OPTIMALIZACE NAPLNĚNÍ VÁLCE SPALOVACÍHO MOTORU



Podobné dokumenty
Funkční vzorek průmyslového motoru pro provoz na rostlinný olej

5.1.1 Nestacionární režim motoru

Funkční vzorek průmyslového motoru pro provoz na rostlinný olej

Pístové spalovací motory-pevné části

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek až , Roztoky -

Zkoušky paliva s vysokým obsahem HVO na motorech. Nová paliva pro vznětové motory, 8. června 2017

Základní parametry a vlastnosti profilu vačky

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

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2012, Roztoky -

Digitální učební materiál

PRI-TeO-PO F Palivová soustava vznětového motoru - dopravní (podávací) čerpadla 2 / 5

Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku. Hlavní cíl balíčku. Dílčí cíle balíčku pro nejbližší období

ČTYŘDOBÝ VÍCEVÁLCOVÝ SPALOVACÍ MOTOR S VYUŽITÍM TLAKOVÝCH PULZŮ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KE ZVÝŠENÍ NAPLNĚNÍ VÁLCŮ

Charakteristiky PSM, provozní oblasti

Vstřikovací systém Common Rail

Zážehové motory: nová technická řešení, způsoby zvyšování parametrů

OPTIMALIZACE POHONNÉ JEDNOTY PRO VŮZ FORMULA STUDENT SVOČ FST 2018

SMĚRNICE KOMISE 2014/43/EU

Krok za krokem ke zlepšení výuky automobilních oborů. CZ.1.07/1.1.26/ Švehlova střední škola polytechnická Prostějov

SMĚRNICE KOMISE / /EU. ze dne XXX,

SMĚRNICE KOMISE 2014/44/EU

SMĚRNICE KOMISE / /EU. ze dne XXX,

Procesy ve spalovacích motorech

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek 11. a , Roztoky-

Moderní systémy ventilových rozvodů spalovacího motoru

zapaluje směs přeskočením jiskry mezi elektrodami motoru (93 C), chladí se válce a hlavy válců Druhy:

OVĚŘOVACÍ TEST l ZÁKLADNÍ

VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU

Příloha-výpočet motoru

Vliv paliv obsahujících bioložky na provozní parametry vznětových motorů

VLIV OKRAJOVÝCH PODMÍNEK NA VÝSLEDEK ZKOUŠKY TEPELNÉHO VÝKONU SOLÁRNÍHO KOLEKTORU

EU PENÍZE ŠKOLÁM NÁZEV PROJEKTU : MÁME RÁDI TECHNIKU REGISTRAČNÍ ČÍSLO PROJEKTU :CZ.1.07/1.4.00/

Technická univerzita v Liberci

Tisková informace. Autopříslušenství Čisté motory díky nové technice:jak budou vozidla se vznětovým motorem do budoucna moci splnit emisní limity

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, Roztoky -

MAZACÍ SOUSTAVA MOTORU

Ústav automobilního a dopravního inženýrství PODPORA CVIČENÍ. Ing. Jan Vančura Ústav automobilního a dopravního inženýrství FSI VUTBR

Proměnlivý kompresní poměr pístových spalovacích motorů

Funkční vzorek vozidlového motoru EA111.03E-LPG

Digitální učební materiál

VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU

PROBLEMATIKA MĚŘENÍ SPOTŘEBY PALIVA

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2012, Roztoky -

Optimalizace zdvihové funkce ventilu

HODNOCENÍ ROZDÍLNÝCH REŽIMŮ PŘI PROCESU SPALOVÁNÍ

SPALOVACÍ MOTORY. - vznětové = samovznícením. - dvoudobé. - kapalinou. - dvouřadé s válci do V - vodorovné - ležaté. - vstřikové

POWER OF THE SELF-IGNITION MOTOR FOR PURE PLANT OIL VÝKON VZNĚTOVÉHO MOTORU NA ČISTÝ ROSTLINNÝ OLEJ

- AutoSympo a Kolokvium Božek 2. a , Roztoky -

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek až , Roztoky -

Digitální učební materiál

Obecné cíle a řešené dílčí etapy

MOTORY. Síla. Efektivita

WP25: Pokročilé zkušební metody pro spalovací motory a hnací řetězec Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku

PRINCIP ČINNOSTI VZNĚTOVÉHO SPALOVACÍHO MOTORU

Metody měření provozních parametrů strojů. Metodika měření. absolutní a měrná spotřeba paliva. měření převodového poměru,

