ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - FAKULTA STROJNÍ ÚSTAV VOZIDEL A LETADLOVÉ TECHNIKY ODBOR AUTOMOBILŮ, SPALOVACÍCH MOTORŮ A KOLEJOVÝCH VOZIDEL

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ - FAKULTA STROJNÍ ÚSTAV VOZIDEL A LETADLOVÉ TECHNIKY ODBOR AUTOMOBILŮ, SPALOVACÍCH MOTORŮ A KOLEJOVÝCH VOZIDEL DIPLOMOVÁ PRÁCE D 2002 M 11

Anotace Jméno autora: Název diplomové práce: Rozsah práce: D 2002 M 11 : Optimalizace sacího a výfukového potrubí motoru 69 stran, 16 tabulek, 80 obrázků, 7 příloh Akademický rok: Ústav: Vedoucí diplomové práce: Jména konzultantů: U220 Ústav vozidel a letadlové techniky U220.1 Odbor automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel Doc. Ing. Pavel BAUMRUK, CSc. Ing. Miloš Polášek, Ph.D. Ing. Jiří Navrátil Zadavatel tématu: U220.1 Anotace: V programu GT-Power, simulujícím termodynamický oběh motoru, je namodelován sériově vyráběný motor Škoda 1,4 MPI (D/Z = 75,5/78 mm, P e max = 50kW/5000 min -1, M t max = 120 Nm/2500 min -1 ). Je provedena analýza možnosti zvýšení výkonu a celkové účinnosti motoru změnou konfigurace sacího a výfukového traktu, změnou délek potrubí, časování, úhlu otevření a maximálního zdvihu ventilů. Optimalizace byly prováděny pro dosažení maximálního točivého momentu při otáčkách 2500 min -1 a maximálního výkonu při otáčkách 5000 min -1.

Děkuji vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Pavlu Baumrukovi, CSc. za podklady, rady a čas, který mi věnoval při přípravě této diplomové práce. Dále bych rád poděkoval panu Ing. Miloši Poláškovi, Ph.D. a panu Ing. Jiřímu Navrátilovi za připomínky k programu GT-Power. V neposlední řadě chci poděkovat svým rodičům za jejich podporu v celém mém studiu. Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně pouze za odborného vedení vedoucího práce a konzultantů. Veškeré zdroje informací, ze kterých jsem čerpal, jsou uvedené v seznamu literatury. V Praze dne 29.6.2005.................... v.r.

Obsah OBSAH...1 PŘEDMLUVA...3 1 VÝPOČETNÍ SOFTWARE...5 1.1 Program GT-Power...5 1.2 Utilita MufflerDesign...7 1.3 Utilita CamDesign...7 1.4 Princip tvorby modelu...8 2 MOTOR 1,4 L MPI...10 2.1 Technická data...10 2.2 Časování ventilů...11 2.3 Průtokové součinitele kanálů...12 3 MODEL SÉRIOVÉHO MOTORU...13 U 3.1 Čistič vzduchu...13 3.2 Škrtící klapka a sací modul...14 3.3 Výfukový modul...16 3.4 Sací a výfukové ventily...16 3.4.1 Definice úhlů SO a VO...17 3.4.2 Průtokové součinitele...18 3.5 Objekt válec motoru...18 3.5.1 Základní parametry motoru...18 3.5.2 Přestup tepla a objekt teplot stěn...18 3.5.3 Model spalování...18 3.6 Objekt kliková skříň...21 3.6.1 Mechanické ztráty...21 3.7 Geometrický popis modelu...21 3.8 Výsledné parametry základního modelu motoru...24 3.9 Jednoduchý model sériového motoru...26 3.9.1 Výfuková soustava...26 3.9.2 Sací soustava...27 4 NÁVRH SACÍHO TRAKTU...29 4.1 Analýza optimální délky sacího potrubí...29 4.2 Varianta sání 1...30 4.3 Varianta sání 2...31 4.4 Varianta sání 3...32 4.5 Varianta sání 4...34 4.6 Varianta sání 5...36 4.7 Výběr sacího traktu...38 5 NÁVRH VÝFUKOVÉHO TRAKTU...40 5.1 Varianta výfuku A...40 5.2 Varianta výfuku B...42-1 -

5.3 Varianta výfuku C...44 5.4 Výběr výfukového traktu...46 5.5 Teplota výfukových plynů...47 6 OPTIMALIZACE ZDVIHOVÉ FUNKCE VENTILU...49 6.1 Sací ventily úhel otevření...49 6.2 Sací ventily zdvih...51 6.3 Výfukové ventily úhel otevření...53 7 ZHODNOCENÍ DOSAŽENÉHO VÝKONU...55 8 ZÁVĚR...59 SEZNAM OBECNĚ POUŽÍVANÝCH OZNAČENÍ...60 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...61 SEZNAM PŘÍLOH...62 Příloha 1: Preprocesor a procesor GT-Poweru...63 Příloha 2: Postprocesor integrálních veličin...64 Příloha 3: Postprocesor stavových veličin...65 Příloha 4: Model výfuku v GT-Poweru...66 Příloha 5: Průtokové součinitele sacích kanálů protokol z měření...67 Příloha 6: Průtokové součinitele výfukových kanálů protokol z měření...68 Příloha 7: Analýza způsobu optimalizace na její výsledek...69-2 -

Předmluva V dnešním uspěchaném světě, kde přísloví Čas jsou peníze platí víc než kdykoliv předtím, nám počítače slouží k urychlení a zefektivnění práce v mnoha oborech lidské činnosti. Je tomu tak i při vývoji a zlepšování parametrů spalovacích motorů. Počítačová simulace termodynamického oběhu motoru nabývá v posledních letech na významu a využívají ji všechny moderní automobilky světa. Její rozmach je zapříčiněn dostupností výkonné výpočetní techniky a kvalitních programů pro tento účel vytvořených. Přínosem simulace je především možnost analyzovat vliv jednotlivých úprav motoru na jeho výkonové vlastnosti, zlepšovat spolupráci mezi jednotlivými prvky motoru a díky tomu minimalizovat čas a náklady na vývoj a optimalizace motoru. Počítačová simulace však v žádném případě nemůže nahradit výsledky měření na skutečném motoru, protože experimentálně zjištěná data slouží k vytvoření nebo ověření počítačového modelu. Například na aerodynamické trati se zjišťují průtokové součinitele kanálů, měřením na motorové brzdě lze získat rychlostní charakteristiky, měrné spotřeby paliva a jiné veličiny, které slouží k porovnání modelu a skutečného motoru. Tato diplomová práce se zabývá možnostmi jak zvýšit výkon a celkovou účinnost motoru Škoda 1,4 l/50kw MPI, který je v současné době dodáván do vozů Škoda Fabia. Výroba čtyřválcových zážehových motorů, s rozvodem OHV a dvěma ventily na válec, má u nás dlouholetou tradici. Proto si udělejme malou exkursi do historie. První velkoobjemové motory s tímto ventilovým rozvodem začala firma Škoda vyrábět v roce 1929. V osobních vozech byl používán nadále rozvod typu SV. Motory s OHV rozvodem byly montovány do užitkových vozů Škoda 304, 306, 404, 504, 506 a 606. Tehdejší motory dosahovaly z našeho pohledu velmi špatné účinnosti. Například řadový zážehový šestiválcový motor autobusu Škoda 306N viz. obr. 1 dosahoval při zdvihovém objemu 7274 cm 3 výkon 55,2 kw. obr. 1 Autobus Škoda 306N, rok výroby 1929-1939 Do osobních sériově vyráběných automobilů se motor s OHV rozvodem dostal poprvé v roce 1937. Byl použit u oblíbeného vozu Škoda Popular OHV (typ 912) zobrazeném na obr. 2. Tento čtyřdobý zážehový kapalinou chlazený řadový čtyřválec o zdvihovém objemu 995 cm 3 dosahoval výkonu 19,9 kw při otáčkách 3600 min -1. S tímto motorem vůz dosahoval maximální rychlost km.h -1. Tehdejší uváděná spotřeba byla 8 litrů na km. Vyrobeno bylo 5510 kusů. - 3 -

