TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ Dilomová ráce VÝMĚNA OBSAHU VÁLCE DVOUDOBÉHO MOTORU 2008 VÍT POUCHA

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Studijní obor: Konstrukce strojů a zařízení Zaměření: Pístové salovací motory Výměna obsahu válce dvoudobého motoru KVM DP 563 Vedoucí dilomové ráce: Konzultant dilomové ráce: Doc. Ing. Lubomír Moc, CSc. Ing. Karel Páv, Ph.D. Počet říloh: 4 Počet obrázků: 40 Počet tabulek: 17 Počet stran: 68 Datum odevzdání: 23.5.2008

ANOTACE TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Studijní rogram: magisterský navazující Autor ráce: Bc.Vít Poucha Téma ráce: Výměna obsahu válce dvoudobého motoru Číslo DP: KVM DP 563 Vedoucí DP: Doc. Ing. Lubomír Moc, CSc. Konzultant: Ing. Karel Páv, Ph.D. Abstrakt: Cílem ráce je řešení výměny obsahu válce dvoudobého motoru. Práce je zaměřena na otimalizaci tvarů a velikostí kanálů vylachovacího systému ro dosažení maximálních výkonových arametrů daného motoru. Abstract: This thesis alies the solving exchanges content cylinder of two stroke engine. Thesis is bent on otimalization forms and size scavengening system for achievement maximum engine erformance.

PROHLÁŠENÍ: Byl jsem seznámen s tím, že na mou dilomovou ráci se lně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o rávu autorském, zejména 60 školní dílo. Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských ráv užitím mé dilomové ráce ro vnitřní otřebu TUL. Užiji-li dilomovou ráci nebo oskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom ovinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto říadě má TUL rávo ode mne ožadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše. Dilomovou ráci jsem vyracoval samostatně s oužitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím dilomové ráce a konzultantem. Datum: 22.5.2008 Podis:

PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě chci oděkovat vedoucímu dilomové ráce Doc. Ing. Lubomíru Mocovi za vedení ři řešení této ráce, konzultantům Ing. Karlovi Pávovi za oskytnutí omoci ři měření a celou řadu cenných rad, Ing. Václavu Dvořákovi za ochotu, se kterou mi omáhal zvládnout ráci v simulačním software Fluent, a zejména svým rodičům za všeobjímající odoru, bez níž by tato ráce nikdy nevznikla.

Obsah: 1 Úvod... - 11-2 Výměna obsahu válce dvoudobých motorů... - 13-2.1 Základní ois, teorie vylachování... - 13-2.2 Druhy zůsobů výměny obsahu válce... - 17-2.2.1 Protiroudé vylachování... - 17-2.2.2 Souroudé vylachování... - 18-3 Řešení výměny obsahu válce daného motoru... - 19-3.1 Pois a charakteristika motoru... - 19-3.2 Návrh časování a hlavních rozměrů rozvodu... - 21-3.2.1 Návrh růřezů kanálů a časování rozvodu... - 21-3.2.2 Simulace v GT-Poweru... - 34-3.3 Řešení výměny obsahu válce CFD simulací... - 43-3.3.1 Výočtový model a vytvoření sítě... - 43-3.3.2 Počáteční a okrajové odmínky... - 45-3.3.3 Vlastní řešení... - 48-3.4 Otimalizace navržených kanálů... - 51-4 Závěr... - 54 -

Seznam oužitých zkratek a symbolů V z [m 3 ] zdvihový objem V 1 [m 3 ] objem dodaný dmychadlem V y [m 3 ] objem čerstvé nálně na konci vylachování V x [m 3 ] objem salin ve válci na konci vylachování V 0 [m 3 ] objem nálně válce v okamžiku otvírání výfuku M [kg] hmotnost M [kg] hmotnost roteklá lnicími růřezy M 0 [kg] hmotnost nálně v okamžiku otvírání výfuku M z [kg] hmotnost objemu válce za atmosf. odmínek M 1 [kg] hmotnost vzdušiny dodaná dmychadlem M y [kg] hmotnost čerstvé nálně na konci vylachování M x [kg] hmotnost salin ve válci na konci vylachování [Pa] tlak 0 [Pa] tlak v okamžiku otvírání výfuku r [Pa] tlak v lnicích růřezech d [Pa] tlak v klikové skříni T [ K ] telota T 0 [ K ] telota v okamžiku otvírání výfuku T v [ K ] růměrná telota výfukových salin T [ K ] telota lnicího vzduchu η v [ - ] objemová účinnost η [ - ] lnicí účinnost η kvant [ - ] kvantitativní účinnost vylachování η kval [ - ] kvalitativní účinnost vylachování β [ - ] oměr smísení ϕ vo [ ] úhel očátku otevření výfukového kanálu ϕ o [ ] úhel očátku otevření vylachovacího kanálu ϕ v [ ] celkový úhel otevření výfukového kanálu κ [ - ] adiabatický exonent µ v [ - ] růtokový součinitel výfukového kanálu µ [ - ] růtokový součinitel vylachovacího kanálu τ [ s ] čas λ [ - ] klikový oměr

SP U [.cm 2 / cm 3 ] secifický úhlový růřez SP C [s.cm 2 / cm 3 ] secifický časový růřez S [ m 2 ] locha s [ m 2 ] okamžitá locha Z [ m ] zdvih ístu n [ min -1 ] otáčky motoru n L [ min -1 ] laděné otáčky motoru a [ m.s -1 ] rychlost zvuku v [ m 3.kg ] měrný objem v P [ m 3.kg ]] měrný objem čerstvé nálně k j [ min -1 ] tuhost jazýčku b [ min -1 ] tlumení jazýčku m [ kg ] hmotnost jazýčku x [ m] výchylka jazýčku w P [ m.s -1 ] rychlost ve vylachovacích kanálech w krit [ m.s -1 ] rychlost ve výfukovém kanále X [ - ] oměr řebytku vzduch B v [ m ] šířka výfukového kanálu H v [ m ] výška výfukového kanálu B [ m ] šířka vylachovacího kanálu H [ m ] výška vylachovacího kanálu L [ m ] laděná délka výfuku L 1 [ m ] délka svodového otrubí výfuku L 2 [ m ] délka rvního difuzoru výfuku L 23 [ m ] délka druhého difuzoru výfuku L 3 [ m ] délka komory výfuku L 34 [ m ] délka reflektoru výfuku L 4 [ m ] délka koncové trubky výfuku D 1 [ m ] růměr svodového otrubí D 2 [ m ] růměr difuzoru výfuku D 3 [ m ] růměr komory výfuku D 4 [ m ] růměr koncové trubky výfuku D x [ m ] růměr růřezu výfukového kanálu R [ J.kg -1.mol -1 ] univerzální lynová konstanta r [J.kg -1.K -1 ] měrná lynová konstanta CFD Comutional Fluid Dynamics UDF user definition file

1 Úvod Dnešní život bez kolových doravních rostředků si jen málokdo z nás dovede ředstavit. I řes nástu a rychlý rozvoj elektrických ohonů a alivových článků je stále klasický ístový salovací motor nejčastějším zdrojem hnací síly u většiny motorových vozidel. Největší četnost ak řiadá na salovací motory se čtyřdobým racovním cyklem, které v minulosti ostuně vytěsnily motory dvoudobé. Dvoudobý motory měly výhody, ke kterým atřila ředevším jednoduchost a vyšší měrný výkon, který byl na druhé straně zastíněn vyšší měrnou sotřebou. Postuem času, kdy začala být sledována i ekologie rovozu motorů, řibylo jako další negativum vyšší obsah škodlivin ve výfukových lynech, a to ředevším nesálených uhlovodíků. Dvoudobé motory tak zůstaly v ohonech malých motocyklů, sekaček a motorových il. S alikováním vnitřní tvorby směsi, která eliminuje vysokou měrnou sotřebu aliva, a úsorným dávkováním ztrátového mazacího oleje solečně s katalyzátory může dvoudobý motor oět konkurovat motorům čtyrdobým i za cenu ztráty výraznější jednoduchosti. Skoro až dvojnásobný litrový výkon oroti čtyřdobým motorům řidává dvoudobým motorům na zajímavosti. V současnosti se výrobou moderních dvoudobých motorů zabývá mnoho známých i méně známých výrobců. Příkladem může být italská Arilia, která ro své maloobjemové skútry vyvinula technologii římého vstřikování od názvem DI-Tech. Při oužití tohoto systému se uvádí 80% snížení emisí NO x a CO se 60% snížením sotřeby aliva oroti klasickým dvoudobým motorům. Yamaha nabízí jako ohony lodí a člunů motory s vysokotlakým systémem římého vstřikování HPDI (High Pressure Direct). Na obr.1a je dvoudobý tříválcový motor australské firmy Orbital. Motor o zdvihovém objemu 1,2 litru dosahuje výkonu 58 kw ři 4500 ot./min. - 11 -

