Hanula Barna PhD
Különböző tudományterületeken megvalósított alkotásaim
Győr 2016. Április
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés................................................................................................................................ 1 2. Előzmények ............................................................................................................................ 1 3. Tézisek .................................................................................................................................... 3 3.1 Tézisek a termodinamika és égésfolyamat területén....................................................... 3 3.2 Tézisek az áramlástan területén ....................................................................................... 4 3.3 Tézisek a gépek dinamikája területen .............................................................................. 6 3.4 Tézisek a gépszerkezettan területén ................................................................................ 6 3.5 Tézisek a szilárdságtan területén...................................................................................... 7 3.6 Tézisek a motorfejlesztés egészére vonatkoztatva .......................................................... 8 4. Kitekintés ................................................................................................................................ 9 5. Irodalomjegyzék ................................................................................................................... 10 6. A szerző publikációi .............................................................................................................. 11 7. A szerző szabadalmai............................................................................................................ 14 7.1. Vorrichtung zum Verbessern des Kaltbetriebes von Dieselbrennkraftmaschinen ....... 14 7.2. Reciprocating machine with neutralization of free inertial forces ............................... 14 7.3. Lubricant circuit for a vehicle combustion engine ........................................................ 14 7.4. Einrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Brennkraftmaschine ............................. 15
1. Bevezetés Szakmai munkásságom során a belsőégésű motorok fejlesztésének területén dolgoztam. Munkám során rendkívül sokrétű feladatokat kellet megoldanom. Ezeket különböző döntéshozó pozíciókban láttam el. (Fejlesztési osztályvezető, műszaki igazgató, ügyvezető igazgató) A doktori (PhD) munkámhoz (Belsőégésű motorok optimalizálása kerámiaszelepek alkalmazásával) hasonlóan itt is olyan megoldásokat ismertetek, amelyek túlléptek az akkor alkalmazott műszaki-tudományos szinten. Az ismertetett megoldások mind alkalmazásra is kerültek, működésüket mérések és tapasztalatok igazolják. A megalkotott újdonságokat a következő két projekt eredményei alapján ismertetem. Ezek a következők: Személygépkocsi Otto-motor 700 kW feletti teljesítménnyel, illetve egy katonai felhasználású ultrakönnyű, rendkívül magas fordulatszámú Diesel-motor. (1. Ábra)
1. ábra
2. Előzmények 1998-ban a közvetlen befecskendezésű Diesel-motorok névleges fordulatszáma jellemzően alig haladta meg a 4.000 1/perc-et. Mivel a megrendelő 6.000 1/perc-es névleges, és 10.000 1/perc-es maximális fordulatszámot írt elő, ezért átkutattam a fellelhető szakirodalmat és személyesen felkerestem a szakmai legismertebb európai kutató professzorait. (Franz és Stefan Pischinger, Günter Hohenberg, Neville Jackson stb.) Az irodalmi adatok alapján csak 1