Palivové soustavy vznětového motoru

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek až , Roztoky -

3. Mechanická převodná ústrojí

Digitální učební materiál

Z ûehovè a vznïtovè motory

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2016, , Roztoky -

VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU

CITROËN A MOTORY PURETECH: NOVÝ POSUN KREATIVNÍ TECHNOLOGIE SMĚREM KUPŘEDU

19. a 20. PÍSTOVÉ SPALOVACÍ MOTORY ZÁŽEHOVÉ A VZNĚTOVÉ 19. and 20. PETROL AND DIESEL PISTONE COMBUSTION ENGINES

(mechanickou energii) působením na píst, lopatky turbíny nebo využitím reaktivní síly Používají se jako #3

Tisková informace. Všeobecné informace Koncepce pro snížení emisí a spotřeby paliva pro zážehové motory budoucnosti. Duben 2001

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek 2013, Roztoky -

STANOVENÍ EMISÍ LÁTEK ZNEČIŠŤUJÍCÍCH OVZDUŠÍ Z DOPRAVY

Výfukové plyny pístových spalovacích motorů

Spalovací vzduch a větrání pro plynové spotřebiče typu B

HLAVA I SILNIČNÍ VOZIDLO V PROVOZU 36

VELKÝ TEST AIRBOXŮ. Studénka

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

MĚŘENÍ EMISÍ A VÝPOČET TEPELNÉHO VÝMĚNÍKU

- AutoSympo a Kolokvium Božek 2014, Roztoky -

VÝVOJ PLYNOVÉHO MOTORU PRO OSOBNÍ AUTOMOBIL PASSENGER CAR GAS ENGINE DEVELOPMENT

Palivová soustava

PRINCIP ČINNOSTI ZÁŽEHOVÉHO SPALOVACÍHO MOTORU

Prezentace pro MPO konference prosince 2017

Komponenta Vzorce a popis symbol propojení Hydraulický válec jednočinný. d: A: F s: p provoz.: v: Q přítok: s: t: zjednodušeně:

Výkon motoru je přímo úměrný hmotnostnímu toku paliva do motoru.

POHONNÉ JEDNOTKY. Energie SPALOVACÍ MOTOR. Chemická ELEKTROMOTOR. Elektrická. Mechanická energie HYDROMOTOR. Tlaková. Ztráty

Numerická simulace sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu

EFFECT OF COMBUSTION OF ALTERNATIVE FUELS ON DIESEL ENGINE EXHAUST EMISSIONS

PEVNÉ DÍLY MOTORU Střední odborná škola a Gymnázium Staré Město

DOPRAVNÍ A ZDVIHACÍ STROJE

Termomechanika 5. přednáška

Měření emisí motorových vozidel

Únik plynu plným průřezem potrubí

Možnosti snižování nákladů u traktorových souprav na zpracování půdy

Popis výukového materiálu

Řešení "stiff soustav obyčejných diferenciálních rovnic

Témata pro zkoušky profilové části maturitní zkoušky. Strojírenství, varianta vzdělávání konstruování s podporou počítače

Příloha k průběžné zprávě za rok 2015

- AutoSympo a Kolokvium Božek až , Roztoky -

VLIV KMITÁNÍ TRUBKY NA PŘESTUP TEPLA V KANÁLU MEZIKRUHOVÉHO PRŮŘEZU

Stručná teorie kondenzace u kondenzačních plynových kotlů - TZB-info

Počítačová simulace spalovacího motoru software Wave

Palivová soustava zážehového motoru Tvorba směsi v karburátoru

Pravidelné technické prohlídky

Transkript:

OPTIMALIZACE NAPLNĚNÍ VÁLCE SPALOVACÍHO MOTORU Summary Radek Tichánek 1, Marcel Diviš 1 Oldřich Vítek 2 1 Ústav pro výzkum motorových vozidel, s.r.o Výzkumné centrum Josefa Božka Lihovarská 12, 180 68 Praha 9 2 České vysoké učení technické Technická 4, 166 07 Praha 6 The article deals with valve gear parameter design, especially cam shape, valve open angles and timing, for normally aspirated diesel engine. Used construction changes shall improve cylinder filling, reduce pollutant production and thereby contribute to satisfy emissions limits. Numerical engine model was used for studying influence of valve gear parameters on engine output parameters. The article contains comparison of effects of construction changes based on results of computation model with measured values. Souhrn Příspěvek se zabývá návrhem parametrů rozvodového mechanismu, především tvaru vačky, úhlů otevření ventilů a časování, pro nepřeplňovaný vznětový motor. Použité konstrukční změny mají zlepšit naplnění válce, snížit obsah škodlivých látek ve výfukových plynech a tím přispět ke splnění emisních limitů. Pro odhad vlivu změn parametrů rozvodového mechanismu na některé parametry motoru byl použit numerický model oběhu spalovacího motoru. Článek obsahuje porovnání vlivu provedených konstrukčních změn na základě výsledků numerického modelu s naměřenými hodnotami. 1 Úvod Optimalizace naplnění válce spalovacího motoru doplňuje sérii konstrukčních změn provedených s cílem splnit emisní limity A podle předpisu EHK 49.02. Upravovaný motor byl nepřeplňovaný vodou chlazený vznětový čtyřválec s přímým vstřikem paliva do válce, vrtání 102 mm, zdvih 118 mm, osazený řadovým vstřikovacím čerpadlem. Motor dosahoval maximální výkon 70,6 kw 1

při otáčkách 3200 min -1, točivý moment měl nejvyšší hodnotu 245 Nm při otáčkách 2200 min -1. Rozvodový mechanismus byl klasický OHV s plochým zdvihátkem. Našim příspěvkem k celkové úpravě motoru mělo být zvětšení objemu nasávaného vzduchu a s tím související snížení výfukových teplot. Objem vzduchu nasávaného motorem je mimo jiné závislý na průtokových průřezech sacích ventilů. Pro zvětšení průtokových průřezů ventilů byl navržen nový obrys vačky. Ten je stejný pro sací i výfukovou vačku. Byly vyrobeny dvě vačkové hřídele nesoucí označení a vačka 2. Nové vačkové hřídele jsou stejné, liší se pouze vzájemnou polohou sací a výfukové vačky. Úhel otevření ventilů a časování byly optimalizovány pomocí numerického modelu sestaveného v programu GT-power. Pro zhodnocení vlivu nových vačkových hřídelí na objemovou účinnost motoru, množství škodlivin ve výfukových plynech a výfukové teploty bylo měřeno několik bodů zatěžovací charakteristiky v otáčkách maximálního točivého momentu a výkonu. 2 Návrh obrysu vačky Při návrhu obrysu vačky se obvykle vychází z teoretické zdvihové funkce ventilu. Zdvihová závislost ventilu byla navržena úsekovou metodou ÚVMV. Tato metoda rozděluje zdvihovou funkci ventilu na úseky a každý úsek definuje goniometrickou nebo polynomickou funkcí tak, aby byla dodržena podmínka spojitosti derivací vyšších řádů celé zdvihové křivky. Změnou délek úseků je možné vytvarovat vhodný průběh zdvihu ventilu, zejména s ohledem na jeho zrychlení. Pro přepočet zdvihové funkce ventilu na obrys vačky byl sestaven kinematický model rozvodového mechanismu. Zdvih ventilu byl zvětšen z 10,4 na 11 mm. Hodnoty rychlosti a zrychlení ventilů zůstaly přibližně zachovány s ohledem na použití nové vačky ve stávajícím rozvodovém mechanismu. Na obr. 1 je vidět porovnání původního a nového obrysu vačky. 3 Časování Optimalizace časování byla provedena pomocí numerického modelu oběhu spalovacího motoru. Jako nástroj byl použit komerční program GT-power, který je postaven na 0-D přístupu. Důležité části motoru jsou modelovány jako 2

