Definitie verbrandingsmotor. Een verbrandingsmotor is een warmtekrachtmachine, die thermische energie omzet in mechanische energie

Transcriptie

1 Definitie verbrandingsmotor Een verbrandingsmotor is een warmtekrachtmachine, die thermische energie omzet in mechanische energie

2 Indeling voor motorvoertuigen Verbrandingsproces Vorming van het verbrandingsmengsel Aard van de vulling van de cilinder Gaswisseling Ontsteking Vorm verbrandingsruimte Deling van de verbrandingsruimte Plaatsing van de verbrandingsruimte Bouwvorm van de motor Stand van de cilinderas koeling

3 Langs- en dwarsdoorsnede motorpag 12 Indeling motoren

4 Wankelmotorpag 14 slagen van een wankelmotor Zie links de komvormige verbrandingskamers

5 Bouwvormen van de motorpag 18 Verschillende motortypen

6 Boring en slagpag 20 Basisbegrippen BDP = bovenste dode punt ODP = onderste dode punt D = boring s = slag r = krukstraal /kruklengte

7 De boring slag verhoudingpag 21 a: lange slag: s>d b: korte slag: s=d (vierkante motor) c: korte slag: s<d (overvierkante motor)

8 Slagvolume en cilinderinhoudpag 22 Het slagvolume (V s ) is het volume van één cilinder tussen ODP en BDP. De cilinderinhoud is het slagvolume keer het aantal cilinders. 1 V =. π. D 2. s s 4

9 Kruk drijfstang verhoudingpag 23 r = krukstraal l = drijfstanglengte r λ = l r λ = l λ = 1 3, ,5

10 Gemiddelde zuigersnelheidpag 24 De gemiddelde zuigersnelheid: De maximale zuigersnelheid wordt bereikt als de hoek tussen kruk en drijfstang circa 90 0 is. Waarom??

11 Compressieverhoudingpag 27 De compressieverhouding is de verhouding tussen: begin en eindvolume. ε = V +V s V c c

12 Compressie einddruk Als de compressieverhouding bekend is kunnen ook de einddruk en de eindtemperatuur worden berekend: pv. T = constant

13 Vierslagproces Het vierslagproces bestaat uit: Inlaatslag Compressieslag Arbeidsslag Uitlaatslag

14 4-takt procespag 30 Kenmerken inlaatslag zijn: geopende inlaatklep neergaande zuiger toenemend volume cilinder vult zich met een brandbaar mengsel.

15 4-takt procespag 31 Kenmerken compressie-slag zijn: beide kleppen gesloten opgaande zuiger afnemend volume mengsel wordt gecomprimeerd

16 4-takt procespag 31 Kenmerken arbeidslag zijn: verbranding van het mengsel neergaande zuiger toenemend volume beide kleppen gesloten expansie van hete gassen

17 4-takt procespag 32 Kenmerken uitlaatslag zijn: uitlaatklep open opgaande zuiger afnemend volume afgewerkte gassen worden naar buiten gedrukt.

18 Fig. 23. Een mengsel- of Ottomotor: Een 1,6 ltr., 4-cilinder, 4-takt motor met twee bovenliggende nokkenassen, vier kleppen per cilinder en nokkenasaandrijving door een tandriem (Opel). Pag 29

19 4-takt procespag32 Vraag is: Waarom comprimeren, dit kost toch arbeid en is dus een verlies? Stel bij verbranding vrijkomende warmte zorgt voor een temperatuursstijging van een factor 5, dus: T 3 = 5 T 2. Dan volgt voor de druk in de cilinder eveneens: p 3 = 5 p 2 Dan volgt: niet comprimeren:p 2 (= p 1 ) = 1 bar (buitenluchtdruk!) p 3 = 5 bar wel comprimeren:stel p 2 15 bar p 3 75 bar!! Er wordt dan duidelijk meer arbeid W geleverd!

20 Indicateur- of pv-diagrampag33 i.o. = inlaat opent (a) i.s. = inlaat sluit (c) u.o. = uitlaat opent (f) u.s. = uitlaat sluit (b) Fig. 28. Het indicateurdiagram van een 4-takt Ottomotor.

21 p-α diagrampag33 Fig. 29. Een p-α diagram van een 4-takt Ottomotor met een voorbeeld van een zgn. kleppendiagram.

22 Voor-ontstekingpag34 Voor-ontsteking heeft twee redenen, t.w.: de ontstekingsvertraging de verbrandingsduur Zodanig dat max. druk ca na het BDP optreedt.

23 Ontstekingsvertragingpag34 De ontstekingsvertraging is: tijd tussen ontsteking en aanvang van de verbranding Bedraagt ca. 1 ms.

