SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STROJNÍCKA FAKULTA PRÚDENIE VZDUCHU V PLNIACOM POTRUBÍ PIESTOVÉHO SPAĽOVACIEHO MOTORA VPLYVY NA KONŠTRUKČNÉ USPORIADANIE A VÝPOČET Diplomová práca Evidenčné číslo: SjF-5232-30032 2011Bc. Jakub Kováčik
SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STROJNÍCKA FAKULTA PRÚDENIE VZDUCHU V PLNIACOM POTRUBÍ PIESTOVÉHO SPAĽOVACIEHO MOTORA VPLYVY NA KONŠTRUKČNÉ USPORIADANIE A VÝPOČET Diplomová práca Študijný program: Študijný odbor: Školiace pracovisko: Školiteľ: automobily, lode a spaľovacie motory 5.2.4 motorové vozidlá, koľajovévozidlá, lode a lietadlá Ústav dopravnej techniky a konštruovania doc. Ing. Ján Lešinský, CSc. Bratislava 2010 Bc. Jakub Kováčik
3
Slovenská technická univerzita v Bratislave Ústav dopravnej techniky a konštruovania Strojnícka fakulta 2010/2011 ZADANIE DIPLOMOVEJ PRÁCE Evidenčné číslo: SjF-5232-30032 ID študenta: 30032 Autor práce: Bc. Jakub Kováčik (30032) Študijný program: automobily, lode a spaľovacie motory 5.2.4 motorové vozidlá, koľajové vozidlá, lode Študijný odbor: a lietadlá Vedúci práce: Konzultant: Miesto vypracovania: doc. Ing. Ján Lešinský, CSc. doc. Ing. Ján Lešinský, CSc. Strojnícka fakulta STU v Bratislave Názov témy: Prúdenie vzduchu v plniacom potrubí piestového spaľovacieho motora - vplyvy na konštrukčné usporiadanie a výpočet Rozsah práce: 50 až 80 strán vrátane príloh Špecifikácia zadania: 1. Popis vplyvu nestacionárneho prúdenia v potrubných systémoch na ich konštrukciu. 2. Podľa vlastného výberu analýza primeranosti navrhovaného riešenia hlavne z hľadiska efektívnosti a ekologičnosti. 4
3. Spracovanie tepelného výpočtu podľa podkladov oddelenia spaľovacích motorov a lodí SjF STU pre zmes benzínu a vzduchu na získanie vstupných údajov do výpočtu prúdenia. 4. Spracovanie ideového návrhu riešenia optimálneho pre viacej režimov chodu motora. Dátum zadania diplomovej práce: 14. 02. 2011 Termín odovzdania diplomovej práce: 10. 06. 2011 Bc. Jakub Kováčik Študent prof. Ing. Ladislav Gulan, PhD. Vedúci pracoviska prof. Ing. Miroslav Vereš, PhD. Garant študijného programu 5
Čestné prehlásenie Vyhlasujem, že som záverečnú prácu vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry. Bratislava, 8. júna 2011... Jakub Kováčik 6
Poďakovanie Ďakujem vedúcemu diplomovej práce doc. Ing. Jánovi Lešinskému, CSc. za odbornú pomoc a cenné rady poskytnuté počas vypracovávania diplomovej práce. Bratislava, 8. júna 2011 Bc. Jakub Kováčik 6
Názov práce: Prúdenie vzduchu v plniacom potrubí piestového spaľovacieho motora vplyvy na konštrukčné usporiadanie a výpočet Kľúčové slová: potrubie, sací systém, nestacionárne prúdenie, plniaca účinnosť Abstrakt:Cieľom záverečnej práce je poukázať na možnosť využitia nestacionárneho prúdenia v plniacom potrubí pri konštrukčnom návrhu sacieho systému. Našou snahou je optimalizovať dĺžky potrubí v sacom systéme využitím fyzikálnych javov prúdenia. Práca je rozdelená do piatich kapitol. V prvej kapitole sme sa venovali charakteristike, požiadavkám a príslušenstvu sacieho systému.v druhej kapitole sme rozobrali možnosti využitia nestacionárneho prúdenia v sacích systémoch na zvýšenie plniacej účinnosti vo valcoch motora. Taktiež sme uviedli príklady sacích systémov, ktoré využívajú vlastnosti prúdenia. V tretej kapitole smenavrhli a analyzovali primeranosť riešenia sacieho systému. V štvrtej kapitole sme riešili tepelný výpočet zážihového motora. Výsledky sme využili ako vstupy do výpočtu prúdenia. V piatej kapitole sme na základe výpočtu prúdenia stanovili optimálne dĺžky potrubí navrhovaného sacieho systému. Dosiahli sme zvýšenie plniacej účinnosti v celom spektre otáčok motora, ktoré má pozitívny vplyv na zvýšenie efektívneho výkonu motora, krútiaceho momentu pri rôznych režimoch práce motora a zníženie spotreby paliva. 7
Title: Air flow in the filling pipe of the piston combustion engine effects on structural arrangement and computation Key words: pipe, intake tract, non-steady flow, filling efficiency Abstract: The aim of the thesis is to show a possibility of non-steady flow utilization in the filling pipe for designing the intake tract. Our attempt is to optimalize pipe distances in the intake tract using physical flow phenomena. The thesis is divided into to the five chapters. The first chapter is dedicated to the characterization, specifications, and equipment of the intake tract. In the second chapter, we focused on the possibility of non-steady flow utilization in the intake tract to intesify filling efficiency in engine cylinders. We included also examples of the intake tracts utilizing flow characteristics. Further, in the third chapter, we designed and analyzed the suitability of solution to intake tract. We solved heat calculation of the gasoline engine in the fourth chapter. Based on the flow calculations we determined optimum pipe distances of the designed intake tract in the fifth chapter.we obtained anintensification of the filling efficiency in whole spectrum of the engine rotations having a positive effect on the enhancement of effective performance of engine,on the torque at different regimes of engine work as well as on the reduction of fuel consumption. 8
Prehľad použitých značiek, veličín a jednotiek Mk (N/m) -krútiaci moment P (J/s) -výkon m (kg/hod.) - merná spotreba η (-) - účinnosť M (kg) - hmotnosť p (Pa) - tlak V (dm 3 ) - objem n (min -1 ) - otáčky i (-) - počet valcov zob (-) -počet zdvihov pripadajúcich na jeden pracovný obeh Hu (J.kg -1 ) - dolnávýhrevnosť paliva λ (-) - súčiniteľ prebytku vzduchu Lt (kg.kg -1 ) - teoretické množstvo vzduchu ρ (kg.m -3 ) - hustota L (m) - dĺžka d (m) - priemer ( ) - uhol t (s) -čas a (m.s -1 ) - rýchlosť zvuku (-) - súčiniteľ otáčok ε (-) - kompresný pomer R ( J/kg. C ) - plynová konštanta 9
w (m/s) - rýchlosť κ (-) - Poissonovakonštanta ψ (-) - dynamický súčiniteľ ξ (-) - celkový stratový súčiniteľ γ (-) - súčiniteľ maximálnej plniacej účinnosti (-) - súčiniteľ najvýhodnejšieho uhla zatvárania saciehoventilu (-) - súčiniteľ uhla zatvárania sacieho ventilu 10