Obr.1a Moderní dvoudobý motor Orbital Cílem této ráce je řešit výměnu obsahu válce dvoudobého motoru vlastní konstrukce a s využitím výočtového rogramu otimalizovat rozvodové orgány ro dosažení nejleších výkonových arametrů. První částí ráce je obecný ois výměny obsahu válce dvoudobých motorů a teorie hodnocení kvality vyláchnutí válce novou nální. Ve druhé části se zabývá návrhem časování rozvodu a určením hlavních rozměrů rozvodových orgánů a výfukového otrubí. Navržená data jsou ak ověřena v rostředí rogramu GT-Power. Třetí část obsahuje řešení celkového tvaru kanálů a jejich vzájemné olohy. Ze 4 navržených variant tvaru a celkového usořádání kanálového systému je vybráno nejleší možné řešení na základě simulace ve výočtovém rogramu Fluent. - 12 -

2 Výměna obsahu válce dvoudobých motorů 2.1 Základní ois, teorie vylachování Vylachovací kanál Výfukový kanál Sací kanál Kliková skříň Obr.1 Schéma dvoudobého motoru Výměna obsahu válce odstranění zlodin hoření a nalnění válce čerstvou nální, je u dvoudobých salovacích motorů děj, který se musí uskutečnit v oměrně krátkém čase, 4 až 5krát kratším než u motorů čtyřdobých. U nejrozšířenějších dvoudobých motorů s rozvodem řízeným ístem začíná celý ochod v okamžiku otvírání otvoru výfukového kanálu. Poměr tlaku ve válci na očátku výfuku k tlaku ovzduší bývá zravidla větší než je oměr kritický a roto saliny unikají z válce nadzvukovou rychlostí. V další fázi volného výfuku, kdy tlak ve válci klesá, vytékají saliny rychlostí menší. Odkrytím lnicích otvorů nastává vylachování válce. Vzduch, oříadě směs vzduchu s alivem, vniká do válce a s vířením a částečným míšením se salinami je vytlačuje ven z válce. Tlak vstuujícího media by měl být na očátku vylachování vyšší než tlak zlodin hoření. Stlačení lnící vzdušiny obstarává dmychadlo tvořené zravidla klikovou skříní samotného motoru. Po uzavření vylachovacích růřezů ři ohybu ístu z dolní úvratě zůstává - 13 -

jistou dobu otevřen výfukový kanál ze kterého ještě mohou unikat saliny či čerstvá nálň. Tato část ochodu výměny zůsobuje neužitečnou ztrátu čerstvé nálně a nazývá se dodatečné vyrazdňování. Celý cyklus výměny válce je ukončen uzavřením výfukového kanálu a následným stlačováním. Činný zdvih ístu je tedy o výšku výfukového kanálu kratší. Po ukončení výměny obsahu zůstává ve válci jisté hmotnostní množství čerstvé nálně i zbytků salin. Indikovaný výkon motoru je tím větší, čím větší je hmotnostní nalnění válce čerstvou nální. U motorů jejichž nálň je tvořena směsí vzduchu a aliva zůsobuje ztráta v období dodatečného vyrazdňování zvýšení měrné sotřeby aliva a tím i zmenšení celkové účinnosti motoru. Výměna obsahu válce je značně složitým ochodem, který ovlivňuje mnoho činitelů, a roto je jeho sledování komlikovanou záležitostí. Je známo mnoho teorií oisujících tento děj na základě fyzikálních rovnic, které dávají řibližný náhled na tuto roblematiku. V dnešní době je situace ři řešení takovýchto termodynamických dějů usnadňována oužitím výočetní techniky a sofistikovaných numerických CFD simulací. Nejleších výsledků ři sledování výměny však dosáhneme měřením na konkrétním reálném motoru. Pro určování jakosti výměny slouží několik orovnávacích údajů: Poměr celkového množství V 1, doraveného dmychadlem do válci za atmosférických odmínek ke zdvihovému objemu V z značí objemová účinnost η v, nebo též stueň lnění V M 1 η V = 1 = (1) V M z z Tento součinitel vyjadřuje dokonalost a funkce lnicího dmychadla.u motorů s vylachováním z klikové skříně se hodnota ohybuje v mezích 0,6 0,9. Poměr objemu čerstvé nálně, která zůstala ve válci o ukončení vylachování ři atmosférickém stavu ke zdvihovému objemu motoru udává lnicí účinnost η - 14 -

Vy η = (2) V z Tato účinnost se ohybuje od 0,5 do 0,9. Závisí nejen na vhodnosti usořádání a řešení lnicích a výfukových růřezů, ale i na dokonalosti rovedení ostatních součástí odílejících se na vylachování. Poměr účinností η /η V je kvantitativní účinnost vylachování η kvantl. Udává oměr čerstvé nálně, která zůstala ve válci, k celkovému množství řivedenému k vylachování. η Vy M y η kvant = = = (3) η V V 1 M 1 Charakterizuje ztrátu čerstvé nálně a je měřítkem dokonalosti vyřešení celého motoru a vylachovacího systému. Bývá v rozmezí 0,4 0,7. Jak se objem nalnil čerstvou nální vyjadřuje kvalitativní účinnost η kval Vy M y η kval = = (4) V + V M + M y x y x Kde V x, M x je množství zbytků zlodin hoření které zůstaly ve válci. Poměrem čerstvé nálně V x (M x ) a zbytků salin V y (M y ) označujeme oměr smísení β. V = = V β x x (5) y M M y Vylachování dělíme teoreticky na tři mezní říady: a) Čerstvá nálň řed sebou vytlačuje saliny bez jakéhokoliv smísení. Při tomto stavu dochází k dokonalému vyláchnutí válce. Pak dodá-li dmychadlo množství vzduchu V 1 o velikosti Vz otom V z =V y. - 15 -

b) Čerstvá nálň roudí římo do výfukového kanálu a neodílí se na vylachování válce, jde o zkratové vylachování c) Čerstvá nálň se úlně smísí se zbytky zlodin hoření a odtéká výfukovým kanálem. Výlach se děje ouze ředěním salin. Vy Vz aa) vytlačování salin bb) zkratové vylachování Polynomický c) mísení čerstve (b) naně se salinami V1 Obr. 2 Graf říadů vylachování Měření na skutečných motorech ukazují, že realitě se nejvíc blíží říad ad c). V zahraničních literaturách se setkáváme ro osuzování jakosti vylachování ještě s údaji jako je scavengening ratio, což je oměr mezi hmotnostním odílem čerstvé nálně, která zůstala ve válci k hmotnosti vzduchu, jež by zalnil zdvihový a komresní rostor ři atmosférických odmínkách. Dalším je residual ratio, kterým je vyjádřen oměr mezi hmotností zbytku zlodin ve válci k součtu čerstvé nálně a zlodin. - 16 -

