoben lze přistoupit k celkovému
•
indikovanému tlaku pi=pi1+pi2
a teoretické účinnosti ηt= ηt1+ ηt2
ηt1 lze teoreticky stanovit, pro smíšený oběh platí:
η t1 = 1 −
1
ε κ −1
ϑ ⋅ β κ −1
⋅
ϑ − 1 + κ ⋅ ϑ ⋅ (β − 1)
• a dále pro účinnost práce výměny obsahu válců
p0 
rT1 
ε −1

⋅ λ ⋅ Lt
⋅ 1 −
ηt 2 =
ε
χH u  p s 
• kde κ je součinitel zvýšení hmotnosti náplně v důsledku
•
vstřiku paliva
při mechanickém přeplňování je pro pohon dmychadla
odebíráno asi 10% efektivního výkonu motoru
15/58
Přeplňování turbodmychadly (I)
• dnes nejčastější způsob
• mezi turbodmychadlem a motorem pouze termodynamická
•
vazba
výfukový systém možno uspořádat:
- pro provoz pulzační neboli impulsní (převládá u
vozidlových motorů, obecně vhodnější u dvoudobých
motorů)
- pro provoz rovnotlaký (vhodné zejména pro stacionární a
lodní motory, je jednodušší)
- s měničem pulsací
16/58
Přeplňování turbodmychadly (II)
-
komprese v dmychadle (D1-D2, v případě bez
mezichlazení D1’-D2’)
odvod tepla v mezichladiči (D2-1)
komprese v motoru (1-2)
přívod tepla při V=konst. (2-3)
přívod tepla při p=konst., expanze v motoru (4-5)
odvod tepla z válce motoru při konstantním objemu (5-1)
expanzní práce, jež se přemění na kinetickou energii a
dále na vnitřní energii při izobarickém nárůstu teploty;
Qe=c´p(TT1’-TT1) (5-T1-6-5)
práce v turbíně při impulzním provozu (12-T1-T2-11-12)
práce v turbíně při rovnotlakém provozu (12-T1’-T2‘-1112)
práce dmychadla bez mezichladiče (13-D2’-D1‘-10-13)
práce dmychadla s mezichladičem (13-D2-D1-10-13)
odvod tepla v mezichladiči (D2-D2’)
Idealizovaný p-V diagram TD přeplňovaného motoru
17/58
Přeplňování turbodmychadly (III)
• je vhodné zavést
εM
V5
=
V2
εD =
VD1'
V
→ ε c = ε M ⋅ ε D ⋅ D1'
V5
V2
• motor s turbodmychadlem pak možno charakterizovat
poměrným stlačením v dmychadle
• dále poměrnou expanzí v turbíně
pD2
πD =
p D1
pT 2
πT =
pT 1
• pro případy s mezichladičem i stupněm ochlazení plnícího
vzduchu
V1
ω CH =
VD 2
18/58
Přeplňování turbodmychadly (IV)
• opět platí (při vynechání práce turbíny a dmychadla), že
práce je dána součtem
Ai = Ai1 + Ai 2
Ai 2 = ( p D 2 − pT 1 ) ⋅ (V1 − V2 )
• a celková účinnost opět ηt= ηt1+ ηt2
• pro účinnost ηt2 pak platí vztah

pv 
ε M − 1 r ⋅ T1

ηt 2 =
⋅ (λ ⋅ Lt + 1) ⋅ 1 −
pD2 
ε M κ ⋅ Hu

• nebo (pro rovnotlaký provoz)
εM
ε M −1 κ −1
⋅ T0 .cv (λ ⋅ Lt + 1) ⋅ 
ηt2 =
ε M Hu
 εC



κ
n
 ε
⋅   C
 ε M

κ

p v 
 −
p0 


• z výše uvedených vztahů a dalších předpokladů možno pro
různé podmínky stanovit hodnotu optimálního stlačení pro
dosažení optimální účinnosti
19/58
2. Druhy dmychadel
20/58
Rootsovo dmychadlo I.
• Patentováno roku
1860
• Použito k přeplňování
roku 1900
• Vnější komprese
• Π=2
• Původně 2 „zuby“,
v současnosti většinou 3
(existují i čtyřzubá
provedení)
21/58
Rootsovo dmychadlo II.
