Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku ŠKODA AUTO, a.s. – Ing. Jan Pavlíček, Milan Rudolf
Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku Vysoké učení technické v Brně – doc. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. České vysoké učení technické v Praze – Ing. Jiří Vávra, Ph.D.
Hlavní cíl balíčku Konstrukce a realizace funkčního vzorku cenově příznivého zážehového motoru, jehož emise CO2 bude při současném plnění ostatních platných emisních předpisů snížena prostřednictvím pokročilých konstrukčních prvků, založených na systematickém simulačním a experimentálním výzkumu.
Dílčí cíle balíčku pro nejbližší období Funkční vzorek předběžné optimalizace zážehového motoru pro rozvíjející se trhy – 12/2014. Funkční vzorek plně optimalizovaného zážehového motoru pro rozvíjející se trhy – 12/2015. Virtuální prototyp nové generace zážehového motoru pro rozvíjející se trhy – 12/2015.
TE 0102 0020
Str. 1
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Přehled objemu prací za rok 2014 Klikový mechanismus s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Aerodynamika hlavy válců (Škoda Auto, a.s.)
• • • •
• •
Optimalizace sacích a výfukových kanálů Systém řízení ventilů hlavy válců » Deaktivace jednoho z dvojice sacích ventilů » Deaktivace ventilů 2. a 3. válce
Práce na výzkumném jednoválci (ČVUT v Praze; Škoda Auto, a.s.) Konstrukce dvouosého naklápěcího stojanu pro zkoušky chování provozních kapalin v motoru za provozu (ČVUT v Praze)
TE 0102 0020
Str. 2
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Postup prací – Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Dynamika progresivního klikového mechanismu s nízkými třecími ztrátami ve variantě 1,6 MPI
• • •
Snížení počtu hlavních ložisek z 5 na 3 Tvářená dutá plechová ramena, laserové svařování bez přídavného materiálu
Provedení s nízkými třecími ztrátami
Standardní provedení
TE 0102 0020
Str. 3
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Postup prací – Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Komplexní výpočtový model dynamiky klikového mechanismu
• • •
Modálně redukovaná pružná tělesa Vlastní model hydrodynamického ložiska Tlak ve spalovacím prostoru [bar]
140 120
100 80 60 40 20 0 0
90
180
270
360
450
540
630
720
Úhel natočení klikového hřídele [°]
Vstupy
Specializovaný detailní model
Virtuální motor
Indikovaný tlak
Třecí ztráty, životnost, průtok oleje, …
Posuvy a rychlosti
Reakční síly a momenty
Předpočítané databáze
TE 0102 0020
Str. 4
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Postup prací – Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Třecí ztráty hlavních ložisek • • •
Ztrátový výkon hlavních ložisek
Celý rozsah provozních otáček Různá zatížení motoru Ověření přínosu nové koncepce
100 90
Ztrátový výkon hlavních ložisek 1200
Úspora ~35 %
Zatížení motoru
50 %
70 60
50 40
1100
30
1000
20
900
Ztrátový výkon [W]
100 %
80
Ztrátový výkon [%]
•
10
800
0 1000
700
600
1500
2000
2500
3000 3500 4000 Otáčky motoru [min-1]
4500
5000
5500
6000
500 400
100 %
300
50 %
200
Zatížení motoru
100 0 1000
TE 0102 0020
1500
2000
2500
3000 3500 4000 Otáčky motoru [min-1]
4500
5000
5500
6000
Str. 5
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Postup prací – Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Zatížení hlavních ložisek
• • •
Posouzení největšího a středního zatížení hlavních ložisek Směrnice pro volbu materiálu ložiskových pánví Největší reakční síla hlavních ložisek 24 000
22 000
22 000
20 000
20 000
18 000
18 000
16 000
16 000
14 000
14 000
Síla [N]
Síla [N]
Největší reakční síla hlavních ložisek 24 000
12 000 10 000
12 000 10 000
8 000
8 000
6 000
6 000
4 000
4 000
2 000
2 000
0 1000
TE 0102 0020
1500
2000
2500
3000 3500 4000 Otáčky motoru [min-1]
4500
5000
5500
6000
Str. 6
0 1000
1500
2000
2500
3000 3500 4000 Otáčky motoru [min-1]
4500
5000
5500
6000
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Postup prací – Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Torzní kmitání klikového mechanismu
• • •
Vliv uložení klikového hřídele na torzní kmitání celého mechanismu Směrnice pro návrh tlumiče torzních kmitů s optimálními parametry Amplitudy harmonických složek úhlové výchylky řemenice 1,1
1,0
1,0
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
Úhlová výchyka [°]
Úhlová výchyka [°]
Amplitudy harmonických složek úhlové výchylky řemenice 1,1
0,6 2
0,5
Polovina rozkmitu
0,4 0,3 0,2
4 1,5
0,5 2,5
0,1 0,0 1000
TE 0102 0020
1500
2000
10,5
2500
10
9,5
8,5
8
3000 3500 4000 Otáčky motoru [min-1]
5,5
0,6
5000
5500
6000
Str. 7
6,5
8,5
0,4
7,5 4 1,5
0,1
4500
8
2
0,5
0,2
5,5
6,5
7,5
6
0,3
6
12
14
Polovina rozkmitu
0,0 1000
1500
2000
9,5
10,5
0,5
2,5
10
12
14
2500
3000 3500 4000 Otáčky motoru [min-1]
4500
5000
5500
6000
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Postup prací – Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Ohybové kmitání klikového mechanismu
• •
Vliv uložení klikového hřídele na ohybové kmitání celého mechanismu
Amplitudy harmon. složek změny vzdálenosti středu oj. čepů 1 a 4
Amplitudy harmon. složek změny vzdálenosti středu oj. čepů 1 a 4
0,12
0,12 Polovina rozkmitu
0,10 Zmena vzdálenosti [mm]
Zmena vzdálenosti [mm]
0,10
0,08
0,06 Polovina rozkmitu
0,04 0,5
1
2 1,5
4
6 14
2,5 12
10
0,02
0,00 1000
TE 0102 0020
10,5 9,5
1500
2000
2500
3000 3500 4000 Otáčky motoru [min-1]
8,5
4500
8
6,5
5000
7,5
5,5
5500
6000
Str. 8
0,08 6
0,06 5,5 2
0,04 0,5 1
0,02
0,00 1000
6,5 10,5 10
1,5
1500
4 14
2000
2,5 12
2500
9,5
8
7,5
8,5
3000 3500 4000 Otáčky motoru [min-1]
4500
5000
5500
6000
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Postup prací – Aerodynamika hlavy válců (Škoda Auto, a.s.) Optimalizace sacích a výfukových kanálů
• • •
Snížení ztrát při výměně náplně ve válci Zvýšení průtokových součinitelů
TE 0102 0020
Str. 9
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Postup prací – Aerodynamika hlavy válců (Škoda Auto, a.s.; ČVUT v Praze) Systém řízení ventilů hlavy válců
• •
Deaktivace jednoho z dvojice sacích ventilů
-
Optimalizované profily vaček pro každý ventil + vnější EGR
•
Deaktivace ventilů 2. a 3. válce
-
Aktivace systému v oblasti nižšího zatížení Úspora – 1,6 MPI Octavia (řazení 2-5 = 8,6%; 3-5 = 5,7% v jízdním cyklu NEDC)
Nutné úpravy stávající zástavby •
Hlava válců (olejová galerie, zástavba větších hydr. podpěr vahadel)
•
Ovládací okruh
Hlavní galerie
Víko hlavy válců (olejová galerie ovládacího okruhu)
• •
Vahadlo ventilů Vačkové hřídele (část ovládacího okruhu optimalizovaný profil vaček – návrh ČVUT v Praze)
TE 0102 0020
Str. 10
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Postup prací – Práce na výzkumném jednoválci (ČVUT v Praze; Škoda Auto, a.s.) Zprovoznění chlazeného EGR – měření s EGR pro ladění prediktivního modelu hoření (ČVUT v Praze, Doc. Vítek) Hardwarová instalace prototyporCUBE2 (Ricardo)
•
•
Přestavba výzkumného jednoválce AVL na emulaci válcové jednotky Škoda Konstrukce klikového hřídele – stanoveny základní rozměry
• •
Probíhá kontrola statické a únavové bezpečnosti
Konstrukce bloku motoru Úprava vyvažovací skupiny
• • •
Vyvážení 1. řádu posuvných setrvačných sil
Pohon rozvodů; dělené víko rozvodů Úprava hlavy válce
• • • •
Modifikace sériové hlavy válců Konstrukce prototypové jednoválcové hlavy válce
TE 0102 0020
Str. 11
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Postup prací – Optimalizace motoru pro rozvíjející se trhy (ČVUT v Praze) Směrnice pro detailní optimalizaci z výstupů etapy předběžné optimalizace = akcent na problematiku spotřeby oleje Příprava experimentálního nástroje pro minimalizaci provozní spotřeby oleje u finálního vzorku motoru pro rozvíjející se trhy
• •
Emulace vlivu dynamických účinků jízdy na činnost motoru Konstrukce dvouosého naklápěcího stojanu Přenos výkonu hydrostatickým převodem
• • •
Návrh, zakoupeny komponenty
Provedena kontrola torzních kmitů soustavy
• •
Výpočetně stanovené přídavné setrvačné hmoty na motor a čerpadlo
TE 0102 0020
Str. 12
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Plnění dílčích cílů, milníků a výstupů Funkční vzorek předběžně optimalizovaného zážehového motoru pro rozvíjející se trhy
• •
Motor s optimalizovanou hlavou válců
Funkční vzorek klikového mechanismu se sníženými mechanickými ztrátami ve srovnání s výchozím stavem
• •
Motor s 3x uloženým klikovým hřídelem
TE 0102 0020
Str. 13
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Popis plnění balíčku WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Návrh dalšího postupu Stanovení optimálních parametrů tlumiče torsního kmitání Výpočtové modelování únavové životnosti částí pohonné jednotky Využití virtuálního motoru ke stanovení zátěžných parametrů u zkoušek životnosti prototypu klikového mechanismu Technologické zkoušky progresivního klikového mechanismu Využití pokročilých výpočtových nástrojů pro snížení celkových ztrát pohonné jednotky
• • • • • • •
• •
• •
WP07 a WP08 – snižování mechanických ztrát WP02, WP04, WP05, WP20, WP25 – snižování termodynamických ztrát
Výroba a ověření výsledků výpočetních simulací modifikované 4-vývodové hlavy válců na vnitřní aerodynamiku motoru Výroba zkušebního zařízení na ověření funkčnosti a numerických výpočtů systému řízených ventilů pomocí hydr. podpěr INA Konstrukční příprava modifikovaného zkuš. jednoválce Zprovoznění dvouosého naklápěcího motorového stojanu, kvantifikovat vliv dynamických účinků jízdy na činnost motoru
TE 0102 0020
Str. 14
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Výtah z prací provedených na WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Hlavní výstupy • Komplexní výpočtový model motoru s nízkými třecími ztrátami – virtuální motor (VUT v Brně) • Komplexní řešení vnitřní aerodynamiky motoru (Škoda Auto, a.s.) • Zprovozněn a postupně upravován experimentální jednoválec AVL (ČVUT v Praze) • Konstrukce dvouosého naklápěcího stojanu (ČVUT v Praze)
TE 0102 0020
Str. 15
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Abstract of the WP10: Design of Cost-effective Engines for Developing Markets and Range Extenders Current Main Results 2014 • Complex computational model of a lowfriction-losses-engine – virtual engine (BUT) • Complex solution of inside engine aerodynamics (Škoda Auto, a.s.) • Commissioning and modifications of Single Cylinder Research Engine (ČVUT Prague) • Design of two axis engine tilting test stand (ČVUT Prague)
TE 0102 0020
Str. 16
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Výtah z prací provedených na WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Hlavní výstupy 2012 - 2014 • Příprava experimentálního zázemí (laboratoř ČVUT v Praze), funkční vzorky testovaných objektů (ŠKODA AUTO a.s.) • Proměřen výchozí stav motoru ŠKODA (ČVUT v Praze) • Příprava simulačních nástrojů pro optimalizaci mechanických ztrát (VUT v Brně) • Komplexní výpočtový model motoru s nízkými třecími ztrátami – virtuální motor (VUT v Brně) • Komplexní řešení vnitřní aerodynamiky motoru (Škoda Auto, a.s.) • Zprovozněn a postupně upravován experimentální jednoválec AVL (ČVUT v Praze) • Konstrukce dvouosého naklápěcího stojanu (ČVUT v Praze) • Koncepční návrh olejem mazaného rozvodového řemene (Škoda Auto, a.s.) • Spojka vodní pumpy (Škoda Auto, a.s.)
TE 0102 0020
Str. 17
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Abstract of the WP10: Design of Cost-effective Engines for Developing Markets and Range Extenders Current Main Results 2012 - 2014 • Preparation of Experimental Background (ČVUT laboratory), testing speciments (ŠKODA AUTO a.s.) • Base mapping of ŠKODA 1,6l MPI engine (ČVUT Prague) • Preparation of simulation tools for friction losses optimization (BUT) • Complex computational model of a low-friction-lossesengine – virtual engine (BUT) • Complex solution of inside engine aerodynamics (Škoda Auto, a.s.) • Commissioning and modifications of Single Cylinder Research Engine (ČVUT Prague) • Design of two axis engine tilting test stand (ČVUT Prague) • Concept proposal of oil lubricated timing belt (Škoda Auto, a.s.) • Water pump clutch (Škoda Auto, a.s.)
TE 0102 0020
Str. 18
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, 6. 11. 2014 Roztoky -
Děkuji za pozornost.
TE 0102 0020
Str. 19
Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
