ΚΑΥΣΗ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ. Μ.Ε.Κ. Ι (Θ) Διαλέξεις Μ4, ΤΕΙ Χαλκίδας Επικ. Καθηγ. Δρ. Μηχ. Α. Φατσής

Transcript

1 ΚΑΥΣΗ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Μ.Ε.Κ. Ι (Θ) Διαλέξεις Μ4, ΤΕΙ Χαλκίδας Επικ. Καθηγ. Δρ. Μηχ. Α. Φατσής

2 Διαμόρφωση Θαλάμου Καύσης σε Βενζινοκινητήρα

3 Σχεδιασμός Θαλάμου Καύσης σε Βενζινοκινητήρα Τα κύρια στοιχεία που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον σχεδιασμό των θαλάμων καύσης είναιοιεξής: α. Η απόσταση που διανύεται από το μέτωπο φλογών πρέπει να ελαχιστοποιείται. β. Η βαλβίδες εξαγωγής και τα μπουζί πρέπει να είναι κοντά τοποθετημένα. γ. Πρέπει να υπάρχει ικανοποιητικός στροβιλισμός δ. Τα καυσαέρια πρέπει να βρίσκονται σε ένα «δροσερό» μέρος του θαλάμου καύσης.

4 Σχεδιασμός Θαλάμου Καύσης σε Βενζινοκινητήρα Για καλή οικονομία καυσίμου κανονικά πρέπει το καύσιμο αέριο μίγμα να καίγεται πλήρως και οι περιοχές στις οποίες η φλόγα εξαφανίζεται πρέπει να ελαχιστοποιούνται. Ο θάλαμος καύσης πρέπει να έχει ένα χαμηλό λόγο επιφάνειας-όγκου για να ελαχιστοποιείται η μεταφορά θερμότητας. Ο βέλτιστος όγκος που συνδυάζεται με την εμφάνιση ικανοποιητικών ταχυτήτων λειτουργίας είναι περίπου 500 cm 3 ανά κύλινδρο.

5 Σχεδιασμός Θαλάμου Καύσης σε Βενζινοκινητήρα Για τις μηχανές υψηλής απόδοσης, οι μικρότεροι κύλινδροι θα επιτρέψουν τη γρηγορότερη καύση, επιτρέποντας έτσι δημιουργία υψηλότερων ταχυτήτων. Για μια δεδομένη γεωμετρία, μειώνοντας τον όγκο ανά κύλινδρο από 500 cm 3 σε 200 cm 3 αυξάνεται η μέγιστη ταχύτητα μηχανών από περίπου 6000rpm σε 8000rpm. Ο λόγος της διαμέτρου των κυλίνδρων σε σχέση με την διαδρομή του εμβόλου είναι επίσης σημαντικός. Όταν η διαδρομή του εμβόλου είναι μεγαλύτερη από τη διάμετρο, η μηχανή λέγεται ότι είναι «υπό-τετράγωνη».

6 Σχεδιασμός Θαλάμου Καύσης σε Βενζινοκινητήρα Στις «υπέρ-τετράγωνες» μηχανές η διάμετρος κυλίνδρων είναι μεγαλύτερη από την διαδρομή των εμβόλων, κάτι που επιτρέπει τοποθέτηση μεγαλύτερων βαλβίδων για έναν δεδομένο όγκο. Αυτό βελτιώνει τις διαδικασίες εισαγωγής και εξαγωγής, ιδιαίτερα για υψηλότερες ταχύτητες μηχανών. Το μειονέκτημα με τις υπέρ-τετράγωνες μηχανές είναι ότι ο θάλαμος καύσης έχει πιο μικρό λόγο επιφάνειαςόγκου, οδηγώντας έτσι σε αυξημένη μεταφορά θερμότητας. Σε αντίθεση με τις υπό-τετράγωνες μηχανές, στις οποίες έχουμε θαλάμους καύσης με καλύτερο λόγο επιφάνειαςόγκου, και επομένως καλύτερη οικονομία καυσίμου.

7 Είδη Θαλάμων Καύσης Θάλαμος καύσης σφηνοειδούς μορφής.

8 Είδη Θαλάμων Καύσης Ημισφαιρικός Θάλαμος καύσης.

9 Είδη Θαλάμων Καύσης Θάλαμοι καύσης ισχυρής περιδίνησης στροβιλισμού

10 Είδη Θαλάμων Καύσης Θάλαμος καύσης μέσα στο έμβολο

11 Είδη Θαλάμων Καύσης Θάλαμοι καύσης αντεστραμμένου V

12 Διατάξεις Βαλβίδων Κινητήρες ελεγχόμενοι από κάτω

13 Διατάξεις Βαλβίδων Κινητήρες ελεγχόμενοι από κάτω

14 Διατάξεις Βαλβίδων Κινητήρες ελεγχόμενοι από πάνω Κινητήρας με κρεμαστές βαλβίδες και έναν εκκεντροφόρο στην κυλινδροκεφαλή (ΟΗC = overhead camshaft)

