WP08: Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek

Transkript

1 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. Josef Dlugoš, Ing. Jiří Knotek 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 CO 2 budoucích pohonných jednotek na bázi spalovacích motorů, elektromotorů nebo hybridních pohonů. Dílčí cíle balíčku pro nejbližší období WP8M1: Soubor zobecněných návodů pro návrh a optimalizaci parametrů nové generace pohonných jednotek splňujících budoucí legislativní nároky v oblasti emisí CO2 a spotřeby fosilních paliv 12/215. WP8C2: Soubor výsledků řešení problematiky mazací soustavy pohonné jednotky 12/215. TE 12 2 Str. 1 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

2 Výška profilu [μm] Úvod Specializované výpočtové přístupy Dynamika & tribologie komponent BearDYN 4. Výpočtové přístupy na bázi MBS Virtuální pohonná jednotka Nová řešení pro zvýšení mechanické účinnosti pohonných jednotek Specializované experimentální přístupy, komponenty Analýza komponent Ověření dílčích řešení Experimentální přístupy kompletní pohonné jednotky Experimentální jednoválec Víceválcový motor TE 12 2 Str. 2 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

3 Profile height [μm] Number of shifted grid points [-] Reálné povrchy kluzných dvojic přehled činností (VUT v Brně) Pokračování vývoje jednotlivých dílčích výpočetních přístupů Softwarové generování drsných povrchů Skenování reálných povrchů Měření a statistický popis reálných povrchů Vývoj specializovaného řešiče popisující smíšené mazání (Mixed Lubrication) Vliv kontaktu nerovností na hydrodynamické mazání Výpočet kontaktní tlaků na základě reálných povrchů BearDYN 4. Reálné povrchy Statistický popis Řešení hydrodynamiky s vlivem nerovnosti povrchů Cílená topografie povrchu Number of shifted grid points [-] TE 12 2 Str. 3 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

4 Softwarové generování drsných povrchů (VUT v Brně) Generování drsných povrchů s charakteristickými rysy (soustružení, frézování, honování atd.) Fraktální přístup Návaznost na další výpočetní modely ( D f 2) ln M nmax G f ( Df 3) n z( x, y) L f cos L M m1 n n max Statistický přístup Směrově závislé povrchy Rychlost, jednoduchost 1/2 m, n n 2 2 1/2 2π ( x y ) 1 y πm cos costan mn, L x M log L/ L S int log f z( x, y) nm n m x k, y l k1 l TE 12 2 Str. 4 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

5 Výška profilu [μm] Výška profilu [μm] Skenování reálných povrchů (VUT v Brně) Zkušební vzorky Komponenty Zkušební vzorek DLC povrch Pánev kluzného ložiska TE 12 2 Str. 5 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

6 Výška profilu [μm] Profile height [μm] Výška profilu [μm] Profile height [μm] [AACF] Počet posunutých uzlových bodů sítě [-] Number of shifted grid points [-] Number of shifted grid points [-] Number of shifted Popis drsných povrchů (VUT v Brně) Kvantifikace směrové závislosti drsných povrchů Plošná autokorelační funkce (AACF) 1 R(, ) ( x, y ) ( x, y ), N j Mi x,5 i j k l k i l j R ( M i)( N j) l1 k1 y,5 Vložka válce Příklady kontaktních ploch podélně orientovaných (γ R >1), izotropních (γ R =1) a příčně orientovaných (γ R <1) povrchů Obecný povrch AACF (3D) AACF (2D) Number Počet of posunutých shifted grid uzlových points [-] bodů sítě [-] TE 12 2 Str. 6 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

