Oplading (drukvulling)

Transcriptie

1 Oplading (drukvulling) - Doel : opvoeren leveringsgraad en motorvermogen : lucht onder hogere druk toevoeren zodat m c = λ l m s toename druk (door compressor) geeft ook T waardoor ρ en m c (ook T van motoronderdelen) daarom dikwijls tussenkoeling (intercooling) zodat T < 45 C grote diesels < 60 C automotoren - Motoren met vonkontsteking groot vermogen voor kleine V s door λ 1, n >>, ε >, meerdere kleppen, elektr. injectie bij oplading p en T zodat klopgevaar stijgt ε η v b e vliegtuigmotoren: zinvol op 2500 m hoogte ca 25% vermogen verlies gebruik klopvaste brandstoffen en compromis tussen rendementsverlies (ε <) en vermogentoename - Dieselmotoren zelfaanzuigende diesel kleiner vermogen dan Ottomotoren (benzine, LPG) voor zelfde V s wegens λ > en n < tamme wagens oplading geeft meer vermogen, ook hoger p en T in cilinder minder ontstekingsuitstel en zachtere verbranding P m ct P e η m η e en dus b e zuigermotoren 6 slide 1

2 1. Oplading met mechanische aandrijving 1.1 Rootscompressor - tot tr/min - wegens uitzetting zuigers p 2 /p debietlevering pulserend trillingen, lawaai te verminderen : meerdere lobben, schuine lobben, demperfilter 1.2 Spiraallader geïntroduceerd op PW (kleine aantallen) o.a. VW mechanische opladers geven : - vlugge antwoordtijd - vlakke M e - kromme maar HOGER VERBRUIK 2. oplading met uitlaatgasturbine ± Turbo oplading 2.1 Soorten oplading Gelijkdruk oplading - werkingsprincipe - theoretisch p-v diagram zuigermotoren 6 slide 2

3 Thermodynamische beschouwingen : - in uitlaatgassen nog 30 tot 40% v.d. toegevoerde energie (afhankelijk van motortype) - oplading heeft als W theor slechts 3 à 5% nodig - oplading is echter niet zo probleemloos ±Energie verliezen : 1. in de turbolader rendementen turbine en compressor 2. onvolledige recuperatie v.d. uitlaatgasenergie zelf bij volledige expansie tot p at kan niet alle warmte nuttig gebruikt worden. Volgens 2 de hoofdwet thermo, moet een deel v.d. warmte afgegeven worden aan de omgeving. irreversibele wervelverliezen (kleppen, leidingen, ) omgezet in warmte, maar warmte bevat steeds een deel anergie warmteverlies door wanden menging van warme gassen met koude T en deel anergie zuigermotoren 6 slide 3

4 Gebruik van uitlaatgasenergie (voor gelijkdruk systeem) 1. opp : isentrope energie van comprimerende lucht 2. opp : isentrope energie beschikbaar aan turbine 3. opp : energie beschikbaar bij volledige expansie 4. opp : bruikbaar deel van energie aanwezig in uitlaatgassen 9 a) 5 links van BDP om rekening te houden met 4 doorgespoeld volume b) punt 10 valt niet samen met ODP wegens inkrimpen door koeling c) van uit 1 isentrope expansie tot p 7 geeft 7 expansie in vat geeft wervels opwarming soortelijk volume 7 d) opp 1 = opp 2 ; opp 3 geeft 4 opmerking : deellast : druk in de gascollector kleiner zodat grotere kinetische energie bij stroming van cilinder naar collector meer verliezen en problematische oplading zuigermotoren 6 slide 4

5 Puls- of stootoplading expansie energie beter recupereren drukgolven - collectors met kleine sectie druk stijgt snel ; voortplanting drukgolf - stromingssnelheid partikels klein ± uitlaatenergie door drukgolven naar de gasturbine ook kinetische energie impulssysteem : goede energierecuperatie bij deellast tegendruk in uitlaat veranderlijke amplitude beperkt aantal cilinders in dezelfde collector klepoverlapping ( ) veel groter dan zelfaanzuigende motoren : - goede spoeling en goede vulling - temperaturen motoronderdelen en gasturbine laag zuigermotoren 6 slide 5

6 Voor- en nadelen gelijkdruk- en pulssystemen - voordelen gelijkdruk systemen : eenvoudiger geometrie gelijkmatiger bestuiving turbineschoepen - η - geen trillen lager brandstofverbruik vollast gemiddeld lagere tegendruk bij uitlaatslag - voordelen pulssysteem vluggere antwoordtijd v.d. groep (geen inertie van grote hoeveelheden gassen in grote collector) hogere energierecuperatie en betere oplading bij deellast zuigermotoren 6 slide 6