24 Verbrandingpag34 verbranding is geen explosie! mogelijk plaatselijke zelf-ontbrandingen: pingelen! dit heeft verwoestende gevolgen voor de motor! pingelen moet dus voorkomen worden

25 Vliegwielpag35 Functie vliegwiel: aandrijving tijdens de 3 arbeidkostende slagen: inlaat, compressie en uitlaat Echter, nog enkele bijkomende functies, t.w.: bepaalt oneenparigheidsgraad onderdeel krachtoverdracht bevestiging starterkrans

26 Vliegwielpag35 Fig. 30. Krukas met vliegwiel van een 4-cilindermotor

27 Dieselmotorpag36 Fig. 31. Het 4-takt proces bij een dieselmotor. A = inlaatslag C = arbeidslag B = compressieslag D = uitlaatslag

28 Indicateur- of pv-diagrampag37 Fig. 32. Indicateur- of pv-diagram van een 4-takt dieselmotor. c = inspuitmoment

29 Principiële verschillen Otto Dieselmotorpag38 Fig. 33. Onderscheid tussen Otto- en Dieselmotor. A = brandstoftoevoer B = luchttoevoer C = carburateur of benzine-inspuitventiel resp. dieselinspuitpomp D = stroomverdeler E = bougie resp. verstuiver

30 Principiële verschillen Otto Dieselmotorpag38 Ottomotor lang meng- en verdampingstraject een homogene mengselvorming (uitgezonderd de zgn. mager-mengselmotoren) gevolgd door vonk-ontsteking Diesel verstuiven-mengen-verdampen en verbranden verlopen (nagenoeg) gelijktijdig heterogene mengselvorming gevolgd door zelf-ontbranding

31 Verschillen Otto- en Dieselmotorpag40 Compressie-verhouding ε Diesel Otto ε = ε = 7-10 ε = (met drukvulling) ε = 8-12 (2-takt) ε = (multifuel-motoren) ε = (race-motoren) Compressie-einddruk p 2 Diesel p 2 = bar p 2 = tot 60 bar (drukvulling) p 2 = bar (multifuel) Otto p 2 = 8-15 bar Compressie-eindtemperatuur Diesel Otto t 2 = C t 2 = C t 2 = C (multifuel)

32 Verschillen Otto- en Dieselmotorpag40 Brandstof-inspuitdruk Diesel p = bar p = bar (common-rail) Maximale verbrandingsdruk p 3 Diesel p 3 = bar p 3 = tot ca 135 bar (drukvulling) Otto (inspuitmotoren!) p = 1-1,5 bar (single-point) p = 2,5-3 bar (multi-point) p = bar (directe inspuiting) Otto p 3 = bar (carburatie) p 3 = tot ca 60 bar (inspuiting) Maximale verbrandingstemperatuur (bij vollast) Diesel Otto t 3 = ca C t 3 = C

33 Verschillen Otto- en Dieselmotorpag40 Gemiddelde effectieve zuigerdruk p e Diesel Otto p e = 6-10 bar p e = 8-11 bar p e = bar (drukvulling) p e = bar (drukvulling) Uitlaatgastemperatuur (bij vollast) Diesel Otto t 4 = C t 4 = C Restdruk in cilinder (vlak voor openen uitlaatklep) Diesel Otto p 4 = 7-10 bar p 4 = 3-5 bar

34 Verschillen Otto- en Dieselmotorpag41 Totaal rendement η e Diesel Otto η e = 28-42% (snellopende) η e = 22-32% η e = 40-50% (langzaam-lopende 2- en 4-takt Specifiek brandstofverbruik b e Diesel b e = g/kwh (D.I.) b e = g/kwh (I.D.I.) Otto b e = g/kwh Zelfontbrandingstemperatuur van de brandstof Diesel Otto t C t C Bedrijfstoerental (max.) Diesel n max = omw/min (scheepsmot.) n max = omw/min (snel-lopers) Otto n max = omw/min n max = tot ca (race motoren)

35 Verschillen Otto- en Dieselmotorpag42 Arbeidsregeling Diesel kwaliteits-regeling Otto kwantiteits-regeling Diesel constante luchthoeveelheid variabele brandstofhoeveelheid Dus kwaliteits-regeling Otto variabele mengselhoeveelheid constante mengverhouding Dus kwantiteits-regeling

36 Arbeidsregelingpag43 Fig. 35. Arbeidsregeling. a. Dieselmotor = kwaliteitsregeling (bij lage belasting P ong. gelijk) b. Ottomotor = kwantiteitsregeling (bij lage belasting P wordt lager)

37 Motorcomponentenpag44 De verbrandingsruimte wordt gevormd door: de cilinder zuiger + zuigerveren cilinderkop + kleppen De mechanische overbrenging komt tot stand door: zuiger drijfstang krukas + vliegwiel De krukas + de drijfstang vormen samen het zgn. krukdrijfstang mechanisme.