15 Διατάξεις Βαλβίδων Κινητήρες ελεγχόμενοι από πάνω Κινητήρας με κρεμαστές βαλβίδες και δύο εκκεντροφόρους στην κυλινδροκεφαλή (DOHC = double overhead camshaft)

16 Διατάξεις Βαλβίδων Κινητήρες ελεγχόμενοι από πάνω Κινητήρας με κρεμαστές βαλβίδες και εκκεντροφόρο μέσα στην κυλινδροκεφαλή (CIH = camshaft in head)

17 Καύση με φλόγα πρόσμιξης

18 ΚΑΥΣΗ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

19 Με τη φλόγα πρόσμιξης πρέπει η αναλογία αέρα-καυσίμου να βρίσκεται κοντά στη στοιχειομετρική. Ο έλεγχος της ισχύος της ΜΕΚ γίνεται με τη πεταλούδα που στραγγαλίζει τη ροή. Για ΜΕΚ με διάμετρο κυλίνδρου 100mm που περιστρέφεται στις 3000rpm, ο χρόνος για τη καύση είναι 10ms. Γιατολόγοαυτόεπιδιώκουμε τυρβώδη καύση.

20 Συστροφή μίγματος για καλύτερη δημιουργία τύρβης και καύση

21 Η ΙΣΧΥΣ ΣΕ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΟΤΤΟ ΑΥΞΑΝΕΤΑΙ ΑΥΞΑΝΟΝΤΑΣ ΤΗ ΠΟΣΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΜΙΓΜΑΤΟΣ Η ποιότητα του μίγματος (δηλ. ολόγοςαέρα καύσιμου) παραμένει σταθερή (AF 14.7) σε όλο το εύρος λειτουργίας του κινητήρα. Η καύση γίνεται με ομογενές μίγμα αέρα-καύσιμου Συστήματα ψεκασμού: (α) Σύστημα εξαεριωτή (β) Σύστημα μηχανικής έγχυσης (αντλία και διανομέας καταθλιβόμενου καυσίμου) (γ) Σύστημα ηλεκτρονικής έγχυσης (χρήση Η/Υ) (δ) Σύστημα έγχυσης και ανάφλεξης μαζί

22 ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΥΣΗΣ - ΚΑΥΣΙΜΑ Καύσιμα MEK: μίγμα υδρογονάνθρακες H-C Τέλεια καύση: προϊόντα μόνον H 2 O & CO 2 Στοιχειομετρική αναλογία αέρα-καυσίμου: ακριβώς απαιτούμενη για τέλεια καύση Τα υγρά καύσιμα που χρησιμοποιούνται στις ΜΕΚ έχουν μέση σύνθεση κατά βάρος 86%C & 14%Η (περ.). κ.β. στοιχ. αναλογία 14.7:1, δηλ 14.7Kg αέρα πρός 1kg καυσ.

23 Χαρακτηριστικά Βενζίνης European Standard EN228 Ιδιότητα (κύρια) Μονάδες Προδιαγραφή Αντικροτικότητα RON/MON Premium 95/85 Regular 91/82.5 Super plus 98/88 Πυκνότητα Kg/m Περιεκτικότητα σε θείο S mg/kg 150 Περιεκτικότητα σε βενζόλιο (C 6 H 6 ) % κατ όγκον 1 Περιεκτικότητα σε μόλυβδο Pb mg/lit. 5 Πτητικότητα Τάση ατμών, καλοκαίρι, min/max Τάση ατμών, χειμώνας, min/max KPa 45/60 60/90 Αριθμός Οκτανίων RON: Research Octane Number MON: Motor Octane Number

24 Αριθμοί οκτανίων RON & MON Ο αριθμός οκτανίου στη βενζίνη είναι χαρακτηριστικό για να μετρά τη την απόδοση του καύσιμου ενάντια στη κρουστική καύση. Η κλίμακα από το 0 έως το 100 διαιρείται θέτοντας τη τιμή 0 για το η-επτάνιο (συστατικό που προκαλεί κρουστική καύση) και τη τιμή 100 για το ισο-οκτάνιο (συστατικό που είναι ανθεκτικό στη κρουστική καύση). Κλίμακα RON και κλίμακα MON

25 Αντικροτικότητα: αντίσταση βενζίνης σε προαναφλέξεις / κρουστική καύση Αριθμός οκτανίων: % κ.ο. ισοοκτάνιο C 8 H 18 σε μίγμα με επτάνιο C 7 H 16 Δοκιμή σε πρότυπο κινητήρα: 100 =100% C 8 H 16 0 = 100% C 7 H 16 Βελτιωτικά πρόσθετα: ΜΤΒΕ, αλκοόλες κ.α.