• Charakteristika
• Současná
•
provedení
Tvary rotorů
dmychadel
22/58
Lysholmovo dmychadlo
• Poprvé použito 1940
• Vnitřní stlačení
• Vyrábí IHI – používá AMG
– úpravce Mercedes
23/58
G-dmychadlo
• Francouzský vynález
• Nízká hmotnost
• Nároky na výrobu
• Rychlá změna plnícího
tlaku
• Používáno na některých
vozech VW
24/58
Odstředivé dmychadlo
• Nízká hmotnost
• Malé rozměry
• Použití spíše pro
elektrocetrály
25/58
Turbodmychadlo I.
• Využití energie
•
•
•
výfukových plynů
Nízká hmotnost
Malé rozměry
„Turboefekt“
26/58
Turbodmychadlo II.
• Uspořádání v systému motoru
27/58
Turbodmychadlo III.
Příklady charakteristik turbodmychadel
28/58
Kompaudní přeplňování
• 1980 Scania
• 2 turbíny
• Výkonová turbína
n=50000 1/min
• M a P vyšší
• Nižší spotřeba paliva
• Složité
29/58
3. Regulace přeplňovaných PSM
a technicky zajímavé systémy
přeplňování
30/58
• současnost - dobou prudkého rozvoje elektronické
•
•
•
•
•
regulace spalovacího motoru, syst. dále rozvíjeny
(podstatné rozšíření jeho užitných vlastností)
u vozidlových motorů se regulace plnicích agregátů
využívá
- ke zvýšení efektivního výkonu, točivého momentu a
snížení spotřeby paliva
- k získání maximální pružnosti a tím i schopnosti
akcelerace přeplň. motorů
změna otáčkové charakteristiky pístového spalovacího
motoru se v současné době provádí především:
1) rezonančním přeplňováním (plněním)
2) jednostupňovým regulovaným turbopřeplňováním
3) dvoustupňovým regulovaným turbopřeplňováním
31/58
• rezonanční plnění - dává v rezonanční oblasti relativně
•
•
malé zvýšení plnicího tlaku ∆ppl = 15 - 30 kPa a tudíž i
výkonu motoru o 10 až 35%
- tento způsob se zpočátku rozšířil především pro
vyrovnání parametrů motoru při montáži katalyzátoru
hlavním nástrojem – regulované turbopřeplňování
regulací turbíny turbodmychadla lze dosáhnout:
- maxima točivého momentu a to již při nízkých
otáčkách motoru
- výrazné zvýšení jeho akceleraceschopnosti
• hlavní omezující faktory:
- maximální spalovací tlaky a teploty
- teploty spalin před turbínou
- u zážehových motorů - detonační spalování
32/58
REZONANČNÍ PLNĚNÍ
• založeno na ladění délek rezonančních trubek tak, aby sáním motoru
•
•
•
•
•
buzená frekvence kmitů ω se při rezonanci rovnala vlastní frekvenci
vzduchového sloupce v rezonanční trubce ωi
při rezonanci dostáváme maximální amplitudy tlaku ∆p, které
využíváme k plnění válce
ladí se na nejsilnější 1. harmonickou složku kmitů
jen v případě, kdy jednou rezonanční trubkou chceme zvýraznit více
oblastí otáčkové charakteristiky,
využívá se i 2. harmonické
předpokládá se širší uplatnění
této techniky přeplňování
použítí – AUDI, Peugeot, (např.: P607
– motor ZVJ4 3.0 – 123 kW), BMW
(3.0 - 90 kW/6650ot.300 Nm/2500–4000 ot.
