Výzkum a vývoj vývojové řady dieselových leteckých motorů

Transkript

1 Výzkum a vývoj vývojové řady dieselových leteckých motorů OP PIK APLIKACE PID CZ /0.0/0.0/15_019/ Řešitelský tým za spolupříjemce: Jan Macek, Jindřich Hořenín, Vít Doleček, Bohumil Mareš Centrum vozidel udržitelné mobility, FS ČVUT v Praze Str. 1

2 Prezentace Str. 2

3 Zapojení ČVUT FS Centrum vozidel udržitelné mobility v evropských projektech New Integrated Combustion system for future car Engines NICE, Roads to Hydrogen Communities Roads2HyCOM, GREen Heavy Duty ENgine GREEN, VEhicle COncept Modelling VECOM (Marie Curie ITN Project), Integrated Gas Engine Powertrain InGAS, Large-Eddy and System Simulation to Predict Cyclic Variability LESSCCV POWERtrain of FUture Light-duty vehicles POWERFUL Integration and Management of Performance and ROad Efficiency of Electric Vehicle Electronics IMPROVE Str. 3

4 Zapojení do programu HORIZON 2020 Gas-Only Internal Combustion Engines GasOn # REal World Advanced Technologies for Diesel Engines REWARD # IMplementation of Powertrain control for Economic, low Real driving emissions and fuel ConsUMption IMPERIUM # Future Research, Advanced Development and Implementation Activities for Road Transport Future Radar # ADvancing user acceptance of general purpose hybridized Vehicles by Improved Cost and Efficiency ADVICE # Str. 4

5 Zapojení do Evropských asociací European Automotive Research Partners Association EARPA European Green Vehicle Initiative Association EGVIA European Road Transport Advisory Committee ERTRAC Str. 5

6 TA ČR TE Účastníci projektu centra kompetence: fakulty strojní (příjemce), elektro, dopravní ČVUT v Praze Vysoké učení technické v Brně Technická univerzita v Liberci Vysoká škola báňská Ostrava TÜV Süd Czech (the member of TÜV Süddeutschland Group) Ricardo Prague Škoda Auto TATRA Trucks, CZ a.s. ČZ, a. s. Honeywell, spol. s r.o. Brano a.s. Motorpal a. s. Aero Design Works s. r. o. Str. 6

7 Příklady hospodářské výzkumné spolupráce s aplikační sférou VW Škoda Auto Daimler Renault Ford Motor Company John Deere, Ricardo, Gamma Tech. Inc. (official partner for GT Suite/GT Power), Ostatní : Michigan Technological University, University of Michigan etc. AVL List Graz, IFPEN Paris, FEV Aachen, TÜV-Süd Czech, mbtech Bohemia, Porsche Engineering Services Praha. Str. 7

8 Struktura prezentace 1. Tržní segment pro řadu vyvíjených motorů 2. Obecný postup konstrukce moderního vznětového motoru 3. Programové vybavení ČVUT a synergie národních i EU projektů 4. Specifické podmínky konstrukce 5. Závěr Str. 8

9 1. Tržní segment pro řadu vyvíjených motorů Cestovní, turistická a sportovní letadla poháněná pístovým motorem kategorie General Aviation Jedno- i dvoumotorová letadla kategorie MTOW kg Substituce stávajících zastaralých benzínových motorů v provozu Řeší aktuální nedostupnost vysokooktanových olovnatých paliv Garantuje vyšší požární bezpečnost při nouzových situacích Pokrývá segment pohonných jednotek, kde je nasazení turbínových motorů zcela neekonomické Vznětový motor vykazuje lepší výkonové charakteristiky (akční rádius díky nižší měrné spotřebě paliva a dostupnost díky intenzivnímu přeplňování) Přímé použití modifikovaných automobilových motorů není možné z hmotnostních i bezpečnostních důvodů (elektronika) Str. 9

10 Struktura prezentace 1. Tržní segment pro řadu vyvíjených motorů 2. Obecný postup konstrukce moderního vznětového motoru ověřený optimalizační postup vyvinutý na ČVUT a publikovaný v recenzovaných publikacích Society of Automotive Engineers SAE 3. Programové vybavení ČVUT a synergie národních i EU projektů 4. Specifické podmínky konstrukce 5. Závěr Str. 10