Obsah Úvod... 13 1 Sací systém... 15 1.1 Účel sacieho systému... 15 1.2 Požiadavky na sací systém... 15 1.3 Prvky sacieho traktu štvordobého motora... 16 1.3.1 Vzduchový čistič... 16 1.3.2 Snímač teploty, tlaku a množstva nasávaného vzduchu... 17 1.3.3 Škrtiaca klapka... 18 1.3.4 Sacie potrubie... 19 2 Nestacionárne prúdenie v potrubných systémoch... 20 2.1 Podstata využitia nestacionárneho prúdenia v sacom potrubí... 20 2.1.1 Rezonančné preplňovanie... 23 2.1.1.1 Jednostupňové rezonančné potrubie... 26 2.1.1.2 Dvojstupňové rezonančné potrubie... 26 2.1.1.3 Trojstupňové rezonančné potrubie... 29 2.1.1.4 Plne variabilné sacie potrubie... 30 2.1.1.5 Kombinovaný spôsob rezonančného preplňovania... 31 2.1.2 Impulzné preplňovanie... 32 2.2 Straty v sacom systéme... 35 3 Analýza primeranosti navrhovaného riešenia... 37 4 Tepelný výpočet pre zmes benzínu a vzduchu... 39 5 Výpočet nestacionárneho prúdenia... 51 5.1 Rýchlosť prúdiaceho média... 52 5.2 Návrh dĺžky a priemeru sacích potrubí... 53 5.3 Vstupy do výpočtu... 55 5.4 Výpočet prúdenia pre jedno-nadobový systém... 57 5.5 Výpočet prúdenia pre dvoj-nadobový systém... 58 5.6 Výpočet prúdenia pre troj-nadobový systém... 60 5.7 Porovnanie výsledkov systému a výber vhodnej varianty požitia... 63 11
Záver... 68 Bibliografia... 70 12
Úvod Spaľovací motorje tepelný stroj, ktorý mení chemickú energiu paliva na teplo a teplo na mechanickú prácu.počas jednotlivých fáz tejto premeny vznikajú v spaľovacom motore straty, ktoré znižujú kvalitu premeny na mechanickú prácu. Práve tento vznik strát a znižovanie efektívnej účinnosti spaľovacieho motora v dôsledku fyzikálnych vlastností prostredia a nedokonalosti materiálov motora vytvára priestor pre optimalizáciu procesov prebiehajúcich počas práce spaľovacieho motora. Tejto optimalizácii je venovaná aj táto diplomová práca, kde našou snahou bude navrhnutie a optimalizovanie variabilného sacieho systému. Východiskom optimalizácie budú dynamické vlastnosti prúdiaceho vzduchu nestacionárneho prúdenia, ktoré využijeme pri optimalizovaní rozmerov sacieho systému tak, aby sme čo najefektívnejšie využili dynamiku nasávaného vzduchu a tak zvýšili plniacu účinnosť v čo najširšom spektre otáčok. Výsledkom navrhnutia optimalizovaného variabilného sacieho systému bude zníženie tepelných strát motora, zníženie spotreby paliva a zvýšenie výkonu motora pri rôznych režimoch práce motora. Dosiahnutie týchto dôsledkov optimalizácie je dôležité nielen pre bežných užívateľov automobilov, ale znamená veľa aj pre ekologické prostredie, v ktorom žijeme. Celosvetovým trendom je znižovanie emisií a ochrana životného prostredia. Optimalizáciou procesov v spaľovacom motore sme znížili spotrebu paliva, a tým aj dosiahli zníženie emisií, na ktoré v posledných rokoch dbá Európska únia v súvislosti s ochranou životného prostredia. Zavedením emisnej normy EURO 5 EÚ definuje prijateľné limity pre výfukové plyny všetkých automobilov vyrábaných v členských krajinách EÚ. Význam tejto optimalizácie nie je zanedbateľný ani z hľadiska vyčerpateľnosti fosílnych palív, ktorých zásoba sa neustále zmenšuje. Z uvedeného vyplýva, že zvýšenie kvality procesov prebiehajúcich v piestových spaľovacích motoroch má význam nielen pre spotrebiteľov automobilov, ktorých zaujíma spotreba 13
paliva a výkon motora, ale nezanedbateľný prínos tejto práce je pre životné prostredia, a teda aj celú spoločnosť. 14
1 Sací systém Sací systém je nevyhnutná súčasť piestového spaľovacieho motora. Konštrukčné a geometrické prevedenie sacieho systému má vplyv na emisie, hluk, priebeh krútiaceho momentu Mk, efektívneho výkonu Pe, mernej spotreby mpe, v závislosti na otáčkach motora. Využívame tu dynamiku nasávaného vzduchu. Od nej závisí návrh geometrického prevedenia sacieho potrubia. 1.1 Účel sacieho systému Účelom sacieho systému je zabezpečiť požadované množstvo a kvalitu čerstvej náplne vzduchu alebo zmesi vzduchu a paliva a priviesť ju do spaľovacieho priestoru. Taktiež podtlak v sacom potrubí nám umožňuje odvzdušniť kľukovú skriňu, priestor pod krytom ventilov a využíva sa tiež pre podtlakový posilňovač bŕzd. 1.2 Požiadavky na sací systém Základná požiadavka je na tesnosť sacieho systému, aby nedochádzalo k tlakovým stratám prúdiaceho vzduchu. Ďalšie požiadavky vychádzajú z požiadavky na minimálny odpor prúdiaceho vzduchu. Vplyv na to má drsnosť stien z vnútornej strany sacieho traktu, tvar a prierez. Znižovanie odporu prúdiaceho vzduchu sa dosahuje plynulými prechodmi medzi jednotlivými časťami sacieho traktu a odstránením náhlych zmien v smere prúdenia. Volia sa hladké s nízkou drsnosťou. Na odpor prúdenia má tiež vplyv poloha osi sacieho kanálu vzhľadom k osi valca. Čím viac je os kanálu odchýlená od osi valca, tým viac obmedzujú prúdenie zmeny smeru. 15
1.3 Prvky sacieho traktu štvordobého motora Sací trakt pozostáva zo systému sacích potrubí, ktoré sú pripojené na sacie kanály jednotlivých valcov vzduchového čističa, snímačov teploty, tlaku a snímača množstva vzduchu. V motoroch s kvantitatívnou reguláciou bez variabilného časovania ventilov sa využíva škrtiaca klapka. Vo vznetových motoroch sa tu pridáva turbína a dúchadlo. 1.3.1 Vzduchový čistič Nasatý vzduch, ktorý obsahuje prachové častice vytvára s palivom a olejom brúsnu pastu, ktorá spôsobuje nadmerné opotrebenie motora a znižuje jeho životnosť. Vzniká tu opotrebenie valca, krúžkov valca, ojničných a hlavných ložísk a piestnych krúžkov. Na zníženie opotrebovania a zvýšenie životnosti motora sa používajú rôzne druhy vzduchových čističov, ktoré sú charakterizované účinnosťou ηča odporom (tlakovým spádom) Δpčpri menovitom prietoku vzduchu a jímavosťou. Účinnosť čističa je daná vzťahom: ηč =(M1+M2)\M1[-], (1.1) kde M1[kg] hmotnosť prachu pred čističom, M2 [kg] hmotnosť prachu za čističom. Odpor čističa závisí od typu čističa a od veľkosti jeho znečistenia. Pohybuje sa v priemere u nepreplňovaných motorov medzi 0,5-2,5 kpa a u preplňovaných Δpč<2kPa. Jímavosť je množstvo prachu zachyteného do doby, keď prietokový odpor vzrastie na dvojnásobok alebo na najvyššiu prípustnú hodnotu. Čistič vzduchu musí byť pre motor vhodne naladený aby sa optimalizoval jeho výkon, spotreba paliva, a tlmenie hluku sania. Používa sa niekoľko typov čističovtab. 1 16
Tab. 1 Typy čističov vzduchu Typ čističa ηč [-] Poznámky Mokrý (viskózny) čistič 0,9 Má náplň pórovitej látky, zvlhčovanou viskóznou kvapalinou(napr. olej ), používa sa v kombinácii s inými. Papierový čistič Textilný čistič zo sieťových látok Cyklónový čistič 0,9-0,97 Čistič náplňou s olejovou 0,995 Je vytvorený z filtračného papiera. 0,999 Používa sa u veľkých stacionárnych motoroch. 0,9-0,99 Používa sa v kombinácii s inými čističmi. Jeho vložky sú trvale omývané a vlhčené olejom. Je vhodný pre vysokú prašnosť. 1.3.2 Snímač teploty, tlaku a množstva nasávaného vzduchu Na určenie zaťaženia a pre vytvorenie požadovaného množstva zmesi paliva využíva riadiaca jednotka informácie zo snímača množstva nasávaného vzduchuznázornené na Obr. č. 1.1.Snímač pracuje na princípe odporového vyhrievaného platinového filmu alebo drôtiku. Tieto telieska sú umiestnené do prúdu vzduchu, ktorý ho ochladzuje. Prúd, ktorý ho vyhrieva ho udržiava pri stálej teplote a veľkosť prúdu je priamo úmerná množstvu nasávaného vzduchu.ďalej sú v sacom trakte zabudované snímač tlaku a teploty vzduchu.na základe údajov z týchto snímačov riadiaca jednotka dopočítava množstvo paliva, ktoré sa vstrekne do valca. Snímač množstva nasávaného vzduchu G70 Obr. č. 1.1 Snímač množstva nasávaného vzduchu motora 1,6 l 74 kw AEH [11] 17
