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. 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 CO 2 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 Str. 1 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

2 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 Ověření navržených řešení Inovovaný konstrukční návrh, prototyp pohonné jednotky Dynamika & tribologie valivých ložisek Dynamika & tribologie pístní skupiny TE Str. 2 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

3 Vývoj numerických algoritmů pro řešení dílčích tribologických problémů (VUT v Brně) Vývoj rychlého algoritmu pro převzorkování dat Lagrangeův interpolační polynom třetího stupně L x ( x x )( x x )( x x ) ( ) f ( x0)... ( 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 i+2 i+3 i+4 FDM síť Testování a rychlostní optimalizace mezi-síťových operací TE Str. 3 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

4 Vývoj numerických algoritmů pro řešení dílčích tribologických problémů (VUT v Brně) Vývoj nové teorie popisu výšky mazací mezery 32 Klopný úhel v rovině nejmenší mazací mezery: 1 Klopný úhel v rovině kolmé na rovinu nejmenší mazací mezery: y 3 1 ( (1 )) 2 ε 1 ε 2 ε 3 ε 1 ε 2 ε 3 x Výsledná podoba vztahu pro určení výšky mazací mezery: H 1 ( Z (1 )) cos Z sin 1 ( (1 ) ) 2 TE Str. 4 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

5 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 Str. 5 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

6 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 Rychlost Tlak v olejové vrstvě - těsnící stírací kroužek Tlak č. při 12 kontaktu nerovností - těsnící stírací kroužek č. č. 12 Tlak Tlak Tlak Tlak [MPa] [MPa] [MPa] Kroužek v čase t+dt Olej setřený za Dt Olej Vložka válce 0 TE Str. 6 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

7 Profuk [g/min] Profuk [g/min] Centrum kompetence Aplikace RingDYN nepřeplňovaný zážehový čtyřválec 1,6 l (VUT v Brně) Vliv konstrukčních parametrů na profuk pístní skupinou Profuk pístní skupinou n = 5000 min -1 Těsnící 1 Těsnící 2 Stírací Profuk pístní skupinou n = min těsnicí kroužek těsnicí kroužek+ 3. stírací kroužek + 5 Celkový průtok kroužky Tok plynů do válce Otáčky motoru [min -1 ] Tlak za kroužky Veličina Průtok 1. těsnicí kroužek 2. těsnicí kroužek 3. stírací kroužek c 1 zanedbatelný zanedbatelný zanedbatelný zanedbatelný c 2 velký + velký + velký + velký + c 3 střední + velký + velký + velký + c 4 č. 1 c K1 Matice vlivu parametrů 0 pro VS c 5 zanedbatelný zanedbatelný zanedbatelný zanedbatelný c 6 střední + zanedbatelný malý - malý - c 7 zanedbatelný zanedbatelný zanedbatelný zanedbatelný h 1 zanedbatelný velký + zanedbatelný zanedbatelný h 3 zanedbatelný zanedbatelný velký + velký + h 5 střední + zanedbatelný zanedbatelný střední + TE Str. 7 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

8 Ztrátový výkon [W] Změna ztrátového výkonu [W] Centrum kompetence Aplikace RingDYN nepřeplňovaný zážehový čtyřválec 1,6 l (VUT v Brně) Vliv konstrukčních parametrů na třecí ztráty pístních kroužků Vliv asymetrického profilu těsnícího kroužku těsnicí kroužek 2. těsnicí kroužek Stirací kroužek Asymetrie kroužku [mm] Asymetrie Vliv šířky fazety stíracího kroužku Otáčky motoru [min -1 ] ,30 0,24 0,18 0,14 0,10 Šířka fazety [mm] ,05 Šířka fazety Změna ztrátového výkonu [W] Pozn.: Pro vyjádření změn je použita hodnota šířky fazety 0,18 mm. TE Str. 8 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

9 Tlak ve spalovacím prostoru [bar] Centrum kompetence Strategie výpočtového modelování valivých ložisek (VUT v Brně) RollDYN Řešení TEHD (Matlab program) RollDYN Výsledky řešení TEHD Předpočítané TEHD databáze Reakční síly a momenty Posuvy a rychlosti Vstupy (techn. experiment) Indikované tlaky Virtual Engine MBS model klikového mechanismu (ADAMS Solver) Výsledné síly, posuvy a rychlosti RollDYN TEHD optimalizace (Matlab program) RollDYN Úhel natočení klikového hřídele [ ] Analytické řešení HD Numerické řešení EHD (Grubinovo řešení) Koordinace s WP07 a WP10 TE Str. 9 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

10 Další postup - vývoj numerických algoritmů pro řešení tribologických problémů (VUT v Brně) Rolling element Ring p(x,y) h(x,y) Tlak Tl. olejového filmu relativní rychlost Třecí síla Kontaktní síla Uvažované vlivy Kontaktní geometrie Hustota závislá na tlaku Viskosita závislá na teplotě a tlaku Drsnost povrchu Elastické deformace Numerické řešení 6/2014 Koordinace WP10 Reynoldosva rovnice (neustálené proudění) 3 3 h p h p ( h) h u m 0 x 12 x y 12 y x t Tloušťka olej. filmu elastické deformace 2 2 x y p x y dx dy 2 (, ) h( x, y) h0 2Rx 2 Ry E ( x x ) ( y y ) Rovnováha sil w p( x, y ) dx dy 2 2 Numerické řešení RollDYN TE Str. 10 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

11 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 Str. 11 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

12 Střední tlak mechanických ztrát [bar] Profuky přes pístní kroužky [l/min] Centrum kompetence 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) Měření profuků při protáčení motoru Termodynamická analýza změřeného průběhu tlaku ve válci 2,0 Průběh středního tlaku mechanických ztrát pro teploty 135 C/90 C a profuky (blow-by) z 1 válce tepelné ztráty výměna obsahu válce mech. ztráty celkové ztráty profuky 10 1,6 8 1,2 6 0,8 4 0,4 2 0, Otáčky [1/min] TE Str. 12 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

13 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 Str. 13 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

14 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 Str. 14 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

15 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 CO 2 u spalovacích motorů Reálné povrchy Statistický popis Řešení hydrodynamiky s vlivem nerovnosti povrchů Cílená topografie povrchu TE Str. 15 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

16 Hlavní výstupy Počáteční konstrukční návrh, prototyp pohonné jednotky Specializované výpočtové přístupy Dynamika & tribologie kluzných ložisek Výpočtové přístupy na bázi MBS Virtuální pohonná jednotka Ověření navržených řešení Inovovaný konstrukční návrh, prototyp pohonné jednotky Dynamika & tribologie valivých ložisek Dynamika & tribologie pístních kroužků TE Str. 16 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně

17 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 Virtual powertrain Powertrain prototype, final verification Validation of proposed solutions Dynamics & tribology of roller bearings Dynamics & tribology of piston assembly TE Str. 17 Za WP08 Pavel Novotný, VUT v Brně