2.2 Druhy zůsobů výměny obsahu válce Podle usořádání kanálů a vedení vylachovacího roudu můžeme vylachování dělit na několik druhů. U dvoudobých motorů existuje mnoho konstrukčních usořádání kanálových nebo ventilových rozvodů se symetrickým i nesymetrickým časováním. Dnes jsou oužívány ředevším motory s rotiroudým a souroudým vylachováním. 2.2.1 Protiroudé vylachování Protiroudé vylachování můžeme dělit na vylachování vratné, říčné a kombinované VRATNÉ VYPLACHOVÁNÍ (obr. 3a) U tohoto vylachování leží kanály na jedné straně válce a vylachovací roud se vede na rotilehlou stranu kde se obloukovitě obrací, obtéká komresní rostor a o druhé straně se oět vrací k výfukovým otvorům. PŘÍČNÉ VYPLACHOVÁNÍ (obr. 3b) Vylachovací kanály a výfukové kanály leží vzájemně na rotilehlých stěnách válce. Tento zůsob se vyznačuje malou stabilitou vylachovacího roudu a je náchylný ke zkratovému vylachování. Proto je zde nutné nasměrování kanálů vedené strmě k hlavě válce oříadě usměrnění roudu omocí deflektoru, který je součástí ístu. KOMBINOVANÉ VYPLACHOVÁNÍ (obr. 3c) Kombinované vylachování je sojením dvou ředešlých zůsobů. Vylachovací kanály ležící na straně výfukových jsou dolněny kanálem směřujícím vzhůru k hlavě válce umístěným naroti kanálu výfukovému. - 17 -

a) b) c) Obr. 3 Varianty rotiroudého vylachování 2.2.2 Souroudé vylachování Rozvodové orgány motorů se souroudým vylachováním jsou na rotějších stranách válce. Výfuk i vylachování jsou řízeny každý samostatným orgánem a rozvod je tak vždy nesymetrický. Nejčastější usořádání je s vylachovacími kanály umístěnými na obvodu válce, které jsou nasměrované vzhůru ke komresnímu rostoru válce. Vylachovací kanály mohou být řiváděny do válce tangenciálně a tak dochází k rotaci řiváděné vzdušiny, což říznivě ůsobí na tvoření směsi. Výfukové otvory jsou v hlavě válce a rozvodovým orgánem je talířový ventil nebo rotační šouátko. Schéma rovedení motoru se souroudým vylachováním je na obr.4. Obr. 4 Příklad souroudého vylachování - 18 -

3 Řešení výměny obsahu válce daného motoru 3.1 Pois a charakteristika motoru Analyzovaným motorem je motocyklový jednoválcový kaalinou chlazený motor, jehož základní konstrukční uzly vznikly ři řešení školního konstrukčního rojektu. Na motoru jsou oužity moderní rvky zajišťující konkurenceschonost nejen dvoudobým motorům. Mimo elektronicky řízené výfukové řívěry a jazýčkového zětného sacího ventilu je u motoru oužita vnitřní tvorba směsi římé vstřikování aliva, které se významnou měrou odílí na snížení měrné sotřeby aliva a snížení emisí výfukových zlodin. Koncečně je motor navržen ro motocykl určený k cestování říadně do terénu. Je zde roto uřednostňována ružnost a růběh točivého momentu řed maximálním dosažitelným výkonem. Obr. 5 Navrhovaný motor 500 DP - 19 -

Výměna obsahu válce je zajištěna kombinovaným vylachováním (viz.ka. 2) se šesti symetricky umístěnými kanály. Výfukový kanál je jednoduchý s řívěrou, která umožňuje roměnný růřez kanálu. Vratné vylachování zajišťuje dvojice ředních kanálů usměrňujících tok čerstvé nálně k rotilehlé straně. Tento roud je dolněn tokem z dvojice středních kanálů a usměrnění roudů směrem vzhůru ke komresnímu rostoru obstarává zadní omocný kanál. Výfukový kanál A vylachovací kanál řední B vylachovací kanál zadní C vylachovací kanál omocný Obr. 6 Použitý systém kanálů Obr. 7 Směry vylachovacích roudů - 20 -

3.1.1 Návrh časování a hlavních rozměrů rozvodu Při návrhu nového motoru jsou výočty ro nalezení otimálních rozměrů všech skuin odílejících na výměnu obsahu válce obtížné, zvlášť nemůžeme-li výsledky orovnávat s obdobným reálným motorem. Faktorů ovlivňující vylachování válce a tedy i celý ochod výměny válce je velmi mnoho. Nejvýznamnější kromě samotných výfukových a vylachovacích kanálů je kliková skříň, která lní i účel tlakového zdroje ro čerstvé nálně, tvar salovacího rostoru, oměr zdvihu k vrtání, sací trakt a v neoslední řadě také konstrukce výfukového otrubí a tlumiče hluku. Dále je osána roblematika klíčových částí, jimiž jsou samotné vylachovací kanály a výfukový kanál s konstrukcí výfukového otrubí. 3.1.2 Návrh růřezů kanálů a časování rozvodu Neoomenutelným činitelem, který určuje růběh vylachování a zároveň i charakteristiku motoru je časování rozvodu. U dvoudobých motorů, kde otvírání a zavírání lnicích a výfukových růřezu je řízeno ístem, bývá lnění i vyfukování obvykle symetrické. Počátek i konec lnění nebo výfuku je závislý na výšce daných kanálů a tím je časování rozvodu svázáno s velikostí růřezových loch kanálů. 3.1.2.1 Určení rozměrů kanálů omocí secifických růřezů Jedním ze zůsobů jak lze navrhnout velikosti růřezů, kterými odcházejí saliny nebo vstuuje čerstvá nálň je využití secifický časových, nebo secifických úhlových růřezů. Secifický časový růřez je definován jako růřez kanálů otevřený za určitý čas vztažený na jednotku obsahu válce. Úhlový růřez bereme jako velikost lochy násobené úhlem otevření kanálů ve stuních otočení klikového hřídele vtažené na jednotku obsahu válce. Tyto údaje slouží určování růřezů a ro orovnávání růřezových loch mezi jednotlivými motory. - 21 -

Pro secifický úhlový růřez latí SP U S = ϕ (.cm 2 / cm 3 ) (6) V Z Pro secifický časový růřez SP C ϕ = n 60 S V Z (s.cm 2 / cm 3 ) (7) Kde ϕ ( ) je uhel otevření kanálu, S (cm 2 ) je růřezová locha kanálu, n (1/min) otáčky motoru a V z (cm 3 ) zdvihový objem. Vzájemnou kombinací velikostí secifických růřezů vylachovacích a výfukových růřezů lze měnit vnější charakteristiky motoru. Obecně latí, že větší secifické růřezy výfukových kanálů solečně s menšími secifickými růřezy vylachovacích kanálů vedou k dosažení vyšších výkonů a osouvají šičku výkonu k vyšším otáčkám. Naroti tomu v říadech u nichž je rozhodující velikost a růběh točivého motoru je vhodné volit nižší výfukové secifické růřezy a vyšší hodnoty secifických růřezů vylachovacích kanálů. Na obrázku 8 je znázorněn graf se secifickými růřezy. Slouží ro rychlou a řehlednou kontrolu a určení růřezů kanálů. Vodorovné čárkované čáry v diagramu označují secifické úhlové růřezy řešeného motoru. Sustíme-li z růsečíků těchto čar s úsečkami secifických časových růřezů svislice, zjistíme tak oužitelný rozsah otáček ro daný secifický růřez kanálů. - 22 -

14 Secifické úhlové růřezy (.cm 2 / cm 3 ) 12 10 8 6 4 0.00019 s.cm 2 /cm 3. 0.00017 s.cm 2 /cm 3 0.00011 s.cm 2 /cm 3 0.0008 s.cm 2 /cm 3 Výfuk min. Výfuk max. Výlach min. Výlach max. Výfuk 500 DP Výlach 500 DP 2 4 6 8 10 12 Otáčky x 1000 (1/min) Obr. 8 Diagram ro určování růřezů kanálů U daného motoru je kladen ožadavek na ružnost motoru a tomu odovídají zvolené hodnoty časových růřezů a časování rozvodu, které jsou solečně s rozměry kanálů uvedené v tabulce 1. V tabulce 2 jsou ro srovnání uvedeny secifické růřezy vyráběných motocyklových motorů známých značek. Tab. 1 Data kanálů kanál časování ( ) šířka kanálů (mm) výška kanálů (mm) SP U (.cm 2 / cm 3 ) SP C (s.cm 2 / cm 3 ) Výfukový 180 45 45 6,7 0,00014 Vylachovací 122 150 18 6,8 0,00017 Celková šířka 150 mm řiadá na součet šířek všech vylachovacích kanálů. Hodnoty šířek ro jednotlivé kanály jsou uvedeny v tab. 2. - 23 -

