RAZVOJ SESALNEGA SISTEMA ZA DIRKALNIK FORMULA S

Transcription

1 Robert FRIDMAN RAZVOJ SESALNEGA SISTEMA ZA DIRKALNIK FORMULA S univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje Strojništvo Maribor, avgust 2016

2 RAZVOJ SESALNEGA SISTEMA ZA DIRKALNIK FORMULA S Študent: Študijski program: Smer: Robert FRIDMAN univerzitetni študijski program 1.stopnje Strojništvo Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo Mentorica: red. prof. dr. Breda KEGL Maribor, avgust 2016

3 - I -

4 I Z J A V A Podpisani Robert FRIDMAN izjavljam, da: je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela, predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze, so rezultati korektno navedeni, nisem kršil avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih, soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in elektronske verzije zaključnega dela. Maribor, avgust 2016 Podpis: - II -

5 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorici red. prof. dr. Bredi Kegl za pomoč in vodenje med pisanjem diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi celotni ekipi Grand Prix Engineering Maribor. Posebno zahvalo namenjam staršem, ki so mi omogočili študij. - III -

6 RAZVOJ SESALNEGA SISTEMA ZA DIRKALNIK FORMULA S Ključne besede: sesalni sistem, optimizacija, računalniška dinamika tekočin. UDK: (043.2) POVZETEK V diplomskem delu je obravnavan razvoj sesalnega sistema s posebnimi zahtevami za dirkalni motor dirkalnika GPE 14. Določiti smo želeli optimalne geometrijske lastnosti sesalnega sistema za doseganje nemotenega dovoda zraka pri čim nižjih tlačnih izgubah. V ta namen smo z uporabo numeričnih simulacij analizirali vpliv spremembe geometrijskih lastnosti sesalnega sistema na karakteristiko motorja in optimirali geometrijske lastnosti, za katere je bilo ugotovljeno, da bistveno vplivajo na karakteristiko dirkalnega motorja. Rezultati kažejo opazna znižanja (12,3 %) tlačnega padca skozi restriktor in vidno izboljšane karakteristike motorja (1,58 %) glede na začetni dizajn geometrijskih parametrov sesalnega sistema. Rezultati numeričnih simulacij so bili verificirani z laboratorijskimi meritvami. - IV -

7 DEVELOPMENT OF INTAKE MANIFOLD FOR FORMULA S RACE CAR Key words: intake manifold, optimization, computational fluid dynamics UDK: (043.2) ABSTRACT In this diploma thesis the design of the intake manifold with special requirements for a racing engine of GPE14 race car will be discussed. The goal is to determine the optimal geometrical properties of the intake manifold for smooth flow and low pressure drop. For that purpose we have analyzed the effect of changing the geometrical properties of intake manifold on the engine characteristics by using numerical simulations and we have later optimized the properties for which it was established to have major effect on engine characteristics. Results show noticable reduction (12,3 %) of pressure drop trough the restrictor and visible improvement of engine characteristics (1,58 %) relative to initial design of inatake manifold geometrical parameters. Results of the numerical simulation were verified by labratory measurements. - V -

8 KAZALO 1 UVOD Opis splošnega področja diplomskega dela Opredelitev diplomskega dela Sesalni sistem dirkalnika GPE Sesalni sistem dirkalnika GPE Struktura diplomskega dela TEORETIČNE OSNOVE SESALNEGA SISTEMA Maksimalni teoretični pretok skozi restriktor toka Uporaba Helmholtzeve teorije za izračun geometrije sesalne cevi PROGRAMSKI PAKETI Dassault Catia AVL Boost Grafični vmesnik Računski program AVL Design explorer Vzorčenje po metodi»latin hypercube« Nelder-Mead optimizacijska metoda AVL Fire Grafični vmesnik Računski program MOTOR IN SESALNI SISTEM Karakteristike standardnega motorja Karakteristike predelanega motorja Modeliranje in uporabljene inženirske rešitve Sesalne trobentice VI -

9 4.3.2 Loputa Restriktor Sesalna komora Sesalna cev Vbrizgalna šoba SIMULACIJA IN OPTIMIZACIJA ENODIMENZIONALNEGA MODELA MOTORJA Analiza vpliva dolžine sesalne cevi Analiza vpliva premera sesalne cevi Analiza vpliva volumna sesalne komore Optimizacija parametrov sesalnega sistema IZDELAVA SISTEMA IN PRIMERJAVA REZULTATOV SKLEP UPORABLJENI VIRI VII -

10 UPORABLJENE KRATICE CAD E85 GPE UNI MB Computer Aided Design gorivo, ki je sestavljeno iz 85 % etilnega alkohola in 15 %bencina Grand Prix Engineering Univerza v Mariboru GPE 12 ime dirkalnika Študentske ekipe GPE, sestavljenega v letu 2012 GPE 13 ime dirkalnika Študentske ekipe GPE, sestavljenega v letu 2013 GPE 14 ime dirkalnika Študentske ekipe GPE, sestavljenega v letu 2014 RDT računalniška dinamika tekočin - VIII -

11 UPORABLJENI SIMBOLI t čas [s] A površina [m 2 ] V volumen [m 3 ] γ A γ m pokazatelj lokalne difuzije veličine φ na kontrolni meji izvor ali ponor veličine φ na enoto mase in enoto časa ρ gostota [ kg m 3] x j smerni vektor x i,j,k smerne komponente [m] U j hitrostni vektor U i,j,k hitrostne komponente [ m s ] σ ij, τ ij g i tenzor napetosti vektor pospeška telesa μ dinamična viskoznost [Pa s] p tlak [Pa] λ toplotna prevodnost [Wm 1 K 1 ] T temperatura [K] H totalna energija [J] - IX -

12 1 UVOD Že več let ekipa nadobudnih študentov na mariborski fakulteti za strojništvo vsako leto razvija dirkalnik, s katerim se kasneje na večjih inženirskih tekmovanjih širom Evrope (npr. Anglija: Silverstone, Nemčija: Hockenheim) pomeri s svojimi konkurenti, ki na tekmovanja prihajajo tudi z drugih kontinentov, da bi pokazali svoje inženirsko znanje, proizvedeni dirkalnik in njegove zmogljivosti. Slika 1.1 prikazuje dirkalnik GPE 14 na tekmovanju v Angliji. Slika 1.1: Dirkalnik GPE 14 na dirki v Angliji Del tekmovanja je sestavljen iz statičnih dogodkov, s katerimi ekipe pokažejo organizacijo znotraj ekipe, poslovni načrt za prodajo dirkalnika v določenem scenariju, zagovarjajo in predstavljajo svoje inženirske rešitve ter navsezadnje predstavijo še stroškovni načrt za izdelavo dirkalnika. Vse omenjene statične discipline zatem objektivno ovrednotijo sodniki. Drugi, vznemirljivejši del tekmovanja pa predstavljajo dinamične discipline, v katerih se dirkalniki in vozniki le-teh pomerijo med seboj. V veliki večini primerov gre za dinamične dogodke, ki so sestavljeni iz pospeševanja, vožnje osmice, krajše dirke po dirkalnem poligonu (dva kroga preizkušajo se meje dirkalnika) in vzdržljivostne dirke, ki je sestavljena iz poligona, po katerem se dirkalnik vozi 11 km z enim in 11 km z drugim voznikom, ki se med dirko zamenjata v posebnem območju, namenjenem menjavi voznikov. Vse navedene - 1 -