obr. 2 Osobní automobil Škoda Popular OHV (typ 912), rok výroby 1937-1938 Z uvedených údajů je zřejmé, jak velký pokrok udělal automobilový průmysl od té doby. Měrné výkony dnešních motorů jsou běžně dvojnásobné při nižší spotřebě paliva. Také množství vyráběných vozů určitého modelu se nepohybuje v jednotkách tisíců kusů, ale ve statisících. Ve vývoj se však nelze zastavit a je nutné dále se zabývat tím, jak zvýšit účinnost a tím i výkon dnešních motorů. Maximalizace využití vstupující energie a čistota emisí jsou dnešní prvořadé cíle. Zásoby ropy a zemního plynu nejsou nekonečné, a proto se musíme snažit je s co největší účinností využít. Cest jak zvýšit výkon a účinnost spalovacího motoru je mnoho. Pro představu lze uvést například kompresní poměr, průměr a počet ventilů, tvar kanálů, maximální otáčky motoru a tak dále. Mnohé z těchto úprav však zasahují do konstrukce hlavy motoru, klikového mechanismu, pístu a jiných částí, které se musejí vyměnit kvůli aerodynamickým nebo pevnostním vlastnostem. Tato diplomová práce se zabývá možnostmi jak zvýšit výkon bez zásahů do konstrukce motoru. Změny budou pouze na sacím a výfukovém traktu a vačkách. Hlavní důraz byl kladen na maximální využití dynamických jevů v sacím a výfukovém potrubí. Zde tlakové pulsace ovlivňují naplnění válce. Proto byl jejich vliv analyzován pro různé uspořádání sacího a výfukového potrubí. Následně byl optimalizován ventilový rozvod. Pro simulaci byl použit program GT-Power firmy Gamma Technologies, který zohledňuje dynamické účinky při plnění válce motoru. Při simulačních výpočtech není důležitá konkrétní hodnota točivého momentu či výkonu. Hlavním přínosem je diference parametru. Ta nám říká: Pokud změním nějaký parametr o nějakou hodnotu, tak se změna projeví zvýšením čí snížením jiného parametru, což může být např. procentuální nárůst točivého momentu. Tyto poznatky lze následně zobecnit a použít u jiných motorů. Nesmíme ale zapomenout, že se jedná pořád jen o simulaci. Proto by bylo vhodné určité optimalizace ověřit v praxi na skutečném motoru. Simulace nám však určuje cestu, kterou se vydat při vývoji nebo optimalizaci skutečného motoru. - 4 -

1 Výpočetní software Tato diplomová práce byla počítána v programu GT-Power verze 5.2. Vyvíjí jej americká firma Gamma Technologies, Inc. (www.gtisoft.com). Pracovní prostředí je nazýváno GT-SUITE. V něm lze používat řadu navzájem spolupracujících CAE programů viz. obr. 3. obr. 3 Schéma CAE programů spolupracujících v prostředí GT-SUITE Tyto programy jsou určeny pro návrh a analýzu motorů, hnacích jednotek a vozidel. Jedná se o komplexní software umožňující konstruktérům modelovat a analyzovat motor (GT- POWER), dynamiku vozidel (GT-Drive), ventilový rozvod (GT-VTRAIN), chladící systém (GT-COOL), vstřikovací systém (GT-FUEL) a dynamiku klikového hřídele (GT-CRANK). Díky těmto přednostem jej používá v celém světě přes 150 velkých firem zabývajících se automobilovým průmyslem. Na katedře je v současné době licencován pouze GT-POWER, proto budou popsány blíže jeho možnosti. 1.1 Program GT-Power Hlavním kladem je uživatelsky příjemné prostředí, protože program pracuje pod operačními systémy Microsoft Windows a umožňuje používat jejich výhody, jako je např. přenos dat pomocí schránky z jiných programů. GT-Power je složen ze tří základních částí: preprocesor, procesor a postprocesor. Preprocesor slouží k vytvoření modelu motoru a zadávají se do něj všechna data motoru. Procesor je vlastní výpočtový program. Uživatel si může zvolit metodu pro řešení rovnic, s jakým krokem se budou tyto rovnice řešit a podmínky ukončení výpočtu. Prostředí - 5 -

preprocesoru a procesoru je v příloze 1. Postprocesor slouží k číselnému a grafickému zobrazení výsledků výpočtů. Je rozdělen na dvě části. První část slouží k zobrazení integrálních veličin v modelu motoru, ze kterých lze získat také konkrétní číselné hodnoty. Tato část postprocesoru je zobrazena v příloze 2. Druhá část zobrazuje stavové veličin formou grafů nebo přímo číselné hodnoty viz. příloha 3. Výsledky výpočtů se také ukládají ve formátu HTML, což umožňuje rychlou a efektivní presentaci výsledků. GT-Power je simulační program pro výpočet termodynamického oběhu spalovacích motorů. Program je 0-D pokud se jedná o řešení částí jako je válce motoru, turbína, kompresor, aj. Tyto části se řeší jako otevřená termodynamická soustava, kdy je ke všem jejich částem přistupováno jako k objemům. Setrvačné síly jsou zanedbány. Jsou zde řešeny zákony zachování energie a hmotnosti soustavou obyčejných diferenciálních rovnic. Pokud se jedná o sací a výfukový trakt, je program 1-D. Zde se již uvažují setrvačné síly a je řešen kromě zákonů zachování energie a hmotnosti ještě zákon zachování hybnosti. Zde se již řeší numericky parciální diferenciální rovnice. V programu lze namodelovat jakýkoliv typ pístového spalovacího motoru s vnějším nebo vnitřním tvořením směsi. Je zde i model pro zážehové motory s přímým vstřikem paliva do válce. Samozřejmě lze modelovat i přeplňované motory. Pro přeplňované motory lze použít jedno či vícestupňové turbíny a kompresory včetně možnosti variabilní geometrie lopatek. Mohou být použité mechanicky poháněné kompresory. Z dalších komponent lze použít wastegate, bypass, EGR a katalyzátor. Lze použít libovolné palivo uhlovodíkové, alkoholy, vodík aj. Složení nasávaného vzduchu lze měnit včetně jeho vlhkosti. Program také obsahuje utility pro tvorbu tlumiče hluku (MufflerDesign) a vaček (CamDesign) viz. kapitoly 1.2 a 1.3. Mezi další možnosti patří teplotní analýza jednotlivých částí spalovacího prostoru. K řešení je použita metoda konečných prvků. Jako příklad na obr. 4 je uvedeno rozložení teplot na pístu včetně zobrazení elementů sítě. Samozřejmě lze analyzovat i teplotu výfukového a sacího systému. obr. 4 Ukázka teplotní analýzy pístu v postprocesoru včetně sítě MKP modelu Spalování je řešeno pomocí několika modelů spalování. Některé umožňují analýzu produktů spalování, zejména NO X a sazí. Je zde i model určující klepání motoru. Na modelu lze provádět akustickou analýzu. Lze použít model externího mikrofonu, nebo model simulující odjíždějící vozidlo. Výstup je do *.wav souboru, který si lze následně přehrát. Velmi využívanou funkcí GT-Poweru je možnost současné optimalizace až pěti parametrů motoru. Lze optimalizovat např. délku potrubí, průřez potrubí, časování ventilů, - 6 -