Tab. 2 Hodnoty šířek vylachovacích kanálů šířka (mm) Vylachovací kanál řední 40 Vylachovací kanál zadní 25 Pomocný vylachovací kanál 20 VO Výfuk otvírá VZ Výfuk zavírá PO Plnění otvírá PZ Plnění zavírá výfuk vylachování VZ VO PZ PO Obr. 9 Diagram časování rozvodu výfuku a vylachování Tab. 3 Srovnání hodnot kanálů s konkurenčními motory Motor Řešený motor DP 500 Kawasaki KX 500 Honda TRX 500 Jawa 250-593 Objem válce (cm 3 ) 500 500 500 250 Úhel výfuku ( ) 186 185 193 173 Úhel vylachování ( ) 122 130 132 120 SP U výfuk (.cm 2 / cm 3 ) 7,8 7,5 9,5 7,6 SP U -výlach (.cm 2 / cm 3 ) 6,6 5 4,7 7,4 SP C -výfuk (s.cm 2 / cm 3 ) 0,00018 0,00015 0,00018 0,00018 SP C -výlach (s.cm 2 / cm 3 ) 0,00017 0,00013 0,00012 0,00017-24 -

3.1.2.2 Teoretický výočet růřezů Jeden z možných návrhů či kontrol velikosti růřezů je velmi jednoduchý výočet ředokládající kritickou výtokovou rychlost salin v celém období volného výfuku. Chyba vzniklá tímto ředokladem bývá nevelká. Pomocí tohoto výočtu můžeme sledovat růběh klesání tlaku ve válci ři volném výfuk a zjistit tak hodnotu tlaku v okamžiku otevření vylachovacích kanálů. Tlak by měl být nejlée od úrovní tlaku v klikové skříni. Takto můžeme ověřit dostatečného dimenzování velikosti výfukového růřezu či velikosti a funkce lnicího dmychadla-klikové skříně. V časovém úseku dτ roteče růřezem výfukových otvorů s v objem lynů : v krit dm = µ w s dτ (8) v v Kde dm je hmotnost lynů roteklých v čase dτ a µ v výtokový součinitel výfukového kanálu. Hmotnost nálně se tedy zmenší o hodnotu dm. Použijeme-li ředoklad konstantního objemu válce v období volného výfuku ak latí: V = M v0 = M v 0 (9) Změna hmotnosti je ak dm = M 0 v 0 dv 2 v = V 0 dv 2 v (10) Pro zvukovou rychlost salin latí w krit k = ( 2 R T ) (11) k + 1 Zavedeme-li za T telotu na očátku otevření výfukového kanálů T 0, která je vázána adiabatickou změnou tlaku dostaneme - 25 -

- 26 - + = 1 0 1 2 k o krit v v T R k k w (12) Dále latí k v v 1 0 0 = (13) Dosazením (10), (12) do (8) a o integraci s úravami dostáváme vztah = 1,426 0 2 1 1 0 0 1 k v v v v T V d s τ τ µ τ (14) dosazením (13) = 1,426 0 2 1 0 0 0 1 k v v T V d s τ τ µ τ (15) Dosadíme-li n d d = 6 ϕ τ (16) Dostáváme konečný tvar = 1,426 0 2 1 0 0 0 k v v T V d s o vo ϕ ϕ µ ϕ (17) Kde f v je časový růřez ro výfukový růřez, ϕ vo je úhel očátku otevření výfukového růřezu, ϕ o očátek otevření vylachovacích růřezů, V 0, T 0,

0 jsou objem, telota a tlak v okamžiku otevírání výfukového růřezu a je ožadovaný tlak ve válci ři otevírání vylachovacích růřezů. Pro stanovení časového růřezu latí ϕ ϕ o vo s v ϕ o Z λ dϕ = 180 Bv H v 1 cos( ϕ) sin 2 ( ϕ) dϕ π 2 2 ϕ vo (18) V tabulce 4. jsou uvedeny hodnoty ro určení tlaku na očátku otevření vylachovacích kanálů. Tlak a telota na očátku vlachování jsou odhadnuty Tab.4 Hodnoty ro určení tlaku na očátku vylachování 0 (Pa) 50000 Z (m) 0,086 V 0 (m 3 ) 0,000327 ϕ vo (rad) 1,623 T 0 (K) 1500 ϕ o (rad) 1,065 B v (m) 0,052 µ v (-) 0,88 H v (m) 0,04 k (-) 1,35 λ (-) 0,25 (Pa) 200000 Vyočtená hodnota tlaku je ve skutečnosti menší. Výočet neředokládal roměnnost objemu válce a odvod tela, což ve skutečnosti ůsobí na rychlejší klesání tlaku ve válci. Tlak v klikové skříni bude ravděodobně menší než uvedený vyočítaný tlak ve válci, dojde roto ke zožděnému vyláchnutí válce, kdy saliny roudí vylachovacími kanály do klikové skříně a o vyrovnání tlaků terve nastává vyláchnutí válce čerstvou směsí smísenou s částí vniknutých salin. Tento jev je u dvoudobých motorů běžný. Zožděným vylachováním se zmenší čas otřebný k vyláchnutí, ale zároveň se tím zmenší únik čerstvé nálně do výfuku. Orientační kontrolu vhodné velikosti vylachovacích růřezů můžeme rovést odobným zjednodušeným výočtem, který ředokládá neroměnnost objemu válce a stálost lnicího tlaku. - 27 -

- 28 - Okamžitá hmotnost M nálně vstuující do válce růřezem s v čase τ : µ dτ s w dm = (19) rychlost ve ve vylachovacích kanálech je odkritická a je tudíž dána vztahem = + k k d k d v k k w 1) ( 2 1 2 (20) d je tlak dmychadla a tlak ve vyústění vylachovacího kanálu. Po vyjádření s dostáváme = τ τ µ τ 1 w M d s (21) Platí X V M P z = ρ (22) Kde ρ je měrná hmotnost vylachovací vzdušiny a X je řebytek vylachovacího vzduchu. Ze stavové rovnice: T R v = (23) Po dosazení (16), (20), (22), (23) do (21) dostaneme vztah ro výočet časového růřezu ři daném tlakovém sádu

ϕ ϕ vz vo s dϕ = µ V k v 2 k 1 R T z X ρ 2 d 2 k d ( k + 1) k (24) Pro časový růřez latí ϕ 0 s 30 dϕ = B π n ϕ 0 H Z λ 1 cos( ϕ) sin 2 2 2 ( ϕ) dϕ (25) V tabulce 5 jsou zvolené hodnoty ro kontrolu vylachovacích kanálů ro otáčky 6000/min a výsledek časového růřezu vyočteného a stanoveného z rozvodových arametrů určených v ředchozí kaitole. Rychlost ve vylachovacích kanálech byla zvolena. U takovýchto motorů se volí mezi 100 a 150 m/s. Tab.5 Kontrola vylachovacích růřezů V z (m 3 ) 0,0005 r (J/kg.K) 287 T (K) 310 ϕ o (rad) 1,06 B (m) 0,15 w (m/s) 120 H (m) 0,018 µ (-) 0,8 x (-) 0,9 k (-) 1,35 časový růřez-skutečný (cm 2.s) 0,0523 časový růřez-vyočtený (cm 2.s) 0,0529 Malý rozdíl v hodnotách časových růřezů oukazuje na srávnou volbu růřezů vylachovacích kanálů. Tento zjednodušený výočet nemusí vždy dávat dobré výsledky jako je tomu v tomto říadě. Lze ho roto brát ouze jako orientační kontrolu. - 29 -

3.1.2.3 Návrh výfukového otrubí Výfukový systém u dvoudobých motorů hraje významnou roli v celém ochodu výměny obsahu válce a ovlivňuje tak jakost vylachování, která se odráží na výkonu motoru. Je roto otřeba věnovat návrhu výfuku jistou ozornost. Negativním jevem u dvoudobých motorů je unikání čerstvé nálně do výfukového kanálu, čímž se zmenšuje hmotnostní nalnění válce a v říadě, že čerstvou nální je směs vzduchu a aliva se zvyšuje i měrná sotřeba aliva. Tomuto lze do jisté míry ředejít vhodnou konstrukcí výfukového otrubí, ve kterém se využívá odrazu tlakových vln. Odražená řetlaková vlna může ve vhodný okamžik, kdy se uzavírají výfukové růřezy zajistit zětné roudění uniklé nálně a navrátit tak část zět do válce. Obr.10 Princi výfuku dvoudobého motoru Pro navržení vhodného výfukového otrubí můžeme oužít naříklad následující ověřený výočet. - 30 -