1.3.3 Škrtiaca klapka Škrtiacu klapku znázornené na Obr. č.1.2 využívajú motory s kvantitatívnou reguláciou. Výnimku tvoria motory, kde sa využíva k riadeniu pretečeného množstva vzduchu variabilný ventilový rozvod. Škrtiaca klapka môže byť ovládaná mechanicky alebo elektronicky od plynového pedála. Na elektronické ovládanie sa využíva servo motor.riadiaca jednotka motora určí požadované otvorenie škrtiacej klapky, okamžik zážihu a množstvo paliva na základe polohy a rýchlosti stlačenia plynového pedála.telo klapky býva vyrobené zo šedej alebo tvárnej liatiny, no výnimkou nie sú ani plasty. Výhodaplastových škrtiacich klapiek je hlavne presnejšie ovládanie pri malých otvoreniach, ako aj lacnejšia výroba, zníženie hmotnosti o 25 %, lepšie vlastnosti plastov pri nárazovom zaťažení, ktoré môže nastať v prípade autonehody. Obr. č. 1.2 Elektricky ovládaná plastová škrtiaca klapka firmy Bosch[12] 18
1.3.4 Sacie potrubie Funkciou sacieho potrubia je dopraviť vzduch (zmes), ktorý prepustila škrtiaca klapka do valca motora. V súčasných sériovo vyrábaných motoroch býva vyrobené z hliníkovej liatiny alebo plastov. Plasty v porovnaní s hliníkovými zliatinami majú niekoľko výhod, napr. nižšia hmotnosť, hladší povrch vnútorných stien, nižšie výrobné náklady atď. Obr. č. 1.3 Sacie potrubie k motoru V8 5.6l z automobilky Nissan[13] 19
2 Nestacionárne prúdenie v potrubnýchsystémoch V reálnych obehoch piestového spaľovacieho motora vzniká nestacionárne prúdenie v sacom potrubí. Nestacionarita sa prejavuje zmenami hustoty, objemu a tlaku prúdiaceho vzduchu v závislosti na čase. Tieto zmeny vplývajú na vznik tlakových rozruchov v potrubnom systéme, ktoré môžeme popísať základnými goniometrickými funkciami, na základe ktorých vieme optimalizovať sací systém tak, aby sme čo najefektívnejšie využili dynamické javy vzduchu v sacom potrubí. 2.1 Podstata využitia nestacionárneho prúdenia v sacom potrubí Snahou konštruktérov je dosiahnuť vysoký krútiaci moment a efektívny výkon v najširšom rozsahu otáčok. Priebeh krútiaceho momentu je úmerný nasatému množstvu vzduchu v závislosti na otáčkach a ovplyvňuje aj hodnotu efektívneho výkonu Pe, čo vyplýva z rozboru základného vzťahu pre efektívny výkon Pe: [kw], (2.1) kde pe[mpa] je stredný efektívny tlak vo valci motora Vz[dm 3 ] - zdvihový objem jedného valca, n [min -1 ]- otáčky motora, i [-] - počet valcov, zob[-]-počet zdvihov pripadajúcich na jeden pracovný obeh (pre štvordobý motor zob= 4 a pre dvojdobý zob= 2). 20
Z rovnice (2.1) vyplýva, že zvýšenie výkonu motora, dosiahneme zvýšením otáčok motora nalebo zvýšením efektívneho tlaku pe. Zvyšovanie otáčok n je obmedzené požiadavkami na strednú piestovú rýchlosť cs a dynamickými vlastnosťami kľukového mechanizmu. Pre motory s vnútornou tvorbou zmesi na výpočet stredného efektívneho tlaku pe platí rovnica: [Pa], (2.2) kde Hu [J.kg -1 ] je dolnávýhrevnosť paliva, λ[-] - súčiniteľ prebytku vzduchu vo valci,, Lt[kg.kg -1 ]- teoretické množstvo vzduchu v kg potrebné na spálenie 1kg paliva, ρp[kg.m -3 ]- hustota náplne v plniacom potrubí motora, ηpl[-]- plniaca účinnosť, ηe[-]- celková, efektívna účinnosť motora, Mv[kg]- hmotnostné množstvo vzduchu, ktoré sa v pracovnom cykle zúčastní, Mp[kg]- hmotnostné množstvo paliva, ktoré sa v pracovnom cykle zúčastní. Z rovnice (2.2) platí, že zvýšeniepe dosiahneme najmä zvýšením ρpaηpl.plniaca účinnosť ηpl vyjadruje stupeň naplnenia valcov čerstvou náplňou. Je definovaná ako pomer skutočného množstva čerstvej náplne, ktorá zostane vo valci v okamžiku zatvorenia nasávacieho ventilu a teoreticky možného množstva, odpovedajúceho zdvihovému objemu valca a podmienkam stavu 21
vzduchu pred vstupom do nasávacieho potrubia motora. Matematicky ju vyjadríme: [-], (2.3) kdemv[kg.cyklus -1 ] - skutočné množstvo vzduchu vo valci, ktoré je k dispozícii na spaľovanie, ρp[kg.m -3 ] - hustota vzduchu pred plniacim ventilom, Vz[m 3 ] - zdvihový objem valca, ρv[kg.m -3 ] - hustota vzduchu vo valci. Zvýšenie plniacej účinnosti ηpl dosiahneme čo najdokonalejším naplnením valca, vypláchnutím valca, odvedením spalín a zvýšením hustoty náplne vo valci, čo vyplýva z rovnice (2.2). V nepreplňovaných motoroch sa využívajú zákonitosti nestacionárneho prúdenia v potrubnom systéme nasávaného motora, cestou optimalizácie procesu výmeny náplne čo má vplyv aj na konštrukciu a geometriu sacieho potrubia. Zvýšenie plniacej účinnosti ηplu nepreplňovaných motorov je možné cestou využitia dynamiky nasávaného vzduchu v sacom potrubí. Parametre prúdenia vzduchu sa menia vplyvom nestacionárneho prúdenia. Podľa konštrukcie sacieho potrubia využívame dva spôsoby ako využiť zákonitosti nestacionárneho prúdenia: - impulzné preplňovanie kmitmi v potrubí, - rezonančné preplňovanie, - kombinácia rezonančného a pulzačného preplňovania. 22
2.1.1 Rezonančné preplňovanie Princíp rezonančného preplňovania spočíva vo využití vlnového efektu a optimalizácii dĺžok a objemov sacieho systému. Nestacionárne prúdenie náplne v reálnom obehu motora je charakterizované tlakom p a rýchlosťou w, ktoré sú závislé na čase a polohe Obr. č. 2.1 Platí: p=p(x,τ) a w=w(x,τ). Obr. č. 2.1Teoretické šírenie tlakových vĺn v sacom potrubí jednovalca [9] Pohybom piesta v procese sania vzniká vo valci primárna podtlaková vlna, ktorá sa šíri rýchlosťou zvuku do sacieho potrubia. Po určitom čase podtlaková vlna dosiahne ústie sacieho potrubia, kde sa odrazí ako 23
pretlaková. Odrazená vlna sa vracia rovnakou rýchlosťou smerom k valcu a urýchľujepohyb častíc náplne do valca. Pre lepšie naplnenie valca je vhodné, aby v závere doby pred otvorením sacieho ventilu bol pred ventilom vyšší tlak a náplň prúdila do valca a nie naopak. Ak to tak bude, záleží od daného režimu (otáčky, zaťaženie) a od jeho konštrukčného prevedenia(hlavne dĺžky sacieho potrubia) Obr. č. 2.2 Obr. č. 2.2 Závislosť optimálnej dĺžky sacieho potrubia na veľkosti otáčok motora z hľadiska vlnového efektu [9] Pre výpočet času návratu vlny a ideálnu dĺžku potrubia platí vzťah: [ ], (2.4) kde [ ] je uhol otočenia kľukového hriadeľa, n[min-1] - otáčky motora, t [s] - čas návratu tlakovej vlny. Pre čas návratu tlakovej vlny t platí vzťah: [s], (2.5) kde Lp[m] je dĺžka potrubia, 24