předstih zážehu, atd. pro dané otáčky motoru. Optimalizace se provádějí za účelem dosažení maximální (OptimumMax), minimální (OptimumMin), cílové (Target) hodnoty parametru motoru, čímž může být výkon, točivý moment, měrná spotřeba a mnoho dalších. Čas potřebný na optimalizaci závisí na složitosti modelu a na počtu optimalizovaných parametrů. Na základě zkušeností se jeví vhodné optimalizovat maximálně dva parametry současně, neboť výpočtové časy u více parametrů mohou dosáhnout až desítek hodin. Pro nalezení žádané hodnoty je použita numerická metoda půlení intervalu. Program je vytvořen tak, že umožňuje spolupráci s dalšími specializovanými programy. Jedná se zejména o FLUENT, STAR-CD, Simulink, MATRIXx, ISIGHT a Bistro. 1.2 Utilita MufflerDesign Tato utilita GT-Poweru je určená k tvorbě tlumiče hluku. Tvorba probíhá vytvořením skořepiny, která představuje vnější tvar. Tato skořepina se většinou vloží z knihovny a následně upraví. V dalším kroku se do ní vloží komponenty jako jsou potrubí, děrované potrubí, připojovací potrubí, překrývající se potrubí, přepážky a tlumící materiály. Příklad takto vytvořeného 2-D modelu je na obr. 5 vlevo. Po úspěšném vytvoření si lze nechat vykreslit 3-D model viz. obr. 5 vpravo. obr. 5 Prostředí Muffler Designu Pro další úpravy lze soubor uložit s názvem *.mfr. Posledním krokem je vytvoření *.dat souboru a z něj souboru *.gtm, který lze použít do jakéhokoliv modelu motoru v programu GT-Power. 1.3 Utilita CamDesign Tato utilita je další, která je dodávána společně s GT-Powerem. Je určena pro návrh vaček. Prostředí programu je na obr. 6. Podobně jako metoda ÚVMV používá rozdělení zdvihové křivky na jednotlivé úseky. Tyto úseky jsou popsány konkrétními rovnicemi. Pro popis jednotlivých úseků CamDesign používá polynom n-tého stupně. Popis jednotlivých úseků závisí na uživatelem vybrané metodě pro tvorbu vačky. Pro symetrickou vačku lze výhodně definovat pouze polovinu zdvihové funkce. - 7 -

obr. 6 Prostředí CamDesignu Při vytváření vačky se postupuje následovně. Musejí být zadány určité omezení např. úhel otevření, maximální zdvih, zrychlení, 3. derivace zdvihu v jednotlivých bodech. Dále se zadává spojitost do jaké derivace budou dvě sousedící křivky spojité na společné hranici. Při vytváření je k dispozici několik dalších parametrů (zdvih, rychlost, zrychlení, 3. derivace zdvihu) v určitých bodech, které lze ovlivňovat přímo na obrazovce posunem jednotlivých hodnot myší. Při změně kteréhokoliv parametru dochází ihned k překreslení zdvihu, rychlosti, zrychleni a 3. derivace. Po vytvoření vačky lze výsledné hodnoty pomocí schránky přenést do GT-Poweru. 1.4 Princip tvorby modelu Model motoru v preprocesoru se tvoří vkládáním jednotlivých komponent motoru (válce, klikový hřídel, škrtící klapka, potrubí atd.) z databáze GT-Poweru a jejich vzájemným propojováním vazbami. Na obr. 7 je schéma čtyřválcového nepřeplňovaného motoru Škoda 1,4 MPI. Jednotlivé ikony představují objekty (potrubí, škrtící klapka, sací ventil, válec, atd.), kterým lze přiřadit jejich vlastnosti. Jde většinou o tvarové a materiálové vlastnosti, jako jsou délka, tloušťka stěn, drsnost povrchu, diskretizační délka, model pro přestup tepla, počáteční teplota stěn aj. Některé položky lze zvolit jako přednastavené def nebo je zanedbat ign. Dále lze u objektu vybrat, které veličiny se budou ukládat do výstupního souboru. Jsou to především tlak, teplota, hmotnostní tok aj. Po dokončení výpočtu si je lze prohlédnout v post-procesoru. - 8 -

Tlumič hluku Výstup výfukových plynů do atmosféry Katalyzátor Výfukové potrubí Výfukový ventil Válec č.1 Ojnice jednotlivých válců Klikový hřídel Sací ventil Vstup vzduchu do sání Vstřikovací ventil Filtr sání Sací modul Škrtící klapka obr. 7 Model motoru Škoda 1,4 MPI v programu GT-Power - 9 -

2 Motor Škoda 1,4 l MPI Základní koncepce motoru 1,4 l viz. obr. 8 vychází z osvědčeného hliníkového motoru 1,3 l známého z vozů Škoda Felicia. Motor se vyrábí ve dvou výkonových provedeních, 44 kw a 50 kw. Mechanická část je shodná, změny jsou pouze v softwaru řídící jednotky. Tato diplomová práce se zabývá silnější verzí motoru. V této kapitole budou uvedeny všechny důležité informace získané o tomto motoru. 2.1 Technická data obr. 8 Motor 1,4 l MPI Základní data byla získána z dílenské příručky [7]. Vnější momentová a výkonová charakteristika je na obr. 9. Základní data uvádí následující tab. 1. Kód motoru ATZ Konstrukce řadový čtyřválec Ventilů na válec 2 - rozvod OHV Zdvihový objem 1397 cm 3 Vrtání 75,5 mm Zdvih 78 mm Kompresní poměr 10,0 : 1 Jmenovitý výkon 50 kw/5000 min -1 Max. točivý moment 120 Nm/2500 min -1 Čištění výfukových plynů dva katalyzátory a dvě lambda-sondy Emisní norma EU4-10 -

Palivo bezolovnatý benzin, oktanové číslo 95 Vstřikování paliva Simos 3PA (vícebodové, sekvenční) Zapalování elektronické bezkontaktní tab. 1 Technická data motoru Škoda 1,4 l MPI Točivý moment [Nm] 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 90 0 Otáčky motoru [min-1] 80 Točivý moment Mt Výkon Pe obr. 9 Výkonové parametry motoru Škoda 1,4 l/50kw MPI 60 50 40 30 20 10 Výkon [kw] 2.2 Časování ventilů Na obr. 10 je schématicky znázorněno časování ventilů. Dílenská příručka [7] uvádí následující parametry: VO = výfukový ventil otevírá 44 před DÚ VZ = výfukový ventil zavírá 13 po HÚ SO = sací ventil otevírá 17 před HÚ SZ = sací ventil zavírá 40 po DÚ obr. 10 Schéma časování ventilů - 11 -

Vačky ovládající sací a výfukové ventily jsou shodné. Úhel otevření ventilů činí 237 na klikovém hřídeli a překrytí ventilů je 30. Motor je vybaven hydraulickými zdvihátky pro vyrovnávání ventilové vůle. Pro svoji činnost potřebují olej z mazacího okruhu motoru. Hodnoty časování, které udává dílenská příručka, byly naměřeny na motoru v klidovém stavu, kdy nebyl v činnosti mazací okruh motoru, a proto nebyly vymezeny ventilové vůle. Při běžícím motoru se vůle vyrovnají a hodnoty časování se změní. Zvětší se úhel otevření ventilů, překrytí ventilů, ale okamžik maximálního zdvihu ventilu zůstane zachován. 2.3 Průtokové součinitele kanálů Průtokové součinitele kanálů lze získat měřením na aerodynamické trati. Postup měření je podrobně popsán v [1]. Měření bylo provedeno v halových laboratořích ČVUT fakulty strojní doc. Baumrukem na hlavě motoru Škoda 1,3 l, která je shodná s hlavou motoru Škoda 1,4 l. Protokol z měření je uveden v příloze 5 a 6. Pro měření tečné rotace byla použita metoda s impulsním měřičem víření. Výsledkem bylo zjištění průtokových součinitelů μσ v závislosti na poměrném zdvihu ventilu. Průběh je znázorněn na obr. 11. Do programu GT-Power se tento součinitel zadává přímo. Průtokový součinitel kanálů μσ [-] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Sací kanál (ventil dv=31mm) Výfukový kanál (ventil dv=27mm) 0,0 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 zdvih / průměr ventilu (h/dv) [-] obr. 11 Závislost průběhu průtokových součinitelů sacích a výfukových kanálů na poměrném zdvihu ventilu - 12 -