az előkamrás Daimler Diesel-motorok lépték át kismértékben az 5.000 1/perc-es értéket, de ez az égésfolyamat nem érte el a tüzelőanyag-fogyasztás célértékét. Felhasználható kutatási tapasztalattal csak Dr. Neville Jackson a Ricardo Plc-től rendelkezett. Ez alapján indultam el a nagyobb átfolyású porlasztók irányába, ami sikerre vezetett. A Diesel-motorok hidegindításánál, ha az előmelegítő rendszer nem volt hatásos, vagy alkalmazható, akkor a mechanikus befecskendező rendszerek tipikusan egy manuálisan aktiválható előbefecskendezés állító szerkezettel rendelkeztek. Mivel ez a repülőmotor tömegét növelte volna, ezért döntöttem úgy, hogy a földi indítóberendezés fordulatszámán keresztül oldom meg a feladatot, erre más példát nem ismerek. A tervezett Diesel-repülőmotor fajlagos tömege 1/3-a kellett, hogy legyen az akkor gyártott összehasonlítható motoroknak. Ennek eléréséhez a darabjegyzék minden egyes tételét át kellett vizsgálnom, és újszerű megoldásokkal jelentősen könnyebbé tennem. A rétegzett keverékes Otto-motorok csatornakialakítása, és főleg ennek méréstechnikai ellenőrzése a 90-es évek második felében még nem volt megoldott. Sem az FEV-lapátkerekes, sem a Ricardo impulzus-eljárása nem tudta az egyes csatornák sajátosságait lekövetni, illetve nem voltak alkalmasak a szériagyártás ellenőrzésére [1]. A Götz Tippelmann úr által fejlesztett 3 dimenziós mérőfejet először én használtam ipari alkalmazásra, szívócsatornák fejlesztéséhez [2]. Az ezredforduló éveiben a belsőégésű motorok kopogására testhang-érzékelőket használtak. A Saab 9.3-as modelljében ugyan a 90-es években megjelent az ionáram mérésen alapuló kopogásérzékelés, de alapos vizsgálat után megállapítottam, hogy funkcionalitása még nem volt megbízható. Egy különlegesen komplex hengertömbbel rendelkező motor esetében elhatároztam, hogy az eljárás alapvetően alkalmas, csak az addigi kivitelezés nem volt megfelelő [3]. A döntés helyesnek bizonyult, a motor ezzel a megoldással került szériagyártásba, és megbízhatóan működik. A nagy fajlagos teljesítményű léghűtéses motorok esetében a csatornák közötti, ún. szelepgát hűtésére olajfúvókát szokás használni a szelepfedél alatt. Ez azonban az általam tervezett repülőmotor esetében két okból is elkerülendő volt. Egyrészt a műrepülési helyzetekben különlegesen nehéz lett volna az olaj mindenkori elszívását megoldani, másrészt pedig a 2
motor tömege ezáltal tovább növekedett volna. Így a motorburkolat és az ívelt hűtőbordák segítségével olyan Venturi-áramlást kellett létrehoznom, amely pótolta az olajsugár hűtés hatását. A 6.500 1/perc-nél magasabb fordulatszámú személygépkocsi motorok tipikusan OHC— szelepvezérléseket alkalmaznak a vezérmű dinamikai tulajdonságai érdekében [4]. Az általam tervezett Diesel-repülőmotorban a tömeg, a befoglaló méretek és a súrlódás területén nyújtott előnyök miatt OHV-megoldást szándékoztam alkalmazni 10.000 1/perc-es fordulatszám mellett. Ezt következetes szimulációs munkával, valamint speciális szerkezeti anyagok és technológiák alkalmazásával sikerült elérni. A nehézségi gyorsulástól eltérő irányú és mértékű gyorsulások befolyásolják a motorok kenőrendszerét. Ennek szokásos vizsgálati módszere a fékpadok megfelelő billentése volt. Különösen nagyobb gyorsulások esetén (3-5g) a statikus billentés képviselhetetlen túlméretezést okozhat, mert ezek az értékek a gyakorlatban csak néhány másodpercig lépnek fel [5]. Ennek leképezésére fejlesztettem ki a világ első dinamikus billenthető fékpadját, amely azóta is egyedülálló.
3. Tézisek 3.1 Tézisek a termodinamika és égésfolyamat területén a. A Diesel-motor konstrukciómmal jelentősen növeltem a maximális fordulatszámot a porlasztók átfolyásának növelésével. Így a dízelmotornak nem a maximális fordulatszáma, hanem a maximális és a minimális fordulatszámának aránya korlátozott. Ezzel létrehoztam egy Diesel-égésfolyamatot 6.000 és 10.000 1/perc közötti fordulatszámokra. [10] Ezzel bebizonyosodott, hogy a Diesel-égésfolyamat gyorsítható olyan mértékben, hogy a motor Névleges fordulatszáma akár 10.000 1/perc-ig is növelhető. Ennek kulcsa a befecskendezési idő forgattyúszögben mért értékének a szokásos tartományban való meghatározása a porlasztócsúcs átfolyási tényezőjének növelésével.