13 Univerza v Mariboru Fakulteta za strojništvo preizkušnje so veliki test vzdržljivosti in učinkovitosti posamičnih komponent dirkalnika, medtem ko delujejo kot celota. Več kot polovico točk, ki jih je mogoče doseči na tekmovanju sestavljajo rezultati dinamičnih dogodkov. Tako je za doseganje dobrega skupnega rezultata na tekmovanju zelo pomembno, da je dirkalnik inženirsko dovršen, testiran in vrhunsko dokumentiran. Za doseganje statusa inženirske dovršenosti je treba v posamične komponente dirkalnika vložiti zelo veliko časa in pridobiti mnogo novega znanja ter se ga naučiti uporabiti v praksi, čemur je ne nazadnje projekt študentske formule tudi namenjen. Eden izmed delov dirkalnika, ki za svoj razvoj porabi večji del sredstev in kadra pri projektu formula S, je nedvomno motorni sklop. Motorni sklop je seveda ključnega pomena in tako kot vsaka druga komponenta na dirkalniku prispeva h končnim zmogljivostim dirkalnika. Motorni sklop se deli na sistem elektronskega krmiljenja, električno napeljavo, sesalni, izpušni in hladilni sistem, nosilce motorja, elektronski prestavni mehanizem ter sistem za hranjenje in vbrizg goriva. Vsi posamični deli teh sistemov morajo sestavljati celoto, ki jo imenujemo motorni sklop. V nadaljevanju bo poudarjena tematika sesalnega sistema dirkalnega motorja dirkalnika GPE 14. Sesalni sistem po pravilniku formule študent delno geometrijsko določi z namenom zagotavljanja varnosti udeležencev in omejevanja maksimalne moči dirkalnega motorja. Zaradi zahteve po nestandardni izvedbi sesalnega sistema je bilo treba izvesti dodatne raziskave in optimirati geometrijo sesalnega sistema tako, da unikatno ustreza motorju dirkalnika GPE Opis splošnega področja diplomskega dela Sesalni sistem, katerega razvoj je predstavljen v tem diplomskem delu, predstavlja bistveni del naravno polnjenega dirkalnega motorja s prisilnim vžigom, ki je bil vgrajen v dirkalnik GPE 14 (ime dirkalnika Študentske ekipe GPE (Grand Prix Engineering), sestavljenega v letu 2014). Problematika tega diplomskega dela sta razvoj in izvedba sesalnega sistema dirkalnika GPE 14 ob upoštevanju pravil za izdelavo dirkalnika in splošnih smernic, določenih s strani ekipe. Najpomembnejše omejitve sesalnega sistema dirkalnika s strani pravilnika [1] so predvsem geometrijske narave: sesalni sistem ali njegovi deli ne smejo biti v nobeni točki v neposredni liniji z voznikom, - 2 -

14 Univerza v Mariboru Fakulteta za strojništvo najožji premer sesalne cevi (v nadaljevanju restriktor) mora v neki točki na sesalnem sistemu znašati 19 mm za motorje, ki kot gorivo uporabljajo E85, in 20 mm za motorje, ki kot gorivo uporabljajo bencin, razporeditev komponent sesalnega sistema (sesalna trobentica, loputa, restriktor, plenum, sesalna cev), sesalni sistem ne sme v nobeni točki gledati izven površine, ki jo tvori najvišja točka vozila, ko jo povežemo z najbolj zunanjo točko zadnjega para ali bočnega para pnevmatik. Za boljšo predstavo geometrijske omejitve je dodana slika 1.2. Slika 1.2: Zunanja geometrijska omejitev sesalnega sistema Razen omejitev iz pravilnika so bili za projektiranje sesalnega sistema upoštevani tudi smernice in cilji skupnega razvoja dirkalnika: linearna krivulja navora brez grobih prehodov, nizka masa sesalnega sistema, enostavnost montaže in vzdrževanja

15 Univerza v Mariboru Fakulteta za strojništvo 1.2 Opredelitev diplomskega dela V mariborski ekipi že več let uporabljamo sesalne sisteme s statično dolžino sesalnih cevi. V preteklih letih v preračune in optimizacijo geometrije ni bilo vloženega veliko časa. Večina ugotovitev se je izvedla na eksperimentalnem nivoju in ostala nezapisana. V nadaljevanju bomo poskusili opisati predhodne sesalne sisteme in njihove hibe Sesalni sistem dirkalnika GPE 12 V sezoni 2012 se je uporabljal še Hondin 600- kubični štirivaljni motor. Problematika tega sesalnega sistema je nekoliko drugače definirana, saj ima motor štiri valje. Sesalni sistem GPE 12 je prikazan na sliki 1.3. Hibe: uporabljen kupljeni restriktor (večje tlačne izgube, višja masa), ravne površine na področju sesalne komore (večja možnost pojavljanja upogiba in višja masa ob poskusu, da se upogibu izognemo), standardna kupljena sesalna trobentica pred loputo (večje tlačne izgube, višja masa), ker se za numerični preračun Hondinega motorja še ni uporabljalo programskega paketa AVL boost, sklepamo, da tudi dolžina sesalnih cevi ni ravno optimalna Slika 1.3: Sesalni sistem dirkalnika GPE

16 Univerza v Mariboru Fakulteta za strojništvo Sesalni sistem dirkalnika GPE 13 V sezoni 2013 se je prvič uporabil KTM-ov 478- kubični enovaljni motor. Problematika sesalnega sistema na tem motorju je podobna obravnavani tematiki. Sesalni sistem GPE 13 je prikazan na sliki 1.4. Hibe: standardna kupljena sesalna trobentica pred loputo (večje tlačne izgube, višja masa), neoptimiran restriktor (večje tlačne izgube), prvi računski model motorja AVL BOOST (iterativni pristop k optimizaciji parametrov sistema), 90 zavoj na sesalni cevi. Slika 1.4: Sesalni sistem dirkalnika GPE 13 Kot je razvidno iz zapisanega, so predhodni sesalni sistemi dirkalnikov imeli precej pomanjkljivosti in nikoli niso bili v celoti geometrijsko unikatno določeni ter optimirani za dirkalni motor, na katerem so bili uporabljani. Cilj tega diplomskega dela je izogibanje takšnim pomanjkljivostim in določitev optimalne geometrije sesalnega sistema za motor z unikatnimi zahtevami. V ta namen smo s pomočjo programskih paketov analizirali vpliv geometrijskih sprememb sesalnega sistema na karakteristiko motorja in vplivne parametre sesalnega sistema tudi optimirali na tak način, da smo zmanjšali tlačne izgube skozi sistem in izboljšali karakteristike motorja v uporabnem območju vrtilne frekvence z uporabo polnilnega učinka sesalne cevi

17 1.3 Struktura diplomskega dela V uvodnem delu diplomskega dela sta predstavljena ozadje ekipe Univerze v Mariboru (UNI MB) GPE in pomen sesalnega sistema na dirkalniku GPE 14, opisane so omejitve sesalnega sistema in pomanjkljivosti sesalnih sistemov na dirkalnikih iz prejšnjih let, postavljen je cilj diplomskega dela in na kratko je prikazana njegova struktura. Drugo poglavje je posvečeno teoretičnim osnovam sesalnih sistemov, predstavljene pa so tudi poenostavljene inženirske rešitve za nekatere njihove probleme. V tretjem poglavju so zapisane informacije o uporabljenih inženirskih računalniških programih, njihovi funkcionalnosti in ozadju delovanja. Četrto poglavje povzema predelavo obravnavanega motorja, za katerega se razvija sesalni sistem, in njegove osnovne specifikacije. Drugi del četrtega poglavja predstavlja izbrane inženirske rešitve za določene dele sesalnega sistema in prikazuje njihov končni CAD-model (Computer aided design). Peto poglavje predstavlja rezultate analize vpliva geometrijskih lastnosti sesalnega sistema na karakteristiko motorja in opisuje postopek optimizacije ter končne optimirane parametre sesalnega sistema. V šestem poglavju je na kratko opisana izdelava sesalnega sistema in primerjani so rezultati numerične simulacije z opravljenimi laboratorijskimi meritvami karakteristik motorja. Sedmo poglavje predstavlja povzetek diplomskega dela, v osmem poglavju pa je zbrana uporabljena literatura