a [m.s -1 ] miestna rýchlosť vzduchu. Po dosadení (2.5) do (2.4) dostávame základný vzťah charakterizujúci vlnový efekt: [ ], (2.6) Zo vzťahu (2.6) vyplýva, že pre konštantnú dĺžku sacieho potrubia Lpa pre konštantnú rýchlosť šírenia tlakových vĺn a bude uhol závislý na otáčkach motora. Experimentálne sa dokázalo, že najlepšie naplnenie valca je pre = 90. Dosadením do rovnice (2.6) a vyjadrením ndostávame vzťah: [min -1 ], (2.7) Do výpočtov ďalej zavádzame súčiniteľ otáčok: [-], (2.8) Po dosadení z (2.7) do (2.8) dostávame: [-], (2.9) Ak je súčiniteľ otáčok rovný 1, potom dosiahneme najlepšie naplnenie valca a maximálne využijeme vlnový efekt. Zo súčiniteľu otáčok tiež vieme určiť pre každé otáčky optimálnu dĺžku potrubia pre maximálne doplnenie valca prichádzajúcou pretlakovou vlnou. Podľa počtu stupňov rezonančného potrubia rozdeľujeme na: - jednostupňové rezonančné potrubie, - dvojstupňové rezonančné potrubie, - trojstupňovérezonančné potrubie, - plne variabilné. 25
2.1.1.1 Jednostupňové rezonančné potrubie Jednostupňové rezonančné potrubie sa používa pre každý valec samostatne Obr. č. 2.3. Optimalizovaná dĺžka a objem potrubia zvýši hmotnostné naplnenie valca motora. Obr. č. 2.3 Jednostupňové rezonančné potrubie konštantných rozmerov [9] Pre nízke otáčky je výhodnejšie dlhšie a úzke potrubie a pre vysoké otáčky je výhodnejšie kratšie a širšie potrubie. Takýto jednoduchýsací systém je vhodný pre motory, ktoré pracujú s konštantnými otáčkami. Z ekonomického hľadiska je výroba jednostupňového sacieho systému menej nákladná, ako pri ostatných systémoch. Má nízku hmotnosť a malé straty pri prúdení. 2.1.1.2 Dvojstupňové rezonančné potrubie Dvojstupňové rezonančné potrubie sa skladá z dvoch potrubí rôznych dĺžok, pričom každé je optimalizované pre iný otáčkový znázornený na režim Obr. č. 2.4, 2.5. Existuje niekoľko rôznych konštrukčných prevedení tohto systému. Vzhľadom ku konštrukčným problémom boli v počiatkoch rezonančných sacích potrubí boli v zážihových motoroch použité iba dve rozdielne dĺžky potrubí (Obr. č. 2.4). 26
Obr. č.2.4dvojstupňový rezonančný systém, kde svetlé šípky predstavujúdĺžku dlhého sacieho potrubia a tmavé šípky cestu krátkeho sacieho potrubia[8] Svetlé šípky na obrázku č.2.4 zobrazujú cestu nasávaného vzduchu dlhým sacím potrubím, pričom jeho rezonančná dĺžka zodpovedá otáčkam motora do n = 4000 min -1. Pri vyšších otáčkach ako n = 4000 min -1 je pneumatickým ventilom uzavreté dlhé potrubie a je otvorené krátke rezonančné potrubie. Z porovnania priebehu krútiaceho momentu je zrejmé, že krátke sacie potrubie zvyšuje krútiaci moment a výkon pri vyšších otáčkach. Používa sa preto označenie tohto potrubia, ako výkonové.pri použití dlhého potrubia by pri vyšších otáčkach motora došlo k výraznému poklesu výkonu. Preto sa používa iba v oblasti nižších otáčok, kde je jeho použitie najefektívnejšie. Toto potrubie býva označované ako momentové. Výsledný moment vznikne zložením dvoch momentových Mk[n.m] charakteristíktýchto č. 2.5). potrubí(obr. Obr. č. 2.5 Momentová charakteristika dvojstupňového systému, prvá n[ot/min] 27
krivka dlhého potrubia, druhá krátkeho potrubia [8] S podobným riešením dvojstupňového rezonančného potrubia prišla firma Volkswagen pre motor VR6 (Obr.č. 2.6). riadiaca klapka ukľudňovacia komora výkonové potrubie prívod paliva vstrekovací ventil momentové potrubie prívod vzduchu príruba vstrekovacieho ventilu Obr.č. 2.6 Rezonančné potrubie firmy Volkswagen pre motor VR6 [8] Ďalšie dvojstupňové rezonančné potrubie využíva potrubie aktivované rezonančnou klapkou, ktoré je vyobrazené na obrázku č.2.7. Obr. č.2.7 Dvojstupňové rezonančné potrubie ovládané rezonančnou klapkou [10] 28
Pri vysokých otáčkach sa využíva krátke potrubie a pri nízkych otáčkach sa klapka uzavrie a využije sa prepojovacie rezonančné potrubie(obr. č. 10). U motorov s dvoma a viac sacími ventilmi na jeden valec sa mení priemer a dĺžka sacích potrubí v závislosti na otáčkach a zaťažení motora tým, že sa vypne alebo zapne jeden kanál. Pri nízkych otáčkach a malom zaťažení sa otvorí iba jeden kanál a so stúpajúcimi otáčkami sa otvorí ďalší. S takýmto riešením prišla firma Toyota (Obr.10). Obr.č. 2.8 Riešenie sacieho systému u Toyoty, kde sa šúpatko na sekundárnom kanály otvorí pri otáčkach n=4650 min -1 [8] 2.1.1.3 Trojstupňové rezonančné potrubie Ďalším vývojovým stupňom je trojstupňové rezonančné potrubie. Takýto systém využíva aj tlakové vlny od iných valcov. Pohyb tlakových vĺn je riadený sústavou klapiek. Takýto systém bol využitý napríklad v šesťvalcovom motore s uporiadanim valcov do V automobilu Peugeot 605(Obr. č2.9). Obr.č. 2.9 Trojstupňový rezonančný systém vozidla Peugeot 605 [8] 29
Taktiež trojstupňový sací systém VARIORAM je použitý vo vozidle Porsche 964 Carrera (Obr.č. 2.10). Obr.č. 2.10 Trojstupňový rezonančný sací systém VARIORAM [8] 2.1.1.4 Plne variabilné sacie potrubie Plne variabilné sacie potrubie zabezpečuje plynu zmenu dĺžky sacieho potrubia. Zmenu dĺžky sacieho potrubia zabezpečuje rotačné šúpatko (Obr. č. 2.11). Obr. č. 2.11 Plne variabilné sacie potrubie zážihového motora BMW V8[10] 30
Pri natočení vstupu do sacieho kanálu podľa modrých šípiek, je dĺžka sacieho potrubia najkratšia, využíva sa pri vyšších otáčkach. Pre natočenie v smere červených je dĺžka sacieho potrubia najdlhšia, využíva sa pre využitie rezonančného efektu pri najnižších otáčkach. 2.1.1.5 Kombinovaný spôsob rezonančného preplňovania Obidva spôsoby rezonančného plnenia môžeme kombinovať. Usporiadanie takého systému je uvedené na obrázku č. 2.12. Pri vysokých otáčkových režimoch pracuje dĺžkovo ladené sacie potrubie, v nízkych otáčkových režimoch potrubie uvádzané do činnosti uzavretím klapky rezonátora. K zabezpečeniu rovnomernejšieho chodu motora na voľnobehu a pri nízkych zaťaženiach je sací systém doplnený sústavou pre riadenie turbulencie čerstvej náplne vo valci motora. Obr.č. 2.12 Kombinovaný sací systém [10] Takýto sací systém je použitý v Porsche Cayenne S, kde dĺžka sacích kanálov a ich priemery zladené s veľkosťou sacích otvorov vo valci tak, aby bol 31
zaistený lepší priebeh točivého momentu. VarioCam svojím plynulým nastavovaním otváracích sacích ventilov dovoľuje rezonančné funkcie maximálne využiť. Konce sacích potrubí sú špeciálne tvarované tak, aby prechod bol plynulý a aby sa vlna odrazila čo najlepšie (Obr.č. 2.13). Obr.č. 2.13 Plynulo tvarované konce sacích potrubí [14] 2.1.2 Impulzné preplňovanie Impulzné preplňovanie je spôsob preplňovania, ktorý pracuje s dynamickými javmi v sacom potrubí a to za pomoci magneticky ovládanej klapky umiestnenej pred sací ventil(obr.č. 2.14), ktorý dodatočne riadi hmotnostný tok vzduchu. 32
