WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek 2013, 30.+31.10. 2013 Roztoky -

WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku Vysoké učení technické v Brně – doc. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. Tým – Ing. Ondřej Maršálek, Ing. Peter Raffai, Ing. Lubomír Drápal

Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku České vysoké učení technické v Praze – Ing. Miroslav Emrich, Ph.D. Technická univerzita v Liberci – Ing. Robert Voženílek, Ph.D.

Hlavní cíl balíčku Výzkum, vývoj a realizace výpočtových a experimentálních přístupů vhodných ke kompletnímu řešení mechanických ztrát s následnými návrhy pro snížení spotřeby paliv a emisí CO2 budoucích pohonných jednotek na bázi spalovacích motorů, elektromotorů nebo hybridních pohonů.

Dílčí cíle balíčku pro nejbližší období Výzkum a vývoj výpočtových metod pro řešení mechanických ztrát pístní skupiny a kluzných ložisek 12/2014.

TE 0102 0020

Str. 1

Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně



WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek (VUT v Brně) Počáteční konstrukční návrh, prototyp pohonné jednotky

Specializované výpočtové přístupy Dynamika & tribologie kluzných ložisek

Výpočtové přístupy na bázi MBS Virtuální pohonná jednotka

Inovovaný konstrukční návrh, prototyp pohonné jednotky Ověření navržených řešení

Dynamika & tribologie valivých ložisek Dynamika & tribologie pístní skupiny

TE 0102 0020

Str. 2




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Vývoj numerických algoritmů pro řešení dílčích tribologických problémů (VUT v Brně) – Vývoj rychlého algoritmu pro převzorkování dat Lagrangeův interpolační polynom třetího stupně

L3 ( x)  f ( x0 )

( x  x1 )( x  x2 )( x  x3 )  ... ( x0  x1 )( x0  x2 )( x0  x3 )

– MKP síť pro řešení strukturálního problému (koordinace WP07) – MKD síť pro řešení hydrodynamického problému MKP model víka

i i+1

FDM síť

i+2 i+3 i+4

– Testování a rychlostní optimalizace mezi-síťových operací

TE 0102 0020

Str. 3




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Vývoj numerických algoritmů pro řešení dílčích tribologických problémů (VUT v Brně) – Vývoj nové teorie popisu výšky mazací mezery • Klopný úhel v rovině nejmenší mazací mezery: Klopný úhel v rovině kolmé na rovinu nejmenší mazací mezery:

•

y ε2

ε1 •

ε3

ε2

ε1



      32   1  

 3 1  (    (1   )) 2

ε3 x

Výsledná podoba vztahu pro určení výšky mazací mezery:

H  1  (  Z    (1   ))  cos    Z  sin   1  (  (1   )   ) 2

TE 0102 0020

Str. 4




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Vývoj numerických algoritmů pro řešení dílčích tribologických problémů (VUT v Brně) – Testování variant stanovování výšky mazací mezery • Rebbert – odvození naklopeného stavu čepu ze stavu nenaklopeného, klopení uvažováno pouze v rovině nejmenší mazací mezery

H  1    cos , P  P / (1    Z )3 • Novotný – uvažování dvou klopných rovin

H  1    cos  Z  (  cos    cos      sin  ) • Maršálek – uvažování dvou klopných rovin, eliminace nereálných stavů pozice čepu vůči pánvi

H  1  (  Z    (1   ))  cos    Z  sin   1  (  (1   )   ) 2

TE 0102 0020

Str. 5




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Rozšíření modelu pro řešení dynamiky pístních kroužků (VUT v Brně) – Numerické řešení s adaptabilním integračním krokem – Model pro stanovení množství setřeného oleje – Postprocesor pro vizualizaci rozložení tlaku (hydrodynamika. & kontakty nerovností) Kroužek v čase t

- těsnící Tlak č. při 2 1 kontaktu nerovností -těsnící Tlak v olejové vrstvě – stírací kroužek – těsnící stíracíkroužek kroužekč.č.1 2 Tlak Tlak Tlak Tlak Tlak Tlak [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa]

[MPa]

