ZUIGERMOTOREN automotoren scheepsmotoren (autos, motos, buitenboord, (schip, stationaire ….) boomzaag, grasmaaier, …) - centrales - noodstroom - aandrijfmachines - - otto diesel diesel - benzine, gas, … - mazout - ± 1kg/kW - < 3 à 4 kg/kW snell. mid.snel traagl. - nmax - nmax (tpm) - ± 1000tpm - 600tpm -70-120 ±6000 tpm - dieselolie - residu (10.000 tpm) - DI 4500 tot (18.000 tpm) - IDI 5000 heavy fuel - 5000 pk - 30.000 - 80.000 pk pk - ε ≤ 10 - ε ± 20 - ε ± 11 à 12 zuigermotoren 1 slide 1

Classificatie “thermische motoren”

A. met uitwendige verbranding

- arbeidsstof gescheiden van warmtebron - warmte overdracht door wanden - stoomturbine, Stirlingmotor, gasturbine met gesloten

cyclus

B. met inwendige verbranding - arbeidsstof / verbrandingsproducten - zuigermotoren, turbo reactor

voordelen B - afwezigheid warmtewisselaars - grotere mechanische eenvoud - minder verliezen - bv. zuigermotor zeer hoge max. cyclus temperatuur

zuigermotoren 1 slide 2

zuigermotor stoomturbine brandstof onafhankelijk geen mech. trillingen grote eenheden η gewicht transport (tractie) koelsystemen gasturbine als tractie: voordelen: gewicht, afmetingen, trillingen, brandstofeisen, lange levensduur nadelen: hoge productiekosten hoger specifiek verbruik alternatieve systemen: luchtpollutie ” brandstoffen hybride systemen brandstofcel

zuigermotoren 1 slide 3

fig 1 : algemene werking en uitzicht BDP : zuigerstand met minimum cilindervolume ODP : zuigerstand met maximum cilindervolume Vc : compressievolume : V in BDP Vs : slagvolume

volumetrische compressieverhouding c s

c

V VV+ε=

classificatie : - viertakt fig 2 – 3 - tweetakt fig 4 – 5 - Otto : λ bougie vlammenfront - diesel : lucht injectie zelfontsteking - koeling, bouwvorm, toerental, vulling - atmosferisch - opgeladen toepassingsgebied brandstoffen : CnHmvloeibare - gasvormige - vast (proefmotoren)

ruwe aardolie LPG, LNG, CNG, H2 afzettingen ! zuigermotoren 1 slide 4

volmaakt oxiderende verbranding CnHm C + H + O + S : brandstof + O2 (lucht) eindtrap van oxidatie CO2 H2O N2 O2

theoretische stoichiometrische luchthoeveelheid Ls

s100 32 16L c h23.2 12 2

⎛ ⎞⎜ ⎟= ⋅ + − +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠o s

sL

kg l / kg br.

wL = λ⋅ 1φ=λ

Hu = onderste verbr. waarde = Ho (bovenste) – verdampingswarmte van het gevormde water verbrandingwaarde afzonderlijke elementen : 1 kg C CO2 33,6619 10³ kJ C CO 10,2158 10³ kJ H2 H2O d. 120. 10³ kJ Hu 41,868 10³ kJ/kg Ls 14.8 benzine 0.9 à 1.2 λ = 1 met drieweg katalysator diesel λ > 1.2 zuigermotoren 1 slide 5

onvolledige verbranding : naast CO2 en H2O CO, H2, KWS, NOX,

partiële oxidatie producten > 1 dissociatie bij hoge T λ accidentele oorzaken: - slechte menging - te lage temp. (wanden) - te trage verbranding < 1 (reducerende verbranding) : altijd onvolledig λ stootverbranding : - ottomotor : vlamfront 15 à 30 m/s kloppen ! invloeden : br. ,ε , vorm, … octaangetal - dieselmotor : ontstekingsuitstel (bv. 22° duur injectieverloop) harde werking cetaangetal

zuigermotoren 1 slide 6

Organische studie cilinders: sleet cilindervoering: hoogte stilstandpositie vuursegment BDP buitenzijde cilindervoering: corrosieve en erosieve sleet erosie door trillen cilinderbus cavitatie zuigers van automotoren trunkzuigers gietijzeren aluminium legeringen nadelen:

- thermisch uitzettingscoëfficiënt 2 x groter warmtegeleidingscoëfficiënt 3 à 4 x groter Tmax 175 °C lager - mechanische weerstand laag (= 0 bij 400 °C) - zacht: schade door harde C-partikels

uitvoeringsvormen zuigers fig 16 dwarsdoorsnede zuiger is ovaal kleinste D in zuigerpenrichting

zuigermotoren 1 slide 7

Afdichtingsveren (zuigersegmenten)

- afdichting (blow-by gassen) - warmte afvoeren

scuffing: doorblazen van gassen segment onvoldoende afdichten kleven Lagerschalen (fig. 32) eisen lagermateriaal (antifrictie materiaal)

- mechanische sterkte (altern. krachten en schokken) - plasticiteit (lichtjes vervormen) - opnemen vreemde partikels - weerstand gripperen goede aanhechting oliefilm - corrosie bestendig - aanhechting lagermateriaal aan schaal

materiaal: wit metaal (babbit lager) koper - lood “multi layer bearing” + laagje wit metaal

zuigermotoren 1 slide 8

Verdelingsorganen: 1. viertaktmotoren : fig : onderliggende nokkenas fig : bovenliggende nokkenas kleppen : - mechanisch zwaar belast - thermisch zwaar belast : vooral de uitlaatklep uitlaatklep plaatselijk 900°C (gassen 600 – 1200°C) normale temperaturen : 650°C uitl.klep – 400°C inl.klep - om slijtvastheid, warmtegeleiding, corrosiebestendigheid, sterkte op hoge temperatuur te verbeteren : speciale staallegeringen (Cr, Ni, Si,Mn,…) en /of stelliet, (kobalt, tungsteen, koolstof) stelliet alleen op rand van schotel en einde steel, en alleen als zitting ook stelliet - warmteafvoer : - brede klepsteel - klepsteel weinig blootstellen aan hete gas - speling tussen steel en geleiding verminderen - goede koeling - contact oppervlak zitting – schotel vergroten - holle klepsteel met Na of Na-zouten - gelijkmatiger temperatuur verdeling en elimineren van afzettingen schoepen op steel zuigermotoren 1 slide 9

klepzitting en geleider : zitting : - soms rechtstreeks in kopstuk: vb. vroegere R4 probleem met loodvrije benzine en LPG-gas - nu voor auto’s : geperst, gekrompen, geschroefd speciaal (austenitisch) staal - soms stelliet geleiding : gietijzer - geperst of gekrompen - goed in lijn stoters en stoterstangen : - vlakke stoters voor automotoren rollen voor grote motoren (scheeps)

- klepspeling uitzetting

inbrandensleet

⎧ ⎫⋅⎪ ⎪⎪ ⎪⎨ ⎬⎪ ⎪⋅⎪ ⎪⎩ ⎭- hydraulische stoters

veren : - voorspanning - opstapelen energie - speciaal staal - resonantie

breuk demping tegen kooitweeveren

spoed

⎧⋅⎪⎪⎪⋅⎨⎪⎪⋅≠⎪⎩

zuigermotoren 1 slide 10

carburatoren :

Bernoulli 2 2L1 1 L2 2

L1 L2

c p c p2 2+ = +

ρ ρ

met L1 L2L1 L2 L2

ρ +ρρ ρ = ρ∼

( )2 2L2 L1 1 2

L

2c c p p− = ⋅ −ρ

( )L2 1 2L

2c p= ⋅ −ρ

p

L2c

luchtdebiet L L 2 Lm A= α ⋅ ⋅ρ ⋅ ( )L 2 L 1 2A 2 p p=α ⋅ ⋅ ρ ⋅ − brandstofdebiet ( )B B B B 1m A 2 p= α ⋅ ⋅ ρ ⋅ − 2p nadelen carburator : - aanzuigen onderdruk arbeidsverlies (slechte vulling) - fijne verstuiving ! - ongelijkmatige brandstofverdeling : bochten - grote druppels op cilinderwand (olie) - “ “ slechtere verbranding (peroxiden) kloppen - voorverwarming (hot spots) - ijsvorming zuigermotoren 1 slide 11

benzine inspuiting : in inlaatkanaal vóór inlaatklep : multi point gemeenschappelijk aanzuigkanaal : single point lage drukinspuiting (± 3 bar)

groter vermogen, beter rendement voordelen : - gelijkmatige samenstelling λ voor alle cilinders - betere koeling wegens verdamping brandstof bij inlaat lagere begintemperatuur minder klopneiging ε - geen stromingsverliezen in carburator - mogelijkheid van grotere klepoverlapping betere spoeling (intermitterend inspuiten) ! - geen bevriezing carburator - geen condensatie brandstofnevel in aanzuigleiding (bij koude motor) - betere vormgeving aanzuigleidingen - 3 wegkatalysatoren ! zuigermotoren 1 slide 12

carburatiesystemen gasmotoren : ε gasvormige brandstoffen: LPG, aardgas, H2 - volledige verdamping - gelijkmatige verdeling over cilinders - vollediger verbranding - geen afwassen smeerolie - geen dillutie carterolie - geen zwavel, partikels probleem : opslag - pompstations - vloeibaar : LPG, LNG, H2 (-253 °C) - onder druk (200 bar) : CNG (NGV) H2 op hydrieden ontstekingssystemen : elektrische vonk : 3000 à 6000 °C elektroden bougie spanning voor vonkontlading - ontstekingskwaliteit mengsel - druk (einde compressie) - temperatuur vereiste spanning als p als T - λ ; materiaaltoestand - elektroden afstand en T spanning : 7 à 12 kV tot 25 kV vereiste energie : 1mJ (geproduceerd 20 à 100 mJ) zuigermotoren 1 slide13

Nadelen en/of problemen GDI - moeilijkheid beheersing gestratifieerde lading ganse bereik

- complexiteit controle - en injectiestrategiën

- afzettingen op injector (injector dicht tegen bougie)

o Wijziging brandstofstraal - hoge onverbrande KWS emissies bij lage belasting

(vlam uitdoving) + lage verbrandingstemperaturen

lagere conversiecoëfficiënt katalysator

- relatief hoge NOX uitstoot (in oxiderende atmosfeer !) - verhoogde uitstoot partikels

- verhoogde slijtage componenten brandstofsysteem

(hoge drukken, beperkte smerende eigenschappen benzine) zuigermotoren 1 slide 14

transistorontsteking :

energie spoel : 21

1IL2

⋅

I1 beperkt tot 5 ampère (onderbrekercontacten) zelfinductiecoëfficiënt L1 groot vermogen transistor + fotocel - magnetische pick - up bougie : twee elektroden isolator : ± 700 °C afbranden afzettingen geen gloeiontsteking thermische belasting : warme of koude bougie korte isolatiebek kleur isolator : ijzeroxide : normaal zwart - vettig : olieverbruik zwart - droog : rijk mengsel batterij : opgeslagen energie generator loodbatterijen - elektrolyt : zwavelzuur geïsoleerde cellen van 2 volt (platenstel) positieve platen PbO2 negatieve “ Pb ontlading : PbO2 en Pb PbSO4 loodsulfaat (wit - grijs) PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4 densiteit elektrolyt verdampt ! opladen : (1,8 à 2.4 volt per cel) capaciteit : A. h bij hogere ontlaadstroom en lage T ± 40 A.h (benzine) - 65 A.h (diesel) zuigermotoren 1 slide 15

integrale elektronische ontsteking en globale systemen integrale elektronische ontsteking : dit is transistorontsteking met microprocessor input : BDP (referentie)

manifold

np of p

⎫⎪⎪⎬⎪Δ ⎪⎭ voorgeprogrammeerde matrix : V.O. = f(n,Δp of pmanifold) - BDP en n : inductieve P.U. - Δp of pman : druk P.U. (kan ook stuwschijf, hittedraad,…) MAP : manifold absolute pressure

verdere evolutie : geen vonkenverdeler maar 5 bobijnen (5 cil) of 2 tweevonkenbobijnen (4 cil) globale systemen : dit is een elektronische ontsteking + elektr. brandstofinjectie beide; el. ontsteking en el. brandstof injectie gebruiken dezelfde basisparameters

nl. BDP (ref )n

p of MAP

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪⎨ ⎬⎪ ⎪⎪ ⎪Δ⎪ ⎪⎩ ⎭

voorgeprog. matrix voor V.O. en mb (EPROM) massa brandstof per injectie matrix aangevuld met - controlefuncties V.O. en mb optimaliseren met Tlucht en Tmotor - adaptieve systemen parameters opmeten en via controle algoritmes een optimale instelling verzekeren - -sonde - klopsensor λontstekingsvolgorde : zuigermotoren 1 slide 16

digitale micro processor

digitale micro processor