2 4 7 10 1 6 3 8 5 9 Obr. č. 2.14 Príklad umiestnenia magneticky ovládanej klapky umiestnenej predsací ventil [14] 1- plénum sacieho potrubia, 2 - sacie potrubie, 3 - prídavnáklapka impulzného preplňovania, 4 sací ventil, 5 vstrekovač, 6 sviečka, 7 hlava valca, 8 spaľovací priestor, 9 piest, 10 výfukový ventil V sacom zdvihu piestu z hornej úvrate je sací ventil už dostatočne otvorený, ale vložená klapka zostáva ešte uzavretá, takže za klapkou vzniká väčší podtlak. Potom sa klapka otvorí na dlhšiu dobu, vzniknutá podtlaková vlna prúdi k ústiu sacieho potrubia, kde sa od otvoreného konca odráža ako pretlaková. Tá prúdi do späť valca a zvýši plniaci tlak. Za ňou beží podtlaková vlna, ktorá by spôsobila spätné prúdenie z valca a zhoršovala jeho naplnenie, a preto sa klapka na dobu priebehu podtlakovej vlny uzavrie a pred dolnou úvraťou sa na doplnenie opäť otvorí (Obr. č. 2.15 a Obr. č. 2.16). 33
Obr. č. 2.15Schematické znázornenie plnenia valca pri impulzovom preplňovaní[10] Uhol kľukového hriadeľa Obr.č.2.16 Priebeh tlakov pri impulznom preplňovaní pred a za klapkou, zdvih ventilov v závislosti na uhlu pootočenia kľukového hriadeľa [10] Výskumu tohto systému sa v súčasnosti venujú firmy Siemens VDO a Mahle FiltersystemeGmbH. 34
2.2 Straty v sacom systéme Na straty v sacom systéme má vplyv jeho konštrukcia. Požaduje sa hydraulická čistota všetkých častí sacieho systému. Hydraulická čistota sa dosahuje pri hladkých vnútorných stenách bez ohybov a vetvení, zaoblené hrany plynulé prechody pri zmenách prierezov. Pri zväčšovaní prierezov dosahujeme zníženie hydraulických odporov pri vysokých otáčkach motora. Pri dynamicky ladených potrubiach je rozhodujúca dĺžka, priemer a hydraulická čistota. Straty v prúdení sú charakterizovanéveľkosťou prietočného súčiniteľa η alebo veľkosťou efektívnej prietočnej plochy ventilov η. Sv. Priebeh prietokového súčiniteľa a skutočnej prietočnej plochyη.sv závisíod zdvihu ventilu h a priemeru saciehoho kanálah/d1(obr. č. 2.17). Sv η η η. Sv [mm 2 ] η. Sv h/d s Obr. č. 2.17 Priebeh prietokového súčiniteľa a skutočnej prietočnej plochy v závislosti na pomere zdvihu a priemeru sacieho kanálu 35
Obr. 5 Priebeh veličín v závislosti na uhle pootočenia kľukového hriadeľa 36
3 Analýza primeranosti navrhovaného riešenia Pri riešení a návrhu sacieho systému vychádzame z prevádzkových vlastností motora. Pri voľbe sacieho systému vychádzame z toho, že motor bude používaný v rôznych režimoch práce, a preto navrhovaný systém by mal pracovať v čo najširšom spektre otáčok. Pre využitie vlnového efektu v širokom spektre otáčok zvolili sme variabilný trojnádobový sací systém (Obr. č. 19 a Obr. č. 20), ktorý umožňuje meniť počet nádob na jednonádobový, dvojnádobový a trojnádobový systém. Pri ideovom návrhu tiež musíme prihliadať na minimalizáciu hydraulických strát.aby smemohli čo najefektívnejšie využiť dynamiku nasávaného vzduchu v širokom spektre otáčok musíme optimalizovať dĺžky a priemery potrubí sacieho systému a v závislosti na otáčkach určiť, kedy bude systém meniťjednotlivé nádoby. Taktiež je dôležité umiestnenie prvých štyroch potrubí kvôli poradiu otvárania ventilov. Aby nám pulzácie otvárania sacích ventilov, ktoré sa otvárajú v poradí 1-3-4-2 neovplyvňovali prúdenie v prvých štyroch potrubiach.usporiadanie potrubí je 1-4 a 2-3. Obr. 20 Model variabilného trojnádobového systému. Zmena objemu nádob je pomocou natočenia nádob a klapky v tretej nádobe, ktorá rozdelí objem tretej nádoby na dva objemy. 37
Cieľom konštrukcie variabilného trojnádobového systému je dosiahnutie vysokej plniacej účinnosti v spektre otáčok, v ktorom motor pracuje(obr. č. 4.1).Konštrukčné riešenie variabilného systému nám umožňuje zmenu systému na jednonádobový, dvojnádobový alebo trojnádobový systém. Priebeh nestacionárneho prúdenia v jednotlivých sacích systémoch 1,2 1 0,8 ηpl[-] 0,6 0,4 0,2 jedno-nádobový systém dvoj-nádobový systém troj-nádobový systém 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 n[ot/min] Obr. č. 2. Vgrafe vidíme priebeh plniacich účinností v jednonádobovom, dvojnádobovom a trojnádobovom sacom systéme, kde L1=L2=L3=L4= 0,4m, L5=L6=0,2 m a L7= 0,1m Zvýšením plniacej účinnosti ηpldosiahnemezvýšenie plniaceho tlakupe zo vzťahu (2.2). Tým dosiahneme vysoké hodnoty priebehu krútiaceho momentu v širokom rozsahu otáčok pri optimálnej spotrebe paliva, zníženie emisií CO a zvýšenie efektívneho výkonu Pe zo vzťahu spotreby a emisií má pozitívny vplyv na ekológiu. (2.1).Zníženie 38
4 Tepelný výpočet pre zmes benzínu a vzduchu Vstupné hodnoty do výpočtu prúdenia získame z tepelného výpočtu. Parametre motora sú: Počet valcov i =4, štvortaktný P= 50 kw pri n= 5000 min -1 Kompresní pomer ε= 10 Pre palivo benzín: C - 85,5 % H 14,5 % Hd = 44 000 kj/kg Pre stechiometrickú zmes benzínu a vzduchu: λ = 1 Volené: Tsp = 1050 K psp = 1,13. 10 5 Pa ξ = 2 wv = 90 m/s p0 = 0,981. 10 5 Pa T0 = 288 K ( T = 15 K) Rvz = 286,99 J/kg. C 39
Obr. č. 4.1 ideálny izochorický obeh Bod 1 Predpokladáme že: nedochádza k zmene hustoty ρ Merná hustota vzduchu: p0. v0 = R.T0 =>p0 =, v0 = ρ0 = = 1,1869 kg/m 3 Tlak na konci nasávania: Bernouliho rovnica: = + + ξ. p1 = p0 -. ρ0. w 2. (1 + ξ) p1 = 0,981. 10 5 -. 1,1869. 90 2. (1 + 2) = 0,8368. 10 5 Pa 40
Koeficient spalín (súčiniteľ zvyškových spalín): γzv =. γzv =. = 0,0405 4 % Teplota na konci nasávania: T1 = T1 = = 332,14 K Plniaca účinnosť (volumetrická účinnosť): ηv =. ( ) ηv =. ( ) = 0,778 77,8 % Bod 2 Volím: n1= 1,35 Tlak na konci kompresie: p2 = p1. ε n 1 = 0,8368.10 5. 10 5 = 18,73. 10 5 Pa Teplota na konci kompresie: T2 = T1. ε n 1-1 = 332,14. 10 5 = 743,56 K 41
Bod 3,4 Rovnica spaľovania: ξz. ( ) = η. U3,4 ξz pre zážihový motor: 0,85 0,9 0,86 Hd = 1,2. 10 5 (1 - λ). L0 v našom prípade Hd = 0, lebo λ = 1 Teoretická spotreba vzduchu (objemová): L0 = L0 = = 0,5119 kmol Teoretická spotreba vzduchu (hmotnostná): l 0 = l 0 = = 14,96 kg Množstvo vzduchu: M v = L 0. λ = 0,5119. 1 = 0,5119 kmol mv = l0. λ = 14,96. 1 = 14,96 kg 42
Množstvo čerstvej zmesi: ηp pre benzín 110 120 114 m1 = 1 + λ. l0 = 1 + 1. 14,96 = 15,96 kg M1 = 5119 = 0,5207 kmol Zloženie produktov horenia: MCO = 0,42 L0 = 0,42 0,5119 = 0 kmol MCO2 = - MCO = 0 = 0,0713 kmol MH2 = k. MCO = k. 0 = 0 kmol MH2O = - MH2 = - 0 = 0,0725 kmol MN2 = 0,79. λ. L0 =0,79. 1. 0,119 = 0,404 kmol Celkové množstvo produktov: M2 = MCO + MCO2 + MH2 + MH2O + MN2 M2= 0 + 0,0713 + 0,0725 + 0,404 = 0,5482 kmol Prírastok objemu: M = M2 M1 = 0,5482 0,5207 = 0,0275 kmol 43