18 Univerza v Mariboru Fakulteta za strojništvo 2 TEORETIČNE OSNOVE SESALNEGA SISTEMA Sesalni sistem je namenjen dobavi in pripravi sveže gorljive mešanice za motor z notranjim zgorevanjem. Cilj dobro izvedenega sesalnega sistema je dobava takšne gorljive mešanice v valj motorja pri čim nižji temperaturi (višja gostota zraka) in čim višjem tlaku (višji masni pretok gorljive mešanice v valj). Glavni dejavnik, s katerim lahko ocenimo, ali je sesalni sistem dober ali slab, je volumetrični izkoristek, ki ga podaja razmerje med realnim in teoretičnim masnim tokom gorljive mešanice v valj [2]. Definiramo ga kot: η v = 2. m r ρ. V d. n = m r m t (2.1) Pri tem so: η v m r [kg/s] m t [kg/s] ρ [kg/m 3 ] V d [m 3 ] volumetrični izkoristek realni masni pretok teoretični masni pretok gostota zraka v okolici delovni volumen valja n [obr/min] vrtilna frekvenca motorja Ker na temperaturo okoliškega zraka ne moremo vplivati, se pri naravno polnjenih motorjih osredotočamo predvsem na zmanjšanje tlačnega padca skozi sesalni sistem. 2.1 Maksimalni teoretični pretok skozi restriktor toka Pravilnik določa, da mora sesalni sistem dirkalnega motorja, ki bo uporabljen v dirkalniku GPE 14, vsebovati najožji krožni presek sesalnega sistema premera 19 mm, ki je podan v kombinaciji z gorivom E85. Najožji presek ali restriktor toka mora biti implementiran v sesalni sistem neposredno za loputo. Na podlagi izkušenj iz prejšnjih let smo se odločili, da se za konceptno obliko restriktorja uporabi De Lavalova oblika konvergentno-divergentne šobe (glej sliko 2.1)

19 Slika 2.1: Konvergentno-divergentna De-Lavalova šoba Vloga restriktorja na sesalnem sistemu je s stališča pravilnika omejevanje maksimalnega možnega pretoka in s tem maksimalne moči motorja. Ko hitrosti toka v ozkem grlu prestopijo mejo 1 Macha, se tlačni padec skozi sesalni sistem bistveno poveča. Temu območju pravimo dušeno območje, motorja pa v tem območju ni smotrno uporabljati. Za določitev Machovega števila najvišjo hitrost skozi ozko grlo [3] sesalnega sistema definiramo kot: v max = 0,5 V d n 60 π r 2 (2.2) Pri tem so V d delovni volumen valja, n vrtilna frekvenca motorja in r polmer ozkega grla restriktorja. Machovo število [3] določimo enostavno iz razmerja maksimalne hitrosti v max v ozkem grlu sesalnega sistema in hitrosti zvoka c z pri določeni temperaturi, tlaku in vlažnosti okolice: Z = v max c z (2.3) - 8 -

20 Zaželeno je, da Machovo število ne presega vrednosti 1 Macha v nobeni obratovalni točki motorja, saj se na tak način izognemo zmanjšanju volumetričnega izkoristka motorja zaradi tlačnega padca skozi šobo [4]. 2.2 Uporaba Helmholtzeve teorije za izračun geometrije sesalne cevi Helmholtzeva resonanca [5] je fenomen, ki se pojavi pri oscilaciji fluida v nekem volumnu. Vhodno oscilacijo lahko z napravo, imenovano Helmholtzev resonator, pri nekaterih frekvencah ojačamo ali izničimo. Pri motorjih z notranjim zgorevanjem pojav Helmholtzeve resonance izkoriščamo v različne namene. Tukaj bo opisan primer uporabe tega pojava za zvišanje polnilnega tlaka pri štiritaktnih naravno polnjenih motorjih z notranjim zgorevanjem. Slika 3.2 prikazuje model, ki ga uporabimo za preračun sesalne cevi. Slika 2.2: Shematski model Helmholtzevega resonatorja Tlačne oscilacije znotraj sesalne cevi motorja z notranjim zgorevanjem se pojavijo ob zaprtju sesalnega ventila. Takrat se tlak na čelu ventila poviša zaradi vztrajnostnih sil premikajočega se fluida in nastane tlačni val, ki se s hitrostjo zvoka premika po dolžini sesalne cevi do zunanje meje, kjer se delno odbije nazaj proti čelu ventila. Ta oscilacija se pred naslednjim odprtjem sesalnega ventila pri višjih frekvencah izvede večkrat in tako so tlačni valovi, ki jih ujamemo ravno ob pravem trenutku, da dvignejo tlak polnjenja, v valju že nekoliko oslabljeni. Na žalost se temu v večini primerov ne moremo izogniti, ker bi bile dimenzije takšnih sesalnih cevi, ki bi omogočale polnjenje s prvim ali drugim odbojnim valom, zelo dolge in neprimerne za praktično uporabo na dirkalniku. Slika 2.3 prikazuje fenomen tlačnega valovanja v sesalni cevi štiritaktnega motorja z notranjim zgorevanjem

21 Slika 2.3: Tlačne oscilacije znotraj sesalne cevi Poenostavljena enačba temelji na osnovi Helmholtzeve teorije in določa vrtilno frekvenco motorja z notranjim zgorevanjem, pri kateri se z danimi parametri pojavi ekstrem polnilnega učinka: n = Pri tem so: L [m] C [m/s] A [m 3 ] 15 C π V eff [m 3 ] A (2.4) L V eff dolžina sesalne cevi hitrost zvoka v mediju površina preseka sesalne cevi (A = π * r 2 ; r polmer sesalne cevi) efektivni volumen n [obr/min] vrtilna frekvenca motorja

22 Enačbo lahko preoblikujemo tudi tako, da izrazimo dolžino sesalne cevi L pri znanem premeru cevi in obratovalni točki motorja, v kateri želimo motorju z notranjim zgorevanjem dvigniti volumetrični izkoristek : Pri tem so: L = 225 C2 A V eff π 2 n 2 (2.5) L [m] C [m/s] A [m 3 ] V eff [m 3 ] dolžina sesalne cevi hitrost zvoka v mediju površina preseka sesalne cevi (A = π * r 2 ; r polmer sesalne cevi) efektivni volumen n [obr/min] vrtilna frekvenca motorja Efektivni volumen valja V eff je določen kot polovica delovne prostornine s prišteto kompresijsko prostornino. Pri efektivnem volumnu je hitrost bata najvišja, posledično pa je tudi hitrost fluida, ki vteka v valj, najvišja : V eff = V d 2 + V c (2.6) Pri tem so: V eff [m 3 ] V d [m 3 ] V c [m 3 ] efektivni volumen delovna prostornina motorja kompresijska prostornina motorja Iz enačbe 2.5 je razvidno, da Helmholtzev pristop k problematiki ne upošteva časa odprtja sesalnih ventilov, zato lahko pričakujemo pri uporabi te metode rahla odstopanja

23 3 PROGRAMSKI PAKETI Za reševanje problema obravnavane tematike so uporabljeni programski paketi podjetij DASSULT in AVL. S pomočjo modelirnega programa CATIA podjetja DASSAULT sta modelirana tridimenzionalni konceptni in končni model sesalnega sistema. Program CATIA se je uporabil iz preprostega razloga, saj je tudi preostali del dirkalnika modeliran s pomočjo tega orodja in sta umestitev v skupni model in spreminjanje le-tega enostavna in hitra. S pomočjo programa AVL BOOST podjetja AVL je bil vzpostavljen enodimenzionalni numerični simulacijski model celotnega dirkalnega motorja in s spreminjanjem parametrov sesalnega sistema je bil prikazan vpliv na karakteristiko dirkalnega motorja. Izvedena je bila tudi optimizacija parametrov sesalnega sistema, ki je s pomočjo optimizacijskega algoritma vrnila optimalne vrednosti za posamezne parametre sesalnega sistema. Program AVL FIRE je bil uporabljen za tridimenzionalni numerični preračun računalniške dinamike tekočin v računskem modelu restriktorja, s pomočjo katerega smo analizirali vpliv geometrijskih lastnosti restriktorja na tlačni padec skozi restriktor in optimirali njegovo geometrijo. 3.1 Dassault Catia CATIA [6] s široko paleto produktov, ki jih zajema v svojem programskem paketu, ponuja rešitev za obširno območje inženirskih problemov, saj ponuja orodja za računalniško podprto konceptualizacijo, modeliranje, izdelavo CNC-programov, dizajniranje (modeliranje površin), enostavno integriranje elektro in cevnih inštalacij. Ob ponudbi takšnih celovitih rešitev za različna področja inženirske stroke ni težko uvideti, zakaj je CATIA še zmeraj najbolj uporabljano orodje v avtomobilski, letalski in ladijski industriji. Najpomembnejše orodje v sklopu programskega paketa CATIA, ki je bilo uporabljeno za reševanje dela obravnavane problematike, je modelirnik, s pomočjo katerega je bil modeliran tridimenzionalni model sesalnega sistema. 3.2 AVL Boost AVL BOOST [7] je program, ki omogoča enodimenzionalno numerično simulacijo motorja z notranjim zgorevanjem. Pri konstantni vrtilni frekvenci omogoča opis termodinamičnih procesov motorja z notranjim zgorevanjem. Ob uporabi dobro kalibriranih (kalibracija na