3 Model sériového motoru První model sériového motoru byl vytvořen modifikací jednoho ze vzorových modelů zážehového motoru v GT-Poweru. Za asistence školitele do něj byly zadány základní známé parametry motoru uvedené v kapitolách 2.1, 2.2 a 2.3. Délky potrubí, ojnic a další parametry nebyly v té době k dispozici, proto model sloužil především k seznámení a pochopení tohoto programu. Získáním výkresové dokumentace bylo umožněno vytvořit základní model motoru. Některá vstupní data nebyla stále k dispozici, proto musela být použita data z podobných motorů, nebo byly ponechány původní hodnoty. Nyní budou popsány jednotlivé důležité části modelu motoru tak, jak následují od vstupu sání až po koncovku výfuku podle obr. 7. V kapitole 3.7 bude podrobně popsán geometricky celý model. 3.1 Čistič vzduchu Na obr. 12 je vidět sestava čističe vzduchu se vstupním potrubím a následujícím potrubím, které končí vstupem do komory škrtící klapky. Vpravo je model v GT-Poweru. obr. 12 Sestava čističe vzduchu s přípojným potrubím a model v GT-Poweru Popis pozic na obr. 12: 1-Sací hrdlo 8-Skříň vzduchového filtru spodní část 2-Pružná spona 9-Sací hrdlo s regulační klapkou 3-Hadice sání 10-Nasávání teplého vzduchu 4-Skříň vzduchového filtru-vrchní část 11-Šroubová spona 5-Šroub 12-K odvětrání klikové skříně 6-Vložka filtru 13-Šroub 7-Šroub - 13 -

Při tvorbě modelu motoru v GT-Poweru byly provedeny následující zjednodušení modelu: tvarově složité součásti jsou nahrazeny jednoduššími některé komponenty jsou zanedbány ohyby potrubí jsou nahrazeny přímými úseky potrubí nekruhového průřezu jsou nahrazena potrubím kruhového průřezu Hlavním cílem při zjednodušování bylo zachovat délky a průřezy potrubí, které hrají důležitou roli při výpočtech tlakových pulsací v sacím traktu. Další podmínkou bylo zachovat přibližně stejné objemy všech částí. Na základě těchto zjednodušení bylo namodelováno vstupní hrdlo jako trubka kruhového průřezu konfuzorového tvaru. Skříň vzduchového filtru (pozice 8 a 4 na obr. 12) je tvořena vstupní rozšiřující se částí a dále trubkou průměru 150 mm a délky 200mm. Zakončena je zužující se částí. Vložka filtru je zanedbána. Následuje přímé potrubí, které je napojeno na škrtící klapku. 3.2 Škrtící klapka a sací modul Jak již bylo dříve řečeno, je na katedře k dispozici výkresová dokumentace sacího modulu a hlavy válců, čehož bylo využito pro změření jejich rozměrů, zejména délek a průměrů potrubí. Na obr. 13 je zobrazena sestava a model sacího modulu, včetně škrtící klapky a vstřikovací lišty. Škrtící klapka je sestavena ze vstupní a výstupní válcové části tvořené trubkou a samotnou škrtící klapkou. Škrtící klapka je definována jejím průměrem, který je 46 mm a průtokovým součinitelem μσ viz. tab. 2. Naměřená data jsou pro škrtící klapku u motoru VW 1,4 l OHC. Z hlediska prováděných výpočtů by bylo postačující znát průtokové součinitele pro plně otevřenou klapku. Otevření škrtící klapky α Průtokový součinitel μσ (pro oba směry průtoku) [%] [ ] [-] 0 0 0,01 20 18 0,05 40 36 0,18 50 45 0,28 60 54 0,4 80 72 0,68 90 0,71 tab. 2 Průtokové součinitele μσ na škrtící klapce Při tvorbě sacího modulu bylo postupováno dle výše uvedených zjednodušení. Sací potrubí od hlavy válců až po společný objem má stejnou délku L = 266 mm. Tato délka je důležitá, protože při proudění v potrubích lze dosáhnout známého efektu laděného potrubí. Při zvoleném nastavení časování sacího ventilu lze využít tlakových pulsací v sacím potrubí ke zvýšení naplnění válce zvýšením tlakového spádu těsně před zavřením sacího ventilu. Tím dochází k tzv. atmosférickému přeplňování. Nevýhodou tohoto principu je, že funguje jen v úzkém rozmezí otáček. K využití efektu v širším otáčkovém spektru lze dosáhnout variabilním časováním sacích ventilů nebo proměnnou délkou sacího potrubí. - 14 -

obr. 13 Sestava škrtící klapky a sacího modulu a model motoru Popis pozic na obr. 13: 1-Rozdělovač paliva 7-Matice 2-Šroub 8-Snímač tlaku a teploty nasávaného vzduchu 3-Jednotka ovládání škrtící klapky 9-Šroub 4-Těsnění 10-K odvětrání klikové skříně 5-Sací potrubí 11-K elektromagnetickému ventilu nádoby s aktivním uhlím 6-Těsnění 12-Šroub - 15 -

3.3 Výfukový modul Výfukové potrubí je namodelováno stejným způsobem jako sací potrubí. Na vozidle jsou nainstalovány dva tlumiče hluku (pozice 18 na obr. 14). V modelu bylo potrubí (pozice 16) a zadní tlumič zanedbány a model byl ukončen prvním tlumičem hluku. Jako tlumič hluku byl použit model (muffler1.gtm), který je součástí GT-Poweru viz. příloha 4. obr. 14 Sestava výfukové soustavy a model Odlitek výfukového potrubí (pozice 4) odvádí výfukové plyny od jednotlivých válců do společného objemu, na který je napojeno potrubí (pozice 21). Potrubí od 1. a 4. válce mají větší délku než potrubí od 2. a 3. válce. Tato skutečnost byla do modelu samozřejmě zahrnuta. Délky trubek jsou L 14 = 230 mm a L 23 = 160 mm. 3.4 Sací a výfukové ventily Zdvihové funkce ventilů a maximální zdvihy ventilů patří mezi data, která se nepodařilo získat. Známé jsou jen průměry ventilů a fakt, že úhel otevření sacího a výfukového ventilu jsou shodné. Do modelu se zadávají přímo zdvihové funkce jednotlivých ventilů, které byly pro sací i výfukový ventil zvoleny stejně. Průběh zdvihu, rychlosti a zrychlení ventilů zobrazuje obr. 15. Tyto křivky byly získány od Prof. Macka, který v tabulkovém procesoru provedl přepočet zdvihové funkce vačky VW EA111 přes rozvod OHV na ventil. - 16 -

zdvih ventilu [mm] rychlost ventilu [m.s-1] 9 4500,0 8 7 3500,0 6 5 2500,0 4 3 1500,0 2 1 500,0 0-1-80-70 -60-50 -40-30 -20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80-500,0-2 -3-1500,0-4 -5-2500,0 úhel [ ] zrychlení ventilu [m.s-2] Zdvih ventilu Rychlost ventilu Zrychlení ventilu obr. 15 Zdvihové křivky ventilů 3.4.1 Definice úhlů SO a VO Program GT-Power umožňuje dvě možné definice úhlu otevření ventilů SO a VO. První definice uvažuje úhel otevření jako vzdálenost mezi horní úvratí (komprese-expanze) a okamžikem prvního fyzického pohybu ventilu. U vaček s velmi pozvolným nárůstem zdvihu je na počátku ventil několik stupňů prakticky uzavřený a protéká jím jen malé množství směsi. Tím je skutečný úhel otevření ventilu posunut o několik stupňů později. Proto je k dispozici druhá možnost. Úhel otevření definovat polohou maximálního zdvihu ventilu vůči HÚ pístu mezi zdvihy komprese-expanze viz. obr. 16. Všechny údaje o časování ventilů v diplomové práci budou uvedeny podle této definice. zdvih ventilu [mm] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 HÚ DÚ HÚ DÚ HÚ úhel na klikovém hřídeli [ ] VO SO obr. 16 Definice úhlu SO, VO v GT-Poweru Výfukový ventil Sací ventil - 17 -