Rychlost

Kroužek v čase t+Dt Olej setřený za Dt

TE 0102 0020

Olej

0

Vložka válce

Str. 6




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Aplikace RingDYN – nepřeplňovaný zážehový čtyřválec 1,6 l (VUT v Brně) – Vliv konstrukčních parametrů na profuk pístní skupinou

9

6

4

Profuk pístní skupinou n = 1000 - 5000 min-1

č. 1 cK1

8.5

8

8

Stírací

Těsnící 1

2

Těsnící 2

0 -2

TE 0102 0020

Profuk [g/min]

Profuk [g/min]

10

Profuk pístní skupinou n = 5000 min-1

7.5

Matice vlivu parametrů

7 6.5

Veličina

6

1. těsnicí kroužek + 2. těsnicí kroužek+ 3. stírací kroužek + Celkový průtok kroužky

5.5 5

Tok plynů do válce

4.5 4 1500 2250 3000 3750 4500 5250 6000 Otáčky motoru [min-1]

Str. 7

Průtok

Tlak za kroužky 1. těsnicí kroužek 2. těsnicí kroužek

3. stírací kroužek

c1

zanedbatelný

zanedbatelný

zanedbatelný

zanedbatelný

c2

velký +

velký +

velký +

velký +

c3

střední +

velký +

velký +

velký +

zanedbatelný

0 pro VS

c4 c5

zanedbatelný

zanedbatelný

zanedbatelný

c6

střední +

zanedbatelný

malý -

malý -

c7

zanedbatelný

zanedbatelný

zanedbatelný

zanedbatelný

h1

zanedbatelný

velký +

zanedbatelný

zanedbatelný

h3

zanedbatelný

zanedbatelný

velký +

velký +

h5

střední +

zanedbatelný

zanedbatelný

střední +




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Aplikace RingDYN – nepřeplňovaný zážehový čtyřválec 1,6 l (VUT v Brně) – Vliv konstrukčních parametrů na třecí ztráty pístních kroužků Vliv asymetrického profilu těsnícího kroužku

Vliv šířky fazety stíracího kroužku Změna ztrátového výkonu [W]

30

Ztrátový výkon [W]

28 26

Asymetrie

24

22

1. těsnicí kroužek 2. těsnicí kroužek Stirací kroužek

20 18 0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Asymetrie kroužku [mm]

105-130 80-105 55-80

130

30-55

105

5-30

80

-20-5

55 30

Změna ztrátového výkonu [W]

5

5000 4000

-20 3000

Otáčky motoru [min-1]

Šířka fazety

2000 1000 0,30

0,24

0,18

0,14

0,10

0,05

Šířka fazety [mm]

Pozn.: Pro vyjádření změn je použita hodnota šířky fazety 0,18 mm.

TE 0102 0020

Str. 8




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Strategie výpočtového modelování valivých ložisek (VUT v Brně) RollDYN Řešení TEHD (Matlab program)

RollDYN

Výsledky řešení TEHD

Předpočítané TEHD databáze

Reakční síly a momenty

Vstupy (techn. experiment) Tlak ve spalovacím prostoru [bar]

140

Indikované tlaky

Posuvy a rychlosti

Virtual Engine MBS model klikového mechanismu (ADAMS Solver)

120

100 80

Výsledné síly, posuvy a rychlosti

RollDYN TEHD optimalizace (Matlab program)

RollDYN

60 40 20 0 0

90

180

270

360

450

540

630

720

Úhel natočení klikového hřídele [°]

– Analytické řešení HD – Numerické řešení EHD (Grubinovo řešení) – Koordinace s WP07 a WP10

TE 0102 0020

Str. 9




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Další postup - vývoj numerických algoritmů pro řešení tribologických problémů (VUT v Brně) Tlak relativní rychlost p(x,y) Rolling element h(x,y)

Třecí síla Kontaktní síla

Tl. olejového filmu

Ring

 Uvažované vlivy – Kontaktní geometrie – Hustota závislá na tlaku – Viskosita závislá na teplotě a tlaku – Drsnost povrchu – Elastické deformace

Reynoldosva rovnice (neustálené proudění)

Numerické řešení

   h 3 p     h 3 p  (  h ) h    um  0    x  12  x  y  12  y  x t

RollDYN

Tloušťka olej. filmu – elastické deformace  

h( x, y )  h0 

x2 y2 2 p( x´, y´)dx´dy´     2 Rx 2 Ry  E´   ( x  x´)2  ( y  y´)2

 Numerické řešení 6/2014 Rovnováha sil  Koordinace WP10  

w

  p( x´, y´)dx´dy´

 

