KONCEPCE PNEUMATICKÝM VENTILOVÝM ROZVODEM OVLÁDANÉHO SPALOVACÍHO MOTORU S MOŽNOSTÍ REKUPERACE ENERGIE SVOČ - FST 2012 Bc. Karel Fořtl Větrná 72, 370 05 České Budějovice Česká republika ABSTRAKT Cílem práce je vytvoření koncepce plně variabilního bezvačkového rozvodu spalovacího motoru. Na začátku práce je provedena rešerše v oblasti konstrukčních řešení a vlastností variabilních rozvodů, využívání pneumatických pružin na vracení ventilů do původní pohohy, pneumatiké hybridizaci spalovacích motorů a dosavadního používání pohonu dopravních prostředků stlačeným vzduchem. Bylo podrobně navrženo a numericky simulováno elektro-pneumatické zařízení na plně variabilní otevírání sacích a výfukových ventilů. Dále byl naprogramován výpočet stacionárně pracujícího spalovacího motoru uvažující plnění pracovního prostoru částečně otevřenými ventily, odvod tepla do stěn válců, předstih a průběh hoření směsi. Byla spočítána celková charakteristika spalovacího motoru a dále charakteristika celého hnacího ústrojí. V závěru práce byly provedeny výpočty spotřeby paliva pro městský jízdní cyklus ECE15 a kombinovaný jízdní cyklus NEFZ a to jak pro konvenční provozování spalovacího motoru, tak i provoz možný jen s plně variabilním ventilovým rozvodem. KLÍČOVÁ SLOVA Bezvačkové rozvody, variabilní časování ventilů, pohon motoru stlačeným vzduchem, pneumatický hybridní spalovací motor, pístové stroje KONSTRUKČNÍ NÁVRH NOVÉHO ZAŘÍZENÍ Základní myšlenkou je nahrazení dosavadního řešení zdvhihání ventilu vačkou a zdvihátkem zdviháním lineárním pneumatickým aktuátorem. Tlak působící na plochu pístku pneumatického aktuátoru je ovládám elektromagnetickým pilotním ventilem.
Tabulka 1: Parametry motoru Počet válců
6
Zdvihový objem 1ho válce
250 cm3
Kompresní poměr
10:1
Maximální otáčky
8000 (12000) ot/min
Počet ventilů na válec
4
Hmotnost sacího ventilu (+ pístek )
50g (+20g)
Konstrukční provedení lineárního pneumatickým aktuátorem a elektromagnetického pilotního ventilu je již ve fázi realizace a z důvodu podávání patentové přihlášky ho neuvádím. NAVRHOVÁNÍ A SIMULOVÁNÍ NOVÉHO ZAŘÍZENÍ
Pohybová rovnice popisující model ventilu s pneumatickou pružinou a tlumením v koncových polohách je dána diferenciální rovnící. Pneumatické pružiny i tlumiče s pozvolným náběhem mají nelineární chování.