3.4.2 Průtokové součinitele Pro úplné zadání sacích a výfukových ventilů je nutné zadat průtokové součinitele pro dopředné i zpětné proudění. V našem případě jsou z měření známé pouze průtokové součinitele směrem do válce u sacích kanálů a z válce u výfukových kanálů. Pro oba směry proudění se uvažují stejné hodnoty průtokových součinitelů. Z některých měření na aerodynamické trati byly zjištěny při dopředném a zpětném proudění rozdílné hodnoty, ale především v oblasti větších zdvihů ventilu. Zpětné proudění lze očekávat pouze při malých zdvizích ventilů. Použité zjednodušení nemá vliv na kvalitu výpočtu. Při měření průtokových součinitelů se měří současně kanál i ventil a je důležité, aby u části, která představuje kanál v hlavě motoru byl, uvažován bezztrátový průtok. 3.5 Objekt válec motoru V objektu Válec motoru se zadávají základní geometrické parametry motoru, dále pak se zde definuje spalování a přestupy tepla ze spalovacího prostoru. 3.5.1 Základní parametry motoru V tab. 3 jsou uvedeny parametry motoru zadávané v objektu válec motoru. Veličina Hodnota Vrtání 75,5 mm Zdvih 78 mm Délka ojnice 133 mm Vyosení pístního čepu 0,5 mm Kompresní poměr ε 10,0 tab. 3 Základní parametry motoru 3.5.2 Přestup tepla a objekt teplot stěn Výpočet přestupu tepla je prováděn pomocí Woschniho modelu. Pro výpočet přestupu tepla ze spalovacího prostoru je potřeba znát povrchové teploty. Tyto teploty jsou počítány řešičem (EngCylTWallSoln). Pro správnou funkci řešiče je potřeba odhadnout počáteční povrchové teploty v určených místech pístu, hlavy válců, ventilů, chladící kapaliny a oleje. Dále je nutné geometricky popsat píst, spalovací prostor a válec. Pro podrobnější informace odkazuji na [8]. 3.5.3 Model spalování Spalování bylo namodelováno pomocí Wiebeho funkce (v GT-Poweru objekt EngCylCombSIWiebe). Tato funkce simuluje vývin tepla (Heat Release) ve válci při spalování. Protože nebylo k dispozici měření na uvažovaném motoru, byla použita data z měření na motoru Škoda 1,2l HTP. Wiebeho křivka je v GT-Poweru zadána následujícími parametry: Anchor Angle - určuje úhel mezi horní úvratí a polohou pístu, kdy shořelo 50% paliva. Na obr. 17 je uvedena tato závislost z měření. Hodnoty byly proloženy polynomem druhého stupně a pro jednotlivé otáčky zadány formou tabulky do modelu. - 18 -

Úhel pro 50 % shořelého paliva [ na klikové hřídeli po HÚ] 16 14 12 10 8 6 4 2 y = -6E-07x 2 + 0,0015x + 11,409 R 2 = 0,8372 0 Otáčky motoru [min-1] Motor Škoda 1,2l HTP Polynomický (Motor Škoda 1,2l HTP) obr. 17 Závislost doby shoření 50 % paliva na otáčkách motoru (Anchor Angle) Duration tato konstanta určuje dobu trvání hoření 10 % až 90 % paliva. Opět je závislá na otáčkách motoru. Z měření je znám úhel Δα s0-95% odpovídající době hoření 0 až 95 % paliva viz. obr. 18. Pro vyhlazení průběhu byla křivka proložena polynomem třetího stupně. Doba hoření [ na klikové hřídeli] 60 50 40 30 20 10 y = 8E-10x 3-9E-06x 2 + 0,0366x - 0,757 R 2 = 0,9058 Motor Škoda 1,2l HTP Polynomický (Motor Škoda 1,2l HTP) 0 Otáčky motoru [min-1] obr. 18 Doba hoření paliva v závislosti na otáčkách motoru Pro odhadnutí úhlu hoření 10 % až 90 % paliva byla využita rovnice (1) popisující Wiebeho funkci: x Q Qp = m. H p ( α ) u. η chem = 1 e m+ 1 3. α α PH Δαs 0 95% kde je x Q......... poměrné vyvinuté teplo [1] Q p (α)..... přivedené teplo [J] m p........ hmotnost přivedeného paliva [kg] (1) - 19 -

H u........ výhřevnost paliva [J.kg -1 ] η chem...... chemická účinnost hoření [1] α......... úhel na klikové hřídeli [ ] α PH....... počátek hoření [ ] Δα s0-95%... doba hoření 0-95 % paliva [ ] m......... Wiebeho exponent Do rovnice byly dosazeny hodnoty doby hoření paliva Δα s0-95% získané proložením hodnot z měření viz. obr. 18. Úhel α PH = 0, protože hodnota úhlu hoření Δα s0-95% je již bez průtahu zážehu. Wiebeho exponent byl zvolen 1,7. Zobrazením Wiebeho funkce do grafu lze odečíst hodnoty úhlů pro hoření 10 až 90 % paliva viz. obr. 19. Rychlost vývinu tepla [1/ ] 0,035 0,0315 0,028 0,0245 0,021 0,0175 0,014 0,0105 0,007 0,0035 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 10-90% Doba hoření 0-95% [ na klikové hřídeli] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Poměrné vyvinuté teplo [1] Rychlost vývinu tepla Poměrné vyvinuté teplo obr. 19 Poměrné vyvinuté teplo (Normalized Cumulative Heat Release) a rychlost vývinu tepla (Heat Release Rate) pro otáčky 5500 min-1 Výsledek tj. hodnoty úhlu na klikové hřídeli pro hoření 10-90 % paliva jsou zobrazeny na obr. 20. Tyto hodnoty byly formou tabulky zadány do GT-Poweru. Úhel hoření 10-90% paliva [ ] 35 30 25 20 15 10 5 0 Otáčky motoru [min-1] obr. 20 Doba hoření 10 90 % paliva - 20 -

Wiebe Exponent tento exponent má vliv na tvar Wiebeho křivky. Stejně jako v rovnici (1) byla použita hodnota 1,7. 3.6 Objekt kliková skříň V tomto objektu byl zadán počet válců tj. 4 a jejich uspořádání tj. v řadě. Dále se zde zadává pořadí zapalování válců, v našem případě 1-3-4-2 a jejich uspořádání na klikové hřídeli. V neposlední řadě se zde uvádějí otáčky motoru a mechanické ztráty motoru, které jsou podrobně popsány v následující kapitole 3.6.1. 3.6.1 Mechanické ztráty Mechanické ztráty jsou v GT-Poweru zadány jako ztrátové tlaky p z. Tento experimentálně zjišťovaný údaj se nepodařilo pro uvažovaný motor zjistit. Proto byly použity ztrátové tlaky tříválcového motoru Škoda 1,2 l. Z měření byla známá mechanická účinnost motoru η m a indikovaný tlak p i. Ze vzorce pro mechanickou účinnost motoru (2) vyjádříme p z a dostaneme výsledný vztah (3). p p p p e i z z ηm = = = 1 (2) pi pi pi p = ( 1 η ). p (3) z m i Po vytvoření modelu byly ztrátové tlaky mírně upraveny viz. obr. 21, aby se vnější momentová charakteristika více přiblížila sériovému motoru. 0,18 ztrátový tlak pz [MPa] 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 Motor 1,2 HTP Model motoru 1,4 MPI 0,06 0 0 2000 3000 4000 5000 6000 otáčky motoru n [min-1] obr. 21 Závislost ztrátového tlaku na otáčkách a tabulka použitých hodnot 3.7 Geometrický popis modelu Pro představu o rozměrech jednotlivých částí motoru je nutné model popsat geometricky. Na obr. 22 je model motoru v GT-Poweru a popis jednotlivých částí je zanesen v tab. 4. - 21 -