7 Pressure flow factor ϕ x [-] Pressure flow factor ϕ y [-] Shear flow factor ϕ s [-] Ovlivnění hydrodynamické mazací vrstvy povrchovými drsnostmi Popis tenkých vrstev tekutiny s vlivem nerovností modifikovaná Reynoldsova rovnice 3 3 h p h p U1 U 2 ( ht) U1 U 2 ( s ) ( ht) x y x 12 x y 12 y 2 x 2 x t kontakt Stanovení ztrátových součinitelů toku Řešení průtoku mezi jednotkovými dvěma povrchy Možnosti snížení třecích ztrát cílenou modifikací povrchu kluzných dvojic Tlakový ztrátový součinitel x Tlakový ztrátový součinitel y D f = 2.1 D f = 2.3 Smykový ztrátový součinitel D f = 2.5 D f = 2.7 D f = 2.1 D f = 2.1 D f = 2.8 D f = 2.3 D f = 2.3 D f = 2.9 D f = 2.5 D f = 2.5 D f = 2.7 D f = 2.7 Ratio h/σ [-] D f = 2.8 D f = 2.8 D f = 2.9 D f = 2.9 Ratio h/σ [-] Ratio h/σ [-] TE 12 2 Str. 7 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

8 Výška profilu [μm] F 5/2 [-] Výpočetní modelování kontaktního tlaku Přístup Greenwood & Tripp 8 d p( d) c K F5/2 ; ' K c E, Ra1 Ra2, ' 3 c E E1 E2 Skenovaný povrch Koeficienty pro přístup Greenwood & Tripp Tlaková funkce h/σ [-] Aplikace Hertzovy teorie E R WR h, R c / 2 c, W, a Na E 3W W Pmax, P 2 2 2a a 1/3 TE 12 2 Str. 8 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

9 Zjednodušený EHD výpočtový model valivého ložiska nebo kontaktu ozubených kol (VUT v Brně) Deformace struktury (Hertzův výpočet nebo MKP kontaktní úloha) Čarový kontakt W 2 4RARB S,319 ln 2 E l 3 b W > Deformace olejové vrstvy (Hamrock & Dowson) W ( S) S W >,67,67 U,53 W W,73k S W W F h hc h 2,69 R E 1,61 2 D e E R E R F Výsledná pružná a tlumicí síla zahrnují EHD podmínky S Bodový kontakt 2 W S ( W ) 1,397 ER 1/3 W S 1 1 S F W D L e b dh 2l e b ph 3 ph hc dt hc U h v relativní rychlost tloušťka oleje dynamická viskozita TE 12 2 Str. 9 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

10 Aplikace výpočtových metod (VUT v Brně + ŠKODA AUTO) Studie vlivu výpočtového modelu kluzné ložisko řadového tříválce 1,2 HTP HD hydrodynamické řešení HD_rho hydrodynamické řešení s proměnnou hustotou HD_full hydrodynamické řešení s proměnnou hustotou a viskozitou EHD elasto-hydrodynamické řešení, tuhý čep EHD_full elasto-hydrodynamické řešení REHD elasto-hydrodynamické řešení včetně drsných povrchů BearDYN 4. Relative eccentricity [-] Výsledky řešení pro F = 15 N a otáčky n = 3 min -1 Relativní excentricita Třecí moment HD HD_rho HD_full EHD EHD_full REHD Total friction moment [Nm] HD HD_rho HD_full EHD EHD_full REHD Min. oil film thickness [m] Min. tloušťka olejové vrstvy HD HD_rho HD_full EHD EHD_full REHD TE 12 2 Str. 1 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

11 4th Natural frequency [Hz] Difference [%] 5th Natural frequency [Hz] Difference [%] 6th Natural frequency [Hz] Difference [%] 1st Natural frequency [Hz] Difference [%] 2nd Natural frequency [Hz] Difference [%] 3rd Natural frequency [Hz] Difference [%] 3D výpočtový model pístního kroužku pístu vložky válce (VUT v Brně) Detailní analýza dynamiky kroužku a popis mechanismu profuku pístní skupinou 3D multibody diskretizovaný model na základě Timoshenkovy teorie Studie počtu elementů Výpočtový multibody model Spojení typu FIELD matice tuhosti Vliv diskretizace kroužku 1 Adams ANSYS Difference ADAMS ANSYS 2 3 Rozdíl Adams ANSYS Difference Adams ANSYS Difference n [-] n [-] n [-] 625 Adams 126 ANSYS HzDifference Adams223 ANSYSHzDifference Adams 346 ANSYS HzDifference F i, M i silové účinky u, v, w, a, b, c posuvy a rotace K xx prvky matice tuhosti n [-] n [-] n [-] 485 Hz 727 Hz 189 Hz Vlastní frekvence (ANSYS a Adams) TE 12 2 Str. 11 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