24 meritve) modelov motorjev z notranjim zgorevanjem lahko pridobimo informacije o motorju, za katere bi sicer porabili zelo veliko časa in sredstev, da bi jih pridobili s pomočjo eksperimentalnih metod. S pomočjo programa AVL BOOST lahko simuliramo delovanje različnih izvedenk motorjev (otto, diesel, wankel), batne bencinske in dizelske motorje lahko simuliramo v dvo- ali štiritaktnih izvedenkah Grafični vmesnik Program ima dobro razvit grafični vmesnik, ki uporabniku služi kot orodje za vstavljanje različnih elementov, ki so del motorja (cilinder, turbokompresor, injektor, cevi, plenum itd.) v realnosti, in kasneje nudi možnost, da za vsak del posebej vnesemo potrebne geometrijske in termodinamske lastnosti. Povezave med posamičnimi deli v grafičnem vmesniku so definirane kot cevi, ki jim prav tako lahko pripišemo geometrijske in termodinamske lastnosti. Simulacija se lahko odvija samo pri konstantni frekvenci in tako moramo izvesti simulacijo motorja v več operativnih točkah, da lahko kasneje tvorimo serijske rezultate in želene vrednosti z uporabo programa za obdelovanje podatkov prikažemo v odvisnosti od vrtilne frekvence motorja Računski program Program za izračune s svojimi optimiranimi algoritmi in enačbami temelji na dolgoletnih izkušnjah podjetja AVL v svetu motorjev z notranjim zgorevanjem. Tok v ceveh in posameznih elementih je definiran enodimenzionalno, kar pomeni, da so hitrost, tlak in temperatura v cevi po celotnem prerezu konstantni. Pretočne izgube skozi posamezni element ali cev definiramo s pretočnimi koeficienti. Slika 3.1 shematsko prikazuje energijsko bilanco v valju. V enačbi 3.1 imamo na levi strani člen, ki opisuje spremembo notranje energije v valju. Na desni strani enačbe od leve proti desni prvi člen opisuje delo, ki ga opravi bat. Drugi člen opisuje dovedeno energijo, ki jo pridobimo iz vbrizganega goriva, tretji opisuje vsoto izgub toplote skozi stene zgorevalne komore in četrti člen opisuje izgube entalpijskega toka zaradi uhajanja produktov ekspanzije med steno valja in batnimi obročki

25 Slika 3.1: Energijska bilanca v valju Računski program temelji na prvem glavnem zakonu termodinamike (ohranitev energije): d(m c. u) dα = p c. dv dα + dq f dα dq w dα h BB. dm BB dα (3.1) Računski program pri izračunu upošteva tudi splošno plinsko enačbo: p c = 1 V. m c. R 0. T c (3.2) Pri numerični simulaciji motorja, katere rezultati so prikazani skozi diplomsko delo, smo za model sproščanja toplote ob zgorevanju uporabili funkcijo Vibe to je najenostavnejši model, ki se uporablja za naravno polnjene motorje s prisilnim vžigom: dx dα = a. (m + 1). y m (3.3). e α.y(m+1) α c dx = dq Q (3.4) y = α α 0 α c (3.5)

26 Pri tem so: Q [J] totalni vnos toplote α [ ] kot zasuka ročične gredi α 0 [ ] kot zasuka ročične gredi pri začetku zgorevanja α c [ ] trajanje zgorevanja m parameter oblike zgorevanja a parameter funkcije Vibe Prenos toplote ima za menjavo plinov v valju veliko vlogo, ob tem pa močno vpliva tudi na volumetrični izkoristek motorja, še posebej pri nižjih vrtilnih frekvencah. Za model prenosa toplote v valju je izbran model AVL 2000, ki je s pomočjo izkušenj podjetja AVL izpopolnjeni model Woschni. Glavna prednost modela AVL 2000 pred modelom Woschni je, da bolje opiše vpliv prenosa toplote na volumetrični izkoristek. α = Max [α Woschni, 0.013d 0.2 p 0.8 T 0.53 (c 4 ( d in d ) v in ) ] (3.6) Pri tem so: α [J/m 2 K] koeficient prenosa toplote c 4 interni parameter = 14 d [m] premer valja p [Pa] tlak T [K] temperatura d in [m] premer cevi, povezane na sesalni kanal v in [m/s] hitrost v sesalnem kanalu Za izračun prenosa toplote v okolici sesalnih in izpušnih ventilov se je uporabila funkcija zapf: α p = [C 7 + C 8. T U C 9. T 2 u ]. T 0.33 u. m d 1.68 vi. [ h v ] d vi α p = [C 4 + C 5. T U C 6. T 2 u ]. T 0.44 u. m 0.5. d 1.5 vi. [1 0,797. h v ] d vi (3.7) (3.8)

27 3.3 AVL Design explorer AVL DESIGN EXPLORER je program, ki je, kot kaže že ime, namenjen raziskovanju parametrično različnih izvedenk specifičnega računskega modela. Program je integriran v programske pakete AVL na tak način, da omogoča uporabo le-tega v povezavi s katerim koli izmed programov znotraj paketov AVL, mogoče pa ga je uporabljati tudi v povezavi z nekaterimi zunanjimi programskimi paketi (CATIA, PROE itd.). DESING EXPLORER omogoča ustvarjanje in analizo parametrično različnih izvedenk specifičnega računskega modela (spreminjanje parametrov matematičnih modelov ali geometrijskih lastnosti računskega modela) s pomočjo različnih statističnih metod. Program prav tako omogoča parametrično optimizacijo specifičnega računskega modela meje parametrov določi uporabnik in so optimirani s pomočjo optimizacijskih algoritmov na tak način, da dosežejo neko ciljno funkcijo, ki jo poda uporabnik glede na rezultat simulacije računskega modela (ciljno funkcijo predstavlja maksimalna ali minimalna vrednost opazovane veličine) Vzorčenje po metodi»latin hypercube«metoda»latin hypercube«[8] je statistična metoda za generiranje skoraj naključnih vzorcev vrednosti parametrov iz večdimenzionalne distribucije. Metoda za vzorčenje je v DESIGN EXPLORERJU namenjena generaciji parametrično smiselno različnih izvedenk specifičnega računskega modela. V kontekstu statističnega vzorčenja je kvadratna mreža, ki vsebuje pozicije vzorcev»latinska kvadratna mreža«samo v primeru, da je v vsaki vrstici in v vsakem stolpcu kvadratne mreže samo en vzorec (glej sliko 3.2). Metoda»latin hypercube«pa je posploševanje tega koncepta v želeno število dimenzij (parametrov), kjer je vsak vzorec edini v svoji aksialno poravnani iperpovršini, ki ga vsebuje. Med vzorčenjem specifičnega računskega modela z N parametri je razpon vsakega parametra razdeljen v M enako verjetnih intervalov. M vzorčnih točk je zatem razdeljenih tako, da zadostijo pogojem metode»latin hypercube«. Pomanjkljivost te metode je, da takšna razdelitev vzorčnih točk pomeni enako število razdelkov M za vsak parameter. Prednost te metode je, da za več dimenzij (parametrov) ne potrebujemo več vzorcev in da lahko vzamemo vsak vzorec posebej, ne da bi pri tem izgubili nadzor nad obravnavanimi vzorci