kontrolní objemy s určitými vlastnostmi. Pro každý tento objem jsou použity základní bilanční rovnice zákon zachování hmoty a energie (prostorové závislosti nejsou uvažovány). Vhodným propojením těchto zón se získá 0-D matematický model motoru. To vede na soustavu obyčejných diferenciálních rovnic (závislost pouze na čase), která musí být ještě doplněna dalšími empirickými rovnicemi (přestup tepla, stavová rovnice, atd.), aby byla řešitelná. Vlastní řešení se hledá numericky. Důležité jsou již zmíněné doplňující vztahy. Zákon hoření je modelován Vibeho funkcí nebo tabulkou dat, odvod tepla ve válci Woschniho vztahy, atp. Děje v potrubí lze v podstatě modelovat 1-D přístupem, neboť vhodnou volbou diskretizační délky lze zachytit i prostorové změny. V programu jsou k dispozici i některé složitější modely, které částečně respektují prostorové závislosti (vícezónový model šíření paprsku paliva ve válci vznětového motoru s přímým vstřikem, ). Každý 0-D model musí být naladěn je třeba zvolit či upravit některé parametry motoru tak, aby důležité výstupní parametry odpovídaly skutečnosti. To bylo v tomto případě provedeno (na základě známých experimentální dat) pro plné zatížení a otáčky 2200 min -1. Pak byl model konfrontován s měřením pro různé otáčky i zatížení. Ve většině případů byla shledána dobrá shoda s realitou. Nakonec byla provedena optimalizace časování jak z hlediska naplnění válce, tak z hlediska teploty výfukových plynů. Byly zkoušeny různé zdvihové funkce ventilů s různým časováním (a tedy i překrytím). Na obr 2. je průběh vypočítané objemové účinnosti vačky 1, vačky 2 a sériové vačky. Výsledky výpočtů předpověděly nárůst objemové účinnosti v celém rozsahu otáček, přičemž největšího nárůstu bylo dosaženo ve vyšších otáčkách motoru. Seznam rozvodových dat uvažovaných při výpočtu uvádí tabulka 1 a podle těchto dat byly nové vačkové hřídele vyrobeny. Číselné údaje úhlů jsou udány ve stupních klikového hřídele. Překrytí je označením současného otevření sacího i výfukového ventilu kolem horní úvrati pístu. Doplňková číslice v označení některých vaček znamená rozdílné osazení motoru viz níže. 3

4 Osazení zkoušeného motoru V průběhu zkoušení motoru s novými vačkovými hřídeli byly prováděny změny v osazení motoru, které také ovlivnily konečné výsledky. Motor osazený sériovou vačkou a vačkou 1 se lišil maximální rychlostí na vačce vstřikovacího čerpadla. Motor osazený vačkou 1.1 a vačkou 2.1 se proti předchozímu lišil tvarem spalovacího prostoru, velikostí otvůrků vstřikovacích trysek, jejich vysunutím do spalovacího prostoru a geometrickým počátkem vstřiku paliva do válce. 5 Výsledky měření Pro posouzení vlivu nových vačkových hřídelí na objemovou účinnost motoru, teplotu ve výfukovém potrubí a množství škodlivin NO x, CO, HC ve výfukových plynech byly měřeny některé body zatěžovací charakteristiky při otáčkách motoru n m = 2200 min -1 a n m = 3200 min -1. Vzhledem k faktu, že se v průběhu zkoušek měnilo osazení motoru, není možné vzájemně porovnávat naměřené hodnoty všech variant. Porovnatelné jsou naměřené hodnoty pro motor osazený sériovou vačkou a vačkou 1. Zvlášť jsou porovnatelné hodnoty pro motor osazený vačkou 1.1 a vačkou 2.1. Objemová účinnost byla vypočtena na základě změřeného tlakového spádu na clonce v potrubí přivádějící vzduch do motoru. Teplota ve výfukovém potrubí byla měřena termočlánkem. Množství škodlivin ve spalinách bylo měřeno soustavou analyzátorů HORIBA. Průběh objemové účinnosti motoru je na obr. 3. Z naměřených hodnot vyplývá, že největší nárůst objemové účinnosti motoru s vačkou 1 proti motoru se sériovou vačkou je přibližně 4 % v otáčkách 3200 min -1. V otáčkách 2200 min -1 je mezi těmito variantami rozdíl zanedbatelný. Nárůst objemové účinnosti motoru s vačkou 2.1 proti motoru s vačkou 1.1 činí přibližně 3 % v otáčkách 2200 min -1. V otáčkách 3200 min -1 není mezi těmito variantami v objemové účinnosti patrný rozdíl. Dalším sledovaným parametrem byly teploty ve výfuku, neboť jejich hodnoty převyšovaly po konstrukčních úpravách motoru limit 680 C stanovený výrobcem. Průběh ukazuje obr. 4. Z porovnání výfukových teplot motoru s vačkou 1 a sériovou je největší pokles výfukových teplot o 28 C v otáčkách 4

