UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Tadej ILOVŠEK ELIMINACIJA TURBO LUKNJE PRI MOTORJU Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa 1. stopnje Strojništvo Maribor, avgust 2017
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Tadej ILOVŠEK
ELIMINACIJA TURBO LUKNJE PRI MOTORJU Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM
Diplomsko delo
visokošolskega strokovnega študijskega programa 1. stopnje
Strojništvo
Maribor, avgust 2017
ELIMINACIJA TURBO LUKNJE PRI MOTORJU Z
NOTRANJIM ZGOREVANJEM
Diplomsko delo
Študent(ka): Tadej ILOVŠEK
Študijski program: visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Strojništvo
Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo
Mentor: Red. prof. dr, Breda KEGL
Somentor: Dr, Ivo PRAH
Maribor, avgust 2017
II
I Z J A V A
Podpisani Tadej ILOVŠEK, 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-a 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,_____________________ Podpis: ________________________
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Bredi Kegl in
(so)mentorju Dr. Ivo Prahu za pomoč in vodenje pri
opravljanju diplomskega dela.
Zahvaljujem se tudi družini za vso podporo in da so mi
omogočili študij strojništva na univerzi Mariboru.
IV
ELIMINACIJA TURBO LUKNJE PRI MOTORJU Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM
Ključne besede: turbopolnilnik, turbo luknja, eliminacija turbo luknje, AVL BOOSTTM
UDK: 621.43.018(043.2)
POVZETEK
V diplomskem delu je prikazana idejna zasnova za eliminacijo turbo luknje v motorju z
notranjim zgorevanjem (MNZ). V delu je opisano delovanje turbopolnilnika, njegove
komponente in njihova vloga za zmanjšanje turbo luknje ter simulacijski program AVL
BOOSTTM. Predstavljen je sistem za eliminacijo turbo luknje, ki je bil analiziran s pomočjo
simulacijskega modela motorja z notranjim zgorevanjem in vozila v programskem orodju
AVL BOOSTTM. Izvedena je bila primerjava karakteristik motorja z notranjim zgorevanjem in
vozila za tri različne variante motorja z notranjim zgorevanjem: (1) običajno izvedbo MNZ s
turbo luknjo ter (2) dve idejni zasnovi, ki omogočata v zelo veliki meri odpraviti pojav turbo
luknje. Na podlagi dobljenih simulacijskih rezultatov je bil izbran model, ki je pokazal
najprimernejši potek opazovanih karakteristik, na katere vpliva pojav turbo luknje.
V
ELIMINATION OF TURBO LAG IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Key words: turbocharger, turbo lag, elimination of turbo lag, AVL BOOST TM
UDK: 621.43.018(043.2)
ABSTRACT
In the work is presented an idea for reduction of the turbo lag of the internal combustion
engine. The work describes the purpose of turbocharger, its components and their role, the
existing designs of the turbocharged engines and additionally introduces simulation software
AVL BOOSTTM. The proposed solution for eliminating the turbo lag was analysed based on the
performed simulations using combined model of the internal combustion engine and vehicle
in AVL BOOSTTM. In the scope of work, three different variants of the internal combustion
engine were simulated and analysed: (1) typical turbocharged engine configuration and (2)
two variants which enable evident elimination of turbo lag. Based on obtained simulation
results the best variant of the internal combustion engine simulation model which enables
evident elimination of the turbo lag phenomena was selected.