26 Αριθμοί οκτανίων RON & MON Πρότυπο BS για αρ. RON & Πρότυπο BS για αρ. ΜΟΝ Δοκιμές στο πρότυπο κινητήρα ASTM CFR (Cooperative Fuel Research) Βενζίνη με RON 95 ισοδυναμεί με MON 85

27

28 Τέλεια (στοιχειομετρική) καύση

29 Ατελής καύση

30 ΚΑΥΣΗ ΟΚΤΑΝΙΟΥ: C H18 + O2 + 47Ν 2 8CO2 + 9Η 2Ο + 47 Λόγος αέρα καυσίμου: Λόγος ισοδυναμίας αέρα: Λόγος ισοδυναμίας καυσίμου: Πλούσιο μίγμα σημαίνει: Φτωχό μίγμα σημαίνει: AF = λ = μάζα μάζα = AF AF st 1 λ > 1, φ < Ν φ λ λ < 1, φ > αέρα καυσίμου 1 2 1

31 Η ακρίβεια στην κατανάλωση καυσίμου σε έναν με ανάφλεξη σπινθήρα εξαρτάται περισσότερο από την Αναλογία αέρα / καυσίμου. Η κατανάλωση είναι στο ελάχιστο δυνατό όταν η αναλογία αέρα καυσίμου είναι 15 μέρη αέρα σε ένα μέρος καυσίμου. 15KG Αέρας 1KG καύσιμο Για παράδειγμα, αυτό σημαίνει ότι 10,000 λίτρα αέρα είναι απαραίτητα για να κάψουν 1 λίτρο καυσίμου. Η ακριβής θεωρητικά αναλογία αέρα καυσίμου είναι 14.7 : 1 και είναι γνωστή σαν στοιχειομετρική αναλογία. 10,000 L Αέρας 1 L καύσιμο Τα οχήματα λειτουργούν τον περισσότερο χρόνο σε ημιφορτίο. Είναι σχεδιασμένα για χαμηλή κατανάλωση και εκπομπές καυσαερίων σε αυτό το εύρος στροφών. Όμως ένα πλουσιότερο μίγμα είναι πιο απαραίτητο στο ρελαντί και στο πλήρες φορτίο. Το σύστημα ψεκασμού πρέπει να είναι ικανό να ανταποκρίνεται σε αυτές τις καταστάσεις ανά πάσα στιγμή.

32 Λόγος λ (λάμδα) Για να καταλάβουμε πόσο πολύ διαφέρει η στοιχειομετρική αναλογία από τις πραγματικές απαιτήσεις,(14.7 : 1 ), επιλέχθηκε ο λόγος λ. λ = Πραγματικά εισερχόμενος αέρας Θεωρητικά απαιτούμενος αέρας λ = 1 Η παρεχόμενη ποσότητα αέρα είναι ίση της θεωρητικά απαιτούμενης λ > ( μεγαλύτερο από) 1 Μεγάλη ποσότητα εισερχόμενου αέρα φτωχό μείγμα λιγότερη απόδοση λ < ( Μικρότερο από ) 1 Λιγότερος εισερχόμενος αέρα, Πλούσιο μείγμα, αύξηση απόδοσης λ > 1.3 Το μείγμα είναι τόσο φτωχό που δεν είναι αναφλέξιμο.

33 Πλούσιο Φτωχό Απόδοση κινητήρα Κατανάλωση καυσίμου

34 Για τη στοιχειομετρική καύση του οκτανίου και για λ=1 έχουμε: AF st = AF = (12,5 + 47) Μαέρα = 8Μ + 18Μ C Η (12,5 + 47)*28, kg αέρα = 15,1 kg καυσίμου C Για τη καύση του οκτανίου με 25% περίσσεια αέρα: λ = 1,25 = H18 + O2 + 47Ν 2 8CO2 + 9Η 2Ο + 3,12Ο , 75 Ν 2

35 Διαδικασία καύσης σε κινητήρα βενζίνης Λόγος συμπίεσης σε Otto ε= Το μίγμα συμπιέζεται σε P=9 18bars & Θ= C κατά την στιγμή του σπινθιρισμού Το μέτωπο φλόγας κινείται από το σημείο έναυσης προς το απέναντι τοίχωμα (κανονική καύση) Max τιμές P=30..4bar & Θ= C Κρουστική καύση: ανεξέλεγκτη αυτανάφλεξη σε σημεία μέσα στο συμπιεζόμενο άκαυστο μίγμα P Κανονική καύση α, t Κρουστική καύση

36 λ Συμπέρασμα <0,5 Όριο ανάφλεξης. Πλούσιο μίγμα μη αναφλέξιμο πλέον <1,0 Έλλειψη αέρα. Πλούσιο μίγμα, αυξημένη ισχύς, επιτάχυνση 0,9 1,1 Καλό μίγμα 0,9 Μέγιστη ροπή στρέψης. Καλή λειτουργία, μεγάλη ειδική κατανάλωση >1,0 Περίσσεια αέρα. Φτωχό μίγμα, οικονομική λειτουργία 1,3 1,5 1,6 1,7 Όριο ανάφλεξης φτωχό. Το μίγμα δεν είναι πλέον αναφλέξιμο Όριο ανάφλεξης φτωχό για «φτωχούς» κινητήρες