Číslo Název Vlastnosti 1 Prostředí tlak = 0,1MPa; teplota = 300 K; složení = vzduch (hmotnostně 76,7% N 2 a 23,3% O 2 ) 2 Potrubí d vstup= 40 mm; d výstup = 60 mm; L = 360 mm 3 Vstup čističe vzduchu d vstup= 60 mm; d výstup = 150 mm; akumulační objem = 2 013 750 mm 3 4 Čistič vzduchu d vstup= d výstup =150 mm; L = 200 mm 5 Výstup čističe vzduchu d vstup= 60 mm; d výstup = 150 mm; akumulační objem = 2 013 750 mm 3 6 Potrubí d vstup= d výstup =60 mm; L = 450 mm 7 Vstup škrtící klapky d vstup= d výstup =50 mm; L = 40 mm 8 Škrtící klapka 46mm, průtokové součinitele viz.tab. 2 9 Výstup škrtící klapky d vstup= d výstup =50 mm; L = 40 mm 10 Potrubí d vstup= 50; d výstup = 60 mm; L = 60 mm 11 Koleno-potrubí d vstup= d výstup = 60 mm; L = mm; R = 65 mm; úhel ohybu = 45 12 T-potrubí d vstup (z kolena) = 60 mm; d výstup (přímý směr) = 56 mm; L = 20mm (odpovídá diskretizační délce) 13 Potrubí d vstup= d výstup = 56 mm; L = 35 mm 14 T-potrubí d vstup (přímý směr) = 56 mm; d výstup (do potrubí č.15) = 26,5 mm; L = 20mm (odpovídá diskretizační délce) 15 Potrubí d vstup= d výstup = 56 mm; L = 20 mm 16 T-potrubí viz. T-potrubí č.14 17 Konec potrubí 18 Potrubí d vstup= d výstup = 26,5 mm; L = 246 mm 19 Potrubí d vstup= d výstup = 26,5 mm; L = 20 mm 20 Vstřikovač vstřikuje benzín doprostřed potrubí č.19; součinitel přebytku vzduchu λ = 0,9 21 Potrubí d vstup= 26,5 mm; d výstup = 29,5 mm; L = 92 mm 22 Sací ventil d s = 31 mm; SO = 455 na klikové hřídeli; zdvihová funkce viz. obr. 15; průtokové součinitele viz. příloha 5. 23 Válec motoru vrtán í = 75,5 mm; zdvih = 78 mm; délka ojnice = 133 mm; vyosení pístního čepu = 0,5 mm; kompresní poměr = 10 24 Kliková hřídel čtyřválcový čtyřdobý řadový motor; zapalování 1-3-4-2; mech. ztráty viz. obr. 21 25 Výfukový d v = 27 mm; VO = 248 na klikové hřídeli; zdvihová funkce viz. obr. 15; průtokové ventil součinitele viz. příloha 6 26 Potrubí d vstup = 28 mm; d výstup = 32 mm; L = 85 mm 27 Potrubí d vstup = d výstup = 32 mm; L = 40 mm 28 Potrubí d vstup = d výstup = 32 mm; L = 190 mm (delší potrubí od 1. a 4. válce) 29 Potrubí d vstup = d výstup = 32 mm; L = 120 mm (kratší potrubí od 2. a 3. válce) 3 30 Spojení potrubí akumulační objem = 98 000 mm 31 Potrubí d vstup = d výstup = 40 mm; L = 710 mm 32 Vstup do akumulační objem = 347 924 mm 3 katalyzátoru 33 Katalyzátor průřez 6363 mm 2 ; procento průtočné plochy = 70 %; hustota buněk = 62 cm ; L = 135 mm; 34 3 Výstup z akumulační objem = 347 924 mm katalyzátoru 35 Potrubí d vstup = d výstup = 40 mm; L = 410 mm 36 Tlumič hluku viz. přílo ha 4 37 Hrdlo průtokový součinitel = 1 pro oba směry proudění 38 Prostředí viz. prostředí č.1 tab. 4 Popis jednotlivých součástí základního modelu motoru - 22 -

36 37 38 35 34 33 32 31 30 28 29 27 26 25 23 22 21 24 1 20 19 2 18 3 4 5 12 17 16 15 14 13 11 10 6 7 8 9 obr. 22 Základní model motoru očíslovaný pro geometrický popis - 23 -

3.8 Výsledné parametry základního modelu motoru Pro ověření shody modelu se skutečným motorem sloužila jako základ vnější momentová a výkonová charakteristika. Ostatní parametry motoru nebyly k dispozici, proto jsem použil naměřená data z tříválcového motoru Škoda 1,2l HTP. Tento motor má samozřejmě poněkud jiné parametry, ale koncepce je velmi podobná a je od stejného výrobce. Dosažení co největší shod y v průběhu momentové a výkonové charakteristiky dává předpoklad správně nastavených parametrů pro výpočet. Některé převzaté parametry z tříválce bylo nutno upravit. Na obr. 23 a obr. 24 uvádím jednak porovnání točivého momentu a výkonu v celém otáčkovém rozsahu sériového motoru a základního modelu a jednak porovnání měrné spotřeby a plnící účinnosti tříválce a základního modelu. Zatímco shoda u točivého momentu a výkonu je velmi dobrá, u měrné spotřeby a plnící účinnosti jsou již větší rozdíly. 130 425 Točivý moment [Nm] 120 110 90 80 70 400 375 350 325 300 275 Měrná spotřeba paliva [g/kw.h] 60 250 Otáčky motoru [min-1] Točivý moment - sériový motor Měrná spotřeba - Škoda 1,2 HTP Točivý moment - základní model Měrná spotřeba - základní model obr. 23 Vn ější momentová charakteristika a měrná spotřeba paliva 60 Výkon [kw] 50 40 30 20 10 Výkno - sériový motor Výkon - základní model 0 Otáčky motoru [min-1] Plnící ú č innost [%] 90 80 70 60 50 obr. 24 Výkon a plnící účinnost Plnící účinnost - Škoda 1,2 HTP Plnící účinnost - základní model 0 Otáčky motoru [min-1] - 24 -

Měrná spotřeba paliva by měla být teoreticky u silnějšího čtyřválcového motoru v porovnání se slabším tříválcem vyšší. GT-Power však vypočítal spotřebu naopak nižší, a to v celém otáčkovém spektru. Souvisí to s naladěním modelu, zvláště pak koeficientů přestupu tepla. Na následujícím obr. 25 jsou zobrazeny efektivní, indukované a maximální tlaky a na obr. 26 jsou vyneseny účinnosti motoru. Všechny tyto parametry vykazují dobrou shodu s tříválcovým motorem. Proto není nutné se problémem s měrnou spotřebou paliva dále zabývat. Tento parametr nemá zásadní vliv na prováděné optimalizace sacího a výfukového traktu. Efektivní a indukovaný tlak [bar] 20 18 16 14 12 10 8 70 60 50 40 30 20 10 Maximální tlak ve válci [bar] 6 0 0 Otáčky motoru [min-1] Efektivní tlak - Škoda 1,2 HTP Indikovaný tlak - Škoda 1,2 HTP Maximální tlak - Škoda 1,2 HTP Efektivní tlak - základní model Indikovaný tlak - základní model Maximální tlak - základní model obr. 25 Efektivní, indukovaný a maximální tlak Indikovaná a celková účinnos t motoru [%] 38 36 34 90 80 32 70 30 60 28 50 26 40 0 Otáčky motoru [min-1] Indikovaná účinnost - Škoda 1,2 HTP Indikovaná účinnost - základní model Celková účinnost - Škoda 1,2 HTP Celková účinnost - základní model Mechanická účinnost - Škoda 1,2 HTP Mechanická účinnost - základní model Mechanická účinnost [%] obr. 26 Indikovaná, celková a mechanická účinnost motoru - 25 -