VI
KAZALO VSEBINE
UVOD ....................................................................................................... 1 1
Opredelitev problema ....................................................................... 1 1.1
Namen in cilj naloge .......................................................................... 1 1.2
Opis strukture dela ............................................................................ 1 1.3
TURBOPOLNILNIKI PRI MNZ ..................................................................... 2 2
Začetek razvoja turbopolnilnikov ...................................................... 2 2.1
Sestavni deli turbopolnilnika ............................................................. 3 2.2
Delovanje turbopolnilnikov ............................................................... 6 2.3
Turbo luknja ...................................................................................... 6 2.4
Vloga turbopolnilnika na energijsko bilanco ...................................... 7 2.5
Glavni sistemi za zmanjšanje turbo luknje ......................................... 8 2.6
PROGRAM AVL BOOSTTM ....................................................................... 10 3
Orodje za analizo rezultatov (IMPRESS Chart) .................................. 12 3.1
MODELI MOTORJA IN VOZILA ................................................................ 13 4
Osnovni model ................................................................................ 14 4.1
Elementi v modelu .......................................................................... 16 4.2
Model s sistemom za povečanje tlaka pred kompresorjem.............. 18 4.3
Model s sistemom za povečanje tlaka pred turbino ......................... 19 4.4
Cevi ................................................................................................. 22 4.5
Vmesnik motorja 3 .......................................................................... 23 4.6
Vmesnik motorja 2 .......................................................................... 26 4.7
Robni pogoj 3 .................................................................................. 28 4.8
Merilne točke .................................................................................. 31 4.9
Element za pretvorbo enačb ............................................................ 32 4.10
VII
Vozilo 1 ........................................................................................... 36 4.11
REZULTATI................................................................................................. 40 5
SKLEP....................................................................................................... 52 6
VIRI IN LITERATURA ..................................................................................... 53 7
VIII
KAZALO SLIK
Slika 1: Turbopolnilnik ............................................................................................................... 3
Slika 2: VGT turbopolnilnik ....................................................................................................... 8
Slika 3: Glavno okno simulacijskega programa AVL BOOST ................................................ 11
Slika 4: Graf za analizo rezultatov v post-procesorju IMPRESS Chart ................................... 12
Slika 5: Osnovni model motorja z vozilom v programu AVL BOOSTTM
............................... 15
Slika 6: Model motorja in vozila s tlačnim pulzom pred kompresorjem ................................. 18
Slika 7: Model motorja z vozilom s tlačnim pulzom pred turbino ........................................... 19
Slika 8: Set podatkov začetnih pogojev uporabljenih v modelu motorja z vozilom ................ 21
Slika 9: Podatki potrebni za inicializacijo cevi ........................................................................ 22
Slika 10: Imenovanje referenčnih podatkov o ventilu .............................................................. 23
Slika 11: Pretočni koeficient (odprtje) ventila za krmiljenje tlačnega pulza v odvisnosti od
časa ................................................................................................................................... 24
Slika 12: Način izbire krmiljenega elementa R9 s pomočjo EI3 .............................................. 25
Slika 13: Definiranje razmernika zraka in goriva v EI2 ........................................................... 26
Slika 14: Tabela zraka in goriva v odvisnosti od vrtilne frekvence motorja ............................ 27
Slika 15: Način izbire krmiljenja razmernika zraka s pomočjo EI2 ......................................... 27
Slika 16: Robni pogoj v tlačni posodi za tvorbo dodatnega tlačnega pulza ............................. 28
Slika 17: Postavitev pomembnih merilnih točk v modelu z vozilom ....................................... 31
Slika 18: Elementi in izbrane merjene veličine v EI2 .............................................................. 32
Slika 19: Prikaz krmiljenja vbrizgane količine goriva v valje ................................................. 33
Slika 20: Primer zapisa enačbe v prevajalniku enačb............................................................... 35
Slika 21: Osnovni podatki elementa vozila ............................................................................. 36
Slika 22: Definiranje karaktersitike voznika in prestavnih razmerij v menjalniku vozila ....... 38
Slika 23: Časovna odvisnost želene hitrosti vozila .................................................................. 39
Slika 24: Hitrost vozila v odvisnosti od časa ............................................................................ 40
IX
Slika 25: Vrtilna frekvenca motorja v odvisnosti od časa vožnje ............................................ 41
Slika 26: Navor motorja v odvisnosti od časa vožnje in področje turbo luknje ....................... 42
Slika 27: Vrtilna frekvenca turbopolnilnika v odvisnosti od časa vožnje ................................ 43
Slika 28: Volumetrični izkoristek v odvisnosti od časa vožnje ................................................ 45
Slika 29: Masni delež zaostalih izpušnih plinov v valju v odvisnosti od časa vožnje ............. 46
Slika 30: Delo bata za izmenjavo delovne snovi na enoto volumna v odvisnosti od časa vožnje
.......................................................................................................................................... 47
Slika 31: Entalpijski tok izpušnih plinov v odvisnosti od časa vožnje ..................................... 48
Slika 32: Hitrost izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje ..................... 49
Slika 33: Tlak izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje ......................... 50
Slika 34: Temperatura izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje ............ 51
X
UPORABLJENI SIMBOLI
T1 temperatura pred kompresorjem
T2 temperatura za kompresorjem
P1 tlak pred kompresorjem
P2 tlak za kompresorjem
κ koeficient kappa
mzr masni pretok zraka
n število vrtljajev motorja
i število valjev
XI
UPORABLJENE KRATICE
Fm_max Največji masni pretok goriva
AFRmin razmernik zraka in goriva
MF_MP11 masni pretok v merilni točki 11
MF_MP13 masni pretok v merilni točki 13
MF_MP14 masni pretok v merilni točki 14
ECU krmilna enota motorja
VGT/VNT turbopolnilnik z variabilno geometrijo turbine
SB robni pogoj
CL filter za zrak
MP merilna točka
R pretočni upor
PL posoda
TC turbopolnilnik
CO toplotni izmenjevalec
C valj
J spoj
FI prevajalnik enačb
EI vmesnik motorja
CAT katalitični pretvornik
E motor
MNZ motor z notranjim zgorevanjem
FMEP srednji efektivni tlak za premagovanje trenja
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
1
UVOD 1
Opredelitev problema 1.1
Pri motorju z notranjim zgorevanjem s turbopolnilnikom predstavlja le-ta oviran pretok
izpušnih plinov iz izpušnega sistema. Turbina se ob pritisnjenem pedalu za plin vrti z visoko
vrtilno frekvenco, da pa pride do teh vrtljajev, morajo izpušni plini premagati vztrajnostni
moment turbopolnilnika v čim krajšem času. Med pospeševanjem turbine se pojavi t.i. turbo
luknja, kar pomeni, da se v določenem časovnem intervalu po pritisku pedala za plin
zmogljivost motorja odzove z zakasnitvijo. Motor mora ustvariti dovolj visok tlak izpušnih
plinov, da se začne turbopolnilnik dovolj hitro vrteti. Ta pojav traja najdlje v področju nižjih
vrtilnih frekvenc motorja.