Základem je určení tzv. laděné délky L 1000 a ϕv L = 12 n L (26) Kde n L jsou otáčky motoru,ro něž je výfuk naladěn, ϕ v úhel otevření výfuku a a rychlost šířící se tlakové vlny která je daná vztahem a = κ R (27) T v κ je adiabatický exonent a R univerzální lynová konstanta, T v telotu výfukových lynů vyočteme T v e 0.485 = 534.67 e (28) Kde e značí střední efektivní tlak a vyočítá se e 60000 Pe = (29) V. n z Pro určení jednotlivých růměru výfuku otřebujeme znát růměr D x jehož růřez odovídá růřezu výfukového kanálu ve válci. D x Bv H v = 4 (30) π Další vztahy otřebné ro určení rozměrů výfukového otrubí jsou závislé na délce L a na růměru D x a jsou uvedené v následující tabulce 6. - 31 -

Tab. 6 Výočet rozměrů výfuku K 0 K 1 K 2 L 1 L 12 L 23 L 3 L 34 K 0 = 1,032 e -0,498 e K 1 = 1,990 e -0,0581 e K 2 = 0,084 e 0,123 e L 1 = 0,10 L L 12 = 0,41 L L 23 = 0,14 L L 3 = 0,11 L L 34 = 0,24 L L 4 L 4 = L 34 D 1 D 1 =K 1. D x D 2 D 2 =D 3. [L o 1,33 /(L 0 +L 3 ) 1,33 ] D 3 D 4 D 3 =K 3. D x D 4 =K 0. D x D 3 D X D 1 D 2 D 4 L 1 L 2 L 23 L 3 L 34 L 1 Obr. 11 Rozměrové schéma výfukového otrubí Tab. 7 Rozměry částí výfukového otrubí Délky úseků L 1 L 2 L 23 L 3 L 34 L 4 (mm) 120 490 168 131 287 287 Průměry úseků D 1 D 2 - D 3 - D 4 (mm) 53 76-112 - 36-32 -

Konečný tvar výfuku určují i zástavbové rozměry motocyklu. Na obr. 12 je vyobrazená jedna z možností konstrukce výfuku. Obr. 12 Konečný tvar výfuku - 33 -

3.1.3 Simulace v GT-Poweru Jedním z dalších zůsobů jak navrhnout nebo ověřit rozvodová data je řešením v některém z nabízených simulačních rogramů. Zvolil jsem dostuný rogram GT-ower 6.1, který umožní nejen získání vnějších charakteristik navrhovaného motoru, ale i další data otřebná ro další řešení této ráce. Výočtový model je vytvořen zjednodušeně bez tlumiče výfuku. Sací trakt s uklidňovací komorou je řibližně sestaven ro zástavbu do motocyklu a naladěn ro otimální výkonové arametry. Řešení je rovedeno v ásmu otáček maximálních výkonových arametrů, ři nichž dochází k lnému otevření výfukové řívěry a tím i výfukového růřezu. Obr.13 Simulační schéma motoru 500DP - 34 -

3.1.3.1 Vstuní data Základní geometrická data ro výočet jsou uvedena v tab. 8. Tab.8 Základní rozměry motoru Parametr hodnota Vrtání (mm) 85 Zdvih (mm) 86 Délka ojnice (mm) 150 Vyosení ístního čeu (mm) 0,3 Komresní oměr (-) 11 Komresní oměr klikové skříně (-) 1,9 V tab. 9 jsou uvedeny rozměry jednotlivých částí sacího traktu. Rozměry výfukového otrubí jsou oužity z výočtu v ředchozí kaitole. Tab. 9 Rozměry sacího traktu Počáteční část traktu růměr D (mm) Koncový růměr D k (mm) Délka L (mm) Vstuní hrdlo airboxu 90 90 90 Víko airboxu 90 180 50 Tělo airboxu 180 180 200 Dno airboxu 180 100 80 Sojovací hrdlo 100 70 45 Škrticí klaka 50 50 - Příruba sání 70 70 50 Pro model salování je odle Wiebeho funkce oužit objekt EngCylCombSiWiebe. Hodnoty oisující Wiebeho křivku u odobného řešeného motoru se neodařily zjistit. Jsou roto oužity hodnoty řevzaté z říkladu dvoudobého motoru který je součástí GT-oweru. Hodnoty jsou uvedené v tabulce 10. Tab. 10 Hodnoty ro model salování Úhel mezi HÚ a olohou ístu ři 50% shoření aliva ( ) 8 Úhel shoření 10-90% aliva ( ) 22 Wiebeho exonent ( ) 2-35 -

Přestu tela je řešen referencí EngCylTWall. Hodnoty otřebné ro výočet jsou uvedeny v tabulce 11. Hodnoty telot jsou určeny odhadem. Tab. 11 Hodnoty ro řestu tela Parametr hodnota Poměr loch salovacího rostoru / vrtání 1,2 Poměr loch salovacího rostoru / dna ístu 1,04 Telota stěn ístu (K) 580 Telota ovrchu salovacího rostoru (K) 480 Telota stěn válce (K) 450 Telota stěn klikové skříně (K) 400 Zadání rozvodových údajů je rovedeno římým vložením velikostí efektivních růřezových loch jednotlivých kanálů vztažených na ootočení klikového hřídele. Efektivní růřez je okamžitý geometrický růřez násobený říslušným růtokovým součinitelem daného kanálu. Tento můžeme odhadnout nebo nejlée zjistit měřením. Pro tento říad bylo nutné zhotovit funkční model ke zjištění růtokových součinitelů kanálů navrhovaného motoru. Na obr.14 je návrh otřebného modelu. Samotné kanály jsou solečně s válcem vyrobeny jako skořeina metodou Raid rototying. Ostatní komonenty jsou vyrobeny z dostuných materiálů jako je eoxidová ryskyřice či dřevo. Zaoblení ve výústění kanálů do válce s hranou dna ístu jsou zabroušeny na oloměry odovídající reálným výrobním hodnotám. Drsnost ovrchu kanálů vyrobených touto metodou řibližně odovídá jakosti ovrchu odlitého válce. Výsledný reálný model je na obr.15. - 36 -

Přívod vzduchu-měření výfukového kanálu Skořeina kanálů a válce Píst Příruba skořeiny Snímání tlaku Tělo- imitace klikové skříně Přívod vzduchu-měření vylachovacích kanálů Obr. 14 Návrh měřicího modelu Obr. 15 Skutečný model - 37 -

Průtokové součinitele byly naměřeny ve firmě Škoda Auto a.s. na zařízení ro určování růtokových součinitelů kanálů čtyřdobých motorů. Výsledkem měření je určení efektivních růřezů kanálů v závislosti na zdvihu ístu, který je atrný z grafu na obr. 16. Odlehlost ístu je ak řevedena na otočení klikového hřídele a k těmto hodnotám je řiřazena daná hodnota zmíněných efektivních růřezů. Tyto hodnoty jsou ak tabulkou zadány do rogramu. 2500 vylachovací kanály Výfukový kanál 2000 Sef [mm 2 ] 1500 1000 500 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 oloha ístu (mm) Obr. 16 Graf závislosti efektivního růřezu na oloze ístu Dalším vstuním arametrem nutným ro výočet je nadefinování arametrů jazýčkového ventilu, který lní funkci sacího rozvodového orgánu. Pro ventil je oužit rvek Valve Check Simle Conn, kde je zadáván ztrátový součinitel v závislosti na tlakovém sádu k zadanému referenčnímu růměru ventilu a časová konstanta výchylky jazýčku. Pro naměření růtokových součinitelů byl oužit jazýčkový ventil z motocyklového motoru Jawa 250/593, kterému byl ři výočtech zvětšena efektivní růřezová locha úměrně ke zdvihovému objemu řešeného motoru. Na obr.17 je graf naměřeného efektivního růřezu ventilu v závislosti na tlakovém sádu. - 38 -