m
d 2x dx dx nenull x,h1 d1 x,h1 k1 x ,h1 x null x,h 2 d 2 x ,h 2 k 2 x,h 2 x k h0 x Ft 2 dt dt dt
Kde budící síla dána tlakem na horní stranu pístku je:
Ft 96 16 stept ,0.02,0,0.02125,800 stept ,0.03,0,0.03125,800 stept ,0.05,0,0.05125,800 stept ,0.0525,0,0.05375,800 šířka i rozestup tlakových impulzů dáných pilotním ventilem a elekronickou řídící jednotkou (ECU) může libovolný. Mininální doba impulzu 0.003 [s] pro zatím navržené parametry pro plné otevření a zavření sacího nebo výfukového ventilu do 0.005 [s], což odpovídá době otevření a zavření ventilu zvedaného vačkou při 8000 [ot/min]. Pro zařízení bylo namodelováno a simulováno v přostředí MATLAB-Simulink/Simscape-Pneumatic MODELOVÁNÍ SPALOVACÍHO MOTORU Výchozí rovnice jsou derivace stavové rovnice idálního plynu a derivace 1. zákona termodynamiky podle úhlu natočení kliky (při konst. otáčkách totožná s čacovou drivací):
p
dV dp dT dR dm V m R m T R T d d d d d
dQH d m cv T p dV d d d pro úpravách dostaneme diferenciální rovnici pro tlak:
dQB dQW dV p dp d d 1 d d V 1 Spalování jde matematicky popsat jako Vibebo modelem hoření :
QB x 1 e QB , ges
a Z ges
m 1
teplo odcházecící stěnou válce:
dQW 1 W AW TW TZ d 360 n součinitel přestupu tepla do stěny válce podle Woschniho:
W 0.013 d K
0.2
p
0.8
TG
0.53
V T C1 cm C 2 h Es p p0 p Es VEs
0.8
hmotnostní průtok pracovním prostorem: 2 p1 dm A2 2 p2 p2 2 d 360 n 2 R T1 1 p1 p1
1
soustava nelineárních diferenciálních rovnic byla řešena v prostředí MATLAB. Pro tento výpočet by bylo možné s výhodou mnoha šablon použít i specializovaný software např. GT POWER , ovšem pouze pro konvenční 4-taktní režim. Pro režim kompresor a motor na stlačený vzduch by se tyto šablony bez zásadní změny nedaly použít.
kromě klasikého řežimu je počítáno i s režimem kompresor, motor na stalčený vzduch a 2-taktní plněný spalovací motor.
VÝPOČET CHARAKTERISTIKY POHONU Předchozím výpočtem byla pro určité (do válce přivené množsvní)otevření šktrticí klapky a určité otáčky spočtena spotřeba paliva, tím pádem i účinnost.
Pro pohoné ustrojí tabulka 2 byla spočítána závislot účinnosti (měrné spotřeby) na rychlosti vozidla a síle pohánějící vozidla danou jízdními odpory
Obrázek 1: Charakteriskika pohoného 5rychlostního pohonného ústrojí
Obrázek 2: Charakteriskika pohoného 5rychlostního pohonného ústrojí s možností vypínání až 4 válců
Z pohledu ze zhora jsou vidět pouze plochy příslušné jednotlivým zařazeným stupňům popřípadě vypnutým válcům s největší účinností přeměny chemické energie paliva na mechanickou energii na kolech. Pro pohon s možností vypínání válců je při nejčastějším provozu ryclostí 20-110 km/h se dosahuje účinnosti nad 30% témeř vždy.
VÝPOČET SPOTŘEBY PALIVA
Tabulka 2: Parametry vozidla Hmotnost [kg]
1250
Čelní plocha [m2]
1.64
Součinitel odporu vzduchu cw
0.3
Odpor valení
0.015
Průměr kol [mm]
0.667
Převodový poměr jednotlivých stupňů 1-5
1.929 1.563 1.278 1.091 0.952
Převodový poměr rozvodovky s diferenciálem
1.55*3.357=5.204
Účinnost převodovky s rozvodovkou [%]
97
Pro evropskou legislativou daný jízdní cyklus NEFZ byla počítána spotřeba paliva pro vozidlo s parametry tabulka 2. Spotřeba během cyklu pro dané palivo v mém případě 95ROZ benzín ( hustota g = 750[kg/ m3] a výhřevnost H U = 42 [MJ/kg]) je dána ujetou vzdáleností, velikostí jízdních odporů F a účinnností
i t
pro aktuální režima pro zařazený
rychlostní stupeň i v každém okamžiku jízdy.
Ft m g f roll cos m g sin m xt
VgECE15 Spotřeba
1 g HU
780
1
F x dt t
0
t
i t
1 air A c w x t 2 2 1200
VgEUDC
1 1 Ft x t dt g H U 780 i t
VgECE15 benzínu během 13 minut (780[s]) trvajícího a 3.88[km] (3887[m]) dlouhého městského cyklu ECE15
a spotřeba
VgEUDC během 7 minut (420[s]) trvajícího a 6.82[km] (6826[m]) dlouhého meziměstského cyklu EUDC
dohromady tvořící 20 minut a 10.71[km] kombinovaný cyklus NEFZ byla přepočtena na [l/100km] .