11 p max [bar] BMEP [bar] BSFC [g/kw/h] Average of Maximum Cylinder Pressures at 3200 min-1 Average of Maximum Cylinder Pressures at 3950 min-1 BSFC - Brake Specific Fuel Consumption at 3200 min-1 arrange BMEP, and c PIST p max BSFC - Brake Specific Fuel Consumption at 3950 min Centrum vozidel udržitelné mobility 1 D D; s [dm] ; V rel; mass rel [-] BMEP [bar] s V rel mass rel n rel BMEP < 0 > 0 Power; BMEP; c PIST ; p max ; FMEP Thermodynamic optimization: CR; A/F; IT; FIE; VT; TC bore B; S; cyl.number NO b.s.f.c. suitable? emissions suitable YES Crank and bearing optimization: D J ; h web ; cyl. spacing material crank vibrations NO spacing suitable? YES Cranktrain: dimensions; mass NVH FMEP Valve train VT 4 Fuel Injection Equipment FIE lambda 2.5 Lambda without constraint NO FMEP suitable? lambda Constrained lambda YES YES Cylinder block and head : dimensions; mass NVH engine mass suitable? NO YES Vehicle drivetrain : dimensions; mass efficiency NVH control.... Vehicle chassis and body : dimensions; mass NVH NO YES alfa [ ] x Vehicle longitudinal 1700 dynamics: rpm [1/min] realized requested alfa [ ] x 10 4 accelerations fuel consumption in test emissions in test rpm [1/min] alfa [ ] x realized 1400 requested alfa [ ] x 10 4 YES NO Str. 11

12 Results of Optimization at Full Load Fixed 215 geometry of the engine Maximal BMEP 30 bar BSFC [g/kwh] 210Compression ration 18 Piston stroke: optimum for 1000 RPM 120 mm optimum for 2000 RPM 88.4 mm Total turbocharger efficiency 60 % 195 Reference combustion angle 35 stroke deg 120mm optimized stroke Engine Speed [RPM] stroke 88.4mm Optimal stroke 1000 RPM 1500 RPM 2000 RPM 4000 RPM 120 mm mm 88.4 mm 54.9 mm Str. 12

13 Optimized Fixed Geometry Engine Displacement 1.38dm 3, max BMEP 30 bar Piston stroke 88.4 mm Piston stroke 120 mm Str. 13

14 Struktura prezentace 1. Tržní segment pro řadu vyvíjených motorů 2. Obecný postup konstrukce moderního vznětového motoru 3. Programové a experimentální vybavení FS ČVUT - CVUM a synergie národních i EU projektů z let , v jejichž rámci se vyvinulo domácí programové vybavení 4. Specifické podmínky konstrukce leteckého motoru 5. Závěr Str. 14

15 Programové a experimentální vybavení CVUM Domácí programy pro termodynamickou, mechanickou, emisní i provozní optimalizaci spalovacích motorů a OntoDASY/DASY Komerční programy 1D model hnací jednotky s příslušenstvím GT Suite/GT Power,..., 3D CFD AVL Fire, FEM ABAQUS, MBS Simpack, optimalizace ModeFrontier atd. Úzká návaznost na experimenty, použití algoritmů pro kalibraci a rapid prototyping řídicích systémů (SiL, HiL) Str. 15

16 Program Design Assistance System DASY 16 Str. 16

17 Znalostní databáze projektu Design Assistance SYstem - DASY Parametrický model klikového mechanismu dieselového motoru vrtání 75mm až 100 mm cílem je optimalizace hmotnosti při daných zátěžných silách Stanovení parametrů Str. 17

18 Znalostní databáze projektu Design Assistance SYstem - DASY Vygenerování součásti v Creo Parametric Str. 18

19 Znalostní databáze projektu Design Assistance SYstem - DASY Vygenerování součásti v Creo Parametric Str. 19

20 Struktura prezentace 1. Tržní segment pro řadu vyvíjených motorů 2. Obecný postup konstrukce moderního vznětového motoru 3. Programové vybavení ČVUT a synergie národních i EU projektů 4. Specifické podmínky konstrukce leteckého motoru nízká hmotnost na jednotku výkonu vysoký stupeň přeplňování a vyšší maximální tlaky, menší požadavky na emise, nutnost kompenzace poklesu atmosférického tlaku s výškou, nutnost zajištění dostatečně spolehlivého vznětu paliva, omezení regulačních zásahů a mechatronických prvků (spolehlivost v podmínkách letecké EMC) 5. Závěr Str. 20

21 Příklad dimenzování klikového mechanismu a hřídele Konstrukce mechanismu s protiběžnými písty Kontrola kolizí se skříní a válci a smontovatelnosti Termodynamický model a zátěžné síly (včetně tribologického modelu) Příklad kontroly klikového hřídele Str. 21