2000.00 Efektivní růřez (mm 2 ) 1500.00 1000.00 500.00 0.00 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 tlakový sád (Pa) obr.17 Efektivní růřez jazýčkového ventilu Časová konstanta je určena zjednodušeně řevedením jedné lanžety na kmitající hmotu odle schématu na obr. 18. Rovnice oisující tlumené kmitání : 2 d x dx m b k F dt + dt = 2 (31) Tělo Doraz Planžeta m l x Obr.18 Jazýčkový ventil - 39 -

V tab. 12 jsou uvedeny rozměrové hodnoty oisující rozměrové i fyzikální vlastnosti oužitého jazýčku vyrobeného z laminátového komozitu. Tab.12 Údaje lanžetu jazýčkového ventilu délka max.výchylka x l max hmotnost m tuhost k (mm) (kg) (N/m) (mm) součinitel tlumení b (N.s.m -1 ) 47 8,8 0.005 170 0,5 Na obr.19 je výsledný růběh časové odezvy na skokovou změnu síly, která je vyvozena odtlakem v klikové skříni, a určení časové konstanty. 10 9 8 7 výchylka x(mm) 6 5 4 3 2 1 vychýlení x 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Časová konstanta τ = 4.85 čas t (ms) Obr.19 Určení časové konstanty Velmi odstatný vliv na výsledek simulace má zadání křivky vylachování. Ta oisuje okamžitý stav chování čerstvé nálně a salin ve válci v období vylachování. Na obr. 20 je několik říadů takovýchto křivek. Na vodorovné ose grafu je hodnota residual ratia (viz.ka. 2.1) - 40 -

ředstavující daný okamžitý stav ve válci a na svislé ose je udána velikost Scavenging ratia (viz.ka. 2.1), která ři výočtu rozhodne o zůsobu romísení salin a čerstvé nálně. Naříklad: křivka dokonalého výlachu naznačuje, že okud je v daný okamžitý stav RR rovný jedné-očátek vylachování, jsou ve válci zatím ouze saliny a odovídající hodnota SR je rovna 1 což odovídá okamžitému 100% odílu čerstvé směsi. Ve výsledku to ak znamená, že nedošlo k žádnému romísení čerstvé směsi se salinami. Tato křivka oisuje dokonalé vytlačování salin do výfuku aniž by docházelo k míšení obou složek. Tento říad ve skutečnosti nikdy nenastává. Křivka dokonalého míšení naovídá, že bude-li naříklad daný okamžik ve válci k disozici 50% nové nálně a 50% salin dochází k dokonalému romísení obou složek. Ve skutečnosti leží reálný říad mezi těmito křivkami. GT-Power nabízí ředdefinovanou křivku blížící se nereálnému říadu dokonalého vylachování. Použita je křivka, která je ověřena okusy Dr. Páva. 1 0.8 SR 0.6 0.4 dokonalý výlach dokonalé mísení GT-ower oužitá ro výočet 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 RR Obr. 20 Křivky vylachování - 41 -

Jedna z možností jak osoudit výsledek simulace, která měla ověřit navržení rozvodových údajů, je sledování výkonových arametrů motoru. V následujícím obrázku 21 jsou zobrazeny růběhy výkonu a točivého momentu motoru. Poměrně zdařilé růběhy křivek v daném rozsahu otáček svědčí o dobře navrženém rozvodu a dalších rvků jako je výfukové nebo sací otrubí. Výkon (kw) Moment (Nm) Obr. 21 Otáčková charakteristika V tabulce 13 jsou ro srovnání uvedena dvojice dnes nabízených čtyřdobých motocyklů jejichž motory mají uvedené arametry. Tab. 13 Srovnání výkonových arametrů 500 DP Honda CRF 450 R Yamaha XT 660 Z Výkon / otáčky za minutu 40 / 7000 38 / 9000 35 / 6100 Moment / otáčky za minutu 61 / 6000 46 / 7000 58 / 5500-42 -

3.2 Řešení výměny obsahu válce CFD simulací Doosud byla všechna řešení kanálů výměny obsahu válce zaměřena ouze na velikost růřezů, kterými nálň vstuuje a nebo vystuuje z válce. Ověřit srávnou vzájemnou olohu a celkové tvary kanálů může umožnit simulace roudění ve vhodném výočtovém rogramu. Pro tento účel je zvolen rogram Fluent 6.1 a ro vytvoření výočtové sítě rogram Gambit. Řešení je rovedeno tak, aby se simulace co nejvíce blížila k reálnému ději ři výměně obsahu válce. Výočet racuje s ohybem ístu, s roměnlivými tlaky v kanálech ba i se dvěma médii zastuující saliny a vzduch, které se vzájemně mísí. 3.2.1 Výočtový model a vytvoření sítě Výočtový model je oroti skutečnosti zjednodušen za účelem snížení očtu elementů a snazšího vytvoření kvalitní výočtové sítě a tím i snížení časových nároků na celý výočet. V modelu jsou zahrnuty samotné kanály se zjednodušeným salovacím rostorem a racovním válcem. Odadá tak roojení mezi jednotlivými kanály, objem jazýčkového ventilu, rostor klikové skříně a výfukového otrubí. I řes tato zjednodušení by měl model ostačit ro osouzení kvality vyláchnutí válce a tedy i tvarů i umístění kanálů. Modely kanálů byly vytvořeny v rogramu ProEngineer Wildfire 2 jako objemové rvky a o té imortován do Gambitu. Válec se zjednodušeným salovacím rostorem je vytvořen římo v Gambitu stejně jako omocný vylachovací kanál namodelovaný zjednodušeně bez zaoblení, ouze s částí objemu, který náleží rostoru jazýčkového ventilu. Plochy imortovaných objemů většinou obsahují množství malých lošek, které mohou vést ke komlikacím ři generování sítě. Je roto vhodné tyto lochy vzájemně sojit. Tato oerace se rovádí v oslední fázi ráce s modelem, neboť o těchto úravách se objem stává tzv. virtuálním - 43 -

objemem, který nedovoluje další možné oerace jako je dělení nebo sojování těchto objemových rvků. K simulování zdvihu ístu ve válci motoru byla využita metoda layering umožňující dynamickou změnu sítě. Tato metoda je založena na ostuném odebírání či řidávání vrstev výočtových buněk. U trojrozměrných úloh racuje ouze se šesti hranými elementy. Výočtová síť válce a salovacího rostoru je tedy složena ze šestihranů tyu cooer. Ke snížení očtu výočtových buněk vedlo zavedení mezních vrstev u stěn jednotlivých kanálů. Tloušťka očáteční vrstvy je 0,1 mm. Zjednodušení a uravení objemů kanálů dovolilo oužít šestihrannou síť, a to u všech kanálů. Kvalita elementů je ověřena arametrem EquiAngleSkew, který by neměl řekračovat hodnotu 0,8. Nejméně kvalitní buňky se nalézají v objemu dolňujícího vylachovacího kanálu. Počet elementů všech řešených variant se ohyboval okolo 95000 ří oloze ístu v horní úvrati. Obr. 22 Výočtová síť modelu Dalším krokem je řiřazení vlastností všem lochám modelu viz obr.23. Černé lochy ředstavují stěny (wall), žluté jsou lochy označující roojovací růřezy jimiž roudí daná tekutina (interface), modře jsou lochy kterými vstuuje medium (ressure inlet) a červeně zbarvená locha značí výstuní růřez (ressure outlet) - 44 -