33/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ODPOUŠTĚNÍM
VÝFUKOVÝCH PLYNÚ PŘED TURBÍNOU (I)
• v současné době spíše ústup metody
- na hranici p i T – omezení zvyšování parametrů
• použití při optimalizaci TD pro nízké otáčky u všech typů motorů
• zhoršuje se však ekonomie ve vyšších otáčkách v důsledku
zvyšujících se ztrát vznikajících odpouštěním výfukových plynů
• velmi rozšířená metoda u VM i ZM, používá řada výrobců
34/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ODPOUŠTĚNÍM
VÝFUKOVÝCH PLYNÚ PŘED TURBÍNOU (II)
obtok
odpouštěcí
klapka
• EMV – elmag. ventil
• pM – tlak na membránu
odpoušť. ventilu, ovládá
klapku obtoku
• změnou tlaku pM lze
modelovat průběh
p2K = ppl podle potřeb
charakteristiky motoru
• při hmotnostním toku kompresorem mK a hmotnostní spotřebě
paliva Mp platí následující tvar rovnice kontinuity:
• z rovnice
je patrné, že jestliže mK > mT,
nehledě na účinnosti, musí být celkový isoentropický
spád turbíny HisTc větší, než kompresoru HisKc,
který je daný tlakem p2K, proto při zvýšení otáček motoru
musí růst tlak p0T a teplota T0T před turbinou - limitující
• nahoře a vpravo - provedení regulace na reálném TD
35/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ŠKRCENÍM
VÝTLAKU DMYCHADLA
• způsob zejména pro přeplňované PSM zážehové, tj. s kvantitativní
regulací výkonu
• možno použít i u plynových motorů
• škrcení výtlaku se realizuje samostatnou klapkou ovládanou přes
mechanismus akčním členem (AČ) v závislosti na velikosti tlaku pD2
plnicího vzduchu, který je současně i pracovním mediem AČ
36/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ODPOUŠTĚNÍM
VZDUCHU Z VÝTLAKU DMYCHADLA (I)
a) odpouštěním zpět do jeho sání
• aby nedocházelo k nadměrnému růstu teploty vzduchu ve výtlaku
dmychadla, je vhodnější odpouštění provést až za mezichladičem
plnicího vzduchu
• realizováno např. u plynových motorů (LIAZ a další)
37/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ODPOUŠTĚNÍM
VZDUCHU Z VÝTLAKU DMYCHADLA (II)
b) odpouštěním do výfukového potrubí před turbinou
• použití při optimalizaci TD pro oblast Pej zejména u VM
• odpouštěním části plnicího vzduchu klesne protitlak ve výtlaku D,
klesne potřebný příkon D, tím vzroste dodávka vzduchu a vzroste
výkon T, tím dodávka vzduchu z D a plnicí tlak
• výsledkem je zvýšený průtok nejenom T, ale i motorem, což umožní
zvýšit dodávku paliva a tím i výkon motoru
38/58
KOMBINOVANÉ PŘEPLŇOVÁNÍ
• využití dynamických účinků příslušným způsobem upraveného plnicího
•
•
•
•
•
potrubí přeplňovaného motoru zejména v rezonanční oblasti
při vhodném naladění systému se docílí vyššího naplnění válců v určité
pracovní oblasti motoru, což skýtá možnost zlepšení jak provozních, tak
i výkonových parametrů motoru
opatření zlepšující vlastnosti normálně přeplňovaného motoru
ústav Autokut v Maďarsku – prof. Czer, patentováno
při výpočtu se uplatňuje se analogie s kmitáním elektrických obvodů
umožňuje naladění na určitou oblast provozu motoru
Vv - vyrovnávací nádoba; minimálně Vv = 1,5.VM
lr – délka rezonanční trubky; lr > 8.dr; průměr dr dán
skutečností, že průřez Sr se volí zpravidla tak,
aby vmax = 60 m/s
Vr - objem rezonanční nádoby do které mohou ústit
max. 4 válce Vr = (0,5 ÷ 10).VM
lp - plnicí potrubí, co nejkratší a má platit lp < k / nM ,
kde k je konstanta závislá na provedení motoru
a uspořádání systému, kupř. pro 6-ti válcový
motor při napojení 3 válců do jedné Vr je k =
1500 1/min
39/58
SYSTÉM HYPERBAR
• regulace obtoku vzduchu mimo válec motoru z výtlaku dmychadla do
výfukového potrubí před turbínu
• umožňuje výrazné zvýšení výkonu turbíny tím, že je před ní vřazena
spalovací komora využívající tento vzduch z obtoku k dalšímu spálení
paliva a tím ke zvýšení energie výfukových plynů vstupujících do turbíny
• lze tak dosáhnout vysokých plnicích tlaků a tedy i výkonu motoru
• aby maximální spalovací tlaky nepřesáhly přípustné hodnoty je nutné
používat nízkých kompresních poměrů motoru řádově jen ε = 6 ÷ 8;