37 Δυναμοδεικτικό Διάγραμμα πίεσης

38 Διάγραμμα πίεσης (...συνέχεια) 1 ο Στάδιο (ΑΒ): Σχηματισμός ενός αυτοδιαδιδόμενου πυρήνα φλόγας. Η σύντομη αυτή χρονική περίοδος που αποτελείται από την αρχική στρωτή καύση και τη μετάβαση σε πλήρως τυρβώδη καύση, αναφέρεται σαν περίοδος καθυστέρησης. 2 ο Στάδιο (ΒC): Στάδιο διάδοσης της φλόγας. Είναι το κύριο στάδιο της καύσης που είναι κατά κύριο λόγο τυρβώδης. Η καύση διαρκεί περίπου 40 ο 60 ο γωνία στροφάλου. Η μέγιστη πίεση εμφανίζεται 10 ο 20 ο μετά το Α.Ν.Σ., ώστε να έχουμε την μέγιστη δυνατή δύναμη επί του εμβόλου.

39 Κρουστική καύση (αυτανάφλεξη) Είναι η ανάφλεξη άκαυστου μίγματος λόγω κυμάτων υψηλής πίεσης πριν φτάσει στο μίγμα η φλόγα από τη κανονική ανάφλεξη από το σπινθηριστή. Όταν καούν τα 2/3 3/4 του μίγματος, το τελευταίο άκαυστο μέρος του συμπιέζεται ταχύτατα και αυξάνει η θερμοκρασία του σε σημείο που αυταναφλέγεται πριν φτάσει σε αυτό η φλόγα. Η πίεση αυξάνει τοπικά ενώ στον υπόλοιπο χώρο είναι μικρότερη, έτσι δημιουργείται ένα κύμα πίεσης που διανύει τα αέρια του χώρου καύσης με μεγάλη ταχύτητα, ανακλώμενο πολλές φορές στα τοιχώματα του κυλίνδρου και ακούγεται σε υψηλή συχνότητα ένας ήχος σαν να σφυρηλατείται το έμβολο. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται κρουστική καύση (knock).

40 Όταν αυτή η ανώμαλη διαδικασία καύσης πραγματοποιείται, υπάρχει μια εξαιρετικά γρήγορη απελευθέρωση ενός μεγάλου μέρους της χημικής ενέργειας του άκαυστου μίγματος καυσίμων, που προκαλεί πολύ υψηλές τοπικές πιέσεις και διάδοση κυμάτων πίεσης σε ολόκληρό τον θάλαμο καύσης. Αυτό το φαινόμενο που προκαλεί ανωμαλίες στην καύση είναι ιδιαίτερα σημαντικό, διότι: (1) όταν είναι εκτενές, μπορεί να προκαλέσει σημαντική ζημία στα μέταλλα της μηχανής και (2) ακόμα κι αν δεν είναι εκτενές, είναι μια συνεχής πηγή θορύβου.

41 Διαγράμματα Πίεσης Γωνίας στροφάλου (P-φ)

42 Διάγραμμα Πίεσης-Όγκου (P-V) με έντονη κρουστική καύση

43 Διάγραμμα Πίεσης-Όγκου (P-V) με κρουστική καύση

44 Διάγραμμα Πίεσης-Όγκου (P-V) με ελαφρά κρουστική καύση

45 Διάγραμμα Πίεσης-Όγκου (P-V) με κανονική καύση

46 Οι σημαντικότερες παράμετροι που επηρεάζουν την εμφάνιση της κρουστικής καύσης είναι: α) Είδος καυσίμου. β) Επίδραση της θερμοκρασίας και πίεσης στην είσοδο του θαλάμου καύσης. γ)υψηλός λόγος συμπίεσης. δ) Πρόωρη ανάφλεξη (αυξημένο αβάνς). ε) Αυξημένο φορτίο που αυξάνει τη πίεση του μίγματος. στ) Η ομοιόμορφη κατανομή μίγματος μέσα στον κύλινδρο. ζ) Διάμετρος του κυλίνδρου που σημαίνει μεγάλο χρόνο διαδρομής της φλόγας μέχρι να φτάσει τη τελική καύση. η)κατασκευή του χώρου καύσης, για να είναι κατάλληλα διαμορφωμένος ώστε να δημιουργείται στροβιλισμός. θ) Υγρασία που ελαττώνει τη θερμοκρασία του άκαυστου μίγματος. ι) Ψύξη, που εμποδίζει τη σωστή απαγωγή του μίγματος, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του μίγματος.