Ennek
következtében
természetesen
romlanak
az
alacsony
fordulatszámon elérhető motorikus jellemzők. 3
b. Motorkonstrukciómban a gyújtógyertyára a szikra kialvása után ionizáló feszültséget kapcsolva az átfolyó ionáram mérésével következtethetünk a kopogás mértékére. Ezt az önmagában ismert alapelvet először sikerült szériagyártásban működőképesen alkalmaznom. A kopogásos égés testhang útján történő detektálása korlátokba ütközik magas hengerszám, illetve nagyon komplex motorblokkstruktúrák esetén. c. Motorkonstrukciómban kimutattam, hogy állandó előbefecskendezési szög esetén csökkenő hőmérséklet mellett az indítási fordulatszám csökkentése segíti a motor indítását. [10] Ugyanis a kis lökettérfogatú Diesel-motorok hidegindítása sajátos „kihívás” ha súly, vagy emissziós okok miatt alacsony kompresszióviszonyt választunk. További nehézséget okoz, ha nem állítható üzem közben az előbefecskendezés értéke. (Ez a súlycsökkentés miatt került így kialakításra) Mivel a gyulladási késedelem időben állandó, és indításkor leginkább a hőmérséklet függvénye ezért kézenfekvő, hogy az indítási fordulatszám optimalizálható a hőmérséklet függvényében.
3.2 Tézisek az áramlástan területén a. Kimutattam, hogy ha a mérendő hengerfejből kiáramló levegőt egy olyan gömbhéjon engedjük keresztül, melynek furatai mid a gömb középpontjába mutatnak, akkor a gömbön mérhető reakciónyomatékból, valamint az átfolyó levegő tömegáramából az összes forgási impulzus visszaszámítható. A perdületes és tumble áramlások mérésére addig alkalmazott eljárások (Lapátkerék, vagy 1Dimpulzus-mérés) nem voltak alkalmasak olyan áramlások mérésére, amelyeknél a motor szívócsatornája mindkét komponenst indukálta. Ezen kívül a lapátkerekes eljárás jelentős hibával járhatott az ú.n. omega-tumble jelenség mérésénél. Ennek megoldására vezettem be a Tippelmann cég által szabadalmaztatott 3-dimenziós mérőfej (2. ábra) alkalmazását. Ezzel a mérési idő és az eredmények megbízhatósága lényegesen javult, és sok korábban megoldhatatlan probléma megoldását tette lehetővé.
4
2.ábra
Cylinder head or flow box
z y
x
massflow
3. ábra
b. Igazoltam, hogy a lokális hőátadási tényezők célzott optimalizálása indokolttá teheti az ívelt hűtőbordák használatát, (3. ábra) azáltal, hogy a lokálisan megnövelt hőátadási tényező lehetővé teszi a külön olajsugaras hűtés alkalmazását. Léghűtéses belsőégésű motorok hűtőbordái mindig egyenesek, hiszen a lehető legkisebb áramlási veszteségek elérésére törekszünk. Egy magas fajlagos terhelésű (600 cm3, 34 kW) Diesel-motor konstrukcióm esetében a hűtőbordák ívelésével sikerült a szerkezet egy bizonyos pontján a hőátadást olyan mértékben megnövelni, hogy elkerülhetővé vált a lokális olajhűtés. [10] 5
3.3 Tézisek a gépek dinamikája területen a. Egy különleges könnyű új Diesel-motor tervezése során bebizonyítottam, hogy az OHV-rendszerű szelepvezérlés is optimalizálható olyan módon, hogy elérheti az akár 10.000 1/perces fordulatszámot is. Az OHV-szelepvezérléseket azért váltották fel a nagyfordulatú motoroknál az OHC-vezérlések, mert a rendszer tömegéből és véges merevségéből adódó sajátfrekvencia nem volt elegendő. Ugyanakkor nem kétséges az OHV-vezérlés előnye tömegben, költségben és súrlódásban. Egy különlegesen könnyű Diesel-motor tervezésekor elhatároztam, hogy a kívánt 10.000 1/perc fordulatszám ellenére OHV-vezérlést fogok alkalmazni. (4. Ábra) Természetesen a vezérmű valamennyi alkatrészét a legmegfelelőbb anyagból készítettem, a tömeg illetve a merevség mindenkori követelményei szerint. Mivel ezen az úton nem sikerült elérni a kívánt fordulatszámot, ezért egy egészen különleges eljárást vezettem be. A dupla szeleprugó külső és belső rugóját csekély átfedéssel készíttettem. Így a két rugó közötti súrlódás csillapítja a rugómenetek rezgéseit, és így vált elkerülhetővé a szeleprugó sajátfrekvenciájából adódó fordulatszámhatár. [10]
4. ábra
3.4 Tézisek a gépszerkezettan területén a. A horizontális gyorsulásokat dinamikus billentéssel szimuláló új fékpadot terveztem és kiviteleztem, amely képes a valós üzemben történő gyorsulási és dőlési helyzeteket valós időben meglelően leképezni, és így a kenőrendszer fejlesztési
körülményeit
biztosítani.
Jól
ismert,
hogy
a
járműmotorok 6
kenőrendszerei érzékenyek a jármű dőlésére illetve a horizontális gyorsulásokra. Ezek értéke versenyjárművek esetében átlépheti az 5 g-t, de ma már közúti járműveknél is tapasztalhattunk 3 g körüli értékeket. A kenőrendszer fejlesztésére általában statikusan billenthető fékpadokat használnak. A nagyobb (70-80 fokos) dőlésszögeknél ez azonban eltúlzott megoldásokhoz vezet, mivel az ilyen gyorsulások időtartama a valóságban néhány másodpercre korlátozódik. Ezért fejlesztettem ki egy dinamikusan (140 fok/s) dönthető fékpadot, amelynek segítségével a kenőrendszer hatékonyabban fejleszthető.
3.5 Tézisek a szilárdságtan területén 3.5.1 Kimutattam, hogy a forgattyús tengely méretezésénél a maximális lehajlás szokásos értéke túlléphető, ha a csapágyak palástjának hordósításával a siklócsapágyak élterhelése elkerülhető. A belső égésű motorok tömegének egyik meghatározó eleme a forgattyús tengely, már csak azért is, mert a szilárdság mellett a merevség a hatékony motorfejlesztés egyik legfontosabb kritériuma. (Így az acélon kívül eddig más szerkezeti anyagot nem alkalmaztak.) [6] Egy ultrakönnyű repülőgép Dieselmotor esetében az elvárt tömegérték olyan alacsony volt, hogy a forgattyús tengely hajlító merevségét a siklócsapágy számára az eddigi megítélés szerint már nem “tűrhető értékűre” kellett csökkentenem (0,2 fok lehajlás!). Az üzembiztonság fenntartása érdekében a csapágycsap megmunkálásakor a csap enyhe fokú hordósságával sikerült a hajlításnál egyébként fellépő élterheléseket elkerülni. A hordósság maximumát ugyanakkor a csapágy terhelhetősége szabta meg. (5. ábra)
7
5. ábra
3.5.2 Új funkcionális megmunkálás-technológiai módszert alkottam annak érdekében, hogy, egy M6-os zsákfurat alján hatékony tehermentesítő hornyot készítsek cirkuláris marással. Általánosan ismert, hogy könnyűfém házakban az acél tőcsavarok vége olyan feszültséggyűjő hatást válthat ki, amely a ház töréséhez vezet. Ennek elkerülésére dolgoztam ki a fenti technológiai eljárást az M6-os tőcsavarok számára. A zsákfuratokban a behajtandó tőcsavarok végének magasságában CNC-technológiával
egy körkörös tehermentesítő
hornyot
forgácsoljak. A szükséges szerszámot egyedi fejlesztésben készíttettem el.
3.6 Tézisek a motorfejlesztés egészére vonatkoztatva a. A fent ismertetett részeredményeken túlmenően a mind a két ismertetett motorkonstrukció egésze túlmutatott a technika akkori szintjén és olyan alkotást jelentett, amelyet addig más nem valósított meg, vagy nem is tartott megvalósíthatónak.
A
megvalósíthatóság határait
a realizált
szerkezetek
egyértelműen tovább tágították. [10]
8
4. Kitekintés Az eddigi munkásságom alapján megszerzett ismereteket szeretném annak érdekében felhasználni, hogy a járműhajtások átalakulási folyamatában a belsőégésű motor és az elektromos hajtás kombinációjának az adott alkalmazáshoz legjobban megfelelő módját lehessen definiálni. Ehhez kapcsolódóan a belsőégésű motorok tanszéket folyamatosan át kívánom alakítani „járműhajtások” tanszékké. Az új tanszék továbbra is feladatának tekinti a belsőégésű motorok továbbfejlesztését, az anyagtudomány, a gyártástechnológia és a számítástechnika mindenkori legújabb vívmányainak felhasználásával. Ezen belül kiemelt figyelmet szentelek a tribológiai fejlesztésekkel elérhető sórlódáscsökkentésre, valamint a motorok ú.n. „real driving” emissziós viselkedésére. Ezzel párhuzamosan célkitűzésem az elektromos hajtások rendszerbe illesztésével kapcsolatos kihívások azonosítása és megoldásukra alkalmas módszerek kifejlesztése. Kutatási tevékenységem egyik legújabb területe az energetikai és környezeti beavatkozások értékelése a gazdasági szempontok integrálásával, azaz egy kiterjesztett „Well to Wheel” szemlélet kidolgozása.
9
5. Irodalomjegyzék [1] SAE Technical Paper: 982680; Research on a Variable Swirl Intake Port for 4-Valve High-Speed Diesel Engines Kawashima, J., Ogawa, H., and Tsuru, Y.; 1998 [2]
K-Magazin 06-2012; Die Strömung im Kopf; Ralf Steck; 2012
[3] SAE Technical Paper: 2003-01-3149; Inaudible Knock and Partial-Burn Detection Using In-Cylinder Ionization Signal; Chao F. Daniels, Guoming G. Zhu and James Winkelman Visteon Corporation [4]
Ventiltriebkomponenten; Schaeffler Automotive Aftermarket GmbH & Co. KG; 2012
[5] Anlagenkurzbeschreibung Schwenkprüfstand; DynoTec GmbH; 2008; http://www.dynotec-gmbh.de/Anlagenkurzbeschreibung/APL-Landau%20PST%2031.pdf [6] MTZ 10-2012: Innovative Lagergestaltung Zur Optimierung Von Kurbelwellen; L.A.F. Galli, R.F. da Cruz, H. Schultheiss, J. Päckert; 2012
10
6. A szerző publikációi [7]. Hanula Barna Áldás vagy átok? Az elektromobilítás kritikus kérdései In: Paár István (szerk.) Környezet, mobilitás, biztonság: "...mert közlekedni, utazni, szállítani kell!" : közlekedési környezetvédelmi konferencia szakmai előadásai . 144 p. Konferencia helye, ideje: Budapest , Magyarország , 2013.09.11 Budapest: Közlekedéstudományi Intézet, pp. 111-125. 2004 [8] Thomas Schnitzler , Barna Hanula , Stefan Heubes , Robert Schumacher Synergy between Finite Element Analysis Temperature Engine Map Calculations and the Most Modern Pyrometric Measuring Technique Shown for Charge Change Valves SAE TECHNICAL PAPERS Paper 2004-32-0028. (2004) Small Engine Technology Conference & Exposition. 2003 [9] Barna Hanula , Janos Radeczky , Roland Ernst , Steve Weinzierl , Michael Fuchs The Potential of the Ceramic Valve in IC Engines SAE TECHNICAL PAPERS Paper 2003-32-0032. (2003) Small Engine Technology Conference & Exposition. [10] Hanula B , Tafel S , Mück A , Schlüter C Schnelllaufender hochleistungs-dieselmotor für kleine flugzeuge MTZ: VERBRENNUNGSMOTOR UND GASTURBINE 64:(4) pp. 286-296. (2003) 2002 [11] Münzinger S , Hanula B , Schnitzler T , Geiser F Das phänomen glühzündung ursachen, entstehung und vermeidung MTZ: VERBRENNUNGSMOTOR UND GASTURBINE 63:(11) pp. 916924. (2002) [12] Weinzierl S , Wildemann R , Hanula B The design and development of a light-weight, high-speed, diesel engine for unmanned aerial vehicles SAE TECHNICAL PAPERS Paper 2002-01-0160. (2002) SAE 2002 World Congress. Detroit, Amerikai Egyesült Államok: 2002.03.04 2002.03.07. 2000 [13] Barna Hanula , Frank Becker , Henning Hoff , Alexander Krause-Heringer xxx I3 DISI Szelepülés-hőmérséklet mérése Report: No. XO/2000/101 (2000) [14] Barna Hanula , Frank Becker , Henning Hoff , Alexander Krause-Heringer xxx I3 DISI Szelep-hőmérséklet mérés: Report No. XO/2000/117 (2000) 11
[15] Barna Hanula , Henning Hoff xxx I3 DISI Szívószelep lerakódás vizsgálata. Zárójelentés: No. XO/2000/129 (2000) 1995 [16] Hanula Barna A HOECHST AG kerámiaszelepeinek alkalmazása (1995) [17] Hanula Barna Tömegkiegyenlítő tengelyek vizsgálata és fejlesztése az Opel 2,2 DTH motorjához (1995) 1994 [18] Hanula Barna A hűtővíz áramlási sebességének mérése a motor hengerfejében Lézer-DopplerAnemometria segítségével (LDA) (1994) [19] Hanula Barna A „Suez 2” hűtőcsatorna fejlesztése az áramlási sebességek mérése révén a hűtőkörben és a vízszivattyúban (1994) [20] Hanula Barna Az SOHC-motor „Tear-down” súrlódási vizsgálata (1994) [21] Hanula Barna Az SOHC olajszivattyú hajtás vizsgálata (1994) 22. Hanula Barna A vezérműtengely dinamikus nyomatékának mérése nyúlásmérő bélyegek és nagyfrekvenciás telemetria segítségével (1994) 1993 [23] Hanula Barna VW VR6 2,9l-Motor teljesítménynövelés (1993) 1992 12
[24] Hanula Barna DTM Projekt „293“ (kpl. Versenymotor fejlesztés) (1992) [25] Hanula Barna XXXX DOHC 16V Teljesítmény rekonstrukció (1992) 1991 [26] Hanula Barna Egy 2,9l-V6-os motor fejlesztési potenciáljának felmérése módosított löket és hajtórúdhossz mellett (1991) [27] Hanula Barna Az Opel-DTM Versenymotor fejlesztése (1991) 1990 [28] Hanula Barna Egy 2,9l-V6-os motor teljesítményfejlesztése (1990) 1986 [29] Hanula Barna Diesel motorhajtó anyagok alkalmazástechnikai vizsgálata (KTI-Transinnov) (1986)
1984 [30] Hanula Barna Jármű-üzemanyag kölcsönhatás vizsgálata II. (KTI-Transinnov) (1984)
13
7. A szerző szabadalmai 7.1. Vorrichtung zum Verbessern des Kaltbetriebes von Dieselbrennkraftmaschinen Kiadási szám
EP0319597 A1
Kiadvány típusa
Szabadalmi bejelentés
Benyújtás száma
EP19870118081
Közzététel dátuma
1989. jún. 14.
7.2. Reciprocating machine with neutralization of free inertial forces Kiadási szám
US6029541 A
Kiadvány típusa
Elfogadva
Benyújtás száma
US 08/718,320
PCT-szám
PCT/EP1995/000423
Közzététel dátuma
2000. febr. 29.
7.3. Lubricant circuit for a vehicle combustion engine Kiadási szám
EP1304452 B1
Kiadvány típusa
Elfogadva
Benyújtás száma
EP20020015301
Közzététel dátuma
2009. aug. 19.
14
7.4. Einrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Brennkraftmaschine Kiadási szám
WO2003093661 A1
Kiadvány típusa
Szabadalmi bejelentés
Benyújtás száma
PCT/EP2003/002088
Közzététel dátuma
2003. nov. 13.
15