poměrné stlačení v kompresoru πD = 5 ÷ 6; čemuž odpovídá
εD = 3,2 ÷ 3,6 a dosahovaný střední efektivní tlak je až pe = 3 MPa
- nízké ε motoru neumožňuje
startování
- rozběh TD elektromotorem, po
dosaž. dost. tlaku a teploty plnicího
vzduchu se tento vede i do motoru
a provede se startování
- horší ekonomie, složité
- použití např. tank AMX Leclerc (F)
40/58
SÉRIOVÉ VŘAZENÍ MECHAN. DMYCHADLA (I)
• v oblasti nízkých provozních otáček dochází navíc s růstem dopravovaného
množství i ke zlepšování ηise, což celý efekt dále umocňuje
• tento systém je tedy vhodný pro:
- oblast nízkých provozních otáček, kdy motor pracuje s malým přebytkem
vzduchu
- pro provozní režimy, kde dmychadlo pracuje s nižší ηise blízko meze
nestability
• růst přebytku vzduchu blíže k optimální hodnotě zlepšuje ekonomiku
provozu a při dané dodávce paliva roste s λ i pe, a tedy klesá mpe ,
příčinou je růst indikované účinnosti (zejména chemické)
• poměrně perspektivní systém
41/58
SÉRIOVÉ VŘAZENÍ MECHAN. DMYCHADLA (II)
• systém použit např. u zážehového motoru VW 1,4 TSI
• maximální výkon 125 kW a točivý moment 240 Nm v rozmezí
1750 – 4500 ot./min při kompresním poměru 10,1:1
• obrácené uspořádání TD a MD, doplněno regulační klapkou
(twincharger), turbina s obtokem výf. plynů
42/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU NATÁČENÍM
ROZVÁDĚCÍCH LOPATEK TURBÍNY
• při tomto způsobu regulace plnicího tlaku protéká turbínou stále plný
hmotnostní tok, daný hltností motoru a hmotnostní spotřebou paliva
• turbína se navrhuje na maximální hmotnostní tok a optimální geometrie
na hmotnostní tok odpovídající přibližně středu regulované oblasti
• v důsledku narůstajících třecích a sekundárních ztrát při náběhu
vstupujícího proudu na lopatky rotoru dochází na obě strany od optimální
výpočtové oblasti ke zvýšení HisTc, ale jen k malým změnám stupně reakce
turbíny ρT
• regulace se provádí úpravou rychlostního trojúhelníku na vstupu do rotoru
turbíny
Turbodmychadlo s natáčivými rozváděcími lopatkami
43/58
KOMBINOVANÁ REGULACE PLNICÍHO TLAKU
• snaha snížit tlaky a teploty výf. plynů před turbínou při jejich odpouštění
• odpouštěcí klapka b doplněnou směrovou klapkou a pro úpravu víru
v rozváděcí skříni a tím i rychlostního trojúhelníku na vstupu do rotoru
turbíny
• v poloze d směrová klapka vytváří podmínky normální turbínové skříně
s regulací jen odpouštěním, v poloze c zvětšuje obvodovou složku
rychlosti v bezlopatkové rozváděcí skříni
• v kombinaci s odpouštěním se vytváří při této regulaci příznivější stavy
plynu před turbínou, než při samotném odpouštění výfukových plynů
• v menší míře se dociluje efektu, jako
při natáčení rozváděcích lopatek
• jednodušší systém než natáčení
lopatek
• použito na motoru XU10J4TE
automobilu Peugeot 405 T16
44/58
REGULACE PLNICÍHO TLAKU ZMĚNOU
ŠÍŘKY STATORU TURBÍNY
• zdánlivě nejjednodušší způsob změny
geometrie turbíny, ale technická
náročnost vyplývá z jeho principu
• celé rozváděcí kolo s lopatkami, je
nutno rovnoměrně po celém obvodě
axiálně posouvat v turbínové skříni při
teplotách až 800 oC a přitom lopatky
zasouvat do prstence v druhé stěně,
která má vytvořené otvory
s profilem zasouvaných lopatek
45/58
DVOUSTUPŇOVÉ REGULOVANÉ PŘEPLŇOVÁNÍ
• realizováno větším NT TD a menším VT TD, kde VT T1 je opatřena
bypassem s elektronicky řízeným regulačním ventilem RV
• RV s bypassem je možné část mv odvést VT, která však vyexpanduje
v nízkotlaké turbíně T2, takže nárůst tlaků a teplot při regulaci je
podstatně mírnější, než u jednostupňové regulace
• při použití dvou chladičů plnicího vzduchu CH1 a
CH2 se dosáhne téměř konst. průběhu středního
efektivního tlaku pe v širokém rozmezí otáček
• při maximálním zatížení se v převážné části
charakteristiky dosáhne poměrně vysoké hodnoty
minimálního spalovacího přebytku vzduchu
λZ = 1,9 a tudíž i minimální kouřivosti motoru
• je možné se regulací přiblížit k optimálnímu