12 Určení podílu hlavních konstrukčních skupin na celkových mechanických ztrátách motoru (TUL) Ve spolupráci s útvarem vývoje motorů Škoda Auto a.s. byla vytvořena maketa čtyřválcového spalovacího motoru pro určení podílu hlavních konstrukčních skupin na celkových mechanických ztrátách motoru. Měření probíhá na specializovaném zkušebním stanovišti s využitím metody protáčení makety spalovacího motoru. TE 12 2 Str. 12 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

13 Určení podílu hlavních konstrukčních skupin na celkových mechanických ztrátách motoru (TUL) V současnosti probíhají měření zaměřená na identifikaci mechanických ztrát dílčích částí řemenového rozvodu motoru. Maketa motoru má originální klikový hřídel s protivývažky. Měření proběhnou ve třech fázích: 1) měření kompletního rozvodu 2) měření rozvodu bez ventilů (s vačkou) 3) měření bez řemenu samotného klikového hřídele Ztrátový moment na klikovém hřídeli [Nm] Graf pasivních momentů motoru s rozvodovým řemenem, bez ventilů Otáčky klikového hřídele [1/min] T vody=35 C T oleje=35 C T vody=85 C T oleje=85 C T vody=85 C T oleje=12 C TE 12 2 Str. 13 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

14 Experimentální přístupy pro stanovení mechanických ztrát (ČVUT) Metoda určování okamžitých mechanických ztrát z měření okamžité úhlové rychlosti a tlaku ve válci: Metoda ve fázi ověřování analýza vhodného způsobu zpracování a filtrace naměřených signálů Vyvinut SW pro synchronizovaný záznam rychle proměnných analogových veličin a okamžitých otáček motoru měřených čítačovým vstupem s následnou interpolací do časové domény analogových kanálů. Stanoviště dovybaveno o značkovací kotouče a snímače otáček Pomocí SW naměřena sada dat (různé otáčky/zatížení) na jednoválcovém výzkumném motoru AVL SCRE pro ověření metody. Příprava experimentálního jednoválce pro měření dílčích pasivních odporů pro kalibraci matematického modelu: Záznam okamžité hodnoty točivého momentu z měřící příruby Eliminace pomocných zařízení (vstřikovací čerpadlo nahrazeno volnoběžkou, příprava pohonu čerpadla elektromotorem) TE 12 2 Str. 14 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

15 Stavba pokročilého matematického modelu v programu GT-Power (ČVUT) Termodynamický model motoru vytvořený v prostředí GT-SUITE Propojení s prediktivním modelem mechanických ztrát Doplnění modelu o model profuků přes pístní skupinu simulace nestacionárního blow-by Termodynamický model TE 12 2 Str. 15 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

16 Další postup Vývoj zkušebního zařízení (VUT v Brně) Validace výpočetních modelů technickými experimenty (VUT v Brně) Aplikace navržených postupu ve Virtuální pohonné jednotce koordinace WP7 a WP15 (VUT v Brně) Cílené modifikace povrchů (VUT v Brně) Aplikace navržených postupů na komponenty pohonných jednotek (VUT v Brně) Zjištění dílčích pasivních odporů jednotlivých skupin jednoválcového motoru (vstřikovací čerpadlo, rozvody, protáčení se zavřenými ventily emulace deaktivace válce, protáčení bez 2. kroužku, protáčení klikové hřídele) (ČVUT) Kalibrace modelu dle experimentálních činností (ČVUT) TE 12 2 Str. 16 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

