ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - FAKULTA STROJNÍ ÚSTAV VOZIDEL A LETADLOVÉ TECHNIKY ODBOR AUTOMOBILŮ, SPALOVACÍCH MOTORŮ A KOLEJOVÝCH VOZIDEL

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - FAKULTA STROJNÍ ÚSTAV VOZIDEL A LETADLOVÉ TECHNIKY ODBOR AUTOMOBILŮ, SPALOVACÍCH MOTORŮ A KOLEJOVÝCH VOZIDEL

DIPLOMOVÁ PRÁCE

D 2002 – M 11

Miloslav EMRICH

Anotace Jméno autora:

Miloslav EMRICH

Název diplomové práce:

D 2002 – M 11 : Optimalizace sacího a výfukového potrubí motoru ŠKODA

Rozsah práce:

69 stran, 16 tabulek, 80 obrázků, 7 příloh

Akademický rok:

2002/2003

Ústav:

U220 – Ústav vozidel a letadlové techniky U220.1 – Odbor automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel

Vedoucí diplomové práce:

Doc. Ing. Pavel BAUMRUK, CSc.

Jména konzultantů:

Ing. Miloš Polášek, Ph.D. Ing. Jiří Navrátil

Zadavatel tématu:

U220.1

Anotace:

V programu GT-Power, simulujícím termodynamický oběh motoru, je namodelován sériově vyráběný motor Škoda 1,4 MPI (D/Z = 75,5/78 mm, Pe max = 50kW/5000 min-1, Mt max = 120 Nm/2500 min-1). Je provedena analýza možnosti zvýšení výkonu a celkové účinnosti motoru změnou konfigurace sacího a výfukového traktu, změnou délek potrubí, časování, úhlu otevření a maximálního zdvihu ventilů. Optimalizace byly prováděny pro dosažení maximálního točivého momentu při otáčkách 2500 min-1 a maximálního výkonu při otáčkách 5000 min-1.

Děkuji vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Pavlu Baumrukovi, CSc. za podklady, rady a čas, který mi věnoval při přípravě této diplomové práce. Dále bych rád poděkoval panu Ing. Miloši Poláškovi, Ph.D. a panu Ing. Jiřímu Navrátilovi za připomínky k programu GT-Power. V neposlední řadě chci poděkovat svým rodičům za jejich podporu v celém mém studiu.

Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně pouze za odborného vedení vedoucího práce a konzultantů. Veškeré zdroje informací, ze kterých jsem čerpal, jsou uvedené v seznamu literatury.

V Praze dne 29.6.2005

.................... Miloslav EMRICH v.r.

ČVUT Praha Fakulta strojní Ústav 220.1

Optimalizace sacího a výfukového potrubí motoru ŠKODA D 2002 – M11

Miloslav EMRICH 2002/2003

Obsah OBSAH...........................................................................................................................1 PŘEDMLUVA ...............................................................................................................3 1

VÝPOČETNÍ SOFTWARE ........................................................................................5 1.1 Program GT-Power ....................................................................................5 1.2 Utilita MufflerDesign .................................................................................7 1.3 Utilita CamDesign ......................................................................................7 1.4 Princip tvorby modelu ................................................................................8

2

MOTOR ŠKODA 1,4 L MPI .................................................................................10 2.1 Technická data..........................................................................................10 2.2 Časování ventilů .......................................................................................11 2.3 Průtokové součinitele kanálů....................................................................12

3

MODEL SÉRIOVÉHO MOTORU .............................................................................13 3.1 Čistič vzduchu ..........................................................................................13 3.2 Škrtící klapka a sací modul.......................................................................14 3.3 Výfukový modul.......................................................................................16 3.4 Sací a výfukové ventily ............................................................................16 3.4.1 Definice úhlů SO a VO.........................................................................17 3.4.2 Průtokové součinitele............................................................................18 3.5 Objekt válec motoru .................................................................................18 3.5.1 Základní parametry motoru ..................................................................18 3.5.2 Přestup tepla a objekt teplot stěn ..........................................................18 3.5.3 Model spalování....................................................................................18 3.6 Objekt kliková skříň .................................................................................21 3.6.1 Mechanické ztráty.................................................................................21 3.7 Geometrický popis modelu.......................................................................21 3.8 Výsledné parametry základního modelu motoru......................................24 3.9 Jednoduchý model sériového motoru .......................................................26 3.9.1 Výfuková soustava................................................................................26 3.9.2 Sací soustava.........................................................................................27

4

NÁVRH SACÍHO TRAKTU ....................................................................................29 4.1 Analýza optimální délky sacího potrubí...................................................29 4.2 Varianta sání 1 ..........................................................................................30 4.3 Varianta sání 2 ..........................................................................................31 4.4 Varianta sání 3 ..........................................................................................32 4.5 Varianta sání 4 ..........................................................................................34 4.6 Varianta sání 5 ..........................................................................................36 4.7 Výběr sacího traktu...................................................................................38

5

NÁVRH VÝFUKOVÉHO TRAKTU ..........................................................................40 5.1 Varianta výfuku A ....................................................................................40 5.2 Varianta výfuku B ....................................................................................42

U

-1-

ČVUT Praha


Fakulta strojní Ústav 220.1

5.3 5.4 5.5


Varianta výfuku C ....................................................................................44 Výběr výfukového traktu..........................................................................46 Teplota výfukových plynů........................................................................47

6

OPTIMALIZACE ZDVIHOVÉ FUNKCE VENTILU .....................................................49 6.1 Sací ventily – úhel otevření ......................................................................49 6.2 Sací ventily – zdvih ..................................................................................51 6.3 Výfukové ventily – úhel otevření .............................................................53

7

ZHODNOCENÍ DOSAŽENÉHO VÝKONU ................................................................55

8

ZÁVĚR ...............................................................................................................59

SEZNAM OBECNĚ POUŽÍVANÝCH OZNAČENÍ..................................................60 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ..........................................................................61 SEZNAM PŘÍLOH ......................................................................................................62 Příloha 1: Preprocesor a procesor GT-Poweru .............................................63 Příloha 2: Postprocesor integrálních veličin .................................................64 Příloha 3: Postprocesor stavových veličin....................................................65 Příloha 4: Model výfuku v GT-Poweru ........................................................66 Příloha 5: Průtokové součinitele sacích kanálů – protokol z měření............67 Příloha 6: Průtokové součinitele výfukových kanálů – protokol z měření...68 Příloha 7: Analýza způsobu optimalizace na její výsledek ..........................69

-2-




Předmluva V dnešním uspěchaném světě, kde přísloví „Čas jsou peníze“ platí víc než kdykoliv předtím, nám počítače slouží k urychlení a zefektivnění práce v mnoha oborech lidské činnosti. Je tomu tak i při vývoji a zlepšování parametrů spalovacích motorů. Počítačová simulace termodynamického oběhu motoru nabývá v posledních letech na významu a využívají ji všechny moderní automobilky světa. Její rozmach je zapříčiněn dostupností výkonné výpočetní techniky a kvalitních programů pro tento účel vytvořených. Přínosem simulace je především možnost analyzovat vliv jednotlivých úprav motoru na jeho výkonové vlastnosti, zlepšovat spolupráci mezi jednotlivými prvky motoru a díky tomu minimalizovat čas a náklady na vývoj a optimalizace motoru. Počítačová simulace však v žádném případě nemůže nahradit výsledky měření na skutečném motoru, protože experimentálně zjištěná data slouží k vytvoření nebo ověření počítačového modelu. Například na aerodynamické trati se zjišťují průtokové součinitele kanálů, měřením na motorové brzdě lze získat rychlostní charakteristiky, měrné spotřeby paliva a jiné veličiny, které slouží k porovnání modelu a skutečného motoru. Tato diplomová práce se zabývá možnostmi jak zvýšit výkon a celkovou účinnost motoru Škoda 1,4 l/50kW MPI, který je v současné době dodáván do vozů Škoda Fabia. Výroba čtyřválcových zážehových motorů, s rozvodem OHV a dvěma ventily na válec, má u nás dlouholetou tradici. Proto si udělejme malou exkursi do historie. První velkoobjemové motory s tímto ventilovým rozvodem začala firma Škoda vyrábět v roce 1929. V osobních vozech byl používán nadále rozvod typu SV. Motory s OHV rozvodem byly montovány do užitkových vozů Škoda 304, 306, 404, 504, 506 a 606. Tehdejší motory dosahovaly z našeho pohledu velmi špatné účinnosti. Například řadový zážehový šestiválcový motor autobusu Škoda 306N viz. obr. 1 dosahoval při zdvihovém objemu 7274 cm3 výkon 55,2 kW.

obr. 1 Autobus Škoda 306N , rok výroby 1929-1939 Do osobních sériově vyráběných automobilů se motor s OHV rozvodem dostal poprvé v roce 1937. Byl použit u oblíbeného vozu Škoda Popular OHV (typ 912) zobrazeném na obr. 2. Tento čtyřdobý zážehový kapalinou chlazený řadový čtyřválec o zdvihovém objemu 995 cm3 dosahoval výkonu 19,9 kW při otáčkách 3600 min-1. S tímto motorem vůz dosahoval maximální rychlost 100 km.h-1. Tehdejší uváděná spotřeba byla 8 litrů na 100 km. Vyrobeno bylo 5510 kusů.

-3-




obr. 2 Osobní automobil Škoda Popular OHV (typ 912), rok výroby 1937-1938 Z uvedených údajů je zřejmé, jak velký pokrok udělal automobilový průmysl od té doby. Měrné výkony dnešních motorů jsou běžně dvojnásobné při nižší spotřebě paliva. Také množství vyráběných vozů určitého modelu se nepohybuje v jednotkách tisíců kusů, ale ve statisících. Ve vývoj se však nelze zastavit a je nutné dále se zabývat tím, jak zvýšit účinnost a tím i výkon dnešních motorů. Maximalizace využití vstupující energie a čistota emisí jsou dnešní prvořadé cíle. Zásoby ropy a zemního plynu nejsou nekonečné, a proto se musíme snažit je s co největší účinností využít. Cest jak zvýšit výkon a účinnost spalovacího motoru je mnoho. Pro představu lze uvést například kompresní poměr, průměr a počet ventilů, tvar kanálů, maximální otáčky motoru a tak dále. Mnohé z těchto úprav však zasahují do konstrukce hlavy motoru, klikového mechanismu, pístu a jiných částí, které se musejí vyměnit kvůli aerodynamickým nebo pevnostním vlastnostem. Tato diplomová práce se zabývá možnostmi jak zvýšit výkon bez zásahů do konstrukce motoru. Změny budou pouze na sacím a výfukovém traktu a vačkách. Hlavní důraz byl kladen na maximální využití dynamických jevů v sacím a výfukovém potrubí. Zde tlakové pulsace ovlivňují naplnění válce. Proto byl jejich vliv analyzován pro různé uspořádání sacího a výfukového potrubí. Následně byl optimalizován ventilový rozvod. Pro simulaci byl použit program GT-Power firmy Gamma Technologies, který zohledňuje dynamické účinky při plnění válce motoru. Při simulačních výpočtech není důležitá konkrétní hodnota točivého momentu či výkonu. Hlavním přínosem je diference parametru. Ta nám říká: „Pokud změním nějaký parametr o nějakou hodnotu, tak se změna projeví zvýšením čí snížením jiného parametru, což může být např. procentuální nárůst točivého momentu“. Tyto poznatky lze následně zobecnit a použít u jiných motorů. Nesmíme ale zapomenout, že se jedná pořád jen o simulaci. Proto by bylo vhodné určité optimalizace ověřit v praxi na skutečném motoru. Simulace nám však určuje cestu, kterou se vydat při vývoji nebo optimalizaci skutečného motoru.

-4-




1 Výpočetní software Tato diplomová práce byla počítána v programu GT-Power verze 5.2. Vyvíjí jej americká firma Gamma Technologies, Inc. (www.gtisoft.com). Pracovní prostředí je nazýváno GT-SUITE. V něm lze používat řadu navzájem spolupracujících CAE programů viz. obr. 3.

obr. 3 Schéma CAE programů spolupracujících v prostředí GT-SUITE Tyto programy jsou určeny pro návrh a analýzu motorů, hnacích jednotek a vozidel. Jedná se o komplexní software umožňující konstruktérům modelovat a analyzovat motor (GTPOWER), dynamiku vozidel (GT-Drive), ventilový rozvod (GT-VTRAIN), chladící systém (GT-COOL), vstřikovací systém (GT-FUEL) a dynamiku klikového hřídele (GT-CRANK). Díky těmto přednostem jej používá v celém světě přes 150 velkých firem zabývajících se automobilovým průmyslem. Na katedře je v současné době licencován pouze GT-POWER, proto budou popsány blíže jeho možnosti.

1.1 Program GT-Power Hlavním kladem je uživatelsky příjemné prostředí, protože program pracuje pod operačními systémy Microsoft Windows a umožňuje používat jejich výhody, jako je např. přenos dat pomocí schránky z jiných programů. GT-Power je složen ze tří základních částí: preprocesor, procesor a postprocesor. Preprocesor slouží k vytvoření modelu motoru a zadávají se do něj všechna data motoru. Procesor je vlastní výpočtový program. Uživatel si může zvolit metodu pro řešení rovnic, s jakým krokem se budou tyto rovnice řešit a podmínky ukončení výpočtu. Prostředí

-5-




preprocesoru a procesoru je v příloze 1. Postprocesor slouží k číselnému a grafickému zobrazení výsledků výpočtů. Je rozdělen na dvě části. První část slouží k zobrazení integrálních veličin v modelu motoru, ze kterých lze získat také konkrétní číselné hodnoty. Tato část postprocesoru je zobrazena v příloze 2. Druhá část zobrazuje stavové veličin formou grafů nebo přímo číselné hodnoty viz. příloha 3. Výsledky výpočtů se také ukládají ve formátu HTML, což umožňuje rychlou a efektivní presentaci výsledků. GT-Power je simulační program pro výpočet termodynamického oběhu spalovacích motorů. Program je 0-D pokud se jedná o řešení částí jako je válce motoru, turbína, kompresor, aj. Tyto části se řeší jako otevřená termodynamická soustava, kdy je ke všem jejich částem přistupováno jako k objemům. Setrvačné síly jsou zanedbány. Jsou zde řešeny zákony zachování energie a hmotnosti soustavou obyčejných diferenciálních rovnic. Pokud se jedná o sací a výfukový trakt, je program 1-D. Zde se již uvažují setrvačné síly a je řešen kromě zákonů zachování energie a hmotnosti ještě zákon zachování hybnosti. Zde se již řeší numericky parciální diferenciální rovnice. V programu lze namodelovat jakýkoliv typ pístového spalovacího motoru s vnějším nebo vnitřním tvořením směsi. Je zde i model pro zážehové motory s přímým vstřikem paliva do válce. Samozřejmě lze modelovat i přeplňované motory. Pro přeplňované motory lze použít jedno či vícestupňové turbíny a kompresory včetně možnosti variabilní geometrie lopatek. Mohou být použité mechanicky poháněné kompresory. Z dalších komponent lze použít wastegate, bypass, EGR a katalyzátor. Lze použít libovolné palivo – uhlovodíkové, alkoholy, vodík aj. Složení nasávaného vzduchu lze měnit včetně jeho vlhkosti. Program také obsahuje utility pro tvorbu tlumiče hluku (MufflerDesign) a vaček (CamDesign) viz. kapitoly 1.2 a 1.3. Mezi další možnosti patří teplotní analýza jednotlivých částí spalovacího prostoru. K řešení je použita metoda konečných prvků. Jako příklad na obr. 4 je uvedeno rozložení teplot na pístu včetně zobrazení elementů sítě. Samozřejmě lze analyzovat i teplotu výfukového a sacího systému.

obr. 4 Ukázka teplotní analýzy pístu v postprocesoru včetně sítě MKP modelu Spalování je řešeno pomocí několika modelů spalování. Některé umožňují analýzu produktů spalování, zejména NOX a sazí. Je zde i model určující klepání motoru. Na modelu lze provádět akustickou analýzu. Lze použít model externího mikrofonu, nebo model simulující odjíždějící vozidlo. Výstup je do *.wav souboru, který si lze následně přehrát. Velmi využívanou funkcí GT-Poweru je možnost současné optimalizace až pěti parametrů motoru. Lze optimalizovat např. délku potrubí, průřez potrubí, časování ventilů,

-6-




předstih zážehu, atd. pro dané otáčky motoru. Optimalizace se provádějí za účelem dosažení maximální (OptimumMax), minimální (OptimumMin), cílové (Target) hodnoty parametru motoru, čímž může být výkon, točivý moment, měrná spotřeba a mnoho dalších. Čas potřebný na optimalizaci závisí na složitosti modelu a na počtu optimalizovaných parametrů. Na základě zkušeností se jeví vhodné optimalizovat maximálně dva parametry současně, neboť výpočtové časy u více parametrů mohou dosáhnout až desítek hodin. Pro nalezení žádané hodnoty je použita numerická metoda půlení intervalu. Program je vytvořen tak, že umožňuje spolupráci s dalšími specializovanými programy. Jedná se zejména o FLUENT, STAR-CD, Simulink, MATRIXx, ISIGHT a Bistro.

1.2 Utilita MufflerDesign Tato utilita GT-Poweru je určená k tvorbě tlumiče hluku. Tvorba probíhá vytvořením skořepiny, která představuje vnější tvar. Tato skořepina se většinou vloží z knihovny a následně upraví. V dalším kroku se do ní vloží komponenty jako jsou potrubí, děrované potrubí, připojovací potrubí, překrývající se potrubí, přepážky a tlumící materiály. Příklad takto vytvořeného 2-D modelu je na obr. 5 vlevo. Po úspěšném vytvoření si lze nechat vykreslit 3-D model viz. obr. 5 vpravo.

obr. 5 Prostředí Muffler Designu Pro další úpravy lze soubor uložit s názvem *.mfr. Posledním krokem je vytvoření *.dat souboru a z něj souboru *.gtm, který lze použít do jakéhokoliv modelu motoru v programu GT-Power.

1.3 Utilita CamDesign Tato utilita je další, která je dodávána společně s GT-Powerem. Je určena pro návrh vaček. Prostředí programu je na obr. 6. Podobně jako metoda ÚVMV používá rozdělení zdvihové křivky na jednotlivé úseky. Tyto úseky jsou popsány konkrétními rovnicemi. Pro popis jednotlivých úseků CamDesign používá polynom n-tého stupně. Popis jednotlivých úseků závisí na uživatelem vybrané metodě pro tvorbu vačky. Pro symetrickou vačku lze výhodně definovat pouze polovinu zdvihové funkce.

-7-




obr. 6 Prostředí CamDesignu Při vytváření vačky se postupuje následovně. Musejí být zadány určité omezení např. úhel otevření, maximální zdvih, zrychlení, 3. derivace zdvihu v jednotlivých bodech. Dále se zadává spojitost do jaké derivace budou dvě sousedící křivky spojité na společné hranici. Při vytváření je k dispozici několik dalších parametrů (zdvih, rychlost, zrychlení, 3. derivace zdvihu) v určitých bodech, které lze ovlivňovat přímo na obrazovce posunem jednotlivých hodnot myší. Při změně kteréhokoliv parametru dochází ihned k překreslení zdvihu, rychlosti, zrychleni a 3. derivace. Po vytvoření vačky lze výsledné hodnoty pomocí schránky přenést do GT-Poweru.

1.4 Princip tvorby modelu Model motoru v preprocesoru se tvoří vkládáním jednotlivých komponent motoru (válce, klikový hřídel, škrtící klapka, potrubí atd.) z databáze GT-Poweru a jejich vzájemným propojováním vazbami. Na obr. 7 je schéma čtyřválcového nepřeplňovaného motoru Škoda 1,4 MPI. Jednotlivé ikony představují objekty (potrubí, škrtící klapka, sací ventil, válec, atd.), kterým lze přiřadit jejich vlastnosti. Jde většinou o tvarové a materiálové vlastnosti, jako jsou délka, tloušťka stěn, drsnost povrchu, diskretizační délka, model pro přestup tepla, počáteční teplota stěn aj. Některé položky lze zvolit jako přednastavené „def“ nebo je zanedbat „ign“. Dále lze u objektu vybrat, které veličiny se budou ukládat do výstupního souboru. Jsou to především tlak, teplota, hmotnostní tok aj. Po dokončení výpočtu si je lze prohlédnout v post-procesoru.

-8-

ČVUT Praha




Výstup výfukových plynů do atmosféry

Tlumič hluku

Výfukové potrubí

Katalyzátor

Ojnice jednotlivých válců Výfukový ventil Klikový hřídel

Válec č.1 Sací ventil

Vstup vzduchu do sání

Vstřikovací ventil

Filtr sání

Sací modul

Škrtící klapka obr. 7 Model motoru Škoda 1,4 MPI v programu GT-Power

-9-




2 Motor Škoda 1,4 l MPI Základní koncepce motoru ŠKODA 1,4 l viz. obr. 8 vychází z osvědčeného hliníkového motoru 1,3 l známého z vozů Škoda Felicia. Motor se vyrábí ve dvou výkonových provedeních, 44 kW a 50 kW. Mechanická část je shodná, změny jsou pouze v softwaru řídící jednotky. Tato diplomová práce se zabývá silnější verzí motoru. V této kapitole budou uvedeny všechny důležité informace získané o tomto motoru.

obr. 8 Motor ŠKODA 1,4 l MPI

2.1 Technická data Základní data byla získána z dílenské příručky [7]. Vnější momentová a výkonová charakteristika je na obr. 9. Základní data uvádí následující tab. 1. Kód motoru Konstrukce Ventilů na válec Zdvihový objem Vrtání Zdvih Kompresní poměr Jmenovitý výkon Max. točivý moment Čištění výfukových plynů Emisní norma

ATZ řadový čtyřválec 2 - rozvod OHV 1397 cm3 75,5 mm 78 mm 10,0 : 1 50 kW/5000 min-1 120 Nm/2500 min-1 dva katalyzátory a dvě lambda-sondy EU4

- 10 -

ČVUT Praha



Palivo Vstřikování paliva Zapalování


bezolovnatý benzin, oktanové číslo 95 Simos 3PA (vícebodové, sekvenční) elektronické bezkontaktní

tab. 1 Technická data motoru Škoda 1,4 l MPI 60

200 190

50

170

40

160 150

30

140 130

20

120

Výkon [kW]

Točivý moment [Nm]

180

Točivý moment Mt Výkon Pe

110

10

100 90 80 1000

2000

3000

4000

5000

0 6000

Otáčky motoru [min-1]

obr. 9 Výkonové parametry motoru Škoda 1,4 l/50kW MPI

2.2 Časování ventilů Na obr. 10 je schématicky znázorněno časování ventilů. Dílenská příručka [7] uvádí následující parametry: VO = výfukový ventil otevírá 44° před DÚ VZ = výfukový ventil zavírá 13°po HÚ SO = sací ventil otevírá 17°před HÚ SZ = sací ventil zavírá 40°po DÚ

obr. 10 Schéma časování ventilů

- 11 -

ČVUT Praha




Vačky ovládající sací a výfukové ventily jsou shodné. Úhel otevření ventilů činí 237° na klikovém hřídeli a překrytí ventilů je 30°. Motor je vybaven hydraulickými zdvihátky pro vyrovnávání ventilové vůle. Pro svoji činnost potřebují olej z mazacího okruhu motoru. Hodnoty časování, které udává dílenská příručka, byly naměřeny na motoru v klidovém stavu, kdy nebyl v činnosti mazací okruh motoru, a proto nebyly vymezeny ventilové vůle. Při běžícím motoru se vůle vyrovnají a hodnoty časování se změní. Zvětší se úhel otevření ventilů, překrytí ventilů, ale okamžik maximálního zdvihu ventilu zůstane zachován.

2.3 Průtokové součinitele kanálů

Průtokový součinitel kanálů μσ [-]

Průtokové součinitele kanálů lze získat měřením na aerodynamické trati. Postup měření je podrobně popsán v [1]. Měření bylo provedeno v halových laboratořích ČVUT fakulty strojní doc. Baumrukem na hlavě motoru Škoda 1,3 l, která je shodná s hlavou motoru Škoda 1,4 l. Protokol z měření je uveden v příloze 5 a 6. Pro měření tečné rotace byla použita metoda s impulsním měřičem víření. Výsledkem bylo zjištění průtokových součinitelů μσ v závislosti na poměrném zdvihu ventilu. Průběh je znázorněn na obr. 11. Do programu GT-Power se tento součinitel zadává přímo. 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

Sací kanál (ventil dv=31mm)

0,2

Výfukový kanál (ventil dv=27mm)

0,1 0,0 0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

zdvih / průměr ventilu (h/dv) [-]

obr. 11 Závislost průběhu průtokových součinitelů sacích a výfukových kanálů na poměrném zdvihu ventilu

- 12 -




3 Model sériového motoru První model sériového motoru byl vytvořen modifikací jednoho ze vzorových modelů zážehového motoru v GT-Poweru. Za asistence školitele do něj byly zadány základní známé parametry motoru uvedené v kapitolách 2.1, 2.2 a 2.3. Délky potrubí, ojnic a další parametry nebyly v té době k dispozici, proto model sloužil především k seznámení a pochopení tohoto programu. Získáním výkresové dokumentace bylo umožněno vytvořit základní model motoru. Některá vstupní data nebyla stále k dispozici, proto musela být použita data z podobných motorů, nebo byly ponechány původní hodnoty. Nyní budou popsány jednotlivé důležité části modelu motoru tak, jak následují od vstupu sání až po koncovku výfuku podle obr. 7. V kapitole 3.7 bude podrobně popsán geometricky celý model.

3.1 Čistič vzduchu Na obr. 12 je vidět sestava čističe vzduchu se vstupním potrubím a následujícím potrubím, které končí vstupem do komory škrtící klapky. Vpravo je model v GT-Poweru.

obr. 12 Sestava čističe vzduchu s přípojným potrubím a model v GT-Poweru Popis pozic na obr. 12: 1-Sací hrdlo 2-Pružná spona 3-Hadice sání 4-Skříň vzduchového filtru-vrchní část 5-Šroub 6-Vložka filtru 7-Šroub

8-Skříň vzduchového filtru – spodní část 9-Sací hrdlo s regulační klapkou 10-Nasávání teplého vzduchu 11-Šroubová spona 12-K odvětrání klikové skříně 13-Šroub

- 13 -




Při tvorbě modelu motoru v GT-Poweru byly provedeny následující zjednodušení modelu: ¾ tvarově složité součásti jsou nahrazeny jednoduššími ¾ některé komponenty jsou zanedbány ¾ ohyby potrubí jsou nahrazeny přímými úseky ¾ potrubí nekruhového průřezu jsou nahrazena potrubím kruhového průřezu Hlavním cílem při zjednodušování bylo zachovat délky a průřezy potrubí, které hrají důležitou roli při výpočtech tlakových pulsací v sacím traktu. Další podmínkou bylo zachovat přibližně stejné objemy všech částí. Na základě těchto zjednodušení bylo namodelováno vstupní hrdlo jako trubka kruhového průřezu konfuzorového tvaru. Skříň vzduchového filtru (pozice 8 a 4 na obr. 12) je tvořena vstupní rozšiřující se částí a dále trubkou průměru 150 mm a délky 200mm. Zakončena je zužující se částí. Vložka filtru je zanedbána. Následuje přímé potrubí, které je napojeno na škrtící klapku.

3.2 Škrtící klapka a sací modul Jak již bylo dříve řečeno, je na katedře k dispozici výkresová dokumentace sacího modulu a hlavy válců, čehož bylo využito pro změření jejich rozměrů, zejména délek a průměrů potrubí. Na obr. 13 je zobrazena sestava a model sacího modulu, včetně škrtící klapky a vstřikovací lišty. Škrtící klapka je sestavena ze vstupní a výstupní válcové části tvořené trubkou a samotnou škrtící klapkou. Škrtící klapka je definována jejím průměrem, který je 46 mm a průtokovým součinitelem μσ viz. tab. 2. Naměřená data jsou pro škrtící klapku u motoru VW 1,4 l OHC. Z hlediska prováděných výpočtů by bylo postačující znát průtokové součinitele pro plně otevřenou klapku. Otevření škrtící klapky α [%] 0 20 40 50 60 80 100

[°] 0 18 36 45 54 72 90

Průtokový součinitel μσ (pro oba směry průtoku) [-] 0,01 0,05 0,18 0,28 0,4 0,68 0,71

tab. 2 Průtokové součinitele μσ na škrtící klapce Při tvorbě sacího modulu bylo postupováno dle výše uvedených zjednodušení. Sací potrubí od hlavy válců až po společný objem má stejnou délku L = 266 mm. Tato délka je důležitá, protože při proudění v potrubích lze dosáhnout známého efektu „laděného potrubí“. Při zvoleném nastavení časování sacího ventilu lze využít tlakových pulsací v sacím potrubí ke zvýšení naplnění válce zvýšením tlakového spádu těsně před zavřením sacího ventilu. Tím dochází k tzv. atmosférickému přeplňování. Nevýhodou tohoto principu je, že funguje jen v úzkém rozmezí otáček. K využití efektu v širším otáčkovém spektru lze dosáhnout variabilním časováním sacích ventilů nebo proměnnou délkou sacího potrubí.

- 14 -




obr. 13 Sestava škrtící klapky a sacího modulu a model motoru Popis pozic na obr. 13: 1-Rozdělovač paliva 2-Šroub 3-Jednotka ovládání škrtící klapky 4-Těsnění 5-Sací potrubí 6-Těsnění

7-Matice 8-Snímač tlaku a teploty nasávaného vzduchu 9-Šroub 10-K odvětrání klikové skříně 11-K elektromagnetickému ventilu nádoby s aktivním uhlím 12-Šroub

- 15 -

ČVUT Praha




3.3 Výfukový modul Výfukové potrubí je namodelováno stejným způsobem jako sací potrubí. Na vozidle jsou nainstalovány dva tlumiče hluku (pozice 18 na obr. 14). V modelu bylo potrubí (pozice 16) a zadní tlumič zanedbány a model byl ukončen prvním tlumičem hluku. Jako tlumič hluku byl použit model (muffler1.gtm), který je součástí GT-Poweru viz. příloha 4.

obr. 14 Sestava výfukové soustavy a model Odlitek výfukového potrubí (pozice 4) odvádí výfukové plyny od jednotlivých válců do společného objemu, na který je napojeno potrubí (pozice 21). Potrubí od 1. a 4. válce mají větší délku než potrubí od 2. a 3. válce. Tato skutečnost byla do modelu samozřejmě zahrnuta. Délky trubek jsou L14 = 230 mm a L23 = 160 mm.

3.4 Sací a výfukové ventily Zdvihové funkce ventilů a maximální zdvihy ventilů patří mezi data, která se nepodařilo získat. Známé jsou jen průměry ventilů a fakt, že úhel otevření sacího a výfukového ventilu jsou shodné. Do modelu se zadávají přímo zdvihové funkce jednotlivých ventilů, které byly pro sací i výfukový ventil zvoleny stejně. Průběh zdvihu, rychlosti a zrychlení ventilů zobrazuje obr. 15. Tyto křivky byly získány od Prof. Macka, který v tabulkovém procesoru provedl přepočet zdvihové funkce vačky VW EA111 přes rozvod OHV na ventil.

- 16 -

ČVUT Praha




9

4500,0

8 3500,0

6 5

2500,0

4 3

1500,0

2 1

500,0

0 -1 -80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80 -500,0

-2 -3

zrychlení ventilu [m.s-2]

zdvih ventilu [mm] rychlost ventilu [m.s-1]

7

-1500,0

-4 -5

-2500,0

úhel [°]

Zdvih ventilu

Rychlost ventilu

Zrychlení ventilu

obr. 15 Zdvihové křivky ventilů 3.4.1 Definice úhlů SO a VO Program GT-Power umožňuje dvě možné definice úhlu otevření ventilů SO a VO. První definice uvažuje úhel otevření jako vzdálenost mezi horní úvratí (komprese-expanze) a okamžikem prvního fyzického pohybu ventilu. U vaček s velmi pozvolným nárůstem zdvihu je na počátku ventil několik stupňů prakticky uzavřený a protéká jím jen malé množství směsi. Tím je „skutečný“ úhel otevření ventilu posunut o několik stupňů později. Proto je k dispozici druhá možnost. Úhel otevření definovat polohou maximálního zdvihu ventilu vůči HÚ pístu mezi zdvihy komprese-expanze viz. obr. 16. Všechny údaje o časování ventilů v diplomové práci budou uvedeny podle této definice. 9

zdvih ventilu [mm]

8 7

Výfukový ventil

6

Sací ventil

5 4 3 2 1 0 0

HÚ

60

120

VO

180

240

DÚ

300

360

HÚ

420

480

540

600

660

DÚ úhel na klikovém hřídeli [°]

SO obr. 16 Definice úhlu SO, VO v GT-Poweru

- 17 -

720

HÚ




3.4.2 Průtokové součinitele Pro úplné zadání sacích a výfukových ventilů je nutné zadat průtokové součinitele pro dopředné i zpětné proudění. V našem případě jsou z měření známé pouze průtokové součinitele směrem do válce u sacích kanálů a z válce u výfukových kanálů. Pro oba směry proudění se uvažují stejné hodnoty průtokových součinitelů. Z některých měření na aerodynamické trati byly zjištěny při dopředném a zpětném proudění rozdílné hodnoty, ale především v oblasti větších zdvihů ventilu. Zpětné proudění lze očekávat pouze při malých zdvizích ventilů. Použité zjednodušení nemá vliv na kvalitu výpočtu. Při měření průtokových součinitelů se měří současně kanál i ventil a je důležité, aby u části, která představuje kanál v hlavě motoru byl, uvažován bezztrátový průtok.

3.5 Objekt válec motoru V objektu „Válec motoru“ se zadávají základní geometrické parametry motoru, dále pak se zde definuje spalování a přestupy tepla ze spalovacího prostoru. 3.5.1 Základní parametry motoru V tab. 3 jsou uvedeny parametry motoru zadávané v objektu válec motoru. Veličina Vrtání Zdvih Délka ojnice Vyosení pístního čepu Kompresní poměr ε

Hodnota 75,5 mm 78 mm 133 mm 0,5 mm 10,0

tab. 3 Základní parametry motoru 3.5.2 Přestup tepla a objekt teplot stěn Výpočet přestupu tepla je prováděn pomocí Woschniho modelu. Pro výpočet přestupu tepla ze spalovacího prostoru je potřeba znát povrchové teploty. Tyto teploty jsou počítány řešičem (EngCylTWallSoln). Pro správnou funkci řešiče je potřeba odhadnout počáteční povrchové teploty v určených místech pístu, hlavy válců, ventilů, chladící kapaliny a oleje. Dále je nutné geometricky popsat píst, spalovací prostor a válec. Pro podrobnější informace odkazuji na [8]. 3.5.3 Model spalování Spalování bylo namodelováno pomocí Wiebeho funkce (v GT-Poweru objekt EngCylCombSIWiebe). Tato funkce simuluje vývin tepla (Heat Release) ve válci při spalování. Protože nebylo k dispozici měření na uvažovaném motoru, byla použita data z měření na motoru Škoda 1,2l HTP. Wiebeho křivka je v GT-Poweru zadána následujícími parametry: Anchor Angle - určuje úhel mezi horní úvratí a polohou pístu, kdy shořelo 50% paliva. Na obr. 17 je uvedena tato závislost z měření. Hodnoty byly proloženy polynomem druhého stupně a pro jednotlivé otáčky zadány formou tabulky do modelu.

- 18 -

ČVUT Praha




Úhel pro 50 % shořelého paliva [° na klikové hřídeli po HÚ]

16 14 12 10 8 6

y = -6E-07x2 + 0,0015x + 11,409 R2 = 0,8372

4 2 0 1000

2000

3000

4000

5000

6000


Motor Škoda 1,2l HTP

Polynomický (Motor Škoda 1,2l HTP)

obr. 17 Závislost doby shoření 50 % paliva na otáčkách motoru (Anchor Angle)

Doba hoření [° na klikové hřídeli]

Duration – tato konstanta určuje dobu trvání hoření 10 % až 90 % paliva. Opět je závislá na otáčkách motoru. Z měření je znám úhel Δα s0-95% odpovídající době hoření 0 až 95 % paliva viz. obr. 18. Pro vyhlazení průběhu byla křivka proložena polynomem třetího stupně. 60 50 40 3

2

y = 8E-10x - 9E-06x + 0,0366x - 0,757 2 R = 0,9058

30 20

Motor Škoda 1,2l HTP 10

Polynomický (Motor Škoda 1,2l HTP)

0 1000

2000

3000

4000

5000

6000


obr. 18 Doba hoření paliva v závislosti na otáčkách motoru Pro odhadnutí úhlu hoření 10 % až 90 % paliva byla využita rovnice (1) popisující Wiebeho funkci:

xQ =

Q p (α ) m p .H u .ηchem

= 1− e

⎛ α −α PH ⎞ ⎟ − 3.⎜ ⎜ Δα s 0−95% ⎟ ⎝ ⎠

m +1

kde je x Q . . . . . . . . . poměrné vyvinuté teplo [1] Q p (α) . . . . . přivedené teplo [J] m p . . . . . . . . hmotnost přivedeného paliva [kg]

- 19 -

(1)

ČVUT Praha




H u . . . . . . . . výhřevnost paliva [J.kg-1] η chem . . . . . . chemická účinnost hoření [1] α . . . . . . . . . úhel na klikové hřídeli [°] α PH . . . . . . . počátek hoření [°] Δα s0-95% . . . doba hoření 0 - 95 % paliva [°] m . . . . . . . . . Wiebeho exponent Do rovnice byly dosazeny hodnoty doby hoření paliva Δα s0-95% získané proložením hodnot z měření viz. obr. 18. Úhel α PH = 0, protože hodnota úhlu hoření Δα s0-95% je již bez průtahu zážehu. Wiebeho exponent byl zvolen 1,7. Zobrazením Wiebeho funkce do grafu lze odečíst hodnoty úhlů pro hoření 10 až 90 % paliva viz. obr. 19. 1

0,0315

0,9

0,028

0,8

0,0245

0,7

0,021

0,6

0,0175

0,5

0,014

0,4

0,0105

0,3

0,007

0,2

0,0035

0,1

0

Poměrné vyvinuté teplo [1]

Rychlost vývinu tepla [1/°]

0,035

0 0

10

20

30 10-90%

40

0-95%

Rychlost vývinu tepla

50

60

70

80

Doba hoření [° na klikové hřídeli] Poměrné vyvinuté teplo

obr. 19 Poměrné vyvinuté teplo (Normalized Cumulative Heat Release) a rychlost vývinu tepla (Heat Release Rate) pro otáčky 5500 min-1

Úhel hoření 10-90% paliva [°]

Výsledek tj. hodnoty úhlu na klikové hřídeli pro hoření 10 - 90 % paliva jsou zobrazeny na obr. 20. Tyto hodnoty byly formou tabulky zadány do GT-Poweru. 35 30 25 20 15 10 5 0 1000

2000

3000

4000

5000


obr. 20 Doba hoření 10 – 90 % paliva

- 20 -

6000

ČVUT Praha




Wiebe Exponent – tento exponent má vliv na tvar Wiebeho křivky. Stejně jako v rovnici (1) byla použita hodnota 1,7.

3.6 Objekt kliková skříň V tomto objektu byl zadán počet válců tj. 4 a jejich uspořádání tj. v řadě. Dále se zde zadává pořadí zapalování válců, v našem případě 1-3-4-2 a jejich uspořádání na klikové hřídeli. V neposlední řadě se zde uvádějí otáčky motoru a mechanické ztráty motoru, které jsou podrobně popsány v následující kapitole 3.6.1. 3.6.1 Mechanické ztráty Mechanické ztráty jsou v GT-Poweru zadány jako ztrátové tlaky pz. Tento experimentálně zjišťovaný údaj se nepodařilo pro uvažovaný motor zjistit. Proto byly použity ztrátové tlaky tříválcového motoru Škoda 1,2 l. Z měření byla známá mechanická účinnost motoru ηm a indikovaný tlak pi. Ze vzorce pro mechanickou účinnost motoru (2) vyjádříme pz a dostaneme výsledný vztah (3).

ηm =

p e pi − p z p = 1− z = pi pi pi

(2)

p z = (1 − η m ). pi

(3)

Po vytvoření modelu byly ztrátové tlaky mírně upraveny viz. obr. 21, aby se vnější momentová charakteristika více přiblížila sériovému motoru. ztrátový tlak pz [MPa]

0,18

Motor ŠKODA 1,2 HTP

0,16

Model motoru ŠKODA 1,4 MPI

0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

otáčky motoru n [min-1]

obr. 21 Závislost ztrátového tlaku na otáčkách a tabulka použitých hodnot

3.7 Geometrický popis modelu Pro představu o rozměrech jednotlivých částí motoru je nutné model popsat geometricky. Na obr. 22 je model motoru v GT-Poweru a popis jednotlivých částí je zanesen v tab. 4.

- 21 -

ČVUT Praha


Fakulta strojní Ústav 220.1 Číslo Název 1 Prostředí 2 Potrubí Vstup čističe 3 vzduchu 4 Čistič vzduchu Výstup čističe 5 vzduchu 6 Potrubí Vstup škrtící 7 klapky 8 Škrtící klapka Výstup škrtící 9 klapky 10 Potrubí 11 Koleno-potrubí 12

T-potrubí

13

Potrubí

14

T-potrubí

15 16 17 18 19 20 21

Potrubí T-potrubí Konec potrubí Potrubí Potrubí Vstřikovač Potrubí

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38


Vlastnosti tlak = 0,1MPa; teplota = 300 K; složení = vzduch (hmotnostně 76,7% N2 a 23,3% O2) d vstup= 40 mm; d výstup = 60 mm; L = 360 mm d vstup= 60 mm; d výstup = 150 mm; akumulační objem = 2 013 750 mm3 d vstup= d výstup =150 mm; L = 200 mm d vstup= 60 mm; d výstup = 150 mm; akumulační objem = 2 013 750 mm3 d vstup= d výstup =60 mm; L = 450 mm d vstup= d výstup =50 mm; L = 40 mm ∅ 46mm, průtokové součinitele viz.tab. 2 d vstup= d výstup =50 mm; L = 40 mm d vstup= 50; d výstup = 60 mm; L = 60 mm d vstup= d výstup = 60 mm; L = 100 mm; R = 65 mm; úhel ohybu = 45° d vstup (z kolena) = 60 mm; d výstup (přímý směr) = 56 mm; L = 20mm (odpovídá diskretizační délce) d vstup= d výstup = 56 mm; L = 35 mm d vstup (přímý směr) = 56 mm; d výstup (do potrubí č.15) = 26,5 mm; L = 20mm (odpovídá diskretizační délce) d vstup= d výstup = 56 mm; L = 20 mm viz. T-potrubí č.14

d vstup= d výstup = 26,5 mm; L = 246 mm d vstup= d výstup = 26,5 mm; L = 20 mm vstřikuje benzín doprostřed potrubí č.19; součinitel přebytku vzduchu λ = 0,9 d vstup= 26,5 mm; d výstup = 29,5 mm; L = 92 mm d s = 31 mm; SO = 455° na klikové hřídeli; zdvihová funkce viz. obr. 15; průtokové Sací ventil součinitele viz. příloha 5. vrtání = 75,5 mm; zdvih = 78 mm; délka ojnice = 133 mm; vyosení pístního čepu = Válec motoru 0,5 mm; kompresní poměr = 10 Kliková hřídel čtyřválcový čtyřdobý řadový motor; zapalování 1-3-4-2; mech. ztráty viz. obr. 21 Výfukový d v = 27 mm; VO = 248° na klikové hřídeli; zdvihová funkce viz. obr. 15; průtokové součinitele viz. příloha 6 ventil Potrubí d vstup = 28 mm; d výstup = 32 mm; L = 85 mm Potrubí d vstup = d výstup = 32 mm; L = 40 mm Potrubí d vstup = d výstup = 32 mm; L = 190 mm (delší potrubí od 1. a 4. válce) Potrubí d vstup = d výstup = 32 mm; L = 120 mm (kratší potrubí od 2. a 3. válce) Spojení potrubí akumulační objem = 98 000 mm3 Potrubí d vstup = d výstup = 40 mm; L = 710 mm Vstup do akumulační objem = 347 924 mm3 katalyzátoru průřez 6363 mm2; procento průtočné plochy = 70 %; hustota buněk = 62 cm-2; L = Katalyzátor 135 mm; Výstup z akumulační objem = 347 924 mm3 katalyzátoru Potrubí d vstup = d výstup = 40 mm; L = 410 mm Tlumič hluku viz. příloha 4 Hrdlo průtokový součinitel = 1 pro oba směry proudění Prostředí viz. prostředí č.1

tab. 4 Popis jednotlivých součástí základního modelu motoru

- 22 -

ČVUT Praha



36

35

37

34


38

33

32

31

30

28

29

27 26 25

23

22 21 1 2

24 19

20 18

12 3

17 16

15 14 13

4

11 10

5 6

7 8

9

obr. 22 Základní model motoru očíslovaný pro geometrický popis

- 23 -

ČVUT Praha




3.8 Výsledné parametry základního modelu motoru

130

425

120

400

110

375

100

350

90

325

80

300

70

275

Měrná spotřeba paliva [g/kW.h]


Pro ověření shody modelu se skutečným motorem sloužila jako základ vnější momentová a výkonová charakteristika. Ostatní parametry motoru nebyly k dispozici, proto jsem použil naměřená data z tříválcového motoru Škoda 1,2l HTP. Tento motor má samozřejmě poněkud jiné parametry, ale koncepce je velmi podobná a je od stejného výrobce. Dosažení co největší shody v průběhu momentové a výkonové charakteristiky dává předpoklad správně nastavených parametrů pro výpočet. Některé převzaté parametry z tříválce bylo nutno upravit. Na obr. 23 a obr. 24 uvádím jednak porovnání točivého momentu a výkonu v celém otáčkovém rozsahu sériového motoru a základního modelu a jednak porovnání měrné spotřeby a plnící účinnosti tříválce a základního modelu. Zatímco shoda u točivého momentu a výkonu je velmi dobrá, u měrné spotřeby a plnící účinnosti jsou již větší rozdíly.

60 1000

2000

3000

4000

250 6000

5000

Otáčky motoru [min-1] Točivý moment - sériový motor

Točivý moment - základní model

Měrná spotřeba - Škoda 1,2 HTP

Měrná spotřeba - základní model

obr. 23 Vnější momentová charakteristika a měrná spotřeba paliva 60

100

Plnící účinnost [%]

Výkon [kW]

50 40 30 20

Výkno - sériový motor 10 0 1000

90 80 70

Plnící účinnost Škoda 1,2 HTP Plnící účinnost základní model

60

Výkon - základní model 50 2000

3000

4000

5000

6000

Otáčky motoru [m in-1]

0

1000

obr. 24 Výkon a plnící účinnost

- 24 -

2000

3000

4000

5000


6000

ČVUT Praha




20

70

18

60

16

50

14

40

12

30

10

20

8

10

6 0

1000

2000

3000

4000

5000

Maximální tlak ve válci [bar]

Efektivní a indukovaný tlak [bar]

Měrná spotřeba paliva by měla být teoreticky u silnějšího čtyřválcového motoru v porovnání se slabším tříválcem vyšší. GT-Power však vypočítal spotřebu naopak nižší, a to v celém otáčkovém spektru. Souvisí to s naladěním modelu, zvláště pak koeficientů přestupu tepla. Na následujícím obr. 25 jsou zobrazeny efektivní, indukované a maximální tlaky a na obr. 26 jsou vyneseny účinnosti motoru. Všechny tyto parametry vykazují dobrou shodu s tříválcovým motorem. Proto není nutné se problémem s měrnou spotřebou paliva dále zabývat. Tento parametr nemá zásadní vliv na prováděné optimalizace sacího a výfukového traktu.

0 6000


Efektivní tlak - Škoda 1,2 HTP

Efektivní tlak - základní model

Indikovaný tlak - Škoda 1,2 HTP

Indikovaný tlak - základní model

Maximální tlak - Škoda 1,2 HTP

Maximální tlak - základní model

38

100

36

90

34

80

32

70

30

60

28

50

26 0

1000

2000

3000

4000

5000

Mechanická účinnost [%]

Indikovaná a celková účinnost motoru [%]

obr. 25 Efektivní, indukovaný a maximální tlak

40 6000


Indikovaná účinnost - Škoda 1,2 HTP

Indikovaná účinnost - základní model

Celková účinnost - Škoda 1,2 HTP

Celková účinnost - základní model

Mechanická účinnost - Škoda 1,2 HTP

Mechanická účinnost - základní model

obr. 26 Indikovaná, celková a mechanická účinnost motoru

- 25 -

ČVUT Praha




3.9 Jednoduchý model sériového motoru Po vytvoření základního modelu, na němž byla prokázána shoda se sériovým motorem, jsem dospěl k závěru, že i přes určitá zjednodušení je model příliš složitý a na optimalizační výpočty nevhodný. Propočet sedmnácti bodů vnější momentové čáry trval 36 minut. Ověřoval jsem možnosti zjednodušení modelu a jejich vliv na základní parametry motoru.

Jednoduchý model s náhradou tlumiče

Základní model s tlumičem a katalyzátorem

3.9.1 Výfuková soustava Výfukovou soustavu jsem zjednodušil odstraněním katalyzátoru a složitý tlumič výfuku nahradil nádobou ∅ 200 mm a délky 400 mm, viz.obr. 28. Potrubí mezi touto nádobou a sběrným potrubím bylo ze 710 mm zkráceno na 200 mm. Za nádobu jsem dal škrtící element, jehož průřez jsem zoptimalizoval na ∅ 33,7 mm tak, aby střední tlak v potrubí před nádobou byl stejný jako u základního modelu. V tab. 5 je hodnota vyznačena červeně. Optimalizace byla provedena pro 3500 min-1. Toto zjednodušení urychlilo propočtení vnější momentové čáry na 13 minut. Vliv na vnější momentovou charakteristiku není nikterak významný, což je vidět na obr. 27. Otáčky motoru Celkový tlak Maximální tlak Minimální tlak Amplituda tlaku Průměrný tlak Celkový tlak Maximální tlak Minimální tlak Amplituda tlaku Průměrný tlak

min-1 bar bar bar bar bar bar bar bar bar bar

1500 1,004 1,062 0,987 0,075 1,016 0,972 1,176 0,925 0,251 1,035

2000 1,060 1,079 0,993 0,086 1,028 0,972 1,227 0,911 0,316 1,054

2500 1,036 1,125 0,999 0,126 1,048 1,069 1,317 0,914 0,403 1,085

3000 1,053 1,161 1,029 0,131 1,079 1,123 1,262 0,960 0,303 1,098

3500 1,098 1,179 1,069 0,111 1,117 1,172 1,255 1,003 0,253 1,118

4000 1,115 1,205 1,094 0,112 1,143 1,218 1,283 1,026 0,257 1,142

4500 1,136 1,235 1,096 0,139 1,158 1,243 1,365 0,986 0,379 1,158

5000 1,171 1,276 1,100 0,176 1,171 1,249 1,358 0,998 0,360 1,168

tab. 5 Tlakové poměry v potrubí u základního modelu a jednoduchého modelu Točivý moment [Nm]

130 120 110 100 90 80 1000

2000

3000

4000

5000

6000

Otáčky motoru [min-1] Základní model

Model s náhradou výfuk

obr. 27 Točivý moment před a po zjednodušení výfuku

- 26 -

5500 1,211 1,303 1,122 0,181 1,193 1,266 1,317 1,049 0,268 1,178




Škrtící element ∅ 33,7 mm

obr. 28 Složitý a zjednodušený model výfuku 3.9.2 Sací soustava Dále byl učiněn pokus zjednodušit sací soustavu. Na obr. 29 vidíme sací potrubí před a po zjednodušení. Při zjednodušování sací soustavy bylo postupováno následovně: ¾ odstraněno vstupní hrdlo a filtr sání ¾ odstraněno potrubí mezi filtrem a škrtící klapkou ¾ odstraněna škrtící klapka a část následujícího potrubí Změny vnější momentové charakteristiky při postupném zjednodušování sacího traktu lze sledovat na obr. 30.

obr. 29 Složitá a zjednodušená sací soustava

- 27 -





130

120

110

100

90

80 1000

2000

3000

4000

5000

6000

Otáčky motoru [min-1] Základní model 1. Zjednodušen výfuk 2. Odstraněn filtr sání se vstupním hrdlem 3. Odstraněno potrubí před škrtící klapkou 4. Odstraněna škrtící klapka a část následující trubky

obr. 30 Změna točivého momentu při zjednodušování Odstraňováním částí sací soustavy dochází ke značným změnám momentové charakteristiky v rozmezí otáček 1500 – 4000 min-1. Tento jev je zapříčiněn změnou celkové délky sacího potrubí, na které dochází k tlakovým pulsacím. Tyto pulsace výrazně ovlivňují naplnění válce. Vzhledem k výraznému vlivu sacího traktu na vnější momentovou charakteristiku bylo upuštěno od zjednodušení a model byl ponechán beze změn. Pro následující optimalizace bude použit model se zjednodušeným výfukem viz kap. 3.9.1. Vnější momentová charakteristika tohoto modelu je na obr. 27. Tato charakteristika bude srovnávací pro následující optimalizované modely.

- 28 -

ČVUT Praha




4 Návrh sacího traktu V této kapitole bude analyzováno pět různých variant sacího potrubí. Pro každou variantu byla provedena dvouparametrická optimalizace délky sacího potrubí a časování otevření sacího ventilu. Volba dvouparametrické optimalizace je zdůvodněna v příloze 7. Modely sacího traktu byly vytvořeny úpravami základního modelu se zjednodušeným výfukem. Optimalizace byly prováděny při dvou otáčkových režimech. Pro dosažení maximálního výkonu při otáčkách 5000 min-1 a pro dosažení maximálního točivého momentu při otáčkách 2500 min-1. U každé varianty je tabulka s hodnotami optimalizací včetně procentuálního zhodnocení nárůstu či poklesu výkonu a momentu vůči základnímu zjednodušenému modelu. Dále lze na grafech vidět vnější momentovou a výkonovou charakteristiku pro optimalizace na maximální moment a výkon. Tyto grafy budou použity k výběru nejvýhodnější varianty.

4.1 Analýza optimální délky sacího potrubí

120

100

119

95 Točivý moment Mt [Nm]

Točivý moment Mt [Nm]

Před započetím optimalizací bylo nutné provést analýzu délky sacího potrubí, za účelem následné volby optimalizačních mezí. Tato analýza byla provedena na základním modelu při otáčkách 2500 a 5000 min-1. Průběh točivého momentu v závislosti na délce sacího potrubí můžeme vidět na obr. 31.

118 117 116 115 114 113 otáčky 2500 min-1

112

90 85 80 75 70 65 60 otáčky 5000 min-1

55

111

50 0

200

400

600

800 1000 1200 1400

0

200

400

600

800

1000 1200 1400

Délka sacího potrubí [mm]

Délka sacího potrubí [mm]

obr. 31 Analýza délky sacího potrubí na točivý moment motoru Z tohoto rozboru je zřejmé, že při optimalizaci pro dosažení maximálního točivého momentu při 2500 min-1 se vyskytují dva vrcholy. Druhý vrchol pro délku potrubí přibližně 900 mm je na skutečném motoru nereálný. Pro dosažení maximálního výkonu při otáčkách 5000 min-1 je ideální velmi krátké potrubí. Proto bude délka potrubí optimalizována v rozsahu 40-520 mm.

- 29 -

ČVUT Praha




4.2 Varianta sání 1 Základní uspořádání sacího potrubí na obr. 32 odpovídá provedení u sériového motoru. Zvýrazněné červené čáry představují trubky od společného objemu až k hlavě válců, jejichž délka je optimalizována a má zásadní vliv na ovlivnění naplnění válců. V tab. 6 jsou uvedeny výsledné hodnoty optimalizací.

obr. 32 Varianta sání 1 - schéma

Sériový motor Optimalizace na maximální točivý moment při 2500 min-1 Optimalizace na maximální výkon při 5000 min-1

Délka sací trubky [mm] 266

Časování sacího ventilu [°] 455

287,5

460,0

173,8

473,8

Točivý moment při 2500 min-1 [Nm] 120,78 122,0 (+1,0 %) 114,2 (-5,4 %)

Výkon při 5000 min-1 [kW] 49,6 50,6 (+2,1 %) 54,1 (+9,1 %)

tab. 6 Varianta sání 1 – hodnoty délky sací trubky, časování, výkonu a momentu Pokud porovnáme délku sacího potrubí po optimalizaci při otáčkách 2500 min-1 s délkou u sériového motoru, zjistíme, že rozdíl činí pouhých 21,5 mm. Z toho vyplývá, že potrubí u sériového motoru je naladěno právě na dosažení maximálního točivého momentu přibližně při otáčkách 2500 min-1. I z obr. 33 je zřejmé, že křivky se od sebe příliš neliší. Mírné zlepšení točivého momentu v rozmezí 3500-5000 min-1 je zřejmě způsobeno změnou časování, které se posunulo z původních 455° na 460°. Vnější výkonová charakteristika

140

60

130

50

120

Výkon [kW]


Vnější momentová charakteristika

110 100 90 80 70 1000

Sériový motor Varianta sání 1 2000

3000

4000

5000

6000

40 30 20

Sériový motor

10

Varianta sání 1

0 1000

2000

3000

4000

5000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 33 Varianta sání 1 - optimalizováno na maximální točivý moment

- 30 -

6000

ČVUT Praha




Po optimalizaci na maximální výkon při otáčkách 5000 min-1 se dosáhlo navýšení výkonu o 9,1 %. Točivý moment v nízkých a středních otáčkách je nižší než původní, což lze předpokládat. Průběh točivého momentu a výkonu je vidět na obr. 34. Vnějsí výkonová charakteristika

140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90 80 70 1000


3000

4000

5000

40 30 20

Sériový motor

10

Varianta sání 1

0 1000

6000

2000

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 34 Varianta sání 1 - optimalizováno na maximální výkon

4.3 Varianta sání 2 Druhá varianta se liší od první jen ve vstupu do společného objemu. V první variantě byl vstup modelován T-elementem a proud se větvil do dvou směrů. U této varianty je vstup v přímém směru viz. obr. 35. V tab. 7 jsou opět uvedeny všechny důležité hodnoty optimalizací.

obr. 35 Varianta sání 2 - schéma




295,6

460,6

185,9

474,7


Výkon při 5000 min-1 [kW] 49,6 50,8 (+2,5 %) 54,2 (+9,3 %)

tab. 7 Varianta sání 2 – hodnoty délky sací trubky, časování, výkonu a momentu Při optimalizaci na maximální točivý moment při otáčkách 2500 min-1 došlo k mírnému nárůstu točivého momentu v rozmezí 2250-5500 min-1 viz. obr. 36. Tento nárůst momentu je ve vyšších otáčkách nepatrně vyšší než u první varianty.

- 31 -

ČVUT Praha



Vnější výkonová charakteristika

140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90

Sériový motor Varianta sání 2

80 70 1000

2000

3000

4000

5000


40 30 20

Sériový motor

10

Varianta sání 2

0 1000

6000

2000

otáčky [min-1]

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

obr. 36 Varianta sání 2 - optimalizováno na maximální točivý moment Při optimalizaci na maximální výkon při 5000 min-1 je nárůst výkonu 9,3 %. Průběh viz. obr. 37 je velmi podobný variantě 1. Tato varianta, vzhledem k dosaženým maximálním hodnotám, je výhodnější než první varianta, avšak rozdíly jsou minimální. Vnější výkonová charakteristika

140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90 80 70 1000

Sériový motor

3000

4000

30 20

Sériový motor

10

Varianta sání 2 2000

40

5000

6000

otáčky [min-1]

0 1000


3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]


4.4 Varianta sání 3 Geometrie tohoto uspořádání je vidět na obr. 38. Toto uspořádání mívají často sportovně laděné automobily, protože zde nedochází k vzájemnému ovlivňování po sobě nasávajících válců v takové míře jako u předchozích variant, při poměrně jednoduché konstrukci. Všechny čtyři potrubí jsou spojené do jednoho společného objemu, který má v modelu objem 425 000 mm3, což odpovídá kouli o průměru 93 mm. Délky všech čtyř potrubí jsou shodné. V tab. 8 jsou opět uvedeny všechny číselné údaje optimalizací.

- 32 -

ČVUT Praha




obr. 38 Varianta sání 3 – schéma




352,5

461,3

194,1

473,8


Výkon při 5000 min-1 [kW] 49,6 49,4 (-0,5 %) 54,3 (+9,5 %)

tab. 8 Varianta sání 3 – hodnoty délky sací trubky, časování, výkonu a momentu U této varianty při optimalizaci na maximální moment vychází délka potrubí asi o 6 cm delší než u předchozích dvou variant. Mírný nárůst momentu můžeme pozorovat v rozmezí 2000-2500 min-1. Markantnější nárůst je v rozsahu 3250-4750 min-1. Ve zbývajícím otáčkovém spektru je točivý moment stejný jako u základní modelu viz. obr. 39. Vnější výkonová charakteristika

140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90 80 70 1000

Sériový motor

3000

4000

30 20


10


40

5000

6000

0 1000

2000

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 39 Varianta sání 3 - optimalizováno na maximální točivý moment Při optimalizaci na maximální výkon je nárůst 9,5 %, což je nejvíc vzhledem k předchozím dvěma variantám. Průběh točivého momentu na obr. 40 je opět podobný.

- 33 -

ČVUT Praha




140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90 80 70 1000


3000

4000


5000

40 30 20

Sériový motor

10

Varianta sání 3

0 1000

6000

2000

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]


4.5 Varianta sání 4 Toto uspořádání sacího potrubí je značně komplikované a výrobně drahé. Vyznačuje se však tím, že u něj dochází k minimálnímu ovlivňování po sobě nasávaných válců, protože jsou rozděleny do dvou větví. Z první větve vychází potrubí k válcům 1 a 4, z druhé k válcům 2 a 3. Při zapalování 1-3-4-2 probíhá nasávání střídavě vždy z jiné větve. Na obr. 41 je vidět celé uspořádání. Všechny červeně vyznačené potrubí mají stejnou délku (L2). Modré potrubí dvou větví jsou také stejně dlouhé (L1). Vzhledem k faktu, že tříparametrická optimalizace při optimalizaci na maximální výkon pomale konvergovala a trvala velmi dlouho, provedl jsem nejdříve optimalizaci časování sacích ventilů a následně dvouparametrickou optimalizaci délek potrubí. Výsledky optimalizací jsou opět uvedené v tab. 9.

L1 L2



Délka sací trubky [mm] 266 L1=221,3 L2=85,0 L1=40,0 L2=252,5

Časování sacího ventilu [°] 455 461,3 479,0


Výkon při 5000 min-1 [kW] 49,6 50,9 (+2,5 %) 55,3 (+11,5 %)

tab. 9 Varianta sání 4 – hodnoty délky sací trubky, časování, výkonu a momentu

- 34 -

ČVUT Praha




Při tříparametrické optimalizaci na maximální moment se projevilo mírné navýšení při 2500 min-1 o 1,6 % a dále v rozmezí otáček 4500 - 5500 min-1 viz. obr. 42. Vnější výkonová charakteristika

140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90

Sériový motor

80

Varianta sání 4

70 1000

2000

3000

4000

5000

40 30 20

Sériový motor

10

Varianta sání 4

0 1000

6000

2000

3000

5000

4000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 42 Varianta sání 4 - optimalizováno na maximální točivý moment Při optimalizaci na maximální výkon nastala komplikace, protože délka L1 je 40 mm, což je krajní mez optimalizace. Proto byla provedená analýza, zda je tato hodnota správná a nejde o chybu metody půlení intervalu. Na obr. 43 (vlevo) je provedená hrubá analýza, kdy pro pevně zvolené délky L1 byl propočten točivý moment v závislosti na délce L2. Na obr. 43 (vpravo) je stejná analýza, ale již s menším krokem délky potrubí. Pokud se porovnají výsledky v grafu a v tabulce, je zřejmé, že výpočet je v pořádku. Délka 40 mm je však konstrukčně špatně řešitelná. Pokud by se délka zvětšila např. na 70 mm, byl by pokles výkonu o 0,52 kW. Přes složitost uspořádání a tento problém, dosahuje tato varianta maximální výkon 55,3 kW tj. navýšení o 11,5 %, což je nejvíc ze všech variant. Průběh točivého momentu a výkonu je na obr. 44. Na rozdíl od ostatních variant, po dosažení vrcholu při 5000 min-1, začíná výkon klesat. 104



105 100 95 90 85 80

102 100 98 96 94 92 90 88

0

50

100

150

200

Délka sací trubky L2 [mm]

L1=50mm L1=150mm L1=250mm

250

L1=100mm L1=200mm L1=300mm

0

100

200

L1=50mm L1=100mm L1=150mm

obr. 43 Analýza délek potrubí L1 a L2 při 5000 min-1

- 35 -

300

Délka sací trubky L2 [mm]

L1=75mm L1=125mm

400

ČVUT Praha




140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90

Sériový motor

80 70 1000

3000

40 30 20


10


4000


5000

0 1000

6000

2000

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]


4.6 Varianta sání 5 Toto uspořádání sacího potrubí na obr. 45 se liší od varianty 4 tím, že jsou do jedné větve spojeny sací trubky od dvou po sobě nasávajících válců. Hodnoty jsou uvedeny v tab. 10.

L1

L2



Délka sací trubky [mm] 266 L1=180,6 L2=91,3 L1=40,0 L2=194,1

Časování sacího ventilu [°] 455 457,5 478,9


Výkon při 5000 min-1 [kW] 49,6 51,1 (+2,9 %) 54,3 (+9,5 %)

tab. 10 Varianta sání 5 – hodnoty délky sací trubky, časování, výkonu a momentu Při optimalizaci na maximální točivý moment je malý nárůst momentu patrný v rozsahu otáček 4250-5500 min-1. Při otáčkách 2500 min-1 je nárůst 1,3 %.

- 36 -

ČVUT Praha




140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100

Sériový motor

90 80 70 1000

Varianta sání 2000

3000

4000

5000


40 30 20

Sériový motor

10

Varianta sání 5

0 1000

6000

2000

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 46 Varianta sání 5 - optimalizováno na maximální točivý moment Při optimalizaci na maximální výkon byl, stejně jako u varianty 4, tříparametrický výpočet špatně konvergoval. Proto byla provedená nejdříve optimalizace časování a následně dvouparametrická optimalizace délky L1 a L2. Délka L1 se zastavila opět na hranici 40 mm, takže byla provedená analýza viz. obr. 47, která potvrzuje správnost výpočtu. Nevýhoda po sobě nasávajících válců z jedné větve se projevila tak, že nárůst výkonu je v rozmezí 4250-5500 min-1, ale ve zbývajícím spektru otáček již hodnota momentu nepřevýší hodnotu momentu základního modelu viz. obr. 48.



105 100 95 90 85 80 0

50

100

150

200

250

Délka sací trubky L2 [mm] L1=50mm L1=150mm L1=250mm

L1=100mm L1=200mm L1=300mm

104 103 102 101 100 99 98 97 96 95 94 93 92 0

100 200 300 Délka sací trubky L2 [mm]

L1=50mm L1=100mm L1=150mm

obr. 47 Analýza délek potrubí L1 a L2 při 5000 min-1

- 37 -

L1=75mm L1=125mm

400

ČVUT Praha




140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90


80 70 1000

2000

3000

40 30 20


10

4000

5000


6000

0 1000

2000

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]


4.7 Výběr sacího traktu Nyní přichází chvíle pro výběr nejvhodnější varianty uspořádání sacího potrubí, která bude použita jako výchozí pro další optimalizace. Pokud porovnáme velmi podobné varianty 1 a 2, zjistíme, že varianta 2 je o něco lepší. Proto variantu 1 vyloučíme. Porovnáním složitých variant 4 a 5 vybereme variantu 4 jako lepší a variantu 5 vyloučíme. Rozdíly točivého momentu pro varianty optimalizované na maximální točivý moment nejsou příliš zajímavé. Na obr. 49 jsou porovnány varianty 2, 3 a 4 optimalizované na maximální výkon. Pro srovnání je zde základní model motoru se zjednodušeným výfukem. 130


120

110

Základní model Varianta sání 2

100

Varianta sání 3 Varianta sání 4

90

80 1000

2000

3000

4000

5000

6000


obr. 49 Porovnání variant sání optimalizovaných na maximální výkon

- 38 -




Je vidět, že varianta 2 má stejný průběh jako varianta 3, ale je téměř v celém rozsahu otáček mírně horší. Varianta 4 dosahuje sice maximální točivý moment pří 5000 min-1, ale ve středních otáčkách je mnohem horší než ostatní varianty. Poněkud lepší je v rozmezí otáček 2000-2500 min-1. Tato varianta se mi nejeví příliš vhodná, vzhledem k velkému propadu momentu v rozmezí otáček 2750-4000 min-1. Nyní se již výběr zúžil na dvě varianty (2 a 3), ze kterých je lepší varianta 3. Tato varianta, s optimalizovanou délkou sacího potrubí a časováním sacích ventilů na maximální výkon, bude použita pro následující optimalizace.

- 39 -




5 Návrh výfukového traktu V této kapitole budou analyzovány tři varianty výfukového traktu stejným způsobem jako v předchozí kapitole sací potrubí. Optimalizována bude délka výfukového potrubí a časování výfukových ventilů ve dvou otáčkových režimech motoru. Pro dosažení maximálního výkonu při otáčkách 5000 min-1 a pro dosažení maximálního točivého momentu při otáčkách 2500 min-1. Jako výchozí model pro optimalizace je použit model s variantou sání 3, která je optimalizovaná na maximální výkon viz. kapitola 4.4.

5.1 Varianta výfuku A Tato varianta je použita u sériového motoru, schéma je na obr. 50. U sériového motoru jsou odlišné délky vnějších delších a vnitřních kratších trubek L1. Rozdíl je 70 mm. Na základě provedených optimalizací, kdy byly zvlášť optimalizovány vnitřní a vnější trubky, vycházejí jako ideální všechny trubky stejně dlouhé. Rozdíl délek vnitřních a vnějších trubek na skutečném motoru je pouze konstrukční záležitost, která pro delší potrubí ztrácí na významu. Proto bylo potrubí od všech čtyř válců optimalizováno na stejnou délku.

L2 L1

obr. 50 Varianta výfuku A – schéma Před vlastními optimalizacemi délky potrubí byla provedena analýza v jakém rozmezí délek potrubí optimalizovat viz. obr. 51. Pro dosažení maximálního točivého momentu při otáčkách 2500 min-1 jsou z grafu odečteny hodnoty L1 = 500 mm a L2 = 300 mm. Pro dosažení maximálního výkonu při otáčkách 5000 min-1 se jeví jako nejvýhodnější kombinace L1 = 400 mm a L2 = 300 mm, nebo L2 = 400 mm. Tyto hodnoty se přibližně shodují s optimalizovanými výsledky v tab. 11. Délka výfukového potrubí [mm] Varianta sání 3 optimalizována L1 = 230, 160 na Pe MAX při 5000 min-1 L2 = 200 Optimalizace na maximální L1 = 484,4 točivý moment při 2500 min-1 L2 = 300 Optimalizace na maximální L1 = 400 výkon při 5000 min-1 L2 = 300

Časování výfukového ventilu [°]

Točivý moment při 2500 min-1 [Nm]

Výkon při 5000 min-1 [kW]

248,0

113,87

54,31

115,4 (+1,3 %) 114,4 (+0,5 %)

55,5 (+2,1 %) 55,9 (+3,0 %)

248,0 252,2

tab. 11 Varianta výfuku A – hodnoty délky potrubí, časování, výkonu a momentu

- 40 -

ČVUT Praha



109

otáčky 2500min-1

117



118


116 115 114 113 112

108

otáčky 5000min-1

107 106 105 104 103 102 101

0

200

400

600

800

0

Délka výfukového potrubí L1 [mm]

L2=100mm

L2=200mm

L2=300mm

L2=400mm

L2=500mm L2=700mm

L2=600mm L2=800mm

200

400

600

800

Délka výfukového potrubí L1 [mm] L2=100mm L2=300mm L2=500mm L2=700mm

L2=200mm L2=400mm L2=600mm L2=800mm

obr. 51 Analýza délky výfukového potrubí – varianta A Postup prováděných optimalizací u všech variant byl následující. Odečtené hodnoty ideálních délek potrubí z grafu byly zadány do modelu. Následně byla provedena optimalizace časování výfukových ventilů. Potom byla provedena dvouparametrická optimalizace délek potrubí L1 a L2. Na obr. 52 je momentová a výkonová charakteristika po optimalizaci na maximální točivý moment při otáčkách 2500 min-1. Výraznější nárůst točivého momentu není v okolí otáček 2500 min-1, jak by se předpokládalo, ale až v rozmezí 3750 – 5500 min-1. V rozmezí otáček 1500 – 3500 min-1 je točivý moment téměř beze změn. Vnější výkonová charakteristika

140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100

Varianta sání 3

90 80

Varianta výfuku A

70 1000

2000

3000

4000

5000

6000

40 30 20

Varianta sání 3

10

Varianta výfuku A

0 1000

2000

3000

4000

5000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 52 Varianta výfuku A - optimalizováno na maximální točivý moment

- 41 -

6000

ČVUT Praha




Po optimalizaci na maximální výkon dostáváme velmi podobné hodnoty délek a časování viz. tab. 11, jako při optimalizaci na maximální točivý moment. I průběh momentové křivky je podobný viz. obr. 53. Vnější výkonová charakteristika

140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90

Varianta sání 3

80

Varianta výfuku A

70 1000

2000

3000

4000

5000

6000

40 30 20

Varianta sání 3

10

Varianta výfuku A

0 1000

2000

otáčky [min-1]

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

obr. 53 Varianta výfuku A – optimalizováno na maximální výkon Na základě tohoto zjištění se dá říct, že dlouhé potrubí je výrobně drahé a přínos točivého momentu v nízkých a středních otáčkách je téměř nulový. Optimalizovat délku potrubí má význam, pokud chceme zvýšit výkon motoru při vysokých otáčkách. Další problém s dlouhým potrubím je teplota výfukových plynů na katalyzátoru. Tímto problémem se budem zabývat v kapitole 5.4.

5.2 Varianta výfuku B Geometrické uspořádání vidíme na obr. 54. Jedná se o uspořádání, které bylo používáno u všech vozů ŠKODA od 1000MB až po Felicii. Výhodou této varianty je, že je minimalizováno ovlivnění po sobě spalujících válců díky rozdělení do dvou větví. Do první větve jsou spojeny válce 1 a 4. Do druhé válce 2 a 3.

L1

L2

obr. 54 Varianta výfuku B – schéma Před prováděním optimalizací byla opět provedena analýza viz. obr. 55. Pro optimalizaci na maximální točivý moment se na základě analýzy jeví nejvýhodnější délky L1 = 300 mm a L2 = 500 mm. Při optimalizaci na maximální výkon je nejvýhodnější kombinace L1 = 500 mm a L2 = 500 mm. V tab. 12 jsou konečné hodnoty po optimalizaci, které se shodují z vybranými kombinacemi délek na základě provedené analýzy.

- 42 -

ČVUT Praha



Délka výfukového potrubí [mm] Varianta sání 3 optimalizována L1 = 230, 160 na Pe MAX při 5000 min-1 L2 = 200 Optimalizace na maximální L1 = 312,5 točivý moment při 2500 min-1 L2 = 490,6 Optimalizace na maximální L1 = 512,5 výkon při 5000 min-1 L2 = 506,3





248,0

113,87

54,31

116,7 (+2,5 %) 116,0 (+1,9 %)

56,1 (+3,3 %) 57,0 (+4,9 %)

248,0 249,6

tab. 12 Varianta výfuku B – hodnoty délky potrubí, časování, výkonu a momentu 109 108

117



118

116 115 114

otáčky 2500min-1

113 112

107 106 105 104 103

otáčky 5000min-1

102 101

0

200

400

600

800

0

200

400

600

800


Délka výfukového potrubí L1 [mm] L2=100mm

L2=200mm

L2=100mm

L2=200mm

L2=300mm

L2=400mm

L2=300mm

L2=400mm

L2=500mm

L2=500mm

obr. 55 Analýza délky výfukového potrubí – varianta B Optimalizací délek potrubí a časování na maximální točivý moment dochází ke zlepšení točivého momentu v rozsahu otáček 2500 - 5500 min-1 viz. obr. 56. Podobného výsledku dosáhneme po optimalizaci na maximální výkon. Nárůst momentu je ve vyšších otáčkách markantnější, zvláště v rozmezí otáček 3750 – 5250 min-1, což je vidět na obr. 57. Tedy i v tomto případě se potvrzuje teorie, že nemá význam optimalizovat výfukové potrubí pro dosažení maximálního točivého momentu při nízkých otáčkách motoru. Tato varianta dosahuje při optimalizaci na maximální výkon nárůst o 4,9 %, což je nejvíc ze všech variant.

- 43 -

ČVUT Praha




140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100

Varianta sání 3 Varianta výfuku B

90 80 70 1000

2000

3000

4000

5000


40 30 20

Varianta sání 3

10

Varianta výfuku B

0 1000

6000

2000

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 56 Varianta výfuku B - optimalizováno na maximální točivý moment Vnější výkonová charakteristika

140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90 80 70 1000

Varianta sání 3 Varianta výfuku B 2000

3000

4000

40 30 20

Varianta sání 3 Varianta výfuku B

10 5000

6000

0 1000

2000

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 57 Varianta výfuku B – optimalizováno na maximální výkon

5.3 Varianta výfuku C Schéma uspořádání je na obr. 58. Je podobné variantě B, ale zde jsou po sobě spalující válce spojené do jedné větve.

L1

L2

obr. 58 Varianta výfuku C – schéma Na základě provedené analýzy na obr. 59 byla vybrána jako nejvhodnější kombinace L1 = 300 mm a L2 = 500 mm nebo L1 = 400 mm a L2 = 400 mm pro otáčky 2500 min-1.

- 44 -

ČVUT Praha




Maximum momentu je však v grafu dosaženo pro kombinaci L1 = 600 mm a L2 = 100 mm. Tato možnost je nevhodná, protože analýza byla uvažována jen do délky 600 mm a není jisté, že pro tuto délku je maximum momentu, či zda by bylo potřeba ještě delší potrubí. I z hlediska konstrukčního je tato délka značná, protože potrubí je litinový odlitek. V tab. 13 jsou uvedeny hodnoty po optimalizaci. Délka výfukového potrubí [mm] Varianta sání 3 optimalizována L1 = 230, 160 L2 = 200 na Pe MAX při 5000 min-1 Optimalizace na maximální L1 = 337,5 točivý moment při 2500 min-1 L2 = 453,1 Optimalizace na maximální L1 = 412,5 výkon při 5000 min-1 L2 = 487,5




248,0

113,87

54,31

115,4 (+1,3 %) 114,5 (+0,5 %)

55,9 (+2,9 %) 56,4 (+3,9 %)

248,0 251,9

tab. 13 Varianta výfuku C – hodnoty délky potrubí, časování, výkonu a momentu 109 108

117



118

116 115 114

otáčky 2500min-1

113

107 106 105 104 103

otáčky 5000min-1

102 101

112 0

200

400

600

800


0

200

400

600


L2=100mm

L2=200mm

L2=100mm

L2=200mm

L2=300mm

L2=400mm

L2=300mm

L2=400mm

L2=500mm

800

L2=500mm

obr. 59 Analýza délky výfukového potrubí – varianta C Při optimalizaci na maximální točivý moment při otáčkách 2500 min-1 se dosáhne znatelné zvýšení točivého momentu v rozmezí otáček 4250 – 5500 min-1, jak je vidět na obr. 60. Po optimalizaci na maximální výkon při otáčkách 5000 min-1 se dosáhne zvýšení točivého momentu v rozmezí otáček 4000 – 5500 min-1 viz. obr. 61. Nárůst výkonu při otáčkách 5000 min-1 je 3,9 %, což je o 1 % méně než u předchozí varianty.

- 45 -

ČVUT Praha




140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90

Varianta sání 3

80

Varianta výfuku C

70 1000

2000

3000

4000

5000


40 30 20

Varianta sání 3

10

Varianta výfuku C

0 1000

6000

2000

otáčky [min-1]

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

obr. 60 Varianta výfuku C - optimalizováno na maximální točivý moment


140

60

130

50

120

Výkon [kW]



110 100 90 80 70 1000

Varianta sání 3 Varianta výfuku C 2000

3000

4000

5000

6000

40 30 20

Varianta sání 3

10

Varianta výfuku C

0 1000

2000

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 61 Varianta výfuku C – optimalizováno na maximální výkon

5.4 Výběr výfukového traktu Volba nejlepší varianty bude provedena porovnáním vnější momentové charakteristiky všech variant, které jsou optimalizované na maximální výkon. Toto porovnání je na obr. 62. Fialová čára je uvedena pro srovnání, je to model motoru se sériovým výfukovým potrubím. Vybrat nejvýhodnější variantu není v tomto případě složitý problém. Na první pohled zaujme červená čára, která dosahuje téměř v celém spektru otáček nejvyšší hodnotu momentu. Jedná se o variantu B. Pro další optimalizace bude tedy kombinace varianty sání 3 a varianty výfuku B (oboje optimalizované na maximální výkon) brána jako základ a v grafech značena „Výchozí model 3B“.

- 46 -

ČVUT Praha





130 120

Varianta výfuku A

110

Varianta výfuku B Varianta výfuku C

100

Varianta sání 3 90 80 1000

2000

3000

4000

5000

6000


obr. 62 Porovnání variant výfuku optimalizovaných na maximální výkon

5.5 Teplota výfukových plynů Z předchozích optimalizací vyplývá, že pro dosažení maximálního výkonu a zvýšení točivého momentu v širokém spektru otáček, je nezbytné dlouhé výfukové potrubí. Nejlepší varianta výfuku B má optimalizované potrubí dlouhé L1 = 512,5 mm a L2 = 506,3 mm. Za těmito trubkami je ve zjednodušeném modelu ještě potrubí dlouhé 200 mm. V modelu následuje tlumič hluku. Na skutečném motoru by byl však nejdřív katalyzátor a následně až tlumič hluku. Katalyzátor byl při zjednodušování modelu vypuštěn viz. kapitola 3.9.1. Sečteme-li délky všech trubek mezi hlavou a katalyzátorem dostaneme přibližně 1200 mm. Na této délce jsou výfukové plyny ochlazovány. Pracovní teplota katalyzátoru je 600 – 900°C. Tuto teplotu by tedy měly mít výfukové plyny vstupující do něj. Samozřejmě katalyzátor pracuje již od 250°C, ale jeho účinnost je nižší. Z výše uvedených důvodů byla provedena analýza teploty výfukových plynů v závislosti na délce potrubí. Analýza byla provedena na variantě výfuku A při plně otevřené škrtící klapce pro otáčky motoru 2500 min-1 a 5000 min-1. U první analýzy byla zachována konstantní délka L2 = 200 mm a byla měněna délka L1 v rozmezí 200 - 1200 mm viz. obr. 63.

L2 = 200 mm L1 = 200 – 1200 mm

obr. 63 Varianta výfuku A – první analýza Teplota výfukových plynů v závislosti vzdálenosti od hlavy je na obr. 64. Vzhledem k malému rozdílu teploty na počátku a na konci trubky L2 je vynesena průměrná teplota. Lze odečíst přibližný pokles teploty s délkou., který je asi 200 °C / 1000 mm.

- 47 -

ČVUT Praha




Je vidět, že při otáčkách 2500 min-1 je teplota výfukových plynů od délky 800 mm menší než 600 °C. To by mohlo způsobit sníženou účinnost katalyzátoru, zvláště v případech částečného zatížení. Teplota výfukových plynů [°C]

1000

otáčky 5000 min-1 900

otáčky 2500 min-1

800 700 600 500 400 300 400 500 600 700 800

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Součet délky výfukové trubky L1 a L2 [mm]

obr. 64 Závislost teploty výfukových plynů na vzdálenosti od hlavy motoru U druhé analýzy byla zachována konstantní délka L1 = 200 mm a byla měněna délka L2 v rozmezí 200 - 1200 mm viz. obr. 65. Zde se již délka trubky L2 mění, a proto je vynesena hodnota teploty výfukových plynů na konci trubky L2.

L2 = 200 - 1200 mm L1 = 200 mm

obr. 65 Varianta výfuku A – druhá analýza Na obr. 66 je zakreslen průběh poklesu teploty. Činí asi 100 °C / 1000 mm délky. Hodnota je menší než u první analýzy, protože teplosměnná plocha jedné dlouhé trubky vnitřního průměru 40 mm je menší než teplosměnná plocha čtyř trubek vnitřního průměru 32 mm. Teplota výfukových plynů [°C]

1000

otáčky 5000 min-1

900

otáčky 2500 min-1

800 700 600 500 400 300

400

500 600

700

800

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Součet délky výfukové trubky L1 a L2 [m m ]

obr. 66 Závislost teploty výfukových plynů na vzdálenosti od hlavy motoru

- 48 -




6 Optimalizace zdvihové funkce ventilu Tato kapitola se bude zabývat optimalizací sacích a výfukových vaček, resp. zdvihové funkce ventilů, která je uvedena v kapitole 3.4. Bude analyzován vliv úhlu otevření ventilů a maximální zdvih ventilů. Tyto hodnoty lze v GT-Poweru jednoduše optimalizovat pomocí parametrů „Angle Stretching Factor“ (koeficient zvětšení úhlu otevření) a „Lift Stretching Factor“ (koeficient zvyšování zdvihu). Oba tyto koeficienty jsou běžně rovny hodnotě 1. Potom úhel otevření i zdvih ventilu odpovídá zadané zdvihové funkci, protože platí:

kde

α poč = kα ⋅ α zadané

(4)

h poč = k h ⋅ hzadané

(5)

α zadané . . . . . . úhel otevření ventilu zadaný číselně v objektu vačka α poč . . . . . . . úhel otevření ventilu počítaný GT-Powerem při výpočtu k α . . . . . . . . . koeficient úhlu otevření ventilu (Angle Stretching Factor) h zadané . . . . . . zdvih ventilu zadaný v objektu vačka h poč . . . . . . . . zdvih ventilu počítaný GT-Powerem při výpočtu k h . . . . . . . . . koeficient zdvihu ventilu (Lift Stretching Factor)

Pokud budeme měnit koeficienty k α a k h, budeme měnit tvar zdvihové funkce vačky. Optimalizace byly prováděné zvlášť na sacích a výfukových ventilech při otáčkách 2500 min1 a 5000 min-1.

6.1 Sací ventily – úhel otevření Změnou koeficientu kα se symetricky zvětšuje úhel otevření ventilu. Hodnota SO zůstává zachována, ale mění se geometrický počátek otevření a uzavření ventilu. Při optimalizaci úhlu otevření sacího ventilu bylo zároveň optimalizované časování sacího ventilu. Tyto dva parametry spolu úzce souvisí, protože časování ventilu bylo nastaveno tak, aby se sací ventil uzavřel v okamžiku, kdy do válce dojde tlaková vlna ze sacího potrubí, která zlepší naplnění válce. Proto by měl zůstat konec uzavření ventilu přibližně stejný, což lze dosáhnout pouze dvouparametrickou optimalizací. Tuto teorii potvrzuje obr. 67, kde je zobrazena zdvihová funkce ventilu před optimalizací a po optimalizaci na maximální výkon při otáčkách 5000 min-1. Je vidět, že sestupné části křivky se téměř překrývají a hodnota uzavření ventilu je skoro stejná. Samozřejmě vzhledem ke zvětšení úhlu otevření sacího ventilu se zvětší překrytí sacích a výfukových ventilů Proto bylo následně po dvouparametrické optimalizaci zoptimalizováno časování výfukových ventilů.

- 49 -

ČVUT Praha


Zdvih ventilu [mm]



9 8 Před optimalizací 7 Po optimalizaci 6 SO = 473,8° 5 4 3 SO = 463,4° 2 1 0 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 Úhel na klikovém hřídeli [°]

obr. 67 Zdvihová funkce ventilu před a po optimalizaci na maximální výkon při 5000 min-1 V následující tab. 14 jsou uvedeny hodnoty před a po optimalizaci včetně procentuálního zhodnocení nárůstu či poklesu výkonu a točivého momentu.

Původní hodnoty Optimalizace na maximální točivý moment při 2500 min-1 Optimalizace na maximální výkon při 5000 min-1

Úhel otevření sacího ventilu [°] 280

Časování sacího ventilu [°] 473,8

243,25

456,3

124,8

315

463,4

127,9

Časování výfukového ventilu [°] 124,8

Točivý moment při 2500 min-1 [Nm] 116 124,9 (+7,6 %) 112,6 (-3,0 %)

Výkon při 5000 min-1 [kW] 57 51,6 (-9,4 %) 58,4 (+2,4 %)

tab. 14 Hodnoty časování a úhlu otevření sacích ventilů

140

60

130

50

120

Výkon [kW]


Vnější charakteristiky před a po optimalizaci úhlu otevření a časování na maximální točivý moment je na obr. 68.

110 100

Výchozí model 3B po optimalizaci Sériový motor

90 80 70 1000

2000

3000

4000

40 30 20

Výchozí model 3B po optimalizaci Sériový motor

10

5000

6000

otáčky [min-1]

0 1000

2000

3000

4000

5000

otáčky [min-1]

obr. 68 Vnější charakteristiky po optimalizaci na maximální točivý moment

- 50 -

6000

ČVUT Praha




140

60

130

50

120

Výkon [kW]


Vzhledem k faktu, že sací i výfukové potrubí je naladěno na maximální výkon, tak tato optimalizace má sloužit pouze pro zobrazení vlivu změny parametru na vnější momentovou křivku. Podobně tomu bylo i v předchozích optimalizacích. Je vidět, že tato změna má značný vliv. Pokles výkonu je 9,4 % a nárůst točivého momentu 7,6 %. Pro srovnání je v grafu uvedena i charakteristika sériového motoru (čárkovaně), protože díky předchozím a této optimalizaci se dospělo do stavu, že točivý moment je téměř v celém otáčkovém spektru vyšší než u sériového motoru. Optimalizací na maximální výkon lze dosáhnout nárůstu výkonu o 2,4 %. Vnější charakteristiky před a po optimalizaci jsou na obr. 69. Hodnoty točivého momentu jsou vyšší v rozmezí otáček 3500 – 5500 min-1. Bohužel jsou nižší v rozmezí otáček 1500 – 3250 min-1.

110 100 90

Výchozí model 3B 80 70 1000

3000

4000

30 20

Výchozí model 3B

10

po optimalizaci 2000

40

5000

6000

0 1000


3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 69 Vnější charakteristiky po optimalizaci na maximální výkon Pro další optimalizace bude opět použit tento model po optimalizaci na maximální výkon. Označen bude „Výchozí model 3B.1“.

6.2 Sací ventily – zdvih Po zoptimalizování úhlu otevření se dostáváme k optimalizaci zdvihu ventilu. V praxi se volí maximální zdvih ventilu takový, aby škrcení protékající směsi nebylo mezi ventilem a sedlem, ale v sacím kanále. Musí být tedy minimálně splněna podmínka rovnosti průtočných ploch: π ⋅ d v2 d = π ⋅ d v ⋅ hmin → (6) hmin = v 4 4 kde je d v . . . vnitřní průměr sedla h min . . minimální zdvih ventilu viz. obr. 70 K této hodnotě h min se obvykle pro větší průtočnou plochu v mezeře ventil-sedlo přičítá 1 až 2 mm. Pokud spočítáme h min dle (6) pro výfukový ventil d v = 27 mm, dostaneme hodnotu h min = 6,75 mm. Pokud k této hodnotě přičteme 1,75 mm, dostáváme se na hodnotu maximálního zdvihu u použité vačky, tj. 8,55 mm. Z tohoto důvodu nebude již zdvih výfukového ventilu zvyšován.

- 51 -

ČVUT Praha




obr. 70 Schéma sacího ventilu a sedla Výpočtem h min dle (6) pro sací ventil d v = 31 mm, dostaneme hodnotu h min = 7,75 mm. Maximální zdvih použité vačky EA111 je 8,55 mm. Rozdíl mezi h min a použitým zdvihem je 0,8 mm. Protože na výfukovém ventilu je k hodnotě h min přičteno 1,75 mm, bude takto upraven i sací ventil. Maximální zdvih ventilu se zvýší na 7,75 + 1,75 mm = 9,5 mm. Na obr. 71 je vidět zdvihová funkce ventilu po optimalizaci úhlu otevřeni viz. kapitola 6.1 a následně po změně maximálního zdvihu a časování sacích a výfukových ventilů. S těmito upravenými průběhy zdvihu počítá GT-Power a získáme je z rovnic (4) a (5). Základní zdvih

10

Zdvih ventilu [mm]

9

Po optimalizaci úhlu otevření Po optimalizaci zdvihu

8 7 6 5 4 3 2 1 0 300

350

400

450

500

550

600

650

Úhel na klikovém hřídeli [°]

obr. 71 Zdvihové funkce sacího ventilu po optimalizacích úhlu otevření a zdvihu Pro zvýšený zdvih bylo zoptimalizováno časovaní sacích a výfukových ventilů. Výsledek je v tab. 15. Nárůst výkonu není výrazný, protože škrcení v mezeře ventil-sedlo končí hodnotou zdvihu 7,75 mm. Zvýšení zdvihu se však projeví mírným zvýšením točivého momentu v rozmezí otáček 3250 – 5500 min-1 viz. obr. 72.

- 52 -

ČVUT Praha



8,55

Časování sacího ventilu [°] 463,4

9,5

460,9

Maximální zdvih sacího ventilu [mm] Původní hodnoty Optimalizace na maximální výkon při 5000 min-1



Výkon Točivý moment při 2500 min-1 při 5000 min-1 [Nm] [kW] 112,6 112,2 (-0,4 %)

127,9

58,4 58,9 (+0,9 %)

140

60

130

50

120

Výkon [kW]


tab. 15 Hodnoty zdvihu a časování sacích ventilů

110 100 90

Výchozí model 3B.1 80 70 1000

3000

4000

30 20

Výchozí model 3B.1

10


40

5000

0 1000

6000

otáčky [min-1]


3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

obr. 72 Vnější momentová a výkonová charakteristika po změně zdvihu sacích ventilů Pro vyšší zvýšení výkonu by bylo zajímavější zvětšit průměr sacího potrubí, kanálu v hlavě motoru a průměr ventilů, popřípadě použít více ventilovou techniku. Tyto změny však zasahují do konstrukce hlavy motoru a jsou nad rámec této práce. Pro další optimalizace bude použit model se zvýšeným zdvihem optimalizovaný na maximální výkon a bude označen „Výchozí model 3B.2“.

6.3 Výfukové ventily – úhel otevření Stejně jako u sacích, tak i u výfukových ventilů proběhla současná optimalizace úhlu otevření a časování výfukových ventilů. Hodnoty optimalizací jsou v tab. 16.

280


289,2

245,8

299,0

251,9

Úhel otevření výfukového ventilu [°] Původní hodnoty Optimalizace na maximální točivý moment při 2500 min-1 Optimalizace na maximální výkon při 5000 min-1



112,2 114,0 (+1,6 %) 112,8 (+0,5 %)

58,9 58,7 (-0,4 %) 59,3 (+0,7 %)

tab. 16 Hodnoty časování a úhlu otevření výfukových ventilů

- 53 -

ČVUT Praha




Na obr. 73 je vnější momentová charakteristika po optimalizaci úhlu otevření a časování výfukového ventilu na maximální točivý moment. Vliv této optimalizace je minimální a kladně se projevuje pouze v úzkém rozsahu otáček kolem hodnoty 2500 min-1. 140

60 50

120

Výkon [kW]


130

110 100 90

Výchozí model 3B.2 80

2000

3000

4000

5000

30 20


10

po optimalizaci

70 1000

40

0 1000

6000


otáčky [min-1]

3000

4000

5000

6000

otáčky [min-1]

obr. 73 Vnější charakteristiky po optimalizaci na maximální točivý moment Na obr. 74 je vnější momentová a výkonová charakteristika po optimalizaci na maximální výkon. Nárůst výkonu se projevuje až v nejvyšších otáčkách v rozmezí 5000 – 5500 min-1. Při otáčkách 5250 min-1 bylo dosaženo výkonu 60,7 kW. Malé zlepšení výkonu ve vysokých otáčkách je však vykoupeno propadem momentu v rozmezí otáček 3000 - 4000 min-1. I přesto je tento model označen jako „Výsledný model“ a jeho parametry budou v následující kapitole porovnány s parametry základního modelu. 140

60 50

120

Výkon [kW]


130

110 100 90


80 70 1000

3000

4000

5000

30 20


10

Výsledný model 2000

40

6000

0 1000

Výsledný model 2000

3000

4000

otáčky [min-1]

otáčky [min-1]

obr. 74 Vnější charakteristiky po optimalizaci na maximální výkon

- 54 -

5000

6000

ČVUT Praha




7 Zhodnocení dosaženého výkonu V této kapitole budou porovnány parametry základního a výsledného modelu. Před tím ale zrekapitulujeme provedené optimalizace. Nejvýstižnější je obr. 75. Je v něm zachycen vliv postupných optimalizací parametrů motoru na výkon a točivý moment. Červená křivka zobrazuje výkon při otáčkách 5000 min-1. Modrá křivka zobrazuje točivý moment při otáčkách 2500 min-1. U každého bodu v grafu je přesná číselná hodnota a v závorce je procentuální nárůst či pokles vzhledem k základnímu modelu. Osu x tvoří jednotlivé optimalizace provedené s ohledem na získání maximálního výkonu při otáčkách 5000 min-1. 124 57 (114,9%)

120,78 (100%)

59,3 (119,6%)

58

58,4 (117,7%)

54,3 (109,5%)

120

58,9 (118,8%)

56

118

54 116 (96,0%)

116

52

114 112

49,6 (100%)

112,2 (92,9%)

113,9 (94,3%)

112,8 (93,4%)

Výkon [kW]


122

60

50 48

112,6 (93,2%) 110

46 Základní model

Uspořádání a délka sání a časování sacích ventilů

Uspořádání a délka výfuku a časování výfukového ventilu

Úhel otevření Úhel otevření Zdvih sacích sacího ventilu, ventilů a časování výfukových sacích a ventilů, časování časování saních výfukových výfukových a výfukových ventilů ventilů ventilů

PARAMETRY OPTIMALIZACE

Točivý moment při otáčkách 2500min-1

Výkon při otáčkách 5000min-1

obr. 75 Zobrazení vlivu postupných optimalizací na M t a P e prováděných za účelem dosažení maximálního výkonu při otáčkách 5000 min-1 Pokud zhodnotíme výsledný model, tak zjistíme, že bylo dosaženo téměř 20 % nárůstu výkonu. Pokles točivého momentu při otáčkách 2500 min-1 je ale pouze 6,6 %. Všechny optimalizace byly prováděny pro dosažení maximálního výkonu. Proto lze očekávat pokles točivého momentu při otáčkách 2500 min-1. Ale z grafu je vidět, že u dvou optimalizací je tomu právě naopak. Jedná se o optimalizace výfukového potrubí a výfukových ventilů. Z toho plyne závěr, že výfukové potrubí ovlivňuje výkon motoru v širším spektru otáček. Přesně naopak je tomu u sacího traktu. Pokud se podíváme na první optimalizaci, vidíme, že nárůst výkonu je 9,5 % a pokles točivého momentu je 5,7 %. Obdobně je tomu u optimalizace úhlu otevření sacích ventilů. Nárůst výkonu je o 2,8 %, ale pokles točivého momentu je také o 2,8 %. Lze tedy říct, že optimalizace sacího traktu a sacích ventilů mají významný vliv na výkon motoru, ale ne v tak širokém spektru otáček jako je tomu u výfukového traktu.

- 55 -

ČVUT Praha




Procentuální změna točivého momentu a výkonu pro jednotlivé optimalizace

Většina optimalizací, prováděných za účelem dosažení maximálního výkonu při otáčkách 5000 min-1 viz. obr. 75, byla prováděna také za účelem dosažení maximálního točivého momentu při otáčkách 2500 min-1. Rozdíl byl pouze v tom, že parametry výchozího modelu pro následující optimalizaci byly převzaty z optimalizace na maximální výkon. Proto na následujícím obr. 76 nejsou zobrazeny absolutní hodnoty momentu a výkonu, ale pouze jejich procentuální změny pro jednotlivé optimalizace.

7,7%

0,0% 0,0%

1,3%

2,5% 3,3%

OPTIMALIZACE 0,0% 0,0% NEBYLA PROVEDENA

-0,4%

0,5% 0,7%

-9,5%

Sériový motor

Uspořádání a Uspořádání a Úhel otevření Zdvih sacích Úhel otevření délka sání a délka výfuku a sacího ventilu, ventilů a časování výfukových ventilů, časování sacích časování časování saních a sacích a časování ventilů výfukového ventilu výfukových ventilů výfukových ventilů výfukových ventilů PARAMETRY OPTIMALIZACE

Točivý moment při otáčkách 2500min-1

Výkon při otáčkách 5000min-1

obr. 76 Zobrazení vlivu jednotlivých optimalizací na M t a P e prováděných za účelem dosažení maximálního točivého momentu při otáčkách 2500 min-1 Optimalizace byly prováděny při otáčkách 2500 min-1, proto se dá pro tyto otáčky očekávat nárůst točivého momentu a pro otáčky 5000 min-1 pokles výkonu. Není tomu tak ve dvou případech, stejně jako na obr. 75. Jedná se o stejné optimalizace prováděné na výfukovém traktu a výfukových ventilech. Toto potvrzuje výše vyslovený závěr, že optimalizací výfukového traktu, lze zlepšit točivý moment v širokém spektru otáček. Vliv optimalizací sacího traktu a sacích ventilů se chová dle očekávání. Nárůst točivého momentu je vykoupen poklesem maximálního výkonu. Malý nárůst točivého momentu u první optimalizace je způsoben tím, že potrubí i ventily u sériového motoru jsou optimalizovány právě na dosažení maximálního točivého momentu při otáčkách 2500 min-1. Nyní přistoupíme k porovnání parametrů základního a výsledného modelu. Na obr. 77 je srovnána vnější momentová charakteristika a měrná spotřeba paliva. Jednoznačné zlepšení točivého momentu je od otáček 3750 min-1. V rozmezí otáček 2750 až 3500 min-1 je točivý moment shodný. Horších hodnot se dosahuje v rozmezí otáček 1500 až 2500 min-1. Měrná spotřeba paliva je téměř shodná v rozmezí otáček 1500 až 3250 min-1. Od 3500 min-1 se měrná spotřeba mírně zlepšuje.

- 56 -

ČVUT Praha




130 Točivý moment [Nm]

400

110

375

100

350

90

325

80

300

70

275

60 1000

2000

3000

4000

Měrná spotřeba paliva [g/kW.h]

425

120

250 6000

5000


Točivý moment -základní model

Točivý moment - výsledný model

Měrná spotřeba - základní model

Měrná spotřeba - výsledný model

obr. 77 Vnější momentová charakteristika a měrná spotřeba paliva Na obr. 78 vlevo je zobrazen výkon. Vpravo je plnící účinnost. Má podobný tvar jako křivka točivého momentu. Laděním potrubí se dosáhla poměrně plochá křivka, která se pohybuje v rozmezí hodnot 85 až 90 % v rozmezí otáček 2500 až 5500 min-1. 70

100

Plnící účinnost [%]

60

Výkon [kW]

50 40 30 20 10 0 1000

90 80 70 60 50

2000

3000

4000

5000

6000

0

1000

2000

3000

4000

5000



Výkon - základní model

Plnící účinnost - základní model Plnící účinnost - výsledný model

Výkon - výsledný model

6000

obr. 78 Výkon a plnící účinnost Na obr. 79 jsou zobrazeny efektivní, indikované a maximální tlaky ve válci. Je vidět, že se hodnoty odchylují od základního modelu v oblasti vyšších otáček, na které je nyní motor optimalizován.

- 57 -


Efektivní a indukovaný tlak [bar]



20

70

18

60

16

50

14

40

12

30

10

20

8

10

6 1000

2000

3000

4000

5000

Maximální tlak ve válci [bar]

ČVUT Praha

0 6000


Efektivní tlak - základní model Indikovaný tlak - základní model Maximální tlak - základní model

Efektivní tlak - výsledný model Indikovaný tlak - výsledný model Maximální tlak - výsledný model

obr. 79 Efektivní, indukovaný a maximální tlak Na obr. 80 jsou porovnány účinnosti. Celková účinnost motoru se zlepšila v rozmezí otáček 2750 až 5500 min-1 přibližně o 1 %.

36

90

34

80

32

70

30

60

28

50

26 1000

2000

3000

4000

5000

40 6000

Otáčky motoru [min-1] Indikovaná účinnost - základní model Celková účinnost - základní model Mechanická účinnost - základní model

Indikovaná účinnost - výsledný model Celková účinnost - výsledný model Mechanická účinnost - výsledný model

obr. 80 Indikovaná, celková a mechanická účinnost motoru

- 58 -

Mechanická účinnost [%]

100

Indikovaná a celková účinnost motoru [%]

38




8 Závěr V této diplomové práci byla snaha zobrazit, jakého nárůstu výkonu lze očekávat laděním sacího a výfukového traktu a optimalizací zdvihových křivek ventilů. Samozřejmě byla zobrazena i opačná stránka problému, a to pokles točivého momentu v nižších otáčkách. Nejsou důležité konkrétní hodnoty výkonu či momentu, ale procentuální nárůst či pokles. Ten je velmi výstižně zachycen na obr. 75. Musíme si uvědomit, že optimalizace motoru je více parametrický problém. Zvolený způsob postupných optimalizací nemusí být ten nejvhodnější, ale postupný nárůst výkonu ukazuje, že zcela chybný není. Z hlediska provedených optimalizací má největší význam zabývat se optimalizací sací strany motoru, protože tlakové pulsace v sání hrají významnou roli z hlediska účinnosti naplnění válce. V této souvislosti se nabízí námět pro další výzkum. Především analyzovat vliv většího průměru sacích kanálů na účinnost naplnění válce. Dále by bylo vhodné provést optimalizaci tvaru sacího potrubí a sacích kanálů s ohledem na dosažení co nejmenších průtokových ztrát. To již ale vyžaduje použít výpočetní programy typu Fluent v kombinaci s experimentálním měřením. Pro další zvyšování celkové účinnosti motoru v co nejširším spektru otáček by bylo vhodné se zabývat variabilní délkou sacího potrubí popř. proměnným časováním ventilů. Jaký vliv má proměnná délka sacího potrubí a variabilní časování sacích ventilů bylo již částečně ukázáno v této práci, kdy byly optimalizace prováděny ve dvou otáčkových režimech. Význam výfukového traktu na výkon je také poměrně velký v celém otáčkovém spektru, ale je vykoupen sníženou účinností katalyzátoru díky dlouhému výfukovému traktu. V sériové výrobě, kde musejí být splněna přísná kriteria na čistotu emisí by nižší účinnost katalyzátoru nemusela být akceptována. Výsledný model dosáhl nárůst výkonu 19,6 %. To je poměrně vysoká hodnota a věřím že ji mí následovníci budou nadále zvyšovat.

- 59 -

ČVUT Praha




Seznam obecně používaných označení Označení platí, pokud v textu není uvedeno jinak. Neuvedená označení vyplývají z textu. Mt

[Nm]

točivý moment

Pe

[kW]

efektivní výkon

L

[mm]

délka

d

[mm]

průměr

h

[mm]

zdvih ventilu

D

[mm]

vrtání

H

[mm]

zdvih

S

[m2]

průřez, plocha

3

V

[m ]

objem

t

[s]

čas

v

[m.s-1]

rychlost

a

[m.s-2]

zrychlení

m

[kg]

hmotnost

p

[Pa]

tlak

α

[°]

úhel otočení hřídele

μσ

[-]

průtokový součinitel

ε

[-]

kompresní poměr

λ

[-]

součinitel přebytku vzduchu

- 60 -




Seznam použité literatury [1]

Baumruk, P.: Problematika náplně válce spalovacích motorů. Vydavatelství ČVUT, 1996, 1997

[2]

Baumruk, P.: Příslušenství spalovacích motorů. Skripta ČVUT, 1996-1999

[3]

Baumruk, P. – Vlášek, K.: Aerodynamické zkoušky plnící a výfukové soustavy motorů ŠKODA AUTO a. s. – VI, Z 98-11, 1998

[4]

Macek, J. – Suk, B.: Spalovací motory I. Vydavatelství ČVUT, 2000

[5]

Navrátil, J.: Optimalizace zážehového motoru k dosažení vysokého výkonu, Diplomová práce D 2001 – M17

[6]

Šťastný, J. – Remek, B.: Autoelektrika a autoelektronika. Nakladatelství Malina, Praha, 1993

[7]

Dílenská příručka Fabia 2000, vydání 08.99

[8]

GT-Power Reference Manual version 5.2, prosinec 2001, Gamma Technologies

- 61 -



Seznam příloh Příloha 1: Preprocesor a procesor GT-Poweru Příloha 2: Postprocesor integrálních veličin Příloha 3: Postprocesor stavových veličin Příloha 4: Model výfuku v GT-Poweru Příloha 5: Průtokové součinitele sacích kanálů – protokol z měření Příloha 6: Průtokové součinitele výfukových kanálů – protokol z měření Příloha 7: Analýza způsobu optimalizace na její výsledek

- 62 -





Příloha 1: Preprocesor a procesor GT-Poweru

MENU

OKNO PREPROCESORU PANEL S IKONAMI MODEL MOTORU

SEZNAM POUŽITÝCH OBJEKŮ V MODELU

OKNO PROCESORU (spuštěn výpočet)

- 63 -




Příloha 2: Postprocesor integrálních veličin

GRAFICKÉ ZOBRAZENÍ VELIČINY DO MODELU MOTORU

NÁZEV VELIČINY A JEDNOTKA

VOLBA VELIČINY PRO VYKRESLENÍ

BAREVNÁ STUPNICE S HODNOTAMI

Amplitudy tlaku pro základní model – otáčky 2500 min-1

- 64 -

ČVUT Praha



Příloha 3: Postprocesor stavových veličin

OKNO PRO ZOBRAZENÍ VYBRANÝCH STAVOVÝCH VELIČIN

SEZNAM OBJEKTŮ (kliková hřídel, válec, ventil, atd.) s možností výběru „Co zobrazit“

p-v diagram pro základní model – otáčky 5000 min-1

- 65 -





Příloha 4: Model výfuku v GT-Poweru

Výstup z tlumiče hluku

Absorbéry hluku

Vstup do tlumiče hluku

- 66 -

ČVUT Praha




Příloha 5: Průtokové součinitele sacích kanálů – protokol z měření ŠKODA 1,3 l - Z 95-13 hlava 1206, 2.kanál

Měření :

D [mm] : Z [mm] : dv [mm] : poc.vent : dpv[mmH2O]:

M Ě Ř E N Í T E Č N É R O T A C E A P R Ů T O K. S O U Č. N A I M V:

75,5 72 31 1 500

lojnice [mm] :

144 beta : 0,1686

h

h/dv

[mm]

[1]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0,032 0,065 0,097 0,129 0,161 0,194 0,226 0,258 0,290 0,323 0,355

dp1 dpc [mmH20] [mmH2O]

. BS

datum pb [kPa] tb [°C]

: 21.11.95 : 101 : 25

(mis)str: 0,3978 mis*beta: 0,0671 lambda : 0,250

lv [mm] kmt

: :

(ntdu/n)r:

. m

65 0,576

cpist

mis

mi

[g]

. V [m /h]

[kg/h] [m/s]

[1]

[1]

1,3 2,8 6,7 9,8 12,5 16,0 18,0 17,3 16,5 17,0 18,2

27,1 45,7 70,9 95,2 119,2 135,6 146,0 149,7 152,1 154,1 156,5

30,5 51,3 79,6 106,9 133,8 152,2 163,9 168,1 170,8 173,0 175,7

0,107 0,180 0,279 0,375 0,469 0,533 0,574 0,588 0,598 0,606 0,614

0,828 0,696 0,721 0,726 0,727 0,689 0,636 0,570 0,515 0,469 0,433

n

njt

[1/min] [1/min]

1,00

SR njtn

njtnr

. BS

[1]

[1]

[Nmm]

1,61 1,22 1,21 0,98 0,80 0,79 0,77 0,70 0,65 0,65 0,68

1,69 1,28 1,27 1,03 0,84 0,83 0,81 0,74 0,68 0,68 0,71

0,75 1,61 3,86 5,64 7,20 9,22 10,37 9,96 9,50 9,79 10,48

1:4 501 502 502 503 503 503 503 504 504 504 505

3,0 8,5 20,5 37,0 58,0 75,0 87,0 91,5 94,5 97,0 100,0

1,68 2,83 4,40 5,91 7,40 8,41 9,06 9,29 9,44 9,56 9,71

701 1180 1833 2462 3082 3504 3774 3870 3933 3985 4046

1128 1444 2225 2423 2468 2779 2903 2721 2553 2597 2738

Š 1300, sání

0,9 0,8 0,7

μσ, μ [-]

0,6 0,5 0,4 0,3

μσ μ

0,2 0,1 0,0 0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

h/dv [-]

- 67 -

0,250

0,300

0,350

ČVUT Praha




Příloha 6: Průtokové součinitele výfukových kanálů – protokol z měření ŠKODA 1,3 l, Z 94 -17

Měření :

výfuk, hlava 136B, 12.kokila, 2.kanál D [mm] : Z [mm] : dv [mm] : poc.vent : dpv[mmH2O]: lojnice [mm] : beta

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

datum pb [kPa] tb [°C] lv [mm]

P R Ů T O K . S O U Č I N I T E L E: : 16.12.94 (mis)str: : 100,7 mis*beta: : 24 lambda : : 45

0,4534 0,0580 0,250

: 0,1279

h/dv dp1 dpc [1] [mmH20] [mmH2O] 1:4 0,037 500 2,5 0,074 501 7,5 501 17,5 0,111 502 31 0,148 503 43,5 0,185 504 54,5 0,222 0,259 505 64 0,296 505 71 0,333 506 76 0,370 506 82 0,407 506 87

. V [m3/h]

. m [kg/h]

cpist [m/s]

mis [1]

mi [1]

24,8 42,9 65,5 87,2 103,3 115,6 125,2 131,9 136,5 141,7 146,0

27,8 48,2 73,6 97,9 115,9 129,8 140,6 148,1 153,2 159,1 163,9

1,54 2,66 4,06 5,41 6,41 7,17 7,77 8,18 8,47 8,79 9,06

0,129 0,223 0,340 0,452 0,535 0,599 0,648 0,682 0,705 0,733 0,755

0,869 0,752 0,766 0,763 0,723 0,673 0,625 0,576 0,529 0,494 0,463

Š 1300, výfuk

0,9 0,8 0,7 0,6

μσ, σ [−]

h [mm]

MĚŘENÍ

75,5 72 27 1 500 144

0,5 0,4 0,3

μ μσ

0,2 0,1 0,0 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

h/dv [-]

- 68 -

0,25

0,30

0,35

0,40

ČVUT Praha




Příloha 7: Analýza způsobu optimalizace na její výsledek Před prováděním optimalizací délek potrubí a časování sacích ventilů byla provedena analýza, kterou jsem zjišťoval, jakým způsobem optimalizace provádět. Na výběr jsou tři možnosti: 1. optimalizovat nejdřív délku sací trubky a následně k této délce najít optimální časování sacích ventilů 2. optimalizovat nejdříve časování sacích ventilů a tomuto časování následně optimalizovat délku sací trubky 3. optimalizovat oba parametry současně Optimalizace byly prováděné na jednom ze základních modelů při otáčkách 2500min-1 a 5000min-1. Základní délka sací trubky je 246 mm a časování je 455°. 2500 min-1 Optimalizovaná délka sací trubky a časování Optimalizace délky potrubí a následně časování Optimalizace časování a následně délky potrubí Současná optimalizace obou parametrů

267,50 mm 460,62° 460,31° 271,56 mm 271,56 mm 460 °

Točivý moment 120,122 Nm 120,563 Nm 119,852 Nm 120,593 Nm 120,601 Nm

5000 min-1 Optimalizovaná délka sací trubky a časování 40,00 mm 468,75° 475,00° 157,81 mm 157,81 mm 474,69°

Točivý moment 97,192 Nm 100,213 Nm 101,849 Nm 102,303 Nm 102,309 Nm

tab. 17 Vliv způsobu optimalizace na výslednou hodnotu momentu Z hodnot točivého momentu v tab. 17 je zřejmé, že není výhodný první způsob optimalizace, protože točivý moment po optimalizaci je nižší než pro varianty 2 a 3. U variant 2 a 3 jsou optimalizované hodnoty délky a časování téměř shodné. Proto mohu tyto varianty doporučit. Odlišnost výsledku u první varianty je zřejmě způsobena konstantní hodnotou časováním ventilů, které je z hlediska využití pulsací v sacím traktu nastaveno jako nejvhodnější jen pro určité otáčky. Tyto otáčky se ale nemusí shodovat s námi uvažovanými. Proto se jeví první varianta jako nevhodná Osobně jsem ve svých výpočtech prováděl dvouparametrickou optimalizaci. Je časově náročnější, než postupná jednoparametrická optimalizace, ale výhodou je výstup obou výsledných hodnot v jednom souboru a pouze jedna příprava na spuštění optimalizace.

- 69 -

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - FAKULTA STROJNÍ ÚSTAV VOZIDEL A LETADLOVÉ TECHNIKY ODBOR AUTOMOBILŮ, SPALOVACÍCH MOTORŮ A KOLEJOVÝCH VOZIDEL

Recommend Documents