Namen in cilj naloge 1.2
Cilj je bil dokazati možnost eliminiranja turbo luknje in povečati odzivnost motorja v
področju nižjih vrtilnih frekvenc, kjer je le-ta najdlje prisotna. Odločili smo se uporabiti že
obstoječ motor kot začetni model za izvedbo simulacije tlačnega pulza in nanj namestili
opremo za eliminacijo turbo luknje. Z namenom, da bi se lažje ugotovilo kje bi bil spust
tlačnega pulza najbolj ustrezen, smo na izbranem motorju naredili več variant postavitve
opreme. Na koncu je sledila primerjava karakteristik za posamezno izvedbo in določitev
najbolj ugodnega poteka med primerjanimi karaktersitikami.
Opis strukture dela 1.3
V nadaljevanju je opisan razvoj turbopolnilnikov, obstoječe rešitve za zmanjšanje turbo
luknje, uporaba turbopolnilnikov pri MNZ ter njihove izvedbe. Prav tako je predstavljen
simulacijski program AVL BOOSTTM v katerem smo izvajali simulacijo ter začetni model
motorja z različnimi variantami postavitve sistema za preprečevanje turbo luknje.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
2
TURBOPOLNILNIKI PRI MNZ 2
Začetek razvoja turbopolnilnikov 2.1
Zgodovina turbopolnilnikov sega do leta 1885, ko sta Gottlieb, Daimler in Rudolf Diesel
raziskovala možnost povečanja moči in zmanjšanja porabe goriva pri MNZ.
Leta 1925 je bil švicarski inženir dr. Alfred Buechl prvi kateri je uspešno uvedel sistem turbo
polnilnika gnanega s pomočjo izpušnih plinov, ter tako dosegel povečanje moči motorja za
več kot 40%. To je bil tudi začetek uvajanja turbopolnilnikov v avtomobilsko industrijo.
Turbo polnilniki so bili prvič uporabljeni v zelo velikih motorjih. Leta 1938 je »Swiss Machine
Works Sauer« naredil prvi motor s turbopolnilnikom za tovorno vozilo.
Chevrolet Corvair Monza in Oldsmobile Jetfire sta bila prva osebna avtomobila s turbo
polnilnikom. Bila sta na ameriškem trgu v letih 1962/63. Toda kljub naprednim tehničnim
rešitvam, njihovo delovanje ni bilo zanesljivo, kar je povzročilo, da sta hitro izginila iz tržišča.
Po prvi naftni krizi leta 1973 je turbopolnilnik postal bolj sprejemljiv v dizelskih motorjih. Do
tedaj ni bilo velikih vlaganj v razvoj, saj so bile cene goriva zelo nizke in so bili prihranki
minimalni. Vedno večje omejitve emisij izpušnih plinov so konec osemdesetih let privedle do
povečane proizvodnje in uporabe turbopolnilnikov. Tako ima danes skoraj vsako tovorno
vozilo vgrajen motor s turbopolnilnikom.
V sedemdesetih letih je prišlo do uporabe turbo polnilnikov tudi v avto moto športih,
predvsem v vozilih Formule 1, kar je pripeljalo do vse večje popularnosti v avtomobilski
industriji [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
3
Beseda »turbo« je postala zelo popularna, zato je skoraj vsak proizvajalec vozil imel vsaj eno
vozilo s turbo motorjem. Kljub temu pa pojav izgine po nekaj letih in čeprav je bil motor
močnejši še vedno ni bil ekonomičen