17 Děkuji za pozornost. BearDYN 4. TE 12 2 Str. 17 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

18 Výška profilu [μm] Profuk [g/min] Výsledky WP8 Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek za období Specializované výpočtové přístupy Dynamika & tribologie komponent Min. tloušťka olejové vrstvy Min. oil film thickness [m] HD HD_rho 3.78 HD_full 2.24 EHD BearDYN EHD_full 3.61 REHD Profuk pístní skupinou n = 5 min -1 Těsnící 1 Těsnící 2 Tok plynů do válce Stírací Výpočtové přístupy na bázi MBS Virtuální pohonná Tlak v olejové vrstvě jednotka stírací kroužek Tlak [MPa] Inovovaný konstrukční návrh, prototyp pohonné jednotky s vysokou mechanickou účinností Specializované experimentální přístupy, komponenty Analýza komponent Ověření dílčích řešení Experimentální přístupy kompletní pohonné jednotky Experimentální jednoválec Víceválcový motor TE 12 2 Str. 18 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

19 Výška profilu [μm] Blow-by [g/min] Results of WP8 Reducing of powertrain mechanical losses achieved in Specialized computational models Dynamics & tribology of bearings, rings, tooth wheels, cams, chain etc. BearDYN 4. Piston assembly Oil film pressure Min. oil film Pressure blow-by oil control ring thickness [MPa] Min. oil film thickness [m] HD HD_rho 3.78 HD_full 2.24 EHD 1.85 EHD_full 3.61 REHD Ring 1 Ring 2 Flow to cylinder OCR Computational models based on MBS Virtual powertrain Innovative design, powertrain prototype with high mechanical efficiency Specialized technical experiments, components Component analyses (bearings, rings etc.) Tests of components Technical experiments complete powertrains Experimental single cylinder Multi-cylinder engines TE 12 2 Str. 19 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

20 F 5/2 [-] Pressure flow factor ϕ x [-] Výsledky WP8 Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek za rok 214 Specializované výpočtové přístupy Zahrnutí vlivu drsných povrchů na chování olejové vrstvy, generování, skenování a popis povrchů Kluzná ložiska Min. oil film thickness [m] Min. tloušťka olejové vrstvy HD HD_rho 3.78 HD_full 2.24 EHD Zahrnutí vlivu kontaktu nerovností, generování koeficientů pro přístup Greenwood a Tripp Pístní kroužky 1.85 EHD_full 3.61 REHD Tlaková funkce h/σ [-] Valivá ložiska W > BearDYN 4. Výpočtové přístupy na bázi MBS Aplikace dílčích poznatků Vývoj numerického řešení Modifikovaná Reynoldova rovnice, metoda konečných diferencí, SOR, variabilní krok Tlakový ztrátový součinitel x Ratio h/σ [-] D f = 2.1 D f = 2.3 D f = 2.5 D f = 2.7 D f = 2.8 D f = h p h p U1 U 2 ( ht) U1 U 2 ( s ) ( ht) x y x 12 x y 12 y 2 x 2 x t Specializované experimentální přístupy Ověření komponent Ověření dílčích řešení výzkumný jednoválec Ověření pohonné jednotky Inovovaný konstrukční návrh ke zvýšení mechanické účinnosti TE 12 2 Str. 2 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně

21 F 5/2 [-] Pressure flow factor ϕ x [-] Results of WP8 Reducing of powertrain mechanical losses achieved in 214 Specialized computational approaches Influence of rough surface on lubrication, generation, scanning and description of surfaces Slide bearings Specialized experimental methods Tests of components Min. oil film thickness [m] Min. oil film thickness HD HD_rho 3.78 HD_full 2.24 EHD Influence of rough surface contacts, coefficient generation for use the Greenwood a Tripp approach Piston rings 1.85 EHD_full 3.61 REHD Pressure function h/σ [-] Rolling bearings Tests of partial solutions single cylinder engine W > Test of powertrains BearDYN 4. Computational approaches based on MBS Application of comp. approaches for components Numerical solution development Modified Reynolds equation, Finite Difference Methoda, SOR, variable step Pressure flow factor x Ratio h/σ [-] D f = 2.1 D f = 2.3 D f = 2.5 D f = 2.7 D f = 2.8 D f = h p h p U1 U 2 ( ht) U1 U 2 ( s ) ( ht) x y x 12 x y 12 y 2 x 2 x t Innovative design for mechanical efficiency increase TE 12 2 Str. 21 Za WP8 Pavel Novotný, VUT v Brně