WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku ŠKODA AUTO, a.s. Ing. Jan Pavlíček, Milan Rudolf Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku Vysoké učení technické v Brně doc. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. České vysoké učení technické v Praze Ing. Jiří Vávra, Ph.D. Hlavní cíl balíčku Konstrukce a realizace funkčního vzorku cenově příznivého zážehového motoru, jehož emise CO 2 bude při současném plnění ostatních platných emisních předpisů snížena prostřednictvím pokročilých konstrukčních prvků, založených na systematickém simulačním a experimentálním výzkumu. Dílčí cíle balíčku pro nejbližší období Funkční vzorek předběžné optimalizace zážehového motoru pro rozvíjející se trhy 12/2014. Funkční vzorek plně optimalizovaného zážehového motoru pro rozvíjející se trhy 12/2015. Virtuální prototyp nové generace zážehového motoru pro rozvíjející se trhy 12/2015. TE 0102 0020 Str. 1 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Přehled objemu prací za rok 2014 Klikový mechanismus s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Aerodynamika hlavy válců (Škoda Auto, a.s.) Optimalizace sacích a výfukových kanálů Systém řízení ventilů hlavy válců» Deaktivace jednoho z dvojice sacích ventilů» Deaktivace ventilů 2. a 3. válce Práce na výzkumném jednoválci (ČVUT v Praze; Škoda Auto, a.s.) Konstrukce dvouosého naklápěcího stojanu pro zkoušky chování provozních kapalin v motoru za provozu (ČVUT v Praze) TE 0102 0020 Str. 2 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Postup prací Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Dynamika progresivního klikového mechanismu s nízkými třecími ztrátami ve variantě 1,6 MPI Snížení počtu hlavních ložisek z 5 na 3 Tvářená dutá plechová ramena, laserové svařování bez přídavného materiálu Standardní provedení Provedení s nízkými třecími ztrátami TE 0102 0020 Str. 3 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Tlak ve spalovacím prostoru [bar] 140 120 100 80 60 40 20 0 0 90 180 270 360 450 540 630 720 Úhel natočení klikového hřídele [ ] Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka Postup prací Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Komplexní výpočtový model dynamiky klikového mechanismu Modálně redukovaná pružná tělesa Vlastní model hydrodynamického ložiska Vstupy Virtuální motor Specializovaný detailní model Indikovaný tlak Třecí ztráty, životnost, průtok oleje, Posuvy a rychlosti Reakční síly a momenty Předpočítané databáze TE 0102 0020 Str. 4 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Ztrátový výkon [W] Ztrátový výkon [%] Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka Postup prací Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Třecí ztráty hlavních ložisek Celý rozsah provozních otáček Různá zatížení motoru Ověření přínosu nové koncepce 100 90 80 70 Ztrátový výkon hlavních ložisek 100 % 50 % Zatížení motoru Úspora ~35 % 60 Ztrátový výkon hlavních ložisek 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 100 % 300 Zatížení motoru 50 % 200 100 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Otáčky motoru [min -1 ] 50 40 30 20 10 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Otáčky motoru [min -1 ] TE 0102 0020 Str. 5 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Síla [N] Síla [N] Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka Postup prací Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Zatížení hlavních ložisek Posouzení největšího a středního zatížení hlavních ložisek Směrnice pro volbu materiálu ložiskových pánví Největší reakční síla hlavních ložisek 24 000 22 000 20 000 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Otáčky motoru [min -1 ] Největší reakční síla hlavních ložisek 24 000 22 000 20 000 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Otáčky motoru [min -1 ] TE 0102 0020 Str. 6 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Úhlová výchyka [ ] Úhlová výchyka [ ] Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka Postup