28 Slika 3.2: Primer dvodimenzionalne mreže, ki izpolnjuje pogoj metode»latin hypercube«[16] Nelder-Mead optimizacijska metoda Nelder-Mead [9] ali padajoča simpleks optimizacijska metoda je pogosto uporabljena numerična metoda za iskanje maksimuma ali minimuma objektivne funkcije v večdimenzionalnem prostoru. Uporablja se za nelinearne optimizacijske probleme, katerih odvodi po navadi niso znani. Metoda se poslužuje koncepta simpleksa [10], ki je poseben politop z n + 1 točkami v n dimenzijah. Primeri politopov so: segment linije na liniji, trikotnik na površini, tetraeder v tridimenzionalnem prostoru in tako naprej (glej sliko 3.3). Metoda se približuje lokalnemu optimumu problema z n parametri, ko objektivna funkcija variira gladko in je unimodalna. Slika 3.3: Posebne politope [17]

29 Nelder-Mead metoda v n dimenzijah ohranja niz n + 1 vzorčnih točk, ki so oblikovane v simpleks. Metoda nato ekstrapolira obnašanje objektivne funkcije, izmerjene v vsaki vzorčni točki tako, da lahko najde novo vzorčno točko simpleksa in jo nadomesti s staro, in tako metoda napreduje. Najenostavnejši pristop je, da se nadomesti najslabšo vzorčno točko s točko, ki je zrcalna točka prek srednjice preostalih n vzorčnih točk. Če je ta vzorčna točka boljša od katerekoli izmed ostalih vzorčnih točk v simpleksu, se metoda poskuša eksponencialno raztegniti v smeri te vzorčne točke, če pa ta vzorčna točka ni veliko boljša od predhodne, to pomeni, da stopamo prek doline, zato se simpleks začne skrčevati k boljši vzorčni točki. 3.4 AVL Fire AVL FIRE [11] je program, ki za različne tridimenzionalne termofluidne probleme z uporabo računalniške dinamike tekočin ponuja celovite ali delne rešitve znotraj enega samega programa. Omogoča ustvarjanje tridimenzionalno strukturiranih in nestrukturiranih računskih modelov (računske mreže), preračun računskega modela z uporabo metode končnih volumnov ter obdelavo izpisovanih tri- in dvodimenzionalnih rezultatov, skratka, program nam ponuja celovito rešitev vse od točke, ko imamo pripravljeno želeno CAD-geometrijo, do točke, ko želimo pregledati in oceniti rezultate simulacije Grafični vmesnik Grafični vmesnik v programu AVL FIRE nam omogoča popravljanje površinskega modela, ustvarjanje strukturiranih in nestrukturiranih računskih mrež, izbiranje površin na modelu za kasnejšo definicijo robnih pogojev, uporabo številnih modulov in podprogramov, namenjenih predvsem za pripravo modelov motorjev z notranjim zgorevanjem in premikajočih se računskih mrež, definicijo in nastavitev računskega programa ter robnih pogojev modela, zagon kalkulacije, spremljanje konvergence posamičnih spremenljivk v živo in obdelavo triin dvodimenzionalnih rezultatov kalkulacije Računski program Računski program AVL FIRE temelji na osnovi preračuna z metodo končnih volumnov. Metoda končnih volumnov je konservativna aproksimativna metoda za predstavitev in vrednotenje volumskih in površinskih integralov parcialnih diferencialnih enačb v obliki

30 algebraičnih enačb za posamezni končni volumen celotnega računskega modela. Podobno kot pri metodi končnih razlik in metodi končnih elementov so vrednosti izračunane na diskretnih mestih računske mreže.»končni volumen«se nanaša na mali volumen, ki obkroža vsako vozliščno točko na računski mreži (glej sliko 3.4). Prednost metode končnih volumnov je tudi to, da je enostavno prilagojena za računanje modelov z nestrukturirano računsko mrežo. Slika 3.4: Končni volumen [18] Temeljni fizikalni konservativni zakoni (zakon o ohranitvi mase, zakon o ohranitvi gibalne količine, zakon o ohranitvi energije itd.) so v svoji izvorni obliki definirani za masni sistem (sistem kontrolne mase), lahko pa jih preoblikujemo v oznako, ki pravi, da je stopnja spremembe ekstenzivne veličine Φ = ρ φ dv posledica interakcije tega sistema z okolico: ( dφ dt ) m = γ A A da + ρ γ mdv V (3.9) Pri tem so Φ upoštevana ekstenzivna veličina (masa, gibalna količina, vrtilna količina, energija itd.), φ ustrezna veličina (na enoto mase), ρ gostota fluida, γ A pokazatelj lokalne difuzije veličine φ na kontrolni meji na enoto časa in γ m izvor ali ponor veličine φ na enoto mase in enoto časa

31 Z uporabo Reynoldsovega prenosnega izreka za elementarni kontrolni volumen lahko enačbo 3.9 preoblikujemo v diferencialno obliko konservativnega zakona za katerokoli intenzivno veličino φ za uporabo s kontrolnim volumnom: ρ Dφ Dt φ = ρ t + φ ρ U j = ρ γ m + γ A (3.10) x j x j Z uporabo izraza 3.10 in upoštevanjem ohranitve intenzivne veličine (ohranitev mase, ohranitev gibalne količine, ohranitev energije) izrazimo diferencialno obliko Navier- Stokesovih enačb: Kontinuitetna enačba ohranitev mase (φ = Φ m = 1, γ A = 0 in γ m = 0) : ρ t = (ρ U j) x j (3.11) Gibalne enačba, ohranitev gibalne količine (φ = U i): ρ DU i Dt U i = ρ t + U i ρ U j = ρ g x i + σ ij j x j = ρ g i p + [μ ( U i + U j 2 U k δ x i x j x j x i 3 x ij )] k (3.12) Energijska enačba, ohranitev energije (φ = H = ĥ + U 2 /2): ρ DH Dt = ρ ( H t + H U j ) = ρ g x g + p j t + (τ iju j) + (λ T ) x i x j x j (3.13) Za izračun turbulence v računskem modelu je uporabljen turbulentni model k ζ f, ki temelji na sistemu štirih enačb in je nadgradnja turbulentnega modela v 2 f, kjer je za razmernik hitrostne skale uporabljena vrednost ζ = v2 turbulentnega modela. k za boljšo numerično stabilnost Vrtinčna viskoznost je izračunana kot:

32 ν t = C μ ζ k2 ε (3.14) Ostale spremenljivke pa so izračunane iz naslednjega niza enačb: turbulentna kinetična energija k: ρ Dk Dt = ρ(p k ε) + x j [(μ + μ t σ k ) δk δx j ] (3.15) disipacija turbulentne kinetične energije ε: ρ Dε Dt = ρ C ε1 P k C ε2 ε + [(μ + μ t ) δε ] T x j σ k δx j (3.16) normalizirana hitrost ζ: ρ Dζ Dt = ρ f ρ ζ k P k + x j [(μ + μ t σ ζ ) δζ δx j ] (3.17) eliptična relaksacijska funkcija f: f L 2 2 f = (C x j x 1 + C 2 P k j ζ ) (2 3 ζ) T (3.18) Turbulentna časovna in dolžinska skala sta podani kot: T = max (min ( k ε, a 6 C μ S ζ ), C t ( ν ε ) 1 2 ) (3.19) L = C L max (min ( k ε, k 6 C μ S ζ ), C η ( ν 3 4 )) (3.20) ε

33 Dodatna modifikacija enačbe za disipacijo turbulentne kinetične energije ε je oslabitev konstante C ε1 v bližini sten za boljšo računsko stabilnost: C ε1 = C ε1 ( (3.21) ζ )