47 Επιφανειακή Ανάφλεξη Η επιφανειακή ανάφλεξη είναι η ανάφλεξη του καύσιμου μίγματος που προκαλείται από την επαφή με ένα καυτό σημείο όπως είναι τα τοιχώματα του θαλάμου καύσης ή μια βαλβίδα ή λόγω πυράκτωσης των μπουζί, ήακόμα και από τα κατάλοιπα απόθεσης στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης και δηλαδή, με οποιαδήποτε μέσο εκτός από τον κανονικό σπινθήρα. Μπορεί να εμφανιστεί πριν από την λειτουργία του σπινθήρα (προανάφλεξη) ή ακόμα και μετά. Έπειτα από αυτήν την επιφανειακή ανάφλεξη, μια ταραχώδης φλόγα αναπτύσσεται σε κάθε θέση που εμφανίζεται επιφανειακή ανάφλεξη και αρχίζει να διαδίδεται σε ολόκληρο τον θάλαμο με έναν τρόπο ανάλογο με αυτόν που εμφανίζεται με την κανονική ανάφλεξη από τα μπουζί

48 Φθορές στη μηχανή από κρουστική καύση Φθορές στην μηχανή από τον κτύπημα μπορεί να προκληθούν με διάφορους τρόπους. Τέτοιες φθορές μπορεί να οδηγήσουν σε: να κολλήσουν τα ελατήρια των εμβόλων θραύση των ελατηρίων των εμβόλων βλάβη στην φλάντζα της κεφαλής των κυλίνδρων διάβρωση της κεφαλής των κυλίνδρων διάβρωση της κεφαλής των εμβόλων αλλοίωση του εμβόλου

49 Φθορές από κτύπημα κατά την κρουστική καύση

50 Αισθητήρας κτυπημάτων Ο αισθητήρας είναι συνδεδεμένος με καλωδίωση στη μονάδα ελέγχου και μεταφέρει τα χτυπήματα (πειράκια) σε αυτή. Οι κραδασμοί που οφείλονται σε κακής ποιότητας καύσης ή σε απώλειες ανάφλεξης μετατρέπονται σε ηλεκτρικό σήμα από τους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. κινητήρας στις 3000 rpm

51 Μέτρηση έντασης κρουστικής καύσης μηχανή CFR Η μέθοδος για την αξιολόγηση της ποιότητας των καυσίμων με την μηχανή ASTM-CFR γίνεται με την μέτρηση της έντασης της κρουστικής καύσης σε σχέση με τον χρόνο κατά την διάρκεια του κύκλου λειτουργίας. Η πίεση καθορίζεται από έναν αισθητήρα πίεσης. Το σήμα της χαμηλής συχνότητας αλλαγής της πίεσης λόγω της κανονικής καύσης φιλτράρεται και ο ρυθμός αύξησης της πίεσης υπολογίζεται κατά μέσο όρο έπειτα από πολλούς κύκλους λειτουργίας κατά τις διακύμανσης των πιέσεων που ακολουθούν τον κτύπημα. Ένα επιταχυνσιόμετρο εγκατεστημένο στην μηχανή μπορεί να δώσει ενδείξεις της σχετικής έντασης του κτυπήματος υπό τον όρο ότι είναι τοποθετημένο πάντα στην ίδια θέση για όλες τις δοκιμές.

52 Η πιο ακριβής μέτρηση της έντασης του κτυπήματος γίνεται με την μέτρηση του μέγιστου πλάτους ταλάντωσης της πίεσης που εμφανίζεται κατά την κρουστική καύση. Το σήμα πίεσης του κυλίνδρου (από έναν υψηλής συχνότητας αισθητήρα πίεσης) φιλτράρεται έτσι ώστε μόνο το σήμα της πίεσης που αντιστοιχεί στις διακυμάνσεις που εμφανίζονται μετά από το κτύπημα να παραμένει. Το μέγιστο πλάτος ταλάντωσης της πίεσης δίνει μια καλή ένδειξη της έντασης του κτυπήματος. Επισημαίνεται ότι επειδή οι διακυμάνσεις της πίεσης είναι συνέπεια ενός φαινομένου διάδοσης κυμάτων πίεσης, η θέση του αισθητήρα πίεσης σε σχέση με τη θέση του κρουστικού άκαυστου αερίου και τη μορφή του θαλάμου καύσης έχουν επιπτώσεις στο μέγεθος του μέγιστου καταγραμμένου πλάτους διακύμανσης της πίεσης.

53

54 Θάλαμος καύσης και περιδίνηση καυσίμου Παράγοντες που επηρεάζουν και επιτρέπουν τη χρήση υψηλών λόγων συμπίεσης χρησιμοποιώντας συνηθισμένα καύσιμα είναι ο υψηλός βαθμός περιδίνησης του καύσιμου μίγματος, η φτωχή καύση, ο συμπαγής σχεδιασμός του θαλάμου καύσης. Η αύξηση της περιδίνησης του καύσιμου μίγματος κατά την εισαγωγή του στον θάλαμο καύσης επιτρέπει την καύση και στα πιο αδύνατα, «φτωχά» μίγματα, ενώ ταυτόχρονα εμφανίζουν και μικρότερητάσηγιακτύπημα, εξαιτίας των μειωμένων θερμοκρασιών καύσης. Η αύξηση της περιδίνησης μειώνει επίσης την ευαισθησία στην εμφάνιση κτυπήματος δεδομένου ότι η κανονική καύση εμφανίζεται γρηγορότερα.