Proojovací lochy Píst Výstu média Vstu média Obr. 23 Definování loch 3.2.2 Počáteční a okrajové odmínky Pro zadání očátečních odmínek využijeme výsledky z rogramu GT- Power. Půjde o zadání tlakových oměrů na vstuních i výstuních růřezech, očáteční teloty a tlaky ve válci a všech kanálech. Vstuní tlak v lnicích kanálech je závislý na tlaku v klikové skříni. Ten je roměnlivý v závislosti na změně objemu v klikové skříni a tedy i na otáčení klikového hřídele. Fluent neumožňuje římé tabulkové zadání růběhu tlaku, které je k disozici z výsledků simulace v GT-Poweru. Proměnnost arametrů se ve Fluentu rovádí narogramováním matematické funkce v rogramovacím jazyce C. Program je ak načten jako tzv. UDF soubor (User definition file). Jako nejrychlejší zůsob náhrady růběhů tlaku v klikové skříně jsem zvolil roložení dané křivky několika úsečkami. Program ak obsahuje rovnice římek těchto úseček a časové intervaly jimiž jsou úsečky ohraničeny. Průběh skutečného tlaku s roloženými římkami je na obr. 24. UDF soubor racuje s časovou závislostí, a roto je závislost ootočení kliky řevedena na čas. Zdrojový kód UDF souboru je uveden v říloze. - 45 -

1.5 odtlak-řetlak (bar) 1 0.5 0-0.5 0 1 2 3 4 5 VO PZ čas (ms) PO VZ skutečný růběh římka 1 římka 2 římka 3 římka 4 římka 5 římka 6 římka 7 Obr. 24 Průběh tlaku v klikové skříni Pro zadání výstuního tlaku ve výfukovém kanále je oužit stejný ostu. Průběh tlaku a roložení římkami je atrný z grafu na obr. 25. 2 1.5 řetlak-odtlak (bar) 1 0.5 0-0.5 skutečný růběh římka 1 římka 2 římka 3 římka 4-1 0 1 PZ 2 3 PO 4 5 VO čas (ms) VZ Obr. 25 Průběh tlaku ve výfukovém kanále - 46 -

Počáteční odmínky ve válci, v okamžiku otvírání výfukového kanálu, jsou atrné z následujících grafů. Konkrétní hodnoty jsou uvedeny v tabulce 14. 3000 2500 2000 Telota (K) 1500 1000 Válec Výfukový kanál Vylachovací kanály 500 0-90 0 90 180 270 otočení KH ( ) Obr. 26 Průběh telot 70 60 50 Tlak (bar) 40 30 20 10 0-90 0 90 180 270 otočení KH ( ) Obr. 27 Průběh tlaku ve válci - 47 -

Tab. 14 Počáteční odmínky Tlak (MPa) Telota ve válci (K) Válec 6,5 1850 Výfukový kanál 0,9 550 Vylachovací kanály 0,9 350 3.2.3 Vlastní řešení Simulován je ouze cyklus výměny obsahu válce s očátkem v okamžiku otevírání výfukového kanálu. Z časových důvodů je roveden výočet ouze jednoho vylachovacího cyklu ro otáčky nejvyššího točivého momentu. K řešení je oužit imlicitní nestacionární režim Couled s diferenciálními rovnicemi rvního řádu. Pro modelování turbulencí je zvolen standartní k- esilon model. Zadání dvou odlišných složek vzdušin, které ředstavují saliny a vylachovací vzduch je umožněn funkcí Secies transort s nastavením thermal diffusion. U řešeného motoru je vylachování rovedeno ouze čistým vzduchem. Hodnoty měrných teelných kaacit vzduchu závislých na telotě jsou uvedeny v tab.16. Saliny, ve skutečnosti směs několika lynů, jsou nahrazeny jednou složkou, ke které jsou řiřazeny vlastnosti salin ze stechiometrické směsi. Zadávané hodnoty jsou určované za ředokladu, že saliny jsou složeny z 73% N 2, 13% CO 2, 13% H 2 O a 1% O 2. Měrná lynová konstanta salin je určena omocí vztahu 4 wi r sal = R (32) M 1 i Kde w i je zlomkový odíl a M i molární hmotnost dílčího lynu. - 48 -

Molární hmotnost je ak R M sal = (33) r sal R je univerzální lynová konstanta. Tab.15 Molekulární vlastnosti salin N 2 CO 2 H 2 O O 2 SPALINY % obsah 73 13 13 1 100 M (kg / kmol) 28,01 44,01 18,02 32,00 27,56 r (J / kg.k) 295,1 Zadávaná měrná teelná kaacita za konstantního tlaku je Mayerovou rovnicí řeočtena z měrné teelné kaacity za konstantního objemu, která je zjištěna z uvedeného grafu. Obr. 28 Měrné teelné kaacity - 49 -

Měrné teelné kaacity salin ro jednotlivé teloty jsou uvedeny v tabulce 16. Tab.16 Měrná teelná kaacita c 500 K 1000 K 1500 K 2000 K Měrná teelná kaacita salin,=konst (J/kg.K) Měrná teelná kaacita vzduchu,=konst (J/kg.K) 1095 1245 1320 1385 1025 1140 1225 1320 Výočet a rychlost zkonvergování jednotlivých časových kroků je ovlivněna zadáním Courantova čísla. Tato hodnota je závislá na rychlosti roudění a v tomto říadě se hodnota ohybuje v rozmezí 4 až 13. Velikost časového kroku je 0,00002778 s, což odovídá jednomu stuni ootočení klikového hřídele. Ke konvergenci řešení jednoho časového kroku dochází řibližně mezi 350 až 500 iteracemi, řičemž růměrná doba jedné iterace činí kolem 4 s. Na celý výočet, ři oužití růměrné výočetní stanice, ak řiadá celková doba 4 až 6 dnů. Na obr. 29 je růběh residuií jednoho z řešených výočtů s atrnou konvergencí každého časového kroku. Obr. 29 Residua - 50 -

3.3 Otimalizace navržených kanálů Pro otimalizaci jsou navrženy 4 varianty řešení v základu vycházející z varianty 1. Ve všech říadech jde o soustavu kanálů osanou v ka. 3.1. Na obr. 30 je schéma kanálů s hlavními rozměry určujícími základní tvar a vzájemnou olohu kanálů. Varianta 4 B - B A - A Varianta 1 Varianta 2 Varianta 3 Obr. 30 Základní tvary kanálů - 51 -

U všech variant jsou oužita rozvodová data navržena v ka. 3.2. Varianty 1, 2 a 3 se odlišují rozdílnými sklony ředních vylachovacích kanálů viz. obr. 30. Varianta 4 je modifikace varianty 2, u které je změněn sklon k odélné rovině o 13 viz. obr. 30 3.3.1 Vyhodnocení výsledků Změny tvaru ředních (hlavních) vylachovacích kanálů mají vliv na vedení hlavního vylachovacího roudu a tím i na zůsob vyláchnutí válce a únik čerstvé nálně výfukovým kanálem. Do jaké míry ovlivní geometrie těchto kanálů jakost výlachu válce a tím i výkonové arametry motoru umožňuje sledování účinností, které byly osány v ka. 2.1. Určení množství čerstvé nálně či salin ve válci je ve Fluentu umožněno funkcí Volume integrals. Hmotnostní růtoky vzdušin se ak sledují omocí funkce Surface monitors. Výsledky účinností ro jednotlivé varianty jsou zracovány v tabulce 17. Tab.17 Hodnoty účinností Varianta 1 Varianta 2 Varianta 3 Varianta 4 M 1 (g) 0.5388 0.5512 0.5110 0.5533 M y (g) 0,27322 0.3026 0.2932 0.3237 M x (g) 0,09463 0.0874 0.0945 0.0835 M z (g) 0.6024 0.6024 0.6024 0.6024 η V 0.89 0.92 0.85 0.92 η P 0.45 0.50 0.49 0.54 η KVANT 0.53 0.55 0.57 0.58 η KVAL 0.74 0.78 0.76 0.79 β 0.34 0.29 0.32 0.26 Z uvedené tabulky je možné osoudit vliv jednotlivých variant na kvalitu vyláchnutí válce. Z hlediska účinností je nejleší varianta 4. - 52 -

Další z možností osouzení vhodného tvaru kanálů je sledování trajektorií částic umožněné funkcí Path lines. Trajektorie naznačí směr vedeného roudu vzdušiny což vede k rychlé orientaci ve srávnosti určení tvaru a olohy kanálu. Ostré řechodové úhly či malá zaoblení v konstrukci tvaru kanálů mohou zůsobit vznik ztrátových vírů. Tyto se dají odhalit vizualizací vektorů rychlosti či intenzitami turbulencí. V říloze jsou vyobrazeny výsledky simulace varianty 2. V několika sekvencích ootočení klikového hřídele jsou znázorněny hmotnostní odíly salin ve 4 řezných rovinách. Úhel klikového hřídele je měřen od horní úvratě. - 53 -