34 4 MOTOR IN SESALNI SISTEM 4.1 Karakteristike standardnega motorja V dirkalniku GPE 14 je bil kot pogonski dirkalni motor uporabljen predelan pogonski agregat motocikla KTM SX-F 450 (glej sliko 4.1). V serijski izvedbi tega motorja je dobava goriva izvedena z uplinjačem, sesalni sistem pa je izveden v obliki enostavne cevi in volumna, v katerem je tudi zračni filter. V tabeli 1 so zbrane osnovne lastnosti standardnega motorja [12]. Slika 4.1: Standardni motor motocikla KTM SX-F 450 [19] Tabela 1: Osnovni parametri standardnega motorja Premer bata [mm] 97 Hod bata [mm] 60,8 Kompresijsko razmerje 12,5 : 1 Dolžina ojnice [mm] 107,4 Notranji premer sesalnih ventilov [mm] 40,4 Notranji premer izpušnih ventilov [mm] 31,7 Odpiranje sesalnih ventilov [ pred ZML]

35 Zapiranje sesalnih ventilov [ za SML] 90 Odpiranje izpušnih ventilov [ pred SML] 75 Zapiranje izpušnih ventilov [ za ZML] 60 Območje maksimalnega navora [obr./min] ~ 7250 Območje maksimalne moči [obr./min] ~ 8250 Maksimalni navor [Nm] 48,4 Maksimalna moč [HP] 53,1 4.2 Karakteristike predelanega motorja Dirkalni motor, uporabljen v dirkalniku GPE 14, se zaradi predelave, ki je bila izvedena, da se poveča specifična izhodna moč kljub posebnim zahtevam, opazno razlikuje od standardnega motorja za motocikel. Na sliki 4.2 je prikazan motor dirkalnika GPE 14 na preizkuševališču. Tabela 2 podaja osnovne lastnosti dirkalnega motorja po izvedeni predelavi. Slika 4.2: Dirkalni motor GPE14 na preizkuševališču

36 Univerza v Mariboru Fakulteta za strojništvo Predelava motorja v sezoni 2013/14 je vključevala: povišanje prostornine motorja z nestandardnim valjem in batom, povečanje hoda bata z modifikacijo standardne motorne gredi, povišanje kompresijskega razmerja motorja z nestandardnim batom, implementacijo senzorja pozicije odmičnih gredi, uporabo vbrizgalne šobe za vbrizgavanje goriva v sesalni kanal, uporabo širokopasovnega lambda tipala, uporabo goriva E85, uporabo dirkalne kontrolne enote motorja MoTeC M800, optimiran sesalni, izpušni in hladilni sistem. Tabela 2: Osnovni parametri motorja po predelavi Premer bata [mm] 104 Hod bata [mm] 64,75 Kompresijsko razmerje 14:1 Dolžina ojnice [mm] 107,4 Notranji premer sesalnih ventilov [mm] 40,4 Notranji premer izpušnih ventilov [mm] 31,7 Odpiranje sesalnih ventilov [ pred ZML] 50 Zapiranje sesalnih ventilov [ za SML] 90 Odpiranje izpušnih ventilov [ pred SML] 75 Zapiranje izpušnih ventilov [ za ZML] 60 Območje maksimalnega navora [obr./min] ~ 6000 Območje maksimalne moči [obr./min] ~

37 4.3 Modeliranje in uporabljene inženirske rešitve Pred začetkom modeliranja se je z enostavnimi elementi (CAD) in upoštevanjem pravilnika izvedla analiza o maksimalnih in minimalnih gabaritih pomembnih parametrov sesalnega sistema. S spreminjanjem geometrijskih lastnosti elementov sesalnega sistema (sesalna cev, sesalna komora itd.) in premikanja le-teh znotraj geometrijske omejitve pravilnika so bile definirane mejne vrednosti za sesalni sistem, kot je razvidno iz tabele 3. Tabela 3: Mejne geometrijske vrednosti Minimalna vrednost Maksimalna vrednost Dolžina sesalne cevi 50 mm 500 mm Premer sesalne cevi 30 mm 65 mm Kot zasuka sesalne cevi Volumen sesalne komore 2 l 6,5 l Sesalne trobentice Sesalne trobentice so nameščene na prehodih sesalnega sistema, kjer bi implementacija enostavnejšega ostrega roba predstavljala zmanjšanje efektivnega prereza pri vtoku fluida v sistem, s čimer bi se povišale tlačne izgube celotnega sesalnega sistema. Implementacija sesalne trobentice je bila izvedena na vseh prehodih sesalnega sistema, kjer fluid iz okoliša ali večjega volumna zraka pri visoki hitrosti vstopa v cev. Formula (4.1) predstavlja odvisnost tlačnih izgub od oblike in hrapavosti sesalne trobentice, ki je podana s koeficientom lokalnih izgub ζ ter od hitrosti toka v in gostote fluida ρ [3]: Δp = ζρv2 2 (4.1) Pri modeliranju geometrijskih lastnosti sesalne trobentice imamo vpliv le na obliko, saj so premeri in s tem tudi hitrost fluida pogojeni z geometrijskimi omejitvami pravilnika, kupljenih komponent (lopute) in optimalnega premera sesalne cevi za izkoriščanje polnitvenega učinka. Za določitev optimalne oblike sesalne trobentice smo uporabili rezultate raziskave, ki sta jo izvedla Gordon. P Blair in W. Melvin Cahoon [13]. Kot najbolj optimalno

38 obliko sesalne trobentice krožnega preseka sta izpostavila eliptično obliko vtoka z zaokrožitvijo na vstopnem robu. Ostale geometrijske parametre sesalne trobentice sta podala v odvisnost od premera izstopa, kot kaže slika 4.3: Slika 4.3: Optimalne izmere sesalne trobentice Na podlagi povzete raziskave smo zmodelirali in umestili sesalni trobentici, ki ju prikazuje slika 4.4. Implementirani sta na prehodnih točkah v sesalnem sistemu. Slika 4.4: Vstopni trobentici sesalnega sistema

39 4.3.2 Loputa Loputo, ki služi za regulacijo obremenitve motorja (dodajanje in odvzemanje plina), smo kupili pri proizvajalcu AT Power. Odločitev za nakup lopute je bila sprejeta na podlagi problema zanesljivosti, ki bi se ob razvoju le-te najverjetneje pojavil odpoved lopute ima lahko katastrofalne posledice za dirkalnik (izguba nadzora nad delovanjem motorja, odpoved motorja), in tako je bilo odločeno, da uporabimo testirano in preizkušeno komponento z geometrijskimi lastnostmi, kot so opisane v tabeli 4. Tabela 4: Geometrijske lastnosti lopute Geometrijske lastnosti lopute Premer lopute 28 mm Dolžina lopute 30 mm Kot odpiranja 90 Slika 4.5: Loputa sesalnega sistema

40 4.3.3 Restriktor Optimizacije restriktorja ali tako imenovane kritične točke sesalnega sistema smo se lotili s pomočjo iterativnega pristopa, saj smo ocenili, da bomo lahko na tak način ta del sistema dovolj izboljšali. Kot osnovna oblika restriktorja je bila izbrana De-Lavalova konvergentnodivergentna šoba, saj naj bi po izsledkih dela Space Advantage Provided by De-Laval Nozzle and Bell Nozzle over Venturi[14] le-ta omogočala najnižji tlačni padec s pravilnimi geometrijskimi lastnostmi (radij vstopa, vstopni kot, izstopni kot) v območju 0,5 Macha, v katerem se nahaja tudi tok v restriktorju. Kot začetni model smo uporabili geometrijo s parametri, prikazanimi v tabeli 5. Pomen posameznih parametrov je prikazan na sliki 4.6. Dolžina L = 100 mm in premer D = 19 mm sta konstantna in se ne spreminjata. Kot začetni dizajn restriktorja smo uporabili vrednosti geometrijskih lastnosti v tabeli 5. Slika 4.6: Posamezni parametri restriktorja Tabela 5: Parametri začetnega modela Konvergentni radij (R) 30 mm Konvergentni kot (α) 16 Divergentni kot (β)