prací Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Torzní kmitání klikového mechanismu Vliv uložení klikového hřídele na torzní kmitání celého mechanismu Směrnice pro návrh tlumiče torzních kmitů s optimálními parametry 1,1 1,0 Amplitudy harmonických složek úhlové výchylky řemenice 1,1 1,0 Amplitudy harmonických složek úhlové výchylky řemenice Polovina rozkmitu 0,9 0,8 0,7 0,9 0,8 0,7 6 5,5 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 1,5 4 2,5 2 14 0,5 12 10 10,5 9,5 8,5 8 7,5 6,5 Polovina rozkmitu 6 5,5 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 4 1,5 2,5 14 2 0,5 12 10,5 8,5 10 9,5 8 7,5 6,5 0,0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Otáčky motoru [min -1 ] 0,0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Otáčky motoru [min -1 ] TE 0102 0020 Str. 7 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Zmena vzdálenosti [mm] Zmena vzdálenosti [mm] Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka Postup prací Klikový mech. s nízkými třecími ztrátami (VUT v Brně) Ohybové kmitání klikového mechanismu Vliv uložení klikového hřídele na ohybové kmitání celého mechanismu 0,12 Amplitudy harmon. složek změny vzdálenosti středu oj. čepů 1 a 4 0,12 Amplitudy harmon. složek změny vzdálenosti středu oj. čepů 1 a 4 Polovina rozkmitu 0,10 0,10 0,08 0,08 6 0,06 0,06 0,04 0,02 0,5 1 Polovina rozkmitu 2 6 4 8 1,5 14 2,5 12 10,5 9,5 8,5 7,5 10 6,5 5,5 0,04 0,02 2 0,5 1 4 14 2,5 1,5 12 10,5 10 9,5 8 8,5 6,5 7,5 5,5 0,00 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Otáčky motoru [min -1 ] 0,00 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Otáčky motoru [min -1 ] TE 0102 0020 Str. 8 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Postup prací Aerodynamika hlavy válců (Škoda Auto, a.s.) Optimalizace sacích a výfukových kanálů Snížení ztrát při výměně náplně ve válci Zvýšení průtokových součinitelů TE 0102 0020 Str. 9 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Postup prací Aerodynamika hlavy válců (Škoda Auto, a.s.; ČVUT v Praze) Systém řízení ventilů hlavy válců Deaktivace jednoho z dvojice sacích ventilů - Optimalizované profily vaček pro každý ventil + vnější EGR Deaktivace ventilů 2. a 3. válce - Aktivace systému v oblasti nižšího zatížení - Úspora 1,6 MPI Octavia (řazení 2-5 = 8,6%; 3-5 = 5,7% v jízdním cyklu NEDC) Nutné úpravy stávající zástavby Hlava válců (olejová galerie, zástavba větších hydr. podpěr vahadel) Víko hlavy válců (olejová galerie ovládacího okruhu) Vahadlo ventilů Vačkové hřídele (část ovládacího okruhu optimalizovaný profil vaček návrh ČVUT v Praze) Ovládací okruh Hlavní galerie TE 0102 0020 Str. 10 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Postup prací Práce na výzkumném jednoválci (ČVUT v Praze; Škoda Auto, a.s.) Zprovoznění chlazeného EGR měření s EGR pro ladění prediktivního modelu hoření (ČVUT v Praze, Doc. Vítek) Hardwarová instalace prototyporcube2 (Ricardo) Přestavba výzkumného jednoválce AVL na emulaci válcové jednotky Škoda Konstrukce klikového hřídele stanoveny základní rozměry Probíhá kontrola statické a únavové bezpečnosti Konstrukce bloku motoru Úprava vyvažovací skupiny Vyvážení 1. řádu posuvných setrvačných sil Pohon rozvodů; dělené víko rozvodů Úprava hlavy válce Modifikace sériové hlavy válců Konstrukce prototypové jednoválcové hlavy válce TE 0102 0020 Str. 11 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Postup prací Optimalizace motoru pro rozvíjející se trhy (ČVUT v Praze) Směrnice pro detailní optimalizaci z výstupů etapy předběžné optimalizace = akcent na problematiku spotřeby oleje Příprava experimentálního nástroje pro minimalizaci provozní spotřeby oleje u finálního vzorku motoru pro rozvíjející se trhy Emulace vlivu dynamických účinků jízdy na činnost motoru Konstrukce dvouosého naklápěcího stojanu Přenos výkonu hydrostatickým převodem Návrh, zakoupeny komponenty Provedena kontrola torzních kmitů soustavy Výpočetně stanovené přídavné setrvačné hmoty na motor a čerpadlo TE 0102 0020 Str. 12 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Plnění