22 Příklad kontrol ojnice Zátěžná schémata Zatížení maximálním tlakem ve válci Zatížení tahem od setrvačných sil Mezní stav daný napětími nebo deformacemi Str. 22

23 Ignition delay Peak pressure NA Pressure [bar]; Relative Power [1]; Rel alpha [1] Temperature [ C] Centrum vozidel udržitelné mobility Dostup letadla výškové charakteristiky poměrná hustota vzduchu (rel. density=rel. power) omezuje výkon motoru bez přeplňování nedostatečný tlak vzduchu se musí doplnit přeplňováním (hustota při jen málo snížené teplotě vznět!) musí se počítat se zhoršeným přestupem tepla v chladičích průtah vznětu by měl být menší než úhel vstřiku (15-20 kliky) maximální tlak je omezen cca 150 bar příklad pro přirozené nasávání, NA, s poměrnou hustotou ukazuje nedostatečný výkon motoru Pressure Rel. density al/al 0 Temperature Heat Transfer Altitude {m] Ignition delay eps 14 [deg CA] Ignition delay eps 16 [deg CA] Ignition delay eps 18 [deg CA] Peak pressure NA eps 14 [bar] Peak pressure NA eps 18 [bar] Ignition Delay Limit Str Altitude [m]

24 Ignition delay [deg CA] Peak pressure [bar] Centrum vozidel udržitelné mobility Dostup letadla výškové charakteristiky nedostatečný tlak vzduchu se musí doplnit přeplňováním (hustota při jen málo snížené teplotě vznět!) maximální tlak je omezen cca 150 bar problém startovacího výkonu při zemi regulaci plnicího tlaku, která by odstranila problém příliš velkých spalovacích tlaků při zemi a příliš velkého poklesu přebytku vzduchu při přechodu k ekonomické letové rychlosti, není vhodné použít z hmostnostních důvodů průtah vznětu by měl být menší než úhel vstřiku (15-20 kliky); lze řídit vnější nebo vnitřní recirkulací spalin (EGR, IGR) a časováním ventilů Str. 24 Peak pressure; eps 14; Max. power Peak pressure; eps 14; Max. power Peak pressure; eps 14; Climbing Peak pressure; eps 18; Climbing Peak pressure; eps 14; Cruise eco 2 + EGR Peak pressure; eps 18; Cruise eco 2 + EGR Peak pressure; eps 14; Cruise eco Peak pressure; eps 18; Cruise eco Take-off Power Peak Pressure Limit Climbing Power Ignition 70 delay; eps 14; Max. power Ignition delay; eps Cruise 16; Eco Max. power Power Ignition 50 delay; eps 18; Max. power Ignition delay; eps 14; Climbing Ignition 0 delay; 1000 eps 16; Climbing Ignition 5000 delay; eps ; Climbing 7000 Ignition delay; eps 14; Cruise eco 2 + Altitude EGR [m] Ignition delay; eps 16; Cruise eco 2 + EGR Ignition delay; eps 18; Cruise eco 2 + EGR Ignition delay; eps 14; Cruise eco 2 15 Ignition Delay Limit 10 Cruise Eco Power Altitude [m]

25 Příklad vlivu účinnosti turbodmychadel při jedno- a dvoustupňovém přeplňování při tlakovém poměru 4-5 Závislost bsfc = f (účinnost TC ) pro jedno- a dvoustupňové přeplňování při extrémních tlakových poměrech. Dvoustupňové přeplňování není kriticky závislé na účinnosti turbodmychadla Str. 25

26 Závěr 1. Řada leteckých vznětových motorů je založena na systematickém výzkumu a vývoji pro předvýrobní etapy a na zobecněných zkušenostech z předešlého vývoje vozidlových vznětových motorů ve CVUM FS ČVUT v Praze. 2. Okrajové podmínky pro specifický provoz, detailní konstrukci a výrobu motorů zajišťuje Aero Design Work s. r. o. jakožto příjemce dotace projektu i nositel spoluúčasti. 3. Motory jsou konstruovány pro využití vhodných dílů z vozidlových motorů (např. pístů), ale jejich hlavní díly (jako blok válců, hlava, klikový hřídel nebo vstřikovací zařízení) na vozidlové motory nenavazují. 4. Dva motory řady, tvořící náplň indikátorů projektu, jsou rozpracovány na dostatečné úrovni tak, aby cíle projektu mohly být v plánovaném termínu splněny. Str. 26

27 Děkuji : MPO ČR za poskytnutou podporu kolegyním a kolegům za vzornou spolupráci Vám za pozornost a za dotazy Str. 27