4 Závěr Práce se zabývala řešením výměny obsahu válce dvoudobého motoru. Hlavním cílem bylo navrhnout hlavní rozměry a vzájemnou olohu výfukových a vylachovacích kanálů s ohledem na nejleší užitné arametry. V rvních krocích byl návrh ověřen orientačním teoretickým výočtem. Následná simulace v rogramu GT-Power ukázala dosažené růběhy výkonu a točivého momentu. Kvalita rocesu výměny obsahu válce je v dalších krocích ověřena výočtem v rogramu Fluent. V tomto rogramu byly řešeny celkem 4 varianty tvarů kanálů, u nichž byla hodnocena kvalita vylachování válce novou nální. Při řešení bylo řikročeno k několika zjednodušujícím ředokladům za účelem snížení komlikací a časové náročnosti. S řihlédnutím k tomuto faktu i ke konečné řesnosti řešení oužitých rogramů nelze výsledky brát jako absolutní řesné hodnoty. I řesto jsou výsledky simulací dobrým vodítkem ro výběr otimální varianty řešení tvarů kanálů. Vzhledem k veliké variabilitě oužitelných konstrukčních řešení nelze tvrdit, že vybrané rovedení motoru je to jediné a nejsrávnější, ale díky omoci moderních rogramových nástrojů jsem vybral řešení s nejlešími vlastnostmi. - 54 -

Seznam oužité literatury [1] VLK, F. : Teorie a konstrukce motocyklů. Brno, Nakladatelství a vydavatelství 2004 [2] JANSA, V. : Konstrukce motocyklů. Praha, SNTL 1960 [3] HUSÁK, P. : Motocykl s dvoudobým motorem. Praha 1978 [4] BEZDĚČNÝ, R.: Otimalizace sacího traktu motoru ML 636 ENE, Dilomová ráce. TUL 2005 [6] VYKOUKAL, R. : Dvoudobé motory vozidlové, SNTL, Praha 1957 [7] KOŽOUŠEK, J. : Teorie salovacích motorů, SNTL, Praha 1971 [8] KOŠŤÁL, J, SUK, B: Pístové salovací motory NČAV, Praha 1963 [9] JENNINGS, G. : Two-stroke Tuner s handbook, 1973 Použitý software: Fluent 6.1 Gambit 2.1.6 GT-Power v6.0.0 Pro ENGINEER Wildfire2, Parametric Technology Cororation MathCAD 11, Mathsoft Inc. AutoCAD 2004, AutoDesk Inc. - 55 -

Seznam říloh Příloha č.1 - Sekvence vyobrazení z výočtu varianty 2 Příloha č.2 - Zdrojový kód UDF souboru Příloha č.3 - Hmotnostní růtoky vylachovacími kanály Příloha č.4 - Vyobrazení válce řešeného motoru Příloha č.5 - Výrobní výkres válce řešeného motoru Přílohy na datovém nosiči DVD 1. Modely kanálů vytvořené v ProEngineeru (.rt soubory) 2. Model vytvořený v Gambitu (.dbs soubory) 3. Data sítí (.msh soubory) 4. Data z Fluentu (.cas,. dat soubory) 5. Data z GT-Poweru (.gx soubor) 6. Výkres z AutoCADu (.dwg soubor) - 56 -

Příloha č. 1 Obr.31 Schéma zobrazení řezů - 57 -

Obr.32 Hmotnostní odíl salin 139-58 -

Obr.33 Hmotnostní odíl salin 149 Obr.34 Hmotnostní odíl salin 169-59 -

obr.39 Ukázka zobrazení trajektorií části - 62 -

Příloha č. 2 Tab.18 Hmotnostní toky vylachovacími kanály KH ( ) Hmotnostní růtok lnicími kanály (kg/s) Var 1 Var 2 Var 3 Var 4 87 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 88 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 89 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 90 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 91 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 92 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 93 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 94 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 95 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 96 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 97 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 98 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 99 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 100 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 101 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 102 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 103 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 104 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 105 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 106 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 107 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 108 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 109 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 110 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 111 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 112 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 113 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 114 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 115 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 116 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 117 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 118 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 119-0.002587-0.000584-0.000217-0.002125 120-0.003971-0.005265-0.004272-0.005479 121-0.009507-0.012141-0.009171-0.010167 122-0.019081-0.021795-0.017272-0.015211 123-0.029569-0.031885-0.025587-0.019095 124-0.039964-0.040908-0.033406-0.020528 125-0.048479-0.047751-0.039183-0.018193 126-0.054302-0.051347-0.042203-0.010641 127-0.056332-0.051041-0.041475 0.003864 128-0.054056-0.046676-0.036412 0.023646 129-0.047350-0.038423-0.026632 0.046817 130-0.036383-0.026480-0.011569 0.072359 131-0.021301-0.011264 0.008528 0.099475 132-0.002621 0.006224 0.032397 0.127220-63 -

133 0.017673 0.025605 0.058210 0.154781 134 0.039821 0.045179 0.085485 0.181041 135 0.062404 0.064850 0.113661 0.205357 136 0.085343 0.084519 0.141963 0.227603 137 0.108506 0.104075 0.169484 0.248157 138 0.131824 0.123411 0.195828 0.268275 139 0.155198 0.142554 0.221260 0.289673 140 0.179296 0.161694 0.246741 0.313912 141 0.204778 0.181478 0.273598 0.341427 142 0.232715 0.202878 0.303029 0.371265 143 0.264168 0.226672 0.335850 0.402111 144 0.299630 0.253758 0.371695 0.432087 145 0.338869 0.284773 0.409260 0.459693 146 0.380655 0.319619 0.446610 0.478076 147 0.423076 0.357533 0.481491 0.491123 148 0.463989 0.397085 0.512220 0.503898 149 0.501242 0.436238 0.526417 0.514829 150 0.533179 0.473115 0.539699 0.523003 151 0.545969 0.506089 0.551503 0.529274 152 0.558688 0.533871 0.561819 0.533514 153 0.569014 0.555868 0.569883 0.535113 154 0.577847 0.566291 0.575667 0.535103 155 0.584835 0.572505 0.579840 0.534191 156 0.589934 0.577768 0.582332 0.519786 157 0.592484 0.581649 0.582702 0.504632 158 0.593680 0.584291 0.581783 0.490033 159 0.593716 0.585635 0.580247 0.476521 160 0.592891 0.584167 0.578391 0.464527 161 0.587710 0.578632 0.575650 0.453947 162 0.581589 0.572860 0.568766 0.444404 163 0.575942 0.566877 0.545761 0.435811 164 0.570571 0.548266 0.525256 0.427898 165 0.565714 0.530399 0.507627 0.420300 166 0.542997 0.513842 0.492790 0.412594 167 0.522814 0.498942 0.480341 0.404303 168 0.505316 0.485884 0.469606 0.394992 169 0.490446 0.474670 0.460027 0.384377 170 0.477903 0.465116 0.450987 0.372263 171 0.467193 0.456971 0.441928 0.358618 172 0.457698 0.449833 0.432376 0.343544 173 0.448847 0.443258 0.421951 0.327287 174 0.440078 0.436789 0.410384 0.310230 175 0.430912 0.430012 0.397482 0.292814 176 0.420978 0.422569 0.383144 0.275561 177 0.410011 0.414182 0.367377 0.258952 178 0.397863 0.404658 0.350272 0.243215 179 0.384455 0.393893 0.332050 0.228599 180 0.369794 0.381873 0.312891 0.215393 181 0.353912 0.368468 0.292965 0.203858 182 0.336946 0.353891 0.272680 0.194125 183 0.319168 0.338364 0.252552 0.186126 184 0.300797 0.322137 0.233142 0.179633 185 0.281991 0.305486 0.214951 0.174317 186 0.263044 0.288706 0.198391 0.169806 187 0.244299 0.272089 0.183739 0.165742 188 0.226153 0.255910 0.171128 0.161797-64 -