55 Αυξάνοντας τη τύρβη στο εισερχόμενο μίγμα αέρα-καύσιμου, μειώνεται η μέγιστη θερμοκρασία και πίεση κατά τη καύση και απομακρυνόμαστε από το φαινόμενο της κρουστικής καύσης

56 Διαμορφώσεις αυλών εισαγωγής για δημιουργία περιδίνησης του εισερχόμενου μίγματος στο θάλαμο καύσης

57 Όρια κτυπήματος Βενζινοκινητήρα σε συνάρτηση με τη προπορεία έναυσης και το βαθμό συμπίεσης

58 Πηγές εκπομπών ρύπων σε Βενζινοκινητήρα

59 ΡΥΠΟΙ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Είναι προϊόντα ατελούς καύσης και είναι τα: NOx, CO, HC (α) ΝΟx σχηματίζεται καθώς σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας (2000 ο C) το Ν 2 ενώνεται με το Ο 2 (β) CO σχηματίζεται καθώς δεν υπάρχει το διαθέσιμο ποσό Ο 2 έτσι ώστε να ολοκληρωθεί η αντίδραση C + O 2 CO 1 2 και γίνεται η αντίδραση C + O2 CO 2 (γ) Άκαυστοι HC στις περιοχές κοντά στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης ή σε περιοχές που δεν μπορεί να φτάσει η φλόγα.

60 Εκπομπές ρύπων Βενζινοκινητήρα

61 Σε «φτωχά» μίγματα (λ>1 ή φ<1) μειώνονται οι εκπομπές CO και HC. Σε «πλούσια» μίγματα (λ<1 ή φ>1) μειώνονται οι εκπομπές ΝΟx, αλλά αυξάνονται οι εκπομπές CO και HC.

62 Υδρογονάνθρακες (HC) Οι Υδρογονάνθρακες είναι άκαυστα ή μερικώς καμμένα σωματίδια καυσίμου. Υψηλά επίπεδα HC Μετρημένα σε PPM (parts per million) στα καυσαέρια, οφείλονται συνήθως σε κακή λειτουργία της ανάφλεξης ή του συστήματος καυσίμου. Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Το Μονοξείδιο του άνθρακα δημιουργείται όταν δεν υπάρχει επαρκής ποσότητα Οξυγόνου κατά τη καύση και μετριέται ως ποσοστό επί τοις εκατό των καυσαερίων. Η πιο συνηθισμένη αιτία Δημιουργίας υψηλού Μονοξειδίου του άνθρακα(co) είναι η λανθασμένη ρύθμιση του μίγματος καυσίμου. Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό Διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) στα καυσαέρια τόσο πιο αποδοτική είναι η λειτουργία του κινητήρα. Το ιδανικό ποσοστό για έναν τετρακύλινδρο κινητήρα είναι μεταξύ 13 και 16%.Εάν το επίπεδο Διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) πέσει πολύ χαμηλά, αυτό θα υποδείξει ένα λανθασμένο μίγμα αέρα καυσίμου είτε εξαιτίας κακής λειτουργίας στο σύστημα διαχείρισης είτε εξαιτίας λανθασμένων ρυθμίσεων. Οξυγόνο (O2) Το Οξυγόνο μετριέται ως ένα ποσοστό καυσαερίων και πρέπει να είναι μεταξύ % υποδεικνύοντας μια αποδοτική ανάφλεξη και ιδανικό μίγμα καυσίμου. Είναι σημαντικό να προσέξουμε τις αλλαγές στο Οξυγόνο, αφού μια απότομη αλλαγή μεταξύ % και % θα υποδηλώσει το μεταίχμιο από πλούσιο σε φτωχό και από φτωχό σε πλούσιο. Η μέτρηση του Οξυγόνου είναι χρήσιμη και στον εντοπισμό διαρροών και απωλειών ανάφλεξης όπως και έλεγχο της συμπίεσης. Οξείδια του αζώτου (NOx) Οι κινητήρες χρησιμοποιούν Οξυγόνο στη διαδικασία καύσης και παράγει Άζωτο (N 2 ). Αυτό το εξαγόμενο N 2 εκτίθεται σε υψηλές θερμοκρασίες κατά τη διαδικασία καύσης και μετατρέπεται σε Οξείδια του αζώτου (NOx) όταν η θερμοκρασία υπερβεί τους 1370 C. Αν και τα μείγματα των Οξειδίων του αζώτου (NΟx) δεν επηρεάζουν άμεσα την αποδοτικότητα του κινητήρα, ευθύνονται για την αιθάλη όταν συνδυάζονται με Υδρογονάνθρακες(HC). Μέρος της λύσης είναι ο καταλυτικός μετατροπέας και η διαδικασία ανακύκλωσης των καυσαερίων.