38 Motorcomponentenpag45 Bij de gaswisseling zijn betrokken: zuiger kleppen (+ klepbediening) inlaatleiding = inlaatspruitstuk (+ luchtfilter) uitlaatleiding + dempers De klep-bediening vindt plaats m.b.v.: tuimelaars / tuimelarmen / slepers Stoterstangen (eventueel) klepstoters / komstoters nokkenas + aandrijving (distributie)

39 Motorcomponentenpag45 De mengselvorming vindt plaats bij: Otto-motoren d.m.v.: carburateur + inlaatspruitstuk of bij benzine-inspuiting: luchthoeveelheidsmeting c.q.-meter brandstof-toevoersysteem c.q.-inspuitsysteem brandstof-inspuitelementen elektronische regeleenheid inlaatsysteem

40 Motorcomponentenpag45 De mengselvorming vindt plaats bij: Dieselmotoren d.m.v.: brandstof-toevoersysteem luchthoeveelheidsmeter (bij UGR = uitlaatgasrecirculatie) brandstof-inspuitpomp c.q. hogedruk pomp(hoge druk!) verstuivers elektronische regeleenheid

41 Motorcomponentenpag De ontsteking wordt verzorgd bij: Ottomotoren door: bougie verdeler / onderbreker bobine voeding / elektronische regeleenheid Dieselmotoren door: zelfontbranding t.g.v. brandstofinspuiting in de hete lucht.

42 Motorcomponentenpag46 De koeling komt tot stand door middel van: koelmiddel: koelvloeistof of lucht Koelmantel / koelribben pomp / koelventilator De smering tenslotte, wordt verzorgd door: smeermiddel smeerolie-kanalen pomp met zeef + aandrijving filter(s) carterpan oliekoeler (eventueel)

43 2-takt procespag 50 Fig. 38. De verschillende fasen bij het 2-takt proces. i = inlaat u = uitlaat s = spoelkanaal k = kam

44 2-takt procespag 51 Stand van de zuiger In het carter In de cilinder Rond BDP Aanzuigen Ontsteking Zuiger naar beneden Voor-comprimeren Arbeidsslag Rond ODP Overstromen naar cilinder Spoelen Zuiger omhoog Onderdruk aanzuigen comprimeren

45 2-takt procespag50 Bij het 2-takt proces is een aparte spoelpomp noodzakelijk! Hoger vermogen, maar niet 2-maal: het aantal arbeidsslagen is wel 2-maal zo hoog de gem. effectieve zuigerdruk is (helaas) lager: geleverde arbeid is slechts 1,3 tot 1,5 maal dat van gelijke 4-takt motor de oorzaak is het spoelproces: carterspoeling is niet bepaald de voordeligste oplossing

46 2-takt proces Minder arbeid door: slechtere cilindervulling: ca. 50% tegen 75 80% bij 4-takt slechtere cilindervulling is gevolg van: een ca % kleinere effectieve zuigerslag een slechtere spoeling van de cilinder

47 2-takt procespag51 Grondfout = carterspoeling Nadelen van de carterspoeling zijn o.a.: het pompvolume van het carter is te klein de schadelijke ruimte is te groot

48 Spoelsystemen bij 2-taktpag 51 Fig. 39. Diverse spoelsystemen van 2-takt motoren.

49 Spoelsystemen bij 2-taktpag 51

50 Poortdiagram

51 Poortdiagram

52 Verbeteringen voor 2-taktpag 51 Reed Valve

53 Smering bij 2-taktpag 51

54 Smering bij 2-taktpag 51

55 2-takt dieselmotorpag52 Fig. 40 Een 2-takt diesel zonder uitlaatkleppen: de GMdiesel, type 51. a. spoelen b. compressie c. arbeidsslag d. uitlaten

56 2-takt dieselmotorpag53 Fig. 41 Een GM 2-takt dieselmotor, type 71, met uitlaatkleppen en mechanisch aangedreven spoelpomp.

57 2-takt dieselmotor + spoelpomp

58 4-takt proces goede cilindervulling in gehele toerengebied vrij ongevoelig voor drukverliezen in uitlaatsysteem vullingsgraad-verloop te beïnvloeden door: keuze van de kleptiming aanpassen inlaatsysteem slechts één arbeidsslag per twee omwentelingen, d.w.z.: een laag specifiek motorvermogen ingewikkeld klepmechanisme nodig 2-takt proces slechtere cilindervulling door: kleinere effectieve zuigerslag slechtere spoeling zeer gevoelig voor de juiste uitlaattegendruk (niet te hoog, niet te laag) vullingsgraad te beïnvloeden door: in- en uitlaatsysteem (samen!) cartervolume poort-timing elke omwenteling een arbeidsslag, d.w.z.: een hoger specifiek motorvermogen eenvoudige en goedkope motorconstructie, echter bij de 2-takt met uitlaatkleppen toch weer een bedieningsmechanisme

59 Einde Grondslagen 4-takt en 2-takt d.w.z. t/m pag. 56