Teoretický koeficient molekulárnej zmeny: η0 = = = 1,053 Skutočný koeficient molekulárnej zmeny: η = = = = 1,051 Vnútorná zmena energie na konci kompresie: U2 = (η. Cv ) t2. t2 t2 = T2 273 = 743 273 = 470 C Obr. č. 4.2 Určnie (η. Cv ) 470 pri teplote t2=470 C (η. Cv ) 400 = 21,474 KJ/ kmol. C (η. Cv ) 500 = 21,780 KJ/ kmol. C (η. Cv ) 470 = 21,694 KJ/ kmol. C U2 = (η. Cv ) t2. t2 = 21,694. 470 = 10 196 kj/kmol 44
Vnútorná energia produktov na konci kompresie: U2 = (η. Cv ) t2. t2 (η. Cv ) 400 = 23,7203 kj/ kmol. C (η. Cv ) 500 = 24,1478 kj/ kmol. C (η. Cv ) 470 = 24,0281 kj/ kmol. C U2 = 24,0281. 470 = 11 293 kj/kmol Ľavá strana rovnice horenia: ξz. ( ) = η. U3,4 0,86. ( ) = η. U3,4 80 114,5 kj/kmol = η. U3,4 U3,4 = = = 76 268 kj/kmol Tab.2 t3,4 nájdeme pomocou interpolácie hodnôt z tabuľky. t[ C] (η. Cv ) t U3,4 2500 29,9905 74 976,3 2600 30,1777 78 462 45
Obr. č. 4.3 Grafické znázornenie aproximácie Výpočet interpolácie: x = 2537,1 C t3,4 = 2537,1 C T3,4 = t3,4 + 273 = 2537 + 273 = 2 810 K Tlak na konci horenia: p3,4 =η.. p2 = 1,051.. 18,73. 10 5 = 74,44. 10 5 Pa Stupeň zvýšenia tlaku: λ * = = = 3,97 46
Maximálny tlak po zaoblení: p3,4 =0,85. p3,4 = 0,85. 74,44. 10 5 = 63,27. 10 5 Pa Bod 5 Tlak na konci expanzie p5 = = = 3,64. 10 5 Pa Teplota na konci expanzie: T5 = = = 1616 K Výpočet prevádzkových veličín Stredný indikovaný tlak teoretický: pit = p1 [ ] pit = 0,8368. 10 5 [ ] = = 11,923. 10 5 Pa Skutočný stredný indikovaný tlak: pi = ηpl. pit = 0,97. 11,923. 10 5 = 11,565. 10 5 Pa 47
Stredný tlak strát: Tab. 3 Určenie koeficientov stredného tlaku strát v závislosti na pomere A B 5.10 4 1,55.10 4 pz = A + B. ct = 5. 10 4 + 1,55. 10 4. 12 = 2,36. 10 5 Pa Stredný efektívny tlak: pef = pi - pz = 11,565. 10 5-2,36. 10 5 =9,205. 10 5 Pa Mechanická účinnosť: ηm = = = 0,79 Indikovaná merná spotreba: mpi = 3600 mpi=3600 = 192,14 g/ kwh Efektívna merná spotreba: mpe = = = 243,32 g/ kwh 48
Indikovaná účinnosť: ηi = = = 0,425 Efektívna účinnosť: ηef = ηi. ηm = 0,79. 0,42 = 0,336 Hodinová spotreba : Mp = mpe. Pe. 10-3 = 243. 50. 10-3 = 12,15 kg/h Výpočet rozmerov motora Zdvihový objem: Vm = = = 1,303 dm 3 Zdvihový objem jedného valca Vz = = = 0,325 dm 3 Vŕtanie: D = 75 mm Zdvih: Z = = = 73,56 mm 49
Dĺžka ojnice: r = = = 36,5 mm loj = = = 165,9 mm 50
5 Výpočet nestacionárneho prúdenia Výpočet prúdenia sme robili pre jednonádobový dvojnádobový a trojnádobový systém samostatne pre tri rôzne varianty dĺžok systémov. Konštrukcia variabilného trojnádobový sacieho systému nám umožňuje meniť systém počas prevádzky motora na jednonádobový, dvojnádobový, alebo trojnádobový systém, podľa toho ktorý práve dosahuje najvyššie plniace účinnosti.výpočet nestacionárneho prúdenia sme uskutočnili v programe, ktorý na výpočet používa metódu charakteristík. Tento program bol vytvorený vedúcim tejto diplomovej práce. Podrobnejšie o tejto metóde je uvedené v práci Využitie poznatkov o nestacionárnom prúdení vo vedeckej, pedagogickej a konštruktérskej práci 1 Obr. č. 5.1 Schéma variabilného trojnádobového systému 1 Lešinský,J.: Využitie poznatkov o nestacionárnom prúdení vo vedeckej, pedagogickej a konštruktérskej práci- Habilitačná práca, SjF STUBA, 1996 51
5.1 Rýchlosť prúdiaceho média Vzhľadom k nízkym amplitúdam tlakových vĺn v sacom trakte spaľovacieho motora môžeme k popisu tlakových vĺn použiť zákon šírenia zvuku (vlnová teória). Ak zanedbáme vonkajšie vplyvy, ako hydraulické a tepelné straty, je rýchlosť šírenia zvuku daná vzťahom: [m.s -1 ], (5.1) kde κ je Poissonová konstanta κ = 1.4, r - plynová konstanta r = 288 J. kg -1. K -1 T v - teplota vzduchu Zo vzťahu (4.1) vyplýva, že rýchlosť prúdenia vzduchu je závislá na jeho teplote a má vplyv na rezonančné potrubie (Obr. č. 5.2). a [m/s] 350 Rýchlosť zvuku v závislosti na teplote 345 340 335 330 325 320 315 310-30 -20-10 0 10 20 30 T[ C] Obr. č. 5.2 Graf vyjadruje zmenu rýchlosti prúdiaceho vzduchu v závislosti na teplote 52
Stredná teplota vzduchu v sacom potrubí ovplyvňuje rýchlosť zvuku. Táto teplote sa v reálnych prípadoch pohybuje okolo 15 C(288,15K). Výpočet rýchlosti zvuku po dosadení za Tv = 288,15 K do vzťahu 5.1: = = 343 [m.s -1 ], 5.2 Návrh dĺžky a priemeru sacích potrubí Pre návrh rozmerov sacieho potrubia boli odvodené viaceré metódy. Pre viacvalcové motory, ktoré majú samostatné sacie potrubia a všetky ústia do jednej spoločnej nádoby platí tento postup: a) Zvolia sa otáčky motora, pri ktorých požadujeme maximálnu plniacu účinnosť. Pri benzínových motoroch 2/3 z otáčok maximálnych. nmax=7000 ot/min nm= 2/3 nmax = 4666 [ot/min], (5.2) b) Určí sa rýchlosť zvuku, a1 je funkciou teploty. Pri teplote t1=15 C je a1=323 m/s c) Vypočíta sa dĺžka Lp zo vzťahu vyjadrením zo vzťahu 2.9, kde γ = 0,9 [m.], (5.2) d) Určí sa dynamický súčiniteľ ψ, kde priemer potrubia sme zvolili d =0,03 [-], (5.3) e) Určí sa celkový stratový súčiniteľ sacieho potrubia ξ, závisí od priemeru potrubia d) drsnosti povrchu potrubia. ξ = 0,8 f) Podľa kriteriálneho vzťahu maximálnej plniacej účinnosti sa vypočíta γ [-], (5.4) 53
g) Podľa kriteriálneho vzťahu najvýhodnejšieho uhla zatvárania sacieho ventilu [-], (5.5) h) Porovná sa so súčiniteľom uhlu zatvárania sacieho ventilu,sací ventil sa zatvára = 60 za hornou úvraťou [-], (5.6) kde = je správne naladené. Z uvedeného postupu sme určili optimálne rozmery sacích potrubí jednonádobového systému, priemer d = 0,03 m a dĺžku Lp=0,46 m 0,5 m. Celková dĺžka sacieho potrubia je zložená z dĺžky potrubia pred nádobou L1= L2= L3= L4 =konst. A za nádobou L7. Dĺžku posledného potrubia L7 sme zvolili 0,1 m a L1= L2= L3= L4=0,4 m. Aby nedochádzalo k zmene rýchlosti prúdenia a stratám v potrubí L7 dopočítali sme jeho priemer zo vzťahu: [m], (5.7) Obr. č. 4.2 Schéma variabilného trojnádobového sacieho systému 54
Z týchto hodnôt budeme vychádzať aj ďalej. Konštrukčné riešenie variabilného trojnádobového sacieho systému nám umožňuje kombináciu troch rôznych možností použitia. Pre lepšiu analýzu zvolíme tri rôzne dĺžky ďalších systémov a budeme ich porovnávať. Za hodnoty dĺžok L5=L6 sme zvolili tri varianty 1. L5=L6= 0,1 m 2. L5=L6=0,2 m a 3. L5=L6=0,3 m. Pre priemery potrubí D5=D6 platí: [m], (5.8) 5.3 Vstupy do výpočtu Na výpočetpotrebujeme určiť: a) parametre motora b) geometrické parametre potrubí sacieho systému c) rýchlosť zvuku d) počet bodov v sacom potrubí potrebných na výpočet a) parametre motora sme určili z tepelného výpočtu: - otáčky nm = 6000 min -1 - vŕtanie D = 0,075 m - zdvih Z = 0,073 m - dĺžka ojnice l0 = 0,169 m b) geometrické rozmery potrubí variabilného trojnádobového systému pre tri varianty rozmerov Tab.3 Tab.3 Rozmery potrubia, potrebné pre výpočet pre tri rôzne alternatívy riešenia 55