63 Καταλυτικός μετατροπέας CO CO 2 HC H 2 O NO x N 2 1. Ποια αέρια παράγονται από μια καύση βενζίνης στον κινητήρα τα οποία είναι βλαβερά για το περιβάλλον; CO, HC και NO x 2.Ποιο αέρια πρέπει να υπάρχει στον καταλύτη για να περιορίσει τα βλαβερά αυτά αέρια; Το O 2 3. Ποιο επιπλέον αέριο παράγεται το οποίο είναι υπεύθυνο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου ; Το CO 2

64 Εξαερωτήρας (καρμπυρατέρ) m = ρ A u P 0 1 = P + ρ u 2 2

65 Χωροθέτηση καρμπυρατέρ στην εισαγωγή του κινητήρα

66 Συστήματα που περιέχονται στο καρμπυρατέρ Σύστημα δοχείου σταθερής στάθμης Σύστημα κανονικής πορείας Σύστημα ψυχρής εκκίνησης Σύστημα επιτάχυνσης Σύστημα ρελαντί (βραδυπορείας)

67

68 ECOTRONIC ηλεκτρομαγνητικός ρυθμιστής πεταλούδας γκαζιού

69 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ECOTRONIC Ακριβής έλεγχο του λόγου ανάμιξης καυσίμουαέρα. Μειωμένη κατανάλωση καυσίμου και άρα μειωμένες εκπομπές ρύπων. Επίσης μπορεί να τοποθετηθεί αισθητήρας λ. Το σύστημα διαμόρφωσης του μίγματος ελέγχεται στην συντήρηση ηλεκτρονικά. Η δομή του είναι πολύ πιο απλοποιημένη με τους άλλους εξαερωτήρες.

70 Ταξινόμηση συστημάτων ΨΕΚΑΣΜΟΥ Α. Ανάλογα με τον τρόπο ψεκασμού α1. Συνεχής ή μηχανικός α2. Διακοπτόμενος Β. Ανάλογα με τον αριθμό των μπεκ ψεκασμού β1.κεντρικός ή μονός ψεκασμός β2. Ψεκασμός πολλαπλών σημείων Γ. Ανάλογα με το μετρητή αέρα γ1. Όγκος, γ2. Μάζα, γ3. Πίεση αέρα

71 Ιστορική εξέλιξη συστημάτων ψεκασμού 1965 Τρανζιστορική ανάφλεξη ΤΖ 1967 Σύστημα ψεκασμού D- jetronic ελεγχόμενο από αισθητήρα 1973 Σύστημα ψεκασμού K- jetronic 1973 Σύστημα ψεκασμού L- jetronic 1979 Σύστημα ψεκασμού M- jetronic 1981 Σύστημα ψεκασμού LH- jetronic 1982 Σύστημα ψεκασμού KE- jetronic 1982 Έλεγχος κτυπημάτων (πειράκια) 1982 Ηλεκτρονική ανάφλεξη ΕZ 1986 Σύστημα ΕΜS 1987 Σύστημα ψεκασμού Mono- jetronic 1989 Σύστημα ψεκασμού mono Motronic 1994 Σύστημα ψεκασμού ME- motronic 2000 Σύστημα ψεκασμού MED

72 ΨΕΚΑΣΜΟΣ

73 Α1. Συνεχής ή μηχανικός ψεκασμός K-Jetronic (Kontinuierlich)

74 KE-Jetronic(μηχανικό-υδραυλικός ψεκασμός με ηλεκτρονικό έλεγχο)

75 Α2. Διακοπτόμενος ψεκασμός L-Jetronic(Luft)

76 Η/Μ Εγχυτήρες βενζίνης 1 O-ring 2 Φίλτρο 3 Εξωτερικό κάλυμμα βαλβίδας 4 Πηνίο 5 Ελατήριο 6 Βελόνα 7 Έδρα βαλβίδας με οπή

77 Μονός & Πολλαπλός ψεκασμός

78 Υποσύστημα τροφοδοσίας καυσίμου

79 Διακλαδωτήρας

80 Υποσύστημα εισαγωγής αέρα

81 Αισθητήρες μέτρησης παροχής αέρα Κινούμενης «θύρας» Θερμού νήματος & θερμού «φίλμ» Στροβίλου Karman

82 Χαρακτηριστικά έγχυσης πολλαπλών σημείων Ακριβής μέτρηση παροχής αέρα Κύριες παράμετρες λειτουργίας: παροχή αέρα & ταχύτητα περιστροφής rpm Διακοπτόμενη έγχυση: ηλεκτρονικοί παλμοί από την κεντρική μονάδα ECU ελέγχουν το άνοιγμα και το κλείσιμο των Η/Μ βαλβίδων των εγχυτήρων Η ECU δέχεται σήματα από διάφορους αισθητήρες και ρυθμίζει την διάρκεια των παλμών έγχυσης με την βοήθεια πίνακα τιμών ο οποίος είναι αποθηκεμένος στην μνήμη της Ο αριθμός των αισθητήρων διαφέρει ανάλογα με την πολυπλοκότητα του συγκεκριμένου συστήματος Το σύστημα αυτό συνεργάζεται εύκολα με καταλύτη και αισθητήρα λ σε λειτουργία κλειστού βρόχου (closedloop control)

83 Σύγχρονα συστήματα έγχυσης βενζίνης Έγχυση μέσα στον κύλινδρο: DI direct injection Εισαγωγή αέρα μόνο από την βαλβίδα και ανάμιξη με τα πολύ μικρά σταγονίδια βενζίνης μέσα στον κύλινδρο Δύο τρόποι λειτουργίας Α. Στρωματοποιημένη ανάμιξη και λειτουργία με ολικό φτωχό μίγμα (για μερικό φορτίο) Β. Ομογενοποιημένη ανάμιξη (μέγιστο φορτίο)