7 Toepassingsgebieden - viertaktmotoren minder turbine energie nodig zuiger helpt bij ladingswisseling pulssysteem recupereert zowel bij vollast als deellast voldoende energie voor stabiele oplading toepassingen met korte antwoordtijd en goede transient prestaties ± pulssysteem (tractiemotoren, generatorgroepen, stand-by groepen) grote marine motoren ± gelijkdruk met moderne turbogroepen met hoog rendement ook stabiele oplading bij deellast reden : - eenvoudiger - beter motorrendement (b e <) zuigermotoren 6 slide 7

8 Toepassingsgebieden - Tweetaktmotoren kleine 2 - takters (moto, brommer, ) spoeling geen oplading wel grote 2 takters (scheepsmotoren) meer spoellucht nodig in kortere tijd geleverd (rond ODP) geen hulp van zuiger (krukas) gelijkdruk (wegens voordelen) geassisteerd bij deellast nu elektrische blaasmachine vroeger bijkomende pomp of onderkant zuiger zuigermotoren 6 slide 8

9 2.2. Afgeleide oplaadsystemen Pulse converter - als aantal cilinders veelvoud van 3 bv 9 dan 3 verzamelleidingen met elk 3 cilinders - als ander cilinderaantal bv 8 twee cilinders samen die elkaar niet hinderen (Δ α > 240 kh) in één leiding via een gelijkrichter of pulse converter met een andere leiding : drukgolven geen hinder bij spoeling Andere systemen - Multipulse converter pulse converter met meerdere ingangen - Modular pulse converter elke uitlaat eigen pulse converter (ejector) combinatie voordelen impuls en gelijkdruksysteem zeer eenvoudige constructie zuigermotoren 6 slide 9

10 2.3. Limieten oplading - lage druk oplading (vermogentoename tot 50%) - turbolader geen grote wijzigingen - nokkenas - ander injectiesysteem - hoge drukoplading (100% en meer) speciaal ontwerp wegens p en T problemen: doorblazen oliefilm (scuffing) zwaardere belasting lagers hogere temperaturen motoronderdelen (α met ρ) nakoeler (tussenkoeler) beperken p max (vb 130 bar) ε om p max < (gevaar voor startproblemen) zuigerkoeling grote klepoverlapping (bv 140 kh) om goede spoeling en T zuigermotoren 6 slide 10

11 3. Oplading van automotoren 3.1. Turbo oplading vrachtwagens : volumetrisch oplaadsysteem vervangen door turbo oplading 6 kw/t max 38 T dit kan met 8 of 12 cilinder zelfaanzuigend of 6 cilinder opgeladen Turbo oplading van voertuigdiesels probleem : bij n << (deellast) M e dwz : weinig koppeloverschot weinig elastische motor oplossing : vrachtwagens : gangwissels tot 16 gangen PW : waste gate systeem ontwerpvoorwaarden turbine optimaal voor gasdebiet n nom n = 2 bij n > overmaatgas door by-pass beter rendement en koppel bij n < dan een turbine ontworpen voor max gasdebiet koppelverloop ook kleinere nasluiting van inlaatklep voor beter vulling bij n < zuigermotoren 6 slide 11

12 Turbo oplading van benzinemotoren probleem : klopgevaar oplossingen : ε koelen oplaadlucht (< 60 C) beperken oplaaddruk (waste gate) ontstekingsvertraging bij hogere oplaaddruk ontstekingsvertraging op impuls klopsensor 3.2. Oplading met mechanische aandrijving - Rootscompressor bij vrachtwagens - G - lader bij PW wegens : + kortere antwoordtijd (rally auto s) + vlakkere koppelkromme (betere acceleratie bij n <) - kleiner max vermogen - hoger verbruik zuigermotoren 6 slide 12

13 3.3. Oplading met Comprex systeem samendrukken verse ladingslucht door uitlaatgasdrukgolf - oplading beter bij lage toerentallen - kortere antwoordtijd principe schets - aandrijving d. m. v. riemschijven n max = tr/min - gasstroming - samenspel van golven gesloten rand : golven weerkaatst met behoud van teken open rand : pos. golf negatief weerkaatst negat. golf positief weerkaatst voordelen : - elastische koppelkromme - snelle antwoordtijd - E.G.R. zonder bijkomende installatie NO X nadelen : - iets hoger verbruik (mech. verliezen) - grotere omvang en gewicht dan turbo - meer lawaai - duurder dan turbo zuigermotoren 6 slide 13