d1=d2=d3=d4[m] d5=d6 [m] d7 [m] L1=L2=L3=L4 [m] L5=L6 [m] L7 [m] 1. 0,03 0,043 0,06 0,4 0,1 0,2 2. 0,03 0,043 0,06 0,4 0,2 0,2 3. 0,03 0,043 0,06 0,4 0,3 0,2 c) rýchlosť zvuku: - rýchlosť zvuku do výpočtu sme vypočítali v kapitole 5.1 = 343 [m.s -1 ] d) počet bodov k v sacom potrubí: Minimálny počet bodov k pre výpočet nestacionárneho prúdenia metódou charakteristík je pre potrubie L=0,1 m je 3. My sme pre presnejší výpočet zvolili pre potrubie L= 0,1 m k=5. Na vypočítanie ďalších hodnôt sme použili vťah: kn= ks. alebo kn= ks., [-], (5.9) kde kn počítaný počet bodov, ks počet bodov pripadajúci na dĺžku alebo otáčky motora z ktorých počítame. Tab.4 Počet bodov k, pripadajúcich na dĺžku potrubia alebo otáčky motora 1000 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 n [ot/min.] 0,1 5 7 9 11 13 15 17 18 20 22 0,2 7 14 18 22 26 30 34 37 40 44 0,3 11 22 28 33 39 44 50 55 61 66 0,4 15 29 37 44 51 59 66 73 81 88 L[m] 56
5.4 Výpočet prúdenia pre jednonadobový systém Jednonádobový sací systém sa skladá z jednej nádoby a piatich sacích potrubí. Spustenie jednonádobového systému je konštrukčne vyriešené odpojením ostatných nádob tým, že ich natočíme (Obr. č. 5.1).Výpočet je pre dĺžky sacích potrubí L1=L2=L3=L4= 0,4 m a L7= 0,1 m a priemery potrubí D1= D2 = D3= D4= 0,4 m a D7= 0,1m. Obr. č. 5.1 Zmena počtu nádob Obr. č.5.2 Natočenie na nádob natáčaním na jednonádobový systém Tab. 4 Výsledky z výpočtu nestacionárneho prúdenia pre jednonádobový systém n[ot/min] 1000 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 ηpl [-] 0,914 0,989 1,021 1,021 1,051 1,007 0,939 0,855 0,719 0,65 Pre lepšie znázornenie výpočtu prúdenia sme výsledky vyhodnotili graficky v Obr. č. 5.3.Z priebehu prúdenia je zrejmé že najvyššie zvýšenie plniacej účinnosti dosiahneme v rozmedzí otáčok n= 2000 ot/min 4000 ot/ min, ale zaujímajú nás aj okolité priebehy v porovnaní s ostanými systémami, lebo vo vhodnej kombinácii s ostatnými systémami dosiahneme 57
najefektívnejší využitie prúdenia v potrubiach. Zmeny dĺžok L5= L6 nemajú vplyv na výsledky jednonádobového systému. 1,2 Priebeh plniacej účinnosti pri jednonádobovom sacom systéme 1 0,8 ηpl[-] 0,6 0,4 0,2 jedno-nádobový systém L1=L2=L3=L4= 0,4 m L7=0,7m D1= D2 = D3= D4= 0,4 D7=0,06 m 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 n[ot/min] Obr. č. 5.3 Grafickýpriebeh plniacej účinnosti v jednonádobovom sacom systéme 5.5 Výpočet prúdenia pre dvojnadobový systém Dvojnádobový systém sme riešili pre tri rôzne dĺžky potrubí. Spustenie dvojnádobového systému je riešené natočením dvoch spojených nádob, ktoré sa nachádzajú v jednej nádobe tak, aby príslušné otvory jednotlivých nádob sa navzájom prekrývali a klapka v tretej nádobe bola otvorená(obr. č. 5.4 a Obr. č. 5.5). 58
Obr. č. 5.4 Rez modelom systémuobr. č. 5.5 Model systému natočenéhonatočenéhoprefungovanie na dve nádoby dvoch nádob Systém sme počítali pre tri rôzne varianty dĺžok potrubí L5=L6, pričom dĺžky L1=L2=L3=L4=0,4m a L7=0,1m sú rovnako dlhé, ako u jednonádobového systému. Pre prvú variantu platí L5=L6=0,1m, pre druhú L5=L6=0,2m a pre tretiu L5=L6=0,3m. Výsledky z programu pre výpočet nestacionárneho prúdenia sú uvedené v Tab. 5. Tab. 5 Výsledky z výpočtu nestacionárneho prúdenia pre dvojnádobový systém n[ot/ min] 1000 2000 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 1.varianta L5=L6=0,1m 0,914 1,002 1,059 1,066 0,997 0,93 0,856 0,755 0,663 2.varianta L5=L6=0,1m 3.varianta L5=L6=0,1m 0,914 0,992 1,064 1,05 0,973 0,932 0,813 0,752 0,646 0,911 0,944 1,063 1,015 0,969 0,931 0,865 0,751 0,654 59
Priebeh nestacionárneho prúdenia v dvojnádobovom systéme pre 3 varianty dĺžok 1,2 1 0,8 ηpl[-] 0,6 0,4 0,2 1.varianta L5=L6=0,1 2.varianta L5=L6=0,2 3.varianta L5=L6=0,3 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 n[ot/min] Obr. č. 5.4 Grafický priebeh plniacej účinnosti v dvojnádobovom sacom systéme pre tri varianty dĺžok L5=L6 Pre lepšie znázornenie výpočtu prúdenia sme výsledky graficky, čo je zrjmé z Obr. č. 5.4. V porovnaní výpočtov troch variant dĺžok potrubí pre dvojnádobový systémsme zistili, že najlepšiu plniacu účinnosť, ako aj najširšie využitie v spektre otáčok sme dosiahli v 1. variante. Najmenej efektívna je 3. varianta, kde sme dosiahli lepšiu plniacu účinnosťako v ostatných prípadoch len v okolí otáčok n=3500ot/min. 5.6 Výpočet prúdenia pre trojnadobový systém Spustenie trojnádobového systému je podobne, ako u dvojnádobového systému riešené natočením dvoch nádob, ktoré sa nachádzajú v jednej nádobe tak, aby príslušné otvory jednotlivých nádob sa navzájom prekrývali. 60
Klapka v tretej nádobe nám slúži na rozdelenie objemu nádoby na dva rovnaké objemy. Obr. č.5.5 Model trojnádobového systému trojnádobového systému Obr. č. 5.6 Rez modelom Trojnádobový systém sme riešili pre tri rôzne varianty dĺžok potrubí, totožné s dvojnádobovým systémom. Dĺžky L1=L2=L3=L4=0,4m a L7=0,1m sú rovnako dlhé, ako u jednonádobového systému. Pre prvú variantu platí L5=L6=0,1m, pre druhú L5=L6=0,2m a pre tretiu L5=L6=0,3m. 61
Tab.6 Výsledky výpočtu nestacionárneho prúdenia pre trojnádobový systém n[ot/min] 1000 2000 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 1.varianta L5=L6=0,1m 2.varianta L5=L6=0,1m 3.varianta L5=L6=0,1m 0,916 1,004 1,054 1,075 1,003 0,942 0,863 0,759 0,645 0,921 0,997 1,047 1,073 0,997 0,951 0,811 0,75 0,629 0,921 1,016 1,074 1,049 1,015 0,962 0,854 0,754 0,666 Priebeh nestacionárneho prúdenia v trojnádobovom systéme pre 3 varianty dĺžok 1,2 1 0,8 ηpl[-] 0,6 0,4 0,2 1.varianta L5=L6=0,1m 2.varianta L5=L6=0,2m 3.varianta L5=L6=0,3m 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 n[ot/min] Obr. č. 5.4 Grafický priebeh plniacej účinnosti v trojnádobovom sacom systéme pre tri varinty dĺžok L5=L6 Pre lepšie znázornenie výpočtu prúdenia sme výsledky vyhodnotili graficky v Obr. č. 5.4.V porovnaní výpočtov troch variant dĺžok trojnádobového systému sme zistili, že najlepšiu plniacu účinnosť, ako aj najširšie využitie v sprektre otáčok sme dosiahli v 3. variante. Menej efektívna je 1. varianta 62
a v 2. variante sme ani v jednom prípade nedosiahli lepšiu plniacu účinnosť ako v ostatných. 5.7 Porovnanie výsledkov systému a výber vhodnej varianty požitia Konštrukcia trojnádobového variabilného sacieho systémunám umožňuje vybraťsystém, ktorý bude pracovať pri konkrétnych hodnotách otáčok motora tak, aby sme čo najefektívnejšie využili vlastnosti prúdenia pri optimálnych dĺžkach potrubí.môžeme kombinovať systémy, ktorých spoločné potrubia majú rovnaké dĺžky. Výsledky z prúdení pre jednotlivé varianty systémov sú uvedené v podkapitolách 5.4pre trojnádobový systém, v podkapitole 5.3 pre dvojnádobový systém a v podkapitole 5.2 pre jednonádobový systém.pre lepšie znázornenie výsledkov sú vyhodnotené grafickyv Obr. č. 5.5, 5.6, 5.7. Tab. 7 Rozmery dĺžok potrubí pri jednotlivých variantách L1=L2=L3=L4 L5=L6 L7 1.varianta 0,4m 0,1m 0,1m 2.varianta 0,4m 0,2m 0,1m 3.varianta 0,4m 0,3m 0,1m 63