41 Za optimizacijo restriktorja z iterativnim pristopom je bilo izvedenih šestnajst geometrijsko različnih preračunov RDT (računalniška dinamika tekočin) računskih modelov restriktorja s parametri iz tabele 6. Tabela 6: Preizkusne kombinacije geometrijskih parametrov restriktorja Konvergentni radij [mm] Konvergentni kot [ ] Divergentni kot [ ] Računski model in uporabljene nastavitve računskega programa Za izdelavo računske mreže smo najprej ustvarili polovični CAD-model sesalne trobentice, lopute in restriktorja ter jim dodali ustalitveni volumen na vhodu in izhodu za boljšo stabilnost simulacije. Polovično računsko mrežo smo uporabili iz razloga, ker smo želeli prihraniti na računskem času simulacije, saj se le-ta zmanjša, pri tem pa so rezultati enaki kot

42 pri uporabi celotnega računskega modela. Primer pripravljenega računskega modela, sestavljenega iz šestih ploskovnih končnih elementov, predstavlja slika 4.7. Slika 4.7: Pripravljen računski model Za preračun računskega modela smo uporabili časovno neodvisen pristop pri ustaljenih robnih pogojih. Kot robni pogoj na dovodu smo uporabili polovični (zaradi polovice računskega modela) masni pretok 0,0275 kg/s, ki je bil analitično izračunan za obravnavani motor pri vrtilni frekvenci obr./min. Predpostavili smo, da je tlačni padec manjši v vseh obratovalnih pogojih, če je tako pri najvišjem teoretičnem masnem pretoku skozi restriktor. Odvodni robni pogoj smo podali kot ambienti tlak Pa, saj imamo na vstopu podan masni pretok, tlačni padec pa je izpisan kot tlačna razlika med dovodnim in odvodnim delom. V preračun je bil vključen tudi preračun stisljivosti toka, saj imamo znotraj domene vrednosti Machovega brezdimenzijskega števila, ki presegajo mejo 0,3 0,4 Macha, nad katero efekt stisljivosti že vpliva na rezultate. Turbulenca v toku je bila upoštevana z uporabo turbulentnega modela k-ζ-f. Pri preračunu ni bila upoštevana energijska enačba. Optimirani restriktor Z analizo tlačnih padcev skozi restriktor smo izbrali optimalno geometrijsko obliko (nižji tlačni padec je boljši). V tabeli 7 so podani rezultati iterativnega pristopa k optimizaciji

43 Tabela 7: Prikaz rezultatov iterativnega pristopa k optimizaciji Konvergentni radij [mm] Konvergentni kot [ ] Divergentni kot [ ] Tlačni padec (Pa) , , , , , , , , , , , , , , , ,86 Kot optimalna oblika restriktorja se je pokazal model z geometrijskimi parametri, kot je prikazano v tabeli 8 in na sliki 4.8. Tabela 8: Geometrijske lastnosti optimalnega restriktorja Konvergentni radij (R) 40 mm Konvergentni kot (α) 14 Divergentni kot (β)

44 Slika 4.8: Optimalni parametri restriktorja Skozi restriktor teče razviti turbulentni tok s podzvočno hitrostjo. Na sliki 4.9 je prikazano hitrostno polje skozi optimirano geometrijo restriktorja, najvišje hitrosti se pojavijo v območju ozkega grla ob steni, kjer se posledično pojavi tudi najnižji absolutni tlak, kot je razvidno iz slike Slika 4.9: Hitrostno polje skozi optimalno obliko restriktorja

45 Slika 4.10: Tlačno polje skozi optimalno geometrijo restriktorja Sesalna komora Sesalna komora motorju predstavlja zalogo zraka ob polni obremenitvi motorja, ko razmere v sesalnem sistemu še niso ustaljene, in se v sesalnem sistemu obnaša podobno kot kondenzator pri električnih vezjih, kar bo razvidno tudi iz raziskave v naslednjem poglavju. Sesalna komora je izvedena kot podaljšek divergentnega dela restriktorja in se v začetnem območju razširja z enakim kotom, kakršen je kot divergentnega dela šobe, kasneje pa se po eksponentni funkciji kot poveča in sesalna komora se razširi do končnega premera, ki je nameščen v območju, kjer trobentica sesalne cevi sesa zrak. Sesalna trobentica je nameščena tam zato, ker se v tem območju sesalne komore pojavi najvišji statični tlak, saj so hitrosti tam zaradi največjega preseka najnižje. Pri modeliranju in dizajniranju sesalne komore smo se osredotočili predvsem na ciljani volumen sesalne komore in geometrijske omejitve, saj je bil vpliv kota odpiranja, končnega premera in oblike sesalne komore ocenjen kot manj pomemben v primerjavi z volumnom in geometrijskimi omejitvami. Končna oblika sesalne komore je predstavljena na sliki

46 Slika 4.11: Sesalna komora Sesalna cev Za končni model sesalne cevi smo kot geometrijske parametre uporabili vhodne podatke, ki so bili pridobljeni s pomočjo optimizacije parametrov sesalnega sistema v programu AVL BOOST. Optimalna dolžina sesalne cevi (vključno s sesalno trobentico) znaša 324 mm, njen premer cevi pa 50 mm. Pri končnem modelu smo v sklopu geometrijskih omejitev poiskali še najmanjši možni kot zasuka sesalne cevi (80 ), ki je še omogočal optimalno postavitev ostalih komponent sesalnega sistema. Manjši kot zasuka sesalne cevi je bil uporabljen zaradi zmanjšanja tlačnih izgub, ki se pojavijo v zavitih ceveh. Končni uporabljeni model je prikazan na sliki

47 Slika 4.12: Sesalna cev Vbrizgalna šoba Izbira prave velikosti vbrizgalne šobe v tem delu ni obravnavana. Prikazana sta pozicioniranje in pritrditev izbrane vbrizgalne šobe na sesalno cev. Za vbrizgavanje goriva smo na dirkalnem motorju GPE 14 uporabili vbrizgalno šobo Bosch motorsport EV 14 (glej tabelo 9) z naslednjimi geometrijskimi in vbrizgalnimi lastnostmi (shematski prikaz pomembnih veličin je predstavljen na sliki 4.13). Tabela 9: Osnovni podatki vbrizgalne šobe Bosch EV 14 Pretok [min -1 ] Tip Ohišje 429 g/627 cm 3 (nheptan) E SxT α 25 γ 0 δ

48 Slika 4.13: Pomembne geometrijske veličine vbrizgalne šobe Vbrizgalna šoba je bila na sesalno cev nameščena na tak način, da sta se najprej modelirala vbrizgalna stožca vbrizgalne šobe (na sliki 4.14 označena rumeno) s pomočjo podatkov iz zgornje preglednice, nato se je v model umestil in pravilno namestil tridimenzionalni posnetek geometrije sesalnih in izpušnih ventilov. Vbrizgalna šoba je bila nato z uporabo manevriranja po različnih delih sesalne cevi vstavljena na tak način, da se vbrizgalna stožca v nobeni točki nista dotikala sesalnik kanalov in sta bila usmerjena na hrbtno stran sesalnih ventilov, kjer se bo gorivo kasneje zaradi toplote sesalnih ventilov bolje uparjalo. Slika 4.13 prikazuje končno pozicijo vbrizgalne šobe in pritrditev le-te na sesalno cev. Slika 4.14: Pozicija vbrizgalne šobe

49 5 SIMULACIJA IN OPTIMIZACIJA ENODIMENZIONALNEGA MODELA MOTORJA Za izvedbo primerjalnih simulacij in optimizacije parametrov sesalnega sistema je bil v programu AVL BOOST uporabljen simulacijski model motorja z notranjim zgorevanjem, kot je prikazan na sliki 5.1. V tem diplomskem delu smo se osredotočili samo na sesalni sistem, kljub temu pa je bila izvedena simulacija celotnega motorja. V sklopu enodimenzionalne numerične simulacije motorja z notranjim zgorevanjem smo analizirali vpliv spremembe geometrijskih parametrov posamičnih delov sesalnega sistema na karakteristike motorja in na podlagi analize ovrednotili, ali je določene vrednosti parametrov smotrno optimirati. Kasneje so predstavljeni rezultati optimizacije in vrednotenje le-teh. Slika 5.1: BOOST simulacijski model obravnavanega motorja Za prikaz učinkov spreminjanja geometrijskih parametrov sesalnega sistema (dolžina sesalne cevi, premer sesalne cevi, volumen sesalne komore) je bil uporabljen volumetrični izkoristek