dílčích cílů, milníků a výstupů Funkční vzorek předběžně optimalizovaného zážehového motoru pro rozvíjející se trhy Motor s optimalizovanou hlavou válců Funkční vzorek klikového mechanismu se sníženými mechanickými ztrátami ve srovnání s výchozím stavem Motor s 3x uloženým klikovým hřídelem TE 0102 0020 Str. 13 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Návrh dalšího postupu Stanovení optimálních parametrů tlumiče torsního kmitání Výpočtové modelování únavové životnosti částí pohonné jednotky Využití virtuálního motoru ke stanovení zátěžných parametrů u zkoušek životnosti prototypu klikového mechanismu Technologické zkoušky progresivního klikového mechanismu Využití pokročilých výpočtových nástrojů pro snížení celkových ztrát pohonné jednotky WP07 a WP08 snižování mechanických ztrát WP02, WP04, WP05, WP20, WP25 snižování termodynamických ztrát Výroba a ověření výsledků výpočetních simulací modifikované 4-vývodové hlavy válců na vnitřní aerodynamiku motoru Výroba zkušebního zařízení na ověření funkčnosti a numerických výpočtů systému řízených ventilů pomocí hydr. podpěr INA Konstrukční příprava modifikovaného zkuš. jednoválce Zprovoznění dvouosého naklápěcího motorového stojanu, kvantifikovat vliv dynamických účinků jízdy na činnost motoru TE 0102 0020 Str. 14 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Výtah z prací provedených na WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející Hlavní výstupy Komplexní výpočtový model motoru s nízkými třecími ztrátami virtuální motor (VUT v Brně) Komplexní řešení vnitřní aerodynamiky motoru (Škoda Auto, a.s.) Zprovozněn a postupně upravován experimentální jednoválec AVL (ČVUT v Praze) Konstrukce dvouosého naklápěcího stojanu (ČVUT v Praze) TE 0102 0020 Str. 15 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Abstract of the WP10: Design of Cost-effective Engines for Developing Markets and Range Extenders Current Main Results 2014 Complex computational model of a lowfriction-losses-engine virtual engine (BUT) Complex solution of inside engine aerodynamics (Škoda Auto, a.s.) Commissioning and modifications of Single Cylinder Research Engine (ČVUT Prague) Design of two axis engine tilting test stand (ČVUT Prague) TE 0102 0020 Str. 16 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Výtah z prací provedených na WP10: Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející Hlavní výstupy 2012-2014 Příprava experimentálního zázemí (laboratoř ČVUT v Praze), funkční vzorky testovaných objektů (ŠKODA AUTO a.s.) Proměřen výchozí stav motoru ŠKODA (ČVUT v Praze) Příprava simulačních nástrojů pro optimalizaci mechanických ztrát (VUT v Brně) Komplexní výpočtový model motoru s nízkými třecími ztrátami virtuální motor (VUT v Brně) Komplexní řešení vnitřní aerodynamiky motoru (Škoda Auto, a.s.) Zprovozněn a postupně upravován experimentální jednoválec AVL (ČVUT v Praze) Konstrukce dvouosého naklápěcího stojanu (ČVUT v Praze) Koncepční návrh olejem mazaného rozvodového řemene (Škoda Auto, a.s.) Spojka vodní pumpy (Škoda Auto, a.s.) TE 0102 0020 Str. 17 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Abstract of the WP10: Design of Cost-effective Engines for Developing Markets and Range Extenders Current Main Results 2012-2014 Preparation of Experimental Background (ČVUT laboratory), testing speciments (ŠKODA AUTO a.s.) Base mapping of ŠKODA 1,6l MPI engine (ČVUT Prague) Preparation of simulation tools for friction losses optimization (BUT) Complex computational model of a low-friction-lossesengine virtual engine (BUT) Complex solution of inside engine aerodynamics (Škoda Auto, a.s.) Commissioning and modifications of Single Cylinder Research Engine (ČVUT Prague) Design of two axis engine tilting test stand (ČVUT Prague) Concept proposal of oil lubricated timing belt (Škoda Auto, a.s.) Water pump clutch (Škoda Auto, a.s.) TE 0102 0020 Str. 18 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.
Děkuji za pozornost. TE 0102 0020 Str. 19 Za WP10 Milan Rudolf, ŠKODA AUTO, a.s.