3200 min -1, zároveň došlo ke zvýšení výfukových teplot o 20 C v otáčkách 2200 min -1 a největším zatížení. V tomto bodě měření byla také naměřena vyšší teplota nasávaného vzduchu. Z porovnání další dvojce variant plyne, že při měření motoru s vačkou 2.1 se snížily výfukové teploty o 32 C v otáčkách 2200 min -1 a největším zatížení proti hodnotám naměřeným na motoru s vačkou 1.1. V otáčkách 3200 min -1 nejsou změny teplot ve výfuku výrazné. Na obr. 5 je vynesena závislost emise NO x na součiniteli přebytku vzduchu. Součinitel přebytku vzduchu byl počítán na základě naměřeného složení spalin. Z důvodu poruchy analyzátoru nejsou známy hodnoty NO x pro motor osazený vačkou 1. Hodnoty emise NO x pro motor s vačkou 1.1 a vačkou 2.1 byly naměřeny přibližně stejné. Na obr. 6 je vynesen průběh emise CO. V motoru osazeném vačkou 1 ve srovnání s motorem se sériovou vačkou bylo dosaženo výrazného poklesu CO v otáčkách 3200 min -1, kde emise CO klesly na hodnoty, které byly v rozsahu analyzátoru. Z porovnání hodnot naměřených při osazení motoru vačkou 1.1 a vačkou 2.1 vyplývá, že v otáčkách 2200 min -1 klesla hodnota CO, ve prospěch vačky 2.1, v bodě největšího zatížení. Emise nespálených uhlovodíků HC ukazuje obr. 7. V motoru s vačkou 2.1 a vačkou 1.1 bylo naměřeno snížení emise HC ve prospěch vačky 2.1 v otáčkách 2200 min -1. 6 Závěr Po všech provedených konstrukčních úpravách motor splnil limity A předpisu EHK 49.02. Na tom se podílelo i zlepšené naplnění válce dané novým obrysem vačky a časováním. Nové vačkové hřídele prokázaly vliv zejména na objemovou účinnost motoru a teploty výfukových plynů. Naměřené hodnoty objemové účinnosti kvalitativně potvrdily výsledky numerické simulace oběhu spíše ve vyšších otáčkách. Bez ohledu na ostatní konstrukční změny bylo nejlepších výsledků dosaženo s vačkou 2.1, její použití bylo nejlepším kompromisem z hlediska emisí a teplot výfukových plynů a proto je tato vačka dále používána. 5

Seznam literatury [1] Macek, J. Suk, B.: Spalovací motory I. Skripta ČVUT, Praha 1993 [2] Baumruk, P.: Problematika náplně válce spalovacích motorů. Skripta ČVUT, Praha 1999 [3] Takáts, M.: Měření emisí spalovacích motorů. Skripta ČVUT, Praha 1997 [4] GT-Power - User's Manual. GT-Suite Version 5.1. Gamma technologies Inc., USA. 2000 7 Příloha Tabulka 1 SO před HÚ [ ] SZ za DÚ [ ] VO před DÚ [ ] VZ za HÚ [ ] α o SV[ ] α o VV[ ] Překrytí v HÚ [ ] sériová vačka 14 50 56 16 244 252 30 28 64 66 26 272 272 54 28 64 66 26 272 272 54 30 62 52 40 272 272 70 SO SZ VO VZ HÚ DÚ α o SV α o VV sací ventil otevírá (údaje je ve stupních klikového hřídele) sací ventil zavírá výfukový ventil otevírá výfukový ventil zavírá horní úvrať pístu ve válci spalovacího motoru dolní úvrať pístu ve válci spalovacího motoru úhel otevření sacího ventilu úhel otevření výfukového ventilu 6

Obr.1 Porovnání obrysů vaček 30 25 20 y [mm] 15 10 5 0-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 x [mm] vačka ÚVMV Obr. 2. Objemová účinnost vypočtená numerickou simulací oběhu spalovacího motoru 0,98 0,97 Objemová účinnost [-] 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,9 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Otáčky motoru n m [min -1 ] vačka 2 7

Obr. 3 Objemová účinnost motoru 0,96 Objemová účinnost [-] 0,94 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 0,8 0,78 0,3 0,5 0,7 0,9 Střední efektivní tlak [MPa] Obr. 4 Průběh teplot ve výfukovém potrubí 750 Teploty ve výfuku [ C] 700 650 600 550 500 450 400 350 300 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Střední efektivní tlak [MPa] 8

Obr.5 Emise NO x 1800 Emise NOx [ppm] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1 1,5 2 2,5 3 Součinitel přebytku vzduchu [-] Obr. 6 Emise CO 3000 Emise CO [ppm] 2500 2000 1500 1000 500 0 0,9 1,4 1,9 2,4 2,9 Součinitel přebytku vzduchu [-] 9

Obr. 7 Emise HC 600 Emise HC [ppm] 500 400 300 200 100 0 1 1,5 2 2,5 3 Součinitel přebytku vzduchu [-] 10