50 motorja, saj je vpliv spreminjanja geometrijskih lastnosti sistema najbolj razviden prav iz volumetričnega izkoristka. Analiza posamične geometrijske lastnosti sesalnega sistema je bila izvedena na tak način, da so bile vse ostale geometrijske lastnosti enake začetnim vrednostim, spreminjali pa smo le analizirano veličino (dolžina sesalne cevi, premer sesalne cevi, volumen sesalne komore). Kot začetne vrednosti simulacijskega modela motorja z notranjim zgorevanjem smo uporabili vrednosti v tabeli 10. Tabela 10: Začetne vrednosti geometrijskih parametrov Dolžina sesalne cevi Premer sesalne cevi Volumen sesalne komore 250 mm 45 mm 5 l 5.1 Analiza vpliva dolžine sesalne cevi Kot je razvidno iz slike 5.2, sprememba dolžine sesalne cevi močno vpliva na lokalno zvišanje volumetričnega učinka v različnih območjih vrtilne frekvence za različne dolžine cevi. Razvidno je, da daljša cev lokalno zviša volumetrični izkoristek v območju nižjih vrtilnih frekvenc, krajše cevi pa lokalno povišajo volumetrični izkoristek pri višjih vrtilnih frekvencah. Slika 5.2: Vpliv spremembe dolžine sesalne cevi na volumetrični izkoristek motorja

51 Na sliki 5.3 so z rdečimi krožci označena prej omenjena maksimalna lokalna zvišanja volumetričnega izkoristka zaradi polnitvenega učinka pri različnih dolžinah cevi. Slika 5.3: Lokalni maksimumi za posamezne dolžine sesalne cevi 5.2 Analiza vpliva premera sesalne cevi Iz slike 5.4 je jasno razviden vpliv oženja sesalne cevi na višje frekvence (zviševanja hitrosti znotraj sesalne cevi). Tlačne izgube v cevi se pri višjih frekvencah povečajo in s tem razlogom močno upade volumetrični izkoristek motorja v območju višjih frekvenc. Slika 5.4: Vpliv premera sesalne cevi na volumetrični izkoristek motorja

52 Če povzamemo rezultate na sliki 5.5, sprememba premera sesalne cevi za 10 mm pomeni spremembo območja pojava vrha lokalnega maksimuma za območje vrtilne frekvence obr./min. Sprememba premera vpliva tudi na najvišjo vrednost volumetričnega izkoristka. Slika 5.5: Lokalni maksimumi za posamezne premere sesalne cevi 5.3 Analiza vpliva volumna sesalne komore Kot je razvidno iz slike 5.6, s povečevanjem volumna sesalne komore zvišujemo volumetrični izkoristek motorja v območju obr./min, lokalni maksimumi pa se v tem območju ohranjajo v okolici enake vrtilne frekvence. Slika 5.6: Vpliv volumna sesalne komore na volumetrični izkoristek motorja

53 Zanimiv vpliv volumna sesalne komore je razviden v območju rdečega kvadrata na sliki 5.6, ki je podrobneje opisan na sliki 5.7. S spremembo volumna sesalne komore opazimo premikanje lokalnega maksimuma v območju nizkih frekvenc motorja, to je v območju obr./min, pri večjem volumnu se premakne v nižje frekvence in obratno pri manjšem volumnu v višje frekvence. Slika 5.7: Lokalni maksimumi v območju nizkih vrtilnih frekvenc 5.4 Optimizacija parametrov sesalnega sistema S pomočjo analize posameznih geometrijskih lastnosti (dolžina sesalne cevi, premer sesalne cevi, volumen sesalne komore) je bilo ugotovljeno, da vsi obravnavani parametri močno vplivajo na volumetrični izkoristek motorja in s tem na karakteristike motorja, zato je dobro izbrati takšne vrednosti le-teh, ki nam dajo najboljšo karakteristiko motorja. Ker bi s pomočjo iterativnega postopka takšno kombinacijo parametrov iskali zelo dolgo, smo si pomagali z optimizacijskim programom AVL DESIGN EXPLORER. Kot vhodne podatke za optimizacijo smo morali podati parametre, ki so se spreminjali, njihove meje (glej tabelo 11) in ciljno funkcijo, ki je ovrednotila vsak dizajn na način, ki smo ga podali. Ciljna funkcija optimizacije je bila določena kot maksimalna vrednost navora v vsaki obratovalni točki motorja, saj je bil cilj, da ima motor čim višji navor v čim bolj širokem uporabnem obratovalnem območju

54 Tabela 11: Razpon vrednosti geometrijskih parametrov optimizacije Minimalna vrednost Začetna vrednost Maksimalna vrednost Dolžina sesalne cevi 50 mm 250 mm 500 mm Premer sesalne cevi 30 mm 45 mm 65 mm Volumen sesalne komore 2 l 5 l 6,5 l Optimizacija je potekala na tak način, da se je s pomočjo zgoraj navedenih vhodnih parametrov in njihovih meja za začetek s pomočjo statistične metode»latin hypercube«za določanje statistično raznolikih vrednosti parametrov določilo osemdeset različnih testnih dizajnov. Ko so bili rezultati teh dizajnov izračunani s pomočjo simulacijskega modela motorja z notranjim zgorevanjem, je optimizacijski algoritem Nelder-Mead izbral najboljšega izmed vseh testnih dizajnov in ga optimiral, pri tem pa je ustvaril še triinpetdeset dizajnov/iteracij, ki so privedli k maksimumu ciljne funkcije in optimalnim vrednostim parametrov sesalnega sistema, ki so prikazane v tabeli 12 in na sliki 5.8. Na sliki 5.9 pa je prikazan odstotni delež vrednosti ciljne funkcije začetnega dizajna (dolžina sesalne cevi: 250 mm, premer sesalne cevi: 45 mm, volumen sesalne komore: 5 l) za vsakega izmed preračunanih dizajnov, kjer je 100 % primerjalna vrednost ciljne funkcije za začetni dizajn (več kot 100 % je boljše, manj je slabše). Dosegli smo 1,58-odstotno izboljšavo glede na začetni dizajn. Tabela 12: Optimalne vrednosti geometrijskih parametrov Optimalna vrednost Dolžina sesalne cevi Premer sesalne cevi Volumen sesalne komore 324 mm 50 mm 6 l

55 Slika 5.8: Področje optimalnih vrednosti parametrov Slika 5.9: Potek optimizacije

56 Kot končni dizajn parametrov sesalnega sistema so bile izbrane optimirane vrednosti za dolžino in premer sesalne cevi. Optimalna vrednost volumna sesalne komore pa je bila povzeta po analizi, izvedeni v magistrskem delu [15], saj zaradi prepoznega raziskovalnega dela v laboratoriju in omejenih sredstev ni bilo možno preveriti vpliva volumna sesalne komore na odzivnost in prosti tek dirkalnega motorja. V omenjenem magistrskem delu se je član ekipe z univerze v Monashu (Avstralija) posvetil problematiki razvoja podobnega motorja, kot je bil uporabljen v dirkalniku GPE14, ter pripadajočega sesalnega in izpušnega sistema. Ugotovljeno je bilo, da ima volumen sesalne komore opazen vpliv na odzivnost motorja. Povzeli smo njihove laboratorijske ugotovitve in za optimalno vrednost volumna sesalne komore določili vrednost 4 litre. Tako so končni parametri sesalnega sistema, ki so bili uporabljeni za izvedbo končnega CAD-modela (glej sliko 5.10), in kasnejšo izdelavo sesalnega sistema, podani v tabeli 13. Tabela 13: Končni uporabljeni geometrijski parametri sesalnega sistema Optimalna vrednost Dolžina sesalne cevi Premer sesalne cevi Volumen sesalne komore 324 mm 50 mm 4 l Slika 5.10: Končni CAD-model sesalnega sistema