84 MOTRONIC: Σύστημα ψεκασμού και ανάφλεξης Φίλτρο ενεργού άνθρακα HFM Βαλβίδα αναθυμιάσεων καυσίμου MAP Μπεκ Μεταβλητός χρονισμός Αισθητήρας φάσης Αισθητήρας λ LSU Μονάδα ελέγχου Μονάδα πεταλούδας γκαζιού Βαλβίδα EGR Αισθητήρας χτυπημάτων Αισθητήρας θερμοκρασίας κινητήρα Καταλύτης Αισθητήρας λ LSF Αισθητήρας στροφαλοφόρου Μονάδα πεντάλ γκαζιού Μονάδα Παροχής καυσίμου

85 Bosch ME 7.4

86 Κινητήρες Στρωματοποιημένης Έκχυσης (Fuel Stratified Injection) Δύο τρόποι λειτουργίας: Λειτουργία με «φτωχό» μείγμα σε μερικά φορτία (λ > 4). Λειτουργία κοντά στη στοιχειομετρία (λ=0,85-0,95) σε ομογενές μίγμα σε πλήρες φορτίο.

87 Κινητήρες Στρωματοποιημένης Έκχυσης (Fuel Stratified Injection) Χαρακτηριστικά: Ανακυκλοφορία θερμών καυσαερίων (EGR). Άμεσος ψεκασμός καυσίμου στο θάλαμο καύσης. Χρησιμοποιείται αντλία υψηλής πίεσης βενζίνης (περίπου 150 bar) με αποτέλεσμα το καλύτερο διασκορπισμό καυσίμου. Οικονομία στη κατανάλωση καυσίμου όταν ο κινητήρας λειτουργεί σε μερικά φορτία.

88 Στον κινητήρα FSI, σε λειτουργία υπό μικρά φορτία (φάση στρωματοποίησης), η πεταλούδα "στραγγαλίζει" την παροχή του αέρα, κατευθύνοντας το πλουσιότερο μείγμα κάτω από το σπινθιριστή ενώ στις υψηλές στροφές (φάση ομογενοποίησης), η κλίση της πεταλούδας επιτρέπει την πλήρη παροχή του αέρα, λίγο πριναπότησυμπίεση. Ανθεκτικότητα στη κρουστική καύση, είτε δουλεύουν με φτωχό μίγμα είτε με στοιχειομετρικό. Αυτός είναι εξάλλου και ένας από τους λόγους που επιτρέπουν την αύξηση της σχέσης συμπίεσης των βενζινοκινητήρων άμεσου ψεκασμού, που βοηθά στην αύξηση του θερμοδυναμικού βαθμούαπόδοσηςτουκινητήρα άρα στη μείωση της κατανάλωσης.

89

90 Τεχνικά Χαρακτηριστικά Ανισομερής κατανομή του καυσίμου στο θάλαμο καύσης έτσι ώστε το μίγμα κοντά στην ακίδα του μπουζί να είναι στοιχειομετρικό (άρα να μπορεί να αναφλεγεί χωρίς πρόβλημα) και να φτωχαίνει προοδευτικά καθώς απομακρυνόμαστε από αυτή. Στην περιοχή κοντά στα τοιχώματα του κυλίνδρου, υπάρχει μόνο αέρας (ή καυσαέρια, αν γίνεται και ανακυκλοφορία καυσαερίων). Όταν το μπουζί δώσει σπινθήρα ανάβει το στοιχειομετρικό μίγμα, και μέσω της τύρβης η φλόγα μεταδίδεται και στις φτωχότερες σε καύσιμο περιοχές του θαλάμου καύσης, που θα ήταν δύσκολο (ως αδύνατο) ν αναφλεγούν με άλλο τρόπο. Επιπλέον, η στοιβάδα με τα αδρανή αέρια κοντά στα τοιχώματα δρα ως μονωτικό, μειώνοντας τις θερμικές απώλειες και αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης.

91 Τεχνικά Χαρακτηριστικά Δουλεύοντας με φτωχό μίγμα στο ρελαντί καθώς και στις περιπτώσεις μερικού φορτίου όπου δεν απαιτείται μεγάλη ισχύς, υπάρχει μείωση της κατανάλωσης μέχρι και 40%, με τα ποσοστά 25%-30% να είναι συνηθισμένα Αν σε κάποιο σημείο απαιτηθεί μέγιστη ισχύς, ο κινητήρας γυρίζει στην κατάσταση λειτουργίας ομοιογενούς μίγματος. Η λειτουργία στρωματοποιημένης καύσης είναι και η πιο ενδιαφέρουσα σε ένα κινητήρα άμεσου ψεκασμού, αφού ουσιαστικά σε αυτήν ο βενζινοκινητήρας μοιάζει σε κάποια σημεία στη λειτουργία του με Diesel.