3.9 Jednoduchý model sériového motoru Po vytvoření základního modelu, na němž byla prokázána shoda se sériovým motorem, jsem dospěl k závěru, že i přes určitá zjednodušení je model příliš složitý a na optimalizační výpočty nevhodný. Propočet sedmnácti bodů vnější momentové čáry trval 36 minut. Ověřoval jsem možnosti zjednodušení modelu a jejich vliv na základní parametry motoru. 3.9.1 Výfuková soustava Výfukovou soustavu jsem zjednodušil odstraněním katalyzátoru a složitý tlumič výfuku nahradil nádobou 200 mm a délky 400 mm, viz.obr. 28. Potrubí mezi touto nádobou a sběrným potrubím bylo ze 710 mm zkráceno na 200 mm. Za nádobu jsem dal škrtící element, jehož průřez jsem zoptimalizoval na 33,7 mm tak, aby střední tlak v potrubí před nádobou byl stejný jako u základního modelu. V tab. 5 je hodnota vyznačena červeně. Optimalizace byla provedena pro 3500 min -1. Toto zjednodušení urychlilo propočtení vnější momentové čáry na 13 minut. Vliv na vnější momentovou charakteristiku není nikterak významný, což je vidět na obr. 27. Základní model s tlumičem a Jednoduchý model s Otáčky motoru min -1 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Celkový tlak bar 1,004 1,060 1,036 1,053 1,098 1,115 1,136 1,171 1,211 Maximální tlak bar 1,062 1,079 1,125 1,161 1,179 1,205 1,235 1,276 1,303 Minimální tlak bar 0,987 0,993 0,999 1,029 1,069 1,094 1,096 1, 1,122 Amplituda tlaku bar 0,075 0,086 0,126 0,131 0,111 0,112 0,139 0,176 0,181 Průměrný tlak bar 1,016 1,028 1,048 1,079 1,117 1,143 1,158 1,171 1,193 Celkový tlak bar 0,972 0,972 1,069 1,123 1,172 1,218 1,243 1,249 1,266 Maximální tlak bar 1,176 1,227 1,317 1,262 1,255 1,283 1,365 1,358 1,317 Minimální tlak bar 0,925 0,911 0,914 0,960 1,003 1,026 0, 986 0,998 1,049 Amplituda tlaku bar 0,251 0,316 0,403 0,303 0,253 0,257 0,379 0,360 0,268 Průměrný tlak bar 1,035 1,054 1,085 1,098 1,118 1,142 1,158 1,168 1,178 tab. 5 Tlakové poměry v potrubí u základního modelu a jednoduchého modelu katalyzátorem ná hrad ou tlumiče 130 Točivý moment [Nm] 120 110 90 80 Otáčky motoru [min-1] Základní model Model s náhradou výfuk obr. 27 Točivý moment před a po zjednodušení výfuku - 26 -

Škrtící element 33,7 mm obr. 28 Složitý a zjednodušený model výfuku 3.9.2 Sací soustava Dále byl učiněn pokus zjednodušit sací soustavu. Na obr. 29 vidíme sací potrubí před a po zjednodušení. Při zjednodušování sací soustavy bylo postupováno následovně: odstraněno vstupní hrdlo a filtr sání odstraněno potrubí mezi filtrem a škrtící klapkou odstraněna škrtící klapka a část následujícího potrubí Změny vnější momentové charakteristiky při postupném zjednodušování sacího traktu lze sledovat na obr. 30. obr. 29 Složit á a zjednodušená sac í soustava - 27 -

130 Točivý moment [Nm] 120 110 90 80 Otáčky motoru [min-1] Základní model 1. Zjednodušen výfuk 2. Odstraněn filtr sání se vstupním hrdlem 3. Odstraněno potrubí před škrtící klapkou 4. Odstraněna škrtící klapka a část následující trubky obr. 30 Změna točivého momentu při zjednodušování Odstraňováním částí sací soustavy dochází ke značným změnám momentové charakteristiky v rozmezí otáček 1500 4000 min -1. Tento jev je zapříčiněn změnou celkové délky sacího potrubí, na které dochází k tlakovým pulsacím. Tyto pulsace výrazně ovlivňují naplnění válce. Vzhledem k výraznému vlivu sacího traktu na vnější momentovou charakteristiku bylo upuštěno od zjednodušení a model byl ponechán beze změn. Pro následující optimalizace bude použit model se zjednodušeným výfukem viz kap. 3.9.1. Vnější momentová charakteristika tohoto modelu je na obr. 27. Tato charakteristika bude srovnávací pro následující optimalizované modely. - 28 -

4 Návrh sacího traktu V této kapitole bude analyzováno pět různých variant sacího potrubí. Pro každou variantu byla provedena dvouparametrická optimalizace délky sacího potrubí a časování otevření sacího ventilu. Volba dvouparametrické optimalizace je zdůvodněna v příloze 7. Modely sacího traktu byly vytvořeny úpravami základního modelu se zjednodušeným výfukem. Optimalizace byly prováděny při dvou otáčkových režimech. Pro dosažení maximálního výkonu při otáčkách 5000 min -1 a pro dosažení maximálního točivého momentu při otáčkách 2500 min -1. U každé varianty je tabulka s hodnotami optimalizací včetně procentuálního zhodnocení nárůstu či poklesu výkonu a momentu vůči základnímu zjednodušenému modelu. Dále lze na grafech vidět vnější momentovou a výkonovou charakteristiku pro optimalizace na maximální moment a výkon. Tyto grafy budou použity k výběru nejvýhodnější varianty. 4.1 Analýza optimální délky sacího potrubí Před započetím optimalizací bylo nutné provést analýzu délky sacího potrubí, za účelem následné volby optimalizačních mezí. Tato analýza byla provedena na základním modelu při otáčkách 2500 a 5000 min -1. Průběh točivého momentu v závislosti na délce sacího potrubí můžeme vidět na obr. 31. Točivý moment Mt [Nm] 120 119 118 117 116 115 114 113 112 otáčky 2500 min-1 111 0 200 400 600 800 0 1200 1400 Délka sacího potrubí [mm] Točivý moment Mt [Nm] 95 90 85 80 75 70 65 60 55 otáčky 5000 min-1 50 0 200 400 600 800 0 1200 1400 Délka sacího potrubí [mm] obr. 31 Analýza délky sacího potrubí na točivý moment motoru Z tohoto rozboru je zřejmé, že při optimalizaci pro dosažení maximálního točivého momentu při 2500 min -1 se vyskytují dva vrcholy. Druhý vrchol pro délku potrubí přibližně 900 mm je na skutečném motoru nereálný. Pro dosažení maximálního výkonu při otáčkách 5000 min -1 je ideální velmi krátké potrubí. Proto bude délka potrubí optimalizována v rozsahu 40-520 mm. - 29 -

4.2 Varianta sání 1 Základní uspořádání sacího potrubí na obr. 32 odpovídá provedení u sériového motoru. Zvýrazněné červené čáry představují trubky od společného objemu až k hlavě válců, jejichž délka je optimalizována a má zásadní vliv na ovlivnění naplnění válců. V tab. 6 jsou uvedeny výsledné hodnoty optimalizací. obr. 32 Varianta sání 1 - schéma Délka sací trubky [mm] Časování sacího ventilu [ ] Točivý moment při 2500 min -1 [Nm] Výkon při 5000 min -1 [kw] Sériový motor 266 455 120,78 49,6 Optimalizace na maximální 122,0 50,6 točivý moment při 2500 min -1 287,5 460,0 (+1,0 %) (+2,1 %) Optimalizace na maximální 114,2 54,1 výkon při 5000 min -1 173,8 473,8 (-5,4 %) (+9,1 %) tab. 6 Varianta sání 1 hodnoty délky sací trubky, časování, výkonu a momentu Pokud porovnáme délku sacího potrubí po optimalizaci při otáčkách 2500 min -1 s délkou u sériového motoru, zjistíme, že rozdíl činí pouhých 21,5 mm. Z toho vyplývá, že potrubí u sériového motoru je naladěno právě na dosažení maximálního točivého momentu přibližně při otáčkách 2500 min -1. I z obr. 33 je zřejmé, že křivky se od sebe příliš neliší. Mírné zlepšení točivého momentu v rozmezí 3500-5000 min -1 je zřejmě způsobeno změnou časování, které se posunulo z původních 455 na 460. Vnější momentová charakteristika Vnější výkonová charakteristika 140 60 Točivý moment [Nm] 130 120 110 90 Sériový motor 80 Varianta sání 1 70 Výkon [kw] 50 40 30 20 Sériový motor 10 Varianta sání 1 0 obr. 33 Varianta sání 1 - optimalizováno na maximální točivý moment - 30 -