Priebeh plnicich účinností v jednotlivých nádobách pri 1. variante dĺžok potrubí ηpl[-] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 jedno-nádobový systém dvoj-nádobový systém troj-nádobový systém 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 n[ot/min] Obr. č. 5.5 Grafické zobrazenie plniacich účinností pre 1 variantu dĺžok jednonádobového, dvojnádobového a trojnádobového sacieho systému Z výsledkov pre jednotlivé systémy pre 1. variantu dĺžok riešení je vhodné použiť pre otáčky do n= 2500ot/min trojnádobový systém, pre n= 2500 3300 ot/min dvojnádobový systém, pre n= 3300-3700 ot/min dvojnádobový systém pre n= 3700-4200ot/min jednonádobový systém a pre n= 4200-6000 ot/min trojnádobový systém. 64
1,2 1 Priebeh nestacionárneho prúdenia v jednotlivých nádobách pri 2. variante dĺžok potrubí 0,8 ηpl[-] 0,6 0,4 0,2 jedno-nádobový systém dvoj-nádobový systém troj-nádobový systém 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 n[ot/min] Obr. č. 5.6Grafické zobrazenie plniacich účinností pre 1. variantu dĺžok jednonádobového, dvojnádobového a trojnádobového sacieho systému Z výsledkov pre jednotlivé systémy pre 2. variantu riešení je vhodné použiť pre otáčky do n = 2300ot/min trojnádobový systém, pre n = 2300 3300 ot/min dvojnádobový systém, pre n= 3300-4700 ot/min trojnádobový systém pre n= 4700-5200ot/min jednonádobový systém, pre n= 5200-5400 ot/min trojnádobový systémpre n= 5400-5600 jednonádobový systém a pre n= 5600-6000 ot/min jednonádobový systém. 65
1,2 1 Priebeh nestacionárneho prúdenia v jednotlivých nádobách pri 3. variante dĺžok potrubí 0,8 ηpl[-] 0,6 0,4 0,2 jedno-nádobový systém dvoj-nádobový systém troj-nádobový systém 0 1000 2000 3000 n[ot/min] 4000 5000 6000 Obr. č. 5.7Grafické zobrazenie plniacich účinností pre 2. variantu dĺžok jednonádobového, dvojnádobového a trojnádobového sacieho systému Z výsledkov pre jednotlivé systémy pre 3. variantu riešení je vhodné použiť pre otáčky do n= 3200ot/min trojnádobový systém, pre n= 3200 3700 ot/min jednonádobový systém, pre n= 3700-4700 ot/min trojnádobový systém pre n= 4700-5200ot/min dvojnádobový systém, pre n= 5200-6000 ot/min trojnádobový systém. Z celkového porovnania najvyššiu plniacu účinnosť dosahujeme pri n do 3200 ot/min u 3. varianty trojnádobového systému od 3200 ot/min do 3700ot/min u trojnádobového systému v 1. variante, 3700-4700 v 3. variante trojnádobového systému, od 4700 ot/min do 5200ot/min u 3.varianty dvojnádobového systému, od 5200ot/min 5700ot/min v prvej variante trojnádobového systému,od 5700ot/min do 6000 ot/min v 1.variante dvojnádobového systému. Najširšie spektrum otáčok s najlepšou plniacou účinnosťou sme dosiahli v tretej variante rozmerov potrubí trojnádobového systému, hodnoty výsledkov ostatných systémov 3. varianty nedosahujú 66
najvyššie hodnoty, ale od najvyšších sa odchyľujú minimálne. Preto sme za hlavné rozmery potrubí zvolili rozmery z 3.varianty a zmeny nádob v systéme použijeme v uvedených spektrách otáčok. 67
Záver Cieľom tejto práce bola popísanie optimalizácia procesov vznikajúcich počas práce spaľovacieho motora, ktorá zahŕňala zníženie strát a zvýšenie účinnosti spaľovacieho motora. Táto optimalizácia spočívala v navrhnutí optimálneho variabilného sacieho systému. Na základe výpočtu nestacionárneho prúdenia sme navrhli optimálne dĺžky variabilného trojnádobového sacieho systému pre piestový spaľovací motor, ktorého parametre sme získali z tepelného výpočtu spracovaného na základe podkladov oddelenia spaľovacích motorov a lodí. Variabilný trojnádobový systém bol navrhnutý tak, aby hydraulické straty vznikajúce pri prúdení vzduchu v plniacom potrubí boli minimálne a na základe toho sme ich mohli vo výpočtoch nestacionárneho prúdenia zanedbať.výpočet nestacionárneho prúdenia sme uskutočnili pre tri rôzne varianty dĺžok sacích potrubí vo variabilnom trojnádobovom systéme. Naším cieľom bolo nájsť najefektívnejší priebeh plniacej účinnosti v čo najširšom spektre otáčok motora. Na základe vypočítaných výsledkov a vykonaných porovnávaní jednotlivých sacích systémovsme určili za najefektívnejšiu tretiu variantu navrhovaných dĺžok sacieho potrubia (L1=L2=L3=L4=0,4m, L5=L6=0,3m a L7=0,1m).Pri tejto alternatíve riešenia smenedosiahli na základe výpočtu najvyššie hodnoty plniacej účinnosti, ale na druhej strane plniaca účinnosť tejto varianty dosiahlanajväčší nárast v najširšom spektre otáčok v porovnaní s ostatnými uvažovanými variantmi. Porovnaním vypočítaných plniacich účinnosti medzi treťou a zvyšnými dvomi variantmi sa ukázalo, že tretia varianta má o 1 nižšiu plniacu účinnosť. Tento rozdiel je z hľadiska plnenia valca zanedbateľný.priebehy nestacionárneho prúdenia sme počítali pre každý systém samostatne. Z grafického vyhodnotenia výsledkov sme určili najoptimálnejšie poradie fungovania systémov v závislosti od otáčok motora. Touto voľbou sme najlepšie a najefektívnejšie využili vlastnosti prúdenia v jednotlivých systémoch. Zvýšenie plniacej účinnosti v celom 68
spektre otáčok motora má pozitívny vplyv na zvýšenie priebehu efektívneho výkonu motora, krútiaceho momentu pri rôznych režimoch práce motora a zníženie spotreby paliva. 69
Bibliografia [1] Benedict, P. R.: Fundamentals of pipe flow, A Wilow- Interscince Publication, 1980 [2] Keenan,J.N.: An Investigation of the effects of various engine models on cilinder filling efficiency,sjf STUBA, 1998 [3] Lešinský,J.:Prehľad vplyvu nestacionárneho prúdenia na výmenu náplne spaľovacieho motora, SjF STUBA, 1978 [4] Lešinský,J.: Využitie poznatkov o nestacionárnom prúdení vo vedeckej, pedagogickej a konštruktérskej práci- Habilitačná práca, SjF STUBA, 1996 [5] Novosad, Z.: Sací potrubí zážehového závodního motora [6] Polóni M.: Teória preplňovania spaľovacích motorov, SjF STUBA, 2008 [7] Rauscher, J.: Vozidlové motory. Brno 2002. [8] Vlk, F.: Vozidlové spaľovacie motory,1. vydanie Brno, 2003 [9] Trnka,J.: Spaľovacie motory I, SjF STUBA, 1989 [10] Řehak, I.: Návrh sacího traktu pro vůz SAE, ČVÚT, Brno 2008 [11]Škoda Auto. SSP 19, Zážehový motor 1,6 74 kw a 1,8 92 kw [CD-ROM]. [12] http://www.auto.cz/bosch-prvni-plastova-skrtici-klapka-15865 [13]DuPont [online]. March 8, 2004 Nissan s First North American V8Uses Thermoplastic Air Intake ManifoSignificant Weight, Performance Benefits. Elektornické zdroje: <http://www2.dupont.com/automotive/en_us/news_events/article20040 308e.html>. http:// www.freepatentsonline.com. 70