TE 0102 0020

Str. 10




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Experimentální určení podílu hlavních konstrukčních skupin na celkových mechanických ztrátách motoru v různých provozních podmínkách (TU Liberec) – Profuk přes pístní kroužky (AVL 442 BLOW BY METER) – Indikace tlaků ve všech válcích motoru (AVL 619 INDIMER) Zkušební stanoviště

TE 0102 0020

Str. 11




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Experimentální určení podílu hlavních konstrukčních skupin na celkových mechanických ztrátách motoru v různých provozních podmínkách (TU Liberec) – Profuk přes pístní kroužky (AVL 442 BLOW BY METER) – Indikace tlaků ve všech válcích motoru (AVL 619 INDIMER) Termodynamická analýza změřeného průběhu tlaku ve válci

Měření profuků při protáčení motoru

Průběh středního tlaku mechanických ztrát pro teploty 135°C/90°C a profuky (blow-by) z 1 válce výměna obsahu válce

mech. ztráty

celkové ztráty

profuky

10

1,6

8

1,2

6

0,8

4

0,4

2

0,0 1500

Profuky přes pístní kroužky [l/min]

Střední tlak mechanických ztrát [bar]

tepelné ztráty

2,0

0 2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

Otáčky [1/min]

TE 0102 0020

Str. 12




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Hlavní výsledky – Rychlý algoritmus řešení HD problému – aplikace v FEV Virtual Engine (VUT v Brně) – Realizace výpočtových přístupu k řešení dynamiky kluzného ložiska – software BearDYN 3.1 (VUT v Brně) – Realizace výpočtových přístupu k řešení dynamiky pístní skupiny – software RingDYN 2.1 (VUT v Brně) – Realizace výpočtových přístupu k řešení dynamiky valivého ložiska – software RollDYN 1.0 (VUT v Brně) – Experimentální určení podílu konstrukčních skupin spalovacího motoru tzv. „Odstrojovací metoda“ v koordinaci s výpočtovými přístupy (VUT v Brně) – Experimentální určení podílu hlavních konstrukčních skupin (pístní skupina) na celkových mechanických protáčením motoru (TU Liberec)

TE 0102 0020

Str. 13




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Další postup - příprava dílčích experimentů nutných k ověření výpočtových metod (VUT v Brně) – Návrh konstrukce přesného testovacího zařízení ložisek – Proměnné zatížení, otáčky, teplota

Olej

Pohon

Zatížení

Tenzometry

TE 0102 0020

Str. 14




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek  Další plánované postupy (VUT v Brně) – – – –

Pokračování vývoje jednotlivých dílčích výpočetních kódů Vývoj komplexního řešiče kluzných ložisek (mixed lubrication) Vývoj a testování zkušebního stavu ložisek Aplikace nabytých znalostí ve spolupráci na vývoji nových kluzných materiálů a povrchů, umožňujících dosažení nižších emisí CO2 u spalovacích motorů

Reálné povrchy

TE 0102 0020

Statistický popis

Řešení hydrodynamiky s vlivem nerovnosti povrchů

Str. 15

Cílená topografie povrchu




WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek

Hlavní výstupy Počáteční konstrukční návrh, prototyp pohonné jednotky

Specializované výpočtové přístupy

Výpočtové přístupy na bázi MBS

Dynamika & tribologie kluzných ložisek

Virtuální pohonná jednotka

Inovovaný konstrukční návrh, prototyp pohonné jednotky Ověření navržených řešení

Dynamika & tribologie valivých ložisek Dynamika & tribologie pístních kroužků

TE 0102 0020

Str. 16




WP08: Reducing of powertrain mechanical losses

Current Main Results Initial design or prototype of powertrain

Specialized computational models Dynamics & tribology of slide bearings

Computational models based on MBS

Powertrain prototype, final verification

Virtual powertrain

Validation of proposed solutions

Dynamics & tribology of roller bearings Dynamics & tribology of piston assembly

TE 0102 0020

Str. 17


WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek

Recommend Documents