Po optimalizaci na maximální výkon při otáčkách 5000 min -1 se dosáhlo navýšení výkonu o 9,1 %. Točivý moment v nízkých a středních otáčkách je nižší než původní, což lze předpokládat. Průběh točivého momentu a výkonu je vidět na obr. 34. Vnější momentová charakteristika Vnějsí výkonová charakteristika 140 60 ivý moment [Nm] Toč 130 120 110 90 80 Sériový motor Varianta sání 1 70 on [kw] k Vý 50 40 30 20 10 Sériový motor Varianta sání 1 0 4.3 Varianta sání 2 obr. 34 Varianta sání 1 - optimalizováno na maximální výkon Druhá varianta se liší od první jen ve vstupu do společného objemu. V první variantě byl vstup modelován T-elementem a proud se větvil do dvou směrů. U této varianty je vstup v přímém směru viz. obr. 35. V tab. 7 jsou opět uvedeny všechny důležité hodnoty optimalizací. obr. 35 Varianta sání 2 - schéma Délka sací trubky [mm] Časování sacího ventilu [ ] Točivý moment při 2500 min -1 [Nm] Výkon při 5000 min -1 [kw] Sériový motor 266 455 120,78 49,6 Optimalizace na maximální 122,6 50,8 točivý moment při 2500 min -1 295,6 460,6 (+1,5 %) (+2,5 %) Optimalizace na maximální 114,6 54,2 výkon při 5000 min -1 185,9 474,7 (-5,1 %) (+9,3 %) tab. 7 Varianta sání 2 hodnoty délky sací trubky, časování, výkonu a momentu Při optimalizaci na maximální točivý moment při otáčkách 2500 min došlo k mírnému nárůstu točivého momentu v rozmezí 2250-5500 min -1 viz. obr. 36. Tento nárůst momentu je ve vyšších otáčkách nepatrně vyšší než u první varianty. -1-31 -

Vnější momentová charakteristika Vnější výkonová charakteristika 140 60 m] Točivý moment [N 130 120 110 90 80 Sériový motor Varianta sání 2 Výkon [kw] 50 40 30 20 10 Sériový motor Varianta sání 2 70 0 obr. 36 Varianta sání 2 - optimalizo váno na maximální točivý moment Při optimalizaci na maxim ální výkon při 5000 min -1 je nárůst vý konu 9,3 %. Průběh viz. obr. 37 je velmi podobný variantě 1. Tato varianta, vzhledem k dosaženým maximálním hodnotám, je výhodnější než první varianta, avšak rozdíly jsou minimální. Vnější momentová charakteristika Vnější výkonová charakteristika 140 60 Točivý moment [Nm] 130 120 110 90 Sériový motor 80 Varianta sání 2 70 Výkon [kw] 50 40 30 20 10 Sériový motor Varianta sání 2 0 obr. 37 Varianta sání 2 - optimalizováno na maximální výkon 4.4 Varianta sání 3 Geometrie tohoto uspořádání je vidět na obr. 38. Toto uspořádání mívají často sportovně laděné automobily, protože zde nedochází k vzájemnému ovlivňování po sobě nasávajících válců v takové míře jako u předchozích variant, při poměrně jednoduché konstrukci. Všechny čtyř i potrubí jsou spojené do jednoho společného objemu, který má v modelu objem 425 000 mm 3, což odpovídá kouli o průměru 93 mm. Délky všech čtyř potrubí jsou shodné. V tab. 8 jsou opět uvedeny všechny číselné údaje optimalizací. - 32 -

obr. 38 Varianta sání 3 schéma Délka sací trubky [mm] Časování sacího ventilu [ ] Točivý moment při 2500 min -1 [Nm] Výkon při 5000 min -1 [kw] Sériový motor 266 455 120,78 49,6 Optimalizace na maximální 122,3 49,4 točivý moment při 2500 min -1 352,5 461,3 (+1,3 %) (-0,5 %) Optimalizace na maximální 113,9 54,3 výkon při 5000 min -1 194,1 473,8 (-5,7 %) (+9,5 %) tab. 8 Varianta sání 3 hodnoty délky sací trubky, časování, výkonu a momentu U této varianty při optimalizaci na maximální moment vychází délka potrubí asi o 6 cm delší než u předchozích dvou variant. Mírný nárůst momentu můžeme pozorovat v rozmezí 2000-2500 min -1. Markantnější nárůst je v rozsahu 3250-4750 min -1. Ve zbývajícím otáčkovém spektru je točivý moment stejný jako u základní modelu viz. obr. 39. Vnější momentová charakteristika Vnější výkonová charakteristika 140 60 Točivý moment [Nm] 130 120 110 90 Sériový motor 80 Varianta sání 3 70 Výkon [kw] 50 40 30 20 Sériový motor 10 Varianta sání 3 0 0 2000 3000 4000 5000 6000 obr. 39 Varianta sání 3 - optimalizováno na maximální točivý m oment Při optimalizaci na maximální výkon je nárůst 9,5 %, což je nejvíc vzhledem předchozím dvěma variantám. Průběh točivého momentu na obr. 40 je opět podobný. k - 33 -

Vnější momentová charakteristika Vnější výkonová charakteristika 140 60 Točivý moment [Nm] 130 120 110 90 Sériový motor 80 Varianta sání 3 70 Výkon [kw] 50 40 30 20 Sériový motor 10 Varianta sání 3 0 4.5 Varianta sání 4 obr. 40 Varianta sání 3 - optimalizováno na maximální výkon Toto uspořádání sacího potrubí je značně komplikované a výrobně drahé. Vyznačuje se však tím, že u něj dochází k minimálnímu ovlivňování po sobě nasávaných válců, protože jsou rozděleny do dvou větví. Z první větve vychází potrubí k válcům 1 a 4, z druhé k válcům 2 a 3. Při zapalování 1-3-4-2 probíhá nasávání střídavě vždy z jiné větve. Na obr. 41 je vidět celé uspořádání. Všechny červeně vyznačené potrubí mají stejnou délku (L2). Modré potrubí dvou větví jsou také stejně dlouhé (L1). Vzhledem k faktu, že tříparametrická optimalizace při optimalizaci na maximální výkon pomale konvergovala a trvala velmi dlouho, provedl jsem nejdříve optimalizaci časování sacích ventilů a následně dvouparametrickou optimalizaci délek potrubí. Výsledky optimalizací jsou opět uvedené v tab. 9. L1 L2 obr. 41 Varianta sání 4 schéma Délka sací trubky [mm] Časování sacího ventilu [ ] Točivý moment při 2500 min -1 [Nm] Výkon při 5000 min -1 [kw] Sériový motor 266 455 120,78 49,6 Optimalizace na maximální L1=221,3 122,8 50,9 točivý moment při 2500 min -1 461,3 L2=85,0 (+1,6 %) (+2,5 %) Optimalizace na maximální L1=40,0 117,7 55,3 výkon při 5000 min -1 479,0 L2=252,5 (-2,5 %) (+11,5 %) tab. 9 Varianta sání 4 hodnoty délky sací trubky, časování, výkonu a momentu - 34 -