stlačení vzduchu v obou stupních kompresorů K1
a K2 a tím i k jejich minimální kompresní práci
- snížení měrné spotřeby paliva
• oproti klas. 2° přeplňování u motoru se zdvihovým
objemem 12 dm3 o 6 až 8 g kW-1h-1
46/58
TURBODMYCHADLO S ELEKTRICKÝM POHONEM
•
•
•
•
pro zvýšení akceleraceschopnosti turbodmychadly přeplňovaných motorů
probíhá vývoj pro všechny typy motorů (Turbodyne + Garret, BMW)
asynchronní elektromotor mezi kompresorem a turbínou
elektromotor turbodmychadla pracuje pouze při potřebě prudké
akcelerace, kdy je schopen zvednout podstatně plnicí tlak a tím i točivý
moment motoru
• předpokládá se speciální elektrická výstroj – akumulátor a jeho dobíjení
v generátorovém provozu při konst. zatížení motoru
47/58
DMYCHADLO S ELEKTRICKÝM POHONEM
• VTES (Variable Torque Enhancement System)
• Elektricky poháněný radiální kompresor s integrovanou kontrolní a
výkonovou elektronikou
• Neodebírá motoru tolik výkonu jako mechanicky poháněný
kompresor
• Lze použít pro zážehové, vznětové motory i na již přeplňované
• Výhody
– Nižší odběr výkonu motoru
– Řídící jednotka určuje potřebné otáčky
kompresoru nezávislé na otáčkách motoru
– Menší nároky na zástavný prostor
– Rychlejší reakce na sešlápnutí plynového pedálu
– Roztočení na provozní otáčky téměř okamžitě
– Nižší spotřeba, emise CO2, obsah pevných částic
• Nevýhody
– Nevyužívá energii výfukových plynů
48/58
48
DYNAMICKÉ IMPULSNÍ PŘEPLŇOVÁNÍ
• hlavní výkonnou součástí elektricky řízený
•
•
klapkový ventil,vložený do sacího nátrubku
mezi ventil a kolektor sání
plnicí tlak - závislý na otáčkách motoru a činí
kolem 1,18 kPa při nejnižších otáčkách
motoru a zlepšuje hmotnostní naplnění válce
nejlepší účinnost - hned po startu motoru při
otáčkách 1000 1/min , kde zlepšení vůči
motoru s přirozeným nasáváním je kolem
13%. Při zvýšení otáček zlepšení plnicíKlapka pro dynamické impulsní přeplňování…
účinnosti přibližně lineárně klesá a při 2000
1/min je již jen kolem 7%
Průběh tlaků před a za klapkou, průběh zdvihu
ventilů a otevření klapky
Porovnání průběhů točivého momentu motoru
s dynam. impuls. přeplňováním a jinými systémy
49/58
DVA SEKVENČNÍ TURBOKOMPRESORY
• dvoustupňový systém nové konstrukce pro vznětové motory PSA/FORD
• technologie dvou sekvenčních turbokompresorů, systém (patent Honeywell
Turbo Technology) se skládá ze dvou identických turbokompresorů
menších rozměrů
• při nízkých otáčkách pracuje pouze jedno turbo, druhé je aktivováno
paralelně v rozpětí od 2 600 do 3 200 otáček v závislosti na zatížení motoru
a atmosférických podmínkách
• management přeplňovací soustavy umožňuje výrazné potlačení prodlevy
motoru po sešlápnutí plynového pedálu, navíc, protože v nízkých otáčkách
pracuje pouze nízkotlaké turbo, dochází
k výraznému snížení spotřeby
50/58
TURBODMYCHADLO TWIN-SCROLL
• dvoustupňový systém nové konstrukce pro zážehové motory PSA/BMW
• komp. poměr 10,5:1, max. otáčky TD 220,000 min-1
• TD Twin-Scroll má ne jeden ale dva kanály, z nichž každý přivádí výfukové
plyny vždy od dvou válců, to vede ke snížení protitlaku turbodmychadla při
nízkých otáčkách, lepšímu využitím dynamiky pulsujících výfukových plynů
51/58
Dvoudobý turbodiesel Daihatsu 2CDDI-II
• frankfurtský autosalón 2005
• v sání je zařazen mechanický kompresor, poháněný řemenem od
•
klikové hřídele, druhým stupněm je dmychadlo poháněné výfukovými
plyny.
vyhovuje emisním limitům díky elektronicky řízená recirkulace
výfukových plynů (značná část spalin se vrací do sání), elektronicky
ovládaný přepouštěcí ventil, vstřikování paliva a optimalizovaný tlak
v sacím potrubí za všech otáček resp. optimalizovaný tvar
přepouštěcího kanálu, který umožňuje kontrolovanou výměnu staré
a nové náplně válce
Motor má dva ventily (v každém válci
jeden), které obsluhují výfukovou
stranu procesu. Motor má konvenční
systém mazání (tedy netřeba míchat
palivo s olejem), spotřebu oleje snižují
tradiční pístní kroužky. Vyšší kulturu
projevu dvouválci propůjčuje
vyvažovací hřídel.
Tech. údaje: zdvihový objem 1200 cm3,
nejvyšší výkon 65 kW a točivý moment
230 Nm.
52/58
SYSTÉM COMPREX – TLAKOVÝ VÝMĚNÍK
• využívá energie výfukových plynů, která se přímo předává plnicímu
•
•
•
•
vzduchu v průchodném rotoru tlakového výměníku, resp. v jeho
jednotlivých komorách
pohon rotoru je zajištěn od klikového hřídele motoru a má
v podstatě pouze synchronizační funkci
spaliny vstupující do tlakového výměníku o tlaku značně vyšším než je
tlak vzduchu v jednotlivých komůrkách tento vytlačují do plnicího potrubí
motoru
protože se rotor výměníku pootáčí, neprocházejí spaliny celým rotorem,
ale vrací se do výfukového potrubí za současného plnění komůrek rotoru
čerstvým vzduchem atd.
celý děj je značně složitější v důsledku kmitů probíhajících v plnicím i
výfukovém traktu motoru
53/58
BMW – systém „Efficient Dynamics“
řada úprav pro zvýšení energetické účinnosti jak v motorech, tak
v dalších partiích vozidla
Motor:
- přímé vstřikování paliva
- přeplňování
- snižování objemu motoru
Další možnosti v příslušenství motoru, převodech, rekuperace
energie atd…
Typ
BMW 323i - 1983
BMW 325i - 2009
Spotřeba paliva
10,3 l/100 km
- 31 %
7,1 l/100 km
Výkon motoru
102 kW
+ 57 %
160 kW
Točivý moment
205 Nm
+ 32 %
270 Nm
Kvalita emisí
ECE R15-04
+ 95 %
EU4
Zrychlení
9,2 s
- 27 %
6,7 s
Hmotnost vozidla
1080 kg
+ 39 %
1505 kg
54/58
BMW – systém „Turbostreamer“
55/58
Současné motory s nejvyšší účinností
• současné motory pro nákl. vozy – max. účinnost kolem 45 %
• ve výzkumu a vývoji vícepalivové motory pro vozidla s řízeným
spalováním s již dosaženou účinností 50 až 53 %
• velké motory – většinou lodní, přeplňované dvoudobé motory
• až čtrnáctiválcový přeplňovaný vznětový dvoudobý motor WartsilaSulzer určený pro lodě dává z 1820 litrů objemu jednoho válce výkon
až 6 MW (102 ot/min) při účinnosti přes 50%
• lodní motor MAN MC7 s účinností dokonce kolem 55%
56/58
Závěry
• spalovací motory – velmi důležité stroje v dopravě i
•
•
•
•
•
energetice v současnosti a minimálně i v blízké budoucnosti
přeplňování – základní způsob pro zvýšení parametrů
motoru i jeho efektivity, parametry lze významně ovlivnit
regulací
velmi důležitá volba – paliva (zemní plyn, alternativní paliva,
vícepalivové systémy)
další prvky motoru pro zvýšení efektivity - řízení a regulace
spalovacího procesu, vypínání válců, elektrická čerpadla,
rekuperace spalin, doplnění oběhu
příslušenství motoru - filtrace a čištění spalin a jiné,
start-stop systémy a rekuperace energie z brzdění v
dopravě
pro velké motory – podařilo se dosáhnout tepelnou účinnost
přes 50 %
57/58
POUŽITÉ ZDROJE
• Doc. Ing. Karel Hofmann, CSc.: REGULOVANÉ PŘEPLŇOVÁNÍ VOZIDLOVÝCH
MOTORŮ, Učební text Ústavu dopravní techniky
FSI-VUT Brno, 2000
• Ing. Ladislav Bartoníček, CSc.: PŘEPLŇOVÁNÍ PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORÛ,
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI, Fakulta strojní, Katedra strojů průmyslové
dopravy, 2004
• www.auto.cz, www.autorevue.cz, www.turbobygarrett.com a další…
TATO PREZENTACE JE SPOLUFINANCOVÁNA EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
58/58