OPTIMALIZACE NAPLNĚNÍ VÁLCE SPALOVACÍHO MOTORU Radek Tichánek1, Marcel Diviš1 Oldřich Vítek2 1
Ústav pro výzkum motorových vozidel, s.r.o Výzkumné centrum Josefa Božka Lihovarská 12, 180 68 Praha 9 2 České vysoké učení technické Technická 4, 166 07 Praha 6
Summary The article deals with valve gear parameter design, especially cam shape, valve open angles and timing, for normally aspirated diesel engine. Used construction changes shall improve cylinder filling, reduce pollutant production and thereby contribute to satisfy emissions limits. Numerical engine model was used for studying influence of valve gear parameters on engine output parameters. The article contains comparison of effects of construction changes based on results of computation model with measured values.
Souhrn Příspěvek se zabývá návrhem parametrů rozvodového mechanismu, především tvaru vačky, úhlů otevření ventilů a časování, pro nepřeplňovaný vznětový motor. Použité konstrukční změny mají zlepšit naplnění válce, snížit obsah škodlivých látek ve výfukových plynech a tím přispět ke splnění emisních limitů. Pro odhad vlivu změn parametrů rozvodového mechanismu na některé parametry motoru byl použit numerický model oběhu spalovacího motoru. Článek obsahuje porovnání vlivu provedených konstrukčních změn na základě výsledků numerického modelu s naměřenými hodnotami.
1 Úvod Optimalizace naplnění válce spalovacího motoru doplňuje sérii konstrukčních změn provedených s cílem splnit emisní limity A podle předpisu EHK 49.02. Upravovaný motor byl nepřeplňovaný vodou chlazený vznětový čtyřválec s přímým vstřikem paliva do válce, vrtání 102 mm, zdvih 118 mm, osazený řadovým vstřikovacím čerpadlem. Motor dosahoval maximální výkon 70,6 kW
1
při otáčkách 3200 min-1, točivý moment měl nejvyšší hodnotu 245 Nm při otáčkách 2200 min-1. Rozvodový mechanismus byl klasický OHV s plochým zdvihátkem. Našim příspěvkem k celkové úpravě motoru mělo být zvětšení objemu nasávaného vzduchu a s tím související snížení výfukových teplot. Objem vzduchu nasávaného motorem je mimo jiné závislý na průtokových průřezech sacích ventilů. Pro zvětšení průtokových průřezů ventilů byl navržen nový obrys vačky. Ten je stejný pro sací i výfukovou vačku. Byly vyrobeny dvě vačkové hřídele nesoucí označení vačka 1 a vačka 2. Nové vačkové hřídele jsou stejné, liší se pouze vzájemnou polohou sací a výfukové vačky. Úhel otevření ventilů a časování byly optimalizovány pomocí numerického modelu sestaveného v programu GT-power. Pro zhodnocení vlivu nových vačkových hřídelí na objemovou účinnost motoru, množství škodlivin ve výfukových plynech a výfukové teploty bylo měřeno několik bodů zatěžovací charakteristiky v otáčkách maximálního točivého momentu a výkonu.
2 Návrh obrysu vačky Při návrhu obrysu vačky se obvykle vychází z teoretické zdvihové funkce ventilu. Zdvihová závislost ventilu byla navržena úsekovou metodou ÚVMV. Tato metoda rozděluje zdvihovou funkci ventilu na úseky a každý úsek definuje goniometrickou nebo polynomickou funkcí tak, aby byla dodržena podmínka spojitosti derivací vyšších řádů celé zdvihové křivky. Změnou délek úseků je možné vytvarovat vhodný průběh zdvihu ventilu, zejména s ohledem na jeho zrychlení. Pro přepočet zdvihové funkce ventilu na obrys vačky byl sestaven kinematický model rozvodového mechanismu. Zdvih ventilu byl zvětšen z 10,4 na 11 mm. Hodnoty rychlosti a zrychlení ventilů zůstaly přibližně zachovány s ohledem na použití nové vačky ve stávajícím rozvodovém mechanismu. Na obr. 1 je vidět porovnání původního a nového obrysu vačky.
3 Časování Optimalizace časování byla provedena pomocí numerického modelu oběhu spalovacího motoru. Jako nástroj byl použit komerční program GT-power, který je postaven na 0-D přístupu. Důležité části motoru jsou modelovány jako
2
kontrolní objemy s určitými vlastnostmi. Pro každý tento objem jsou použity základní bilanční rovnice – zákon zachování hmoty a energie (prostorové závislosti nejsou uvažovány). Vhodným propojením těchto zón se získá 0-D matematický model motoru. To vede na soustavu obyčejných diferenciálních rovnic (závislost pouze na čase), která musí být ještě doplněna dalšími empirickými rovnicemi (přestup tepla, stavová rovnice, atd.), aby byla řešitelná. Vlastní řešení se hledá numericky. Důležité jsou již zmíněné doplňující vztahy. Zákon hoření je modelován Vibeho funkcí nebo tabulkou dat, odvod tepla ve válci Woschniho vztahy, atp. Děje v potrubí lze v podstatě modelovat 1-D přístupem, neboť vhodnou volbou diskretizační délky lze zachytit i prostorové změny. V programu jsou k dispozici i některé složitější modely, které částečně respektují prostorové závislosti (vícezónový model šíření paprsku paliva ve válci vznětového motoru s přímým vstřikem, …). Každý 0-D model musí být “naladěn” – je třeba zvolit či upravit některé parametry motoru tak, aby důležité výstupní parametry odpovídaly skutečnosti. To bylo v tomto případě provedeno (na základě známých experimentální dat) pro plné zatížení a otáčky 2200 min-1. Pak byl model konfrontován s měřením pro různé otáčky i zatížení. Ve většině případů byla shledána dobrá shoda s realitou. Nakonec byla provedena optimalizace časování jak z hlediska naplnění válce, tak z hlediska teploty výfukových plynů. Byly zkoušeny různé zdvihové funkce ventilů s různým časováním (a tedy i překrytím). Na obr 2. je průběh vypočítané objemové účinnosti vačky 1, vačky 2 a sériové vačky. Výsledky výpočtů předpověděly nárůst objemové účinnosti v celém rozsahu otáček, přičemž největšího nárůstu bylo dosaženo ve vyšších otáčkách motoru. Seznam rozvodových dat uvažovaných při výpočtu uvádí tabulka 1 a podle těchto dat byly nové vačkové hřídele vyrobeny. Číselné údaje úhlů jsou udány ve stupních klikového hřídele. Překrytí je označením současného otevření sacího i výfukového ventilu kolem horní úvrati pístu. Doplňková číslice v označení některých vaček znamená rozdílné osazení motoru viz níže.
3
4 Osazení zkoušeného motoru V průběhu zkoušení motoru s novými vačkovými hřídeli byly prováděny změny v osazení motoru, které také ovlivnily konečné výsledky. Motor osazený sériovou vačkou a vačkou 1 se lišil maximální rychlostí na vačce vstřikovacího čerpadla. Motor osazený vačkou 1.1 a vačkou 2.1 se proti předchozímu lišil tvarem spalovacího prostoru, velikostí otvůrků vstřikovacích trysek, jejich vysunutím do spalovacího prostoru a geometrickým počátkem vstřiku paliva do válce.
5 Výsledky měření Pro posouzení vlivu nových vačkových hřídelí na objemovou účinnost motoru, teplotu ve výfukovém potrubí a množství škodlivin NOx, CO, HC ve výfukových plynech byly měřeny některé body zatěžovací charakteristiky při otáčkách motoru nm = 2200 min-1 a nm = 3200 min-1. Vzhledem k faktu, že se v průběhu zkoušek měnilo osazení motoru, není možné vzájemně porovnávat naměřené hodnoty všech variant. Porovnatelné jsou naměřené hodnoty pro motor osazený sériovou vačkou a vačkou 1. Zvlášť jsou porovnatelné hodnoty pro motor osazený vačkou 1.1 a vačkou 2.1. Objemová účinnost byla vypočtena na základě změřeného tlakového spádu na clonce v potrubí přivádějící vzduch do motoru. Teplota ve výfukovém potrubí byla měřena termočlánkem. Množství škodlivin ve spalinách bylo měřeno soustavou analyzátorů HORIBA. Průběh objemové účinnosti motoru je na obr. 3. Z naměřených hodnot vyplývá, že největší nárůst objemové účinnosti motoru s vačkou 1 proti motoru se sériovou vačkou je přibližně 4 % v otáčkách 3200 min-1. V otáčkách 2200 min-1 je mezi těmito variantami rozdíl zanedbatelný. Nárůst objemové účinnosti motoru s vačkou 2.1 proti motoru s vačkou 1.1 činí přibližně 3 % v otáčkách 2200 min-1. V otáčkách 3200 min-1 není mezi těmito variantami v objemové účinnosti patrný rozdíl. Dalším sledovaným parametrem byly teploty ve výfuku, neboť jejich hodnoty převyšovaly po konstrukčních úpravách motoru limit 680 °C stanovený výrobcem. Průběh ukazuje obr. 4. Z porovnání výfukových teplot motoru s vačkou 1 a sériovou je největší pokles výfukových teplot o 28 °C v otáčkách
4
3200 min-1, zároveň došlo ke zvýšení výfukových teplot o 20 °C v otáčkách 2200 min-1 a největším zatížení. V tomto bodě měření byla také naměřena vyšší teplota nasávaného vzduchu. Z porovnání další dvojce variant plyne, že při měření motoru s vačkou 2.1 se snížily výfukové teploty o 32 °C v otáčkách 2200 min-1 a největším zatížení proti hodnotám naměřeným na motoru s vačkou 1.1. V otáčkách 3200 min-1 nejsou změny teplot ve výfuku výrazné. Na obr. 5 je vynesena závislost emise NOx na součiniteli přebytku vzduchu. Součinitel přebytku vzduchu byl počítán na základě naměřeného složení spalin. Z důvodu poruchy analyzátoru nejsou známy hodnoty NOx pro motor osazený vačkou 1. Hodnoty emise NOx pro motor s vačkou 1.1 a vačkou 2.1 byly naměřeny přibližně stejné. Na obr. 6 je vynesen průběh emise CO. V motoru osazeném vačkou 1 ve srovnání s motorem se sériovou vačkou bylo dosaženo výrazného poklesu CO v otáčkách 3200 min-1, kde emise CO klesly na hodnoty, které byly v rozsahu analyzátoru. Z porovnání hodnot naměřených při osazení motoru vačkou 1.1 a vačkou 2.1 vyplývá, že v otáčkách 2200 min-1 klesla hodnota CO, ve prospěch vačky 2.1, v bodě největšího zatížení. Emise nespálených uhlovodíků HC ukazuje obr. 7. V motoru s vačkou 2.1 a vačkou 1.1 bylo naměřeno snížení emise HC ve prospěch vačky 2.1 v otáčkách 2200 min-1.
6 Závěr Po všech provedených konstrukčních úpravách motor splnil limity A předpisu EHK 49.02. Na tom se podílelo i zlepšené naplnění válce dané novým obrysem vačky a časováním. Nové vačkové hřídele prokázaly vliv zejména na objemovou účinnost motoru a teploty výfukových plynů. Naměřené hodnoty objemové účinnosti kvalitativně potvrdily výsledky numerické simulace oběhu spíše ve vyšších otáčkách. Bez ohledu na ostatní konstrukční změny bylo nejlepších výsledků dosaženo s vačkou 2.1, její použití bylo nejlepším kompromisem z hlediska emisí a teplot výfukových plynů a proto je tato vačka dále používána.
5
Seznam literatury
[1]
Macek, J. – Suk, B.: Spalovací motory I. Skripta ČVUT, Praha 1993
[2]
Baumruk, P.: Problematika náplně válce spalovacích motorů. Skripta ČVUT, Praha 1999
[3]
Takáts, M.: Měření emisí spalovacích motorů. Skripta ČVUT, Praha 1997
[4]
GT-Power - User's Manual. GT-Suite Version 5.1. Gamma technologies Inc., USA. 2000
7 Příloha
Tabulka 1 sériová vačka vačka 1 vačka 1.1 vačka 2.1
SO před SZ za HÚ [°] DÚ [°]
VO před DÚ [°]
VZ za αo SV[°] αo VV[°] Překrytí HÚ [°] v HÚ [°]
14
50
56
16
244
252
30
28 28 30
64 64 62
66 66 52
26 26 40
272 272 272
272 272 272
54 54 70
SO
… sací ventil otevírá (údaje je ve stupních klikového hřídele)
SZ
… sací ventil zavírá
VO
… výfukový ventil otevírá
VZ
… výfukový ventil zavírá
HÚ
… horní úvrať pístu ve válci spalovacího motoru
DÚ
… dolní úvrať pístu ve válci spalovacího motoru
αo SV
… úhel otevření sacího ventilu
αo VV
… úhel otevření výfukového ventilu
6
Obr.1 Porovnání obrysů vaček 30 25
y [mm]
20 15 10 5 0 -25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
x [mm] vačka ÚVMV
sériová vačka
Obr. 2. Objemová účinnost vypočtená numerickou simulací oběhu spalovacího motoru 0,98
Objemová účinnost [-]
0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,9 500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
-1
Otáčky motoru nm [min ]
sériová vačka
vačka 1
vačka 2
7
Obr. 3 Objemová účinnost motoru
Objemová účinnost [-]
0,96 0,94
sériová vačka nm= 2200 min-1
0,92
sériová vačka nm= 3200 min-1
0,9
vačka 1 nm= 2200 min-1
0,88
vačka 1 nm= 3200 min-1
0,86
vačka 1.1 nm= 2200 min-1
0,84
vačka 1.1 nm= 3200 min-1
0,82
vačka 2.1 nm= 2200 min-1
0,8
vačka 2.1 nm= 3200 min-1
0,78 0,3
0,5
0,7
0,9
Střední efektivní tlak [MPa]
Obr. 4 Průběh teplot ve výfukovém potrubí 750
sériová vačka nm= 2200 min-1 sériová vačka nm= 3200 min-1 vačka 1 nm= 2200 min-1 vačka 1 nm= 3200 min-1 vačka 1.1 nm= 2200 min-1 vačka 1.1 nm= 3200 min-1 vačka 2.1 nm= 2200 min-1 vačka 2.1 nm= 3200 min-1
700
Teploty ve výfuku [°C]
650 600 550 500 450 400 350 300 0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Střední efektivní tlak [MPa]
8
Obr.5 Emise NOx 1800 1600 sériová vačka nm= 2200 min-1
Emise NOx [ppm]
1400 1200
sériová vačka nm= 3200 min-1
1000
vačka 1.1 nm= 2200 min-1
800
vačka 1.1 nm= 3200 min-1
600
vačka 2.1 nm= 2200 min-1
400
vačka 2.1 nm= 3200 min-1
200 0 1
1,5
2
2,5
3
Součinitel přebytku vzduchu [-]
Obr. 6 Emise CO 3000
Emise CO [ppm]
2500
sériová vačka nm= 2200 min-1 sériová vačka nm= 3200 min-1 vačka 1 nm= 2200 min-1 vačka 1 nm= 3200 min-1 vačka 1.1 nm= 2200 min-1 vačka 1.1 nm= 3200 min-1 vačka 2.1 nm= 2200 min-1 vačka 2.1 nm= 3200 min-1
2000
1500
1000
500
0 0,9
1,4
1,9
2,4
2,9
Součinitel přebytku vzduchu [-]
9
Obr. 7 Emise HC 600 sériová vačka nm= 2200 min-1
500
Emise HC [ppm]
sériová vačka nm= 3200 min-1 400
vačka 1 nm= 2200 min-1 vačka 1 nm= 3200 min-1
300
vačka 1.1 nm= 2200 min-1 200
vačka 1.1 nm= 3200 min-1 vačka 2.1 nm= 2200 min-1
100
vačka 2.1 nm= 3200 min-1
0 1
1,5
2
2,5
3
Součinitel přebytku vzduchu [-]
10