ZÁVĚR Byl proveden výpočet konvenčního provozování spalovacího motoru, tak i provoz možný jen s plně variabilním ventilovým rozvodem. Jenom vypínaím válců se uspoří desítky % paliva. Pokud se navíc bude ve vhodnou dobu při brždění rekuperovat kineticá energie je možné dosáhnout dalších úspor paliva při rozjíždění nebo startování motoru. Významných úspor se dosáhne také vypínáním motoru během provozu ve městě a popojížděním v rámci několika metrů v řežimu motor na slačený vzduch. Pro ověření poznatků z této práce by mohly být provedeny výpočty na vyšší úrovni (v této práci byly použity jen na základní a střední úrovni) a poté s zhotovení a vyzkoušení prototypu. V případě úspěchu by vznikl nový šměr vývoje spalovacího motoru, který by pomohl řešit problémy s nedostakem a se stále rostoucí cenou ropy a zemního plynu. PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych poděkovat ing. Romanu Čermákovi za to, že přijal velkou výzvu védst diplomovou práci s mnou vymyšleným zadáníma věnoval mi hodně času , potom panu ing.Tomáši Fabiánovi z pražské pobočky MB tech za užitečné konzultace a poskytnutá data. Moje poděkování si zaslouží i Prof. Dr. Hans Petr Rabl, Prof. Dr. Frederik Borchsenius, Prof. Dr. Geor Rill a Prof. Dr. Thomas Schaeffer z FH Regensburg za kvalitní předání znalostí modelování simulací spalovacích motorů, numerickcý výpočtů dynamiky tekutin a dynamiky soustav těles. LITERATURA [1] GEORG RILL UND THOMAS SCHAEFFER; Grundlagen und Methodik der Mehrkörpersimulation 2010, © Wieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH2010 [2] WOLFGANG EIFLER, EBERHARD SCHLÜCKER, ULRICH SPICHER, GOTTHARD WILL,Küttner Kolbenmaschinen © Vieweg+Teubner | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 [3] GÜNTER MERKER, CHRISTIAN SCHWARZ, GUNNAR STIESCH, FRANK OTTO, Verbrennungsmotoren Simulation der Verbrennung und Schadstoffbildung, © B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2006 [4] RUDOLF PISCHINGER, MANFRED KELL, THEODOR SAMS, Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine Springer-Verlag/Wien 2009 [5] RICHARD VAN BASSHUYSEN (HRSG.), ULRICH SPICHER UND 21 MITAUTOREN, Ottomotor mit Direkteinspritzung Verfahren, Systeme, Entwicklung, Potenzial , Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 [6] GÜNTER P. MERKER, CHRISTIAN SCHWARZ (HRSG.), Grundlagen Verbrennungsmotoren Simulation der Gemischbildung, Verbrennung, Schadstoffbildung und Aufladung 2009 © Vieweg+Teubner | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009
[7] MICHAEL TRZESNIOWSKI, Rennwagentechnik Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme, © Vieweg+ Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010 [8] LEOPOLD BÖSWIRTH, Technische Strömungslehre Lehr- und Übungsbuch, © Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 [9] TILO ARENS, FRANK HETTLICH, CHRISTIAN KARPFINGER, ULRICH KOCKELKORN, KLAUSLICHTENEGGER, HELLMUTH STACHEL, Mathematik, © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2008 [10] SMC INDUSTRIAL AUTOMATION CZ , Stlačený vzduch a jeho využití. Brno: SMC, 2006 INTERNETOVÉ ZDROJE www.mtz-online.de/ www.idsc.ethz.ch/Research_Guzzella/Automotive_Applications/Hybrid_Powertrains/Hybrid_Pneumatic_Powertrain http://www.kfz-tech.de/VarVentilhubM.htm http://www.motivemagazine.com/ http://de.wikipedia.org/wiki/Nockenwellenverstellung http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20071030/141592/ http://www.yamaha-motor.co.jp/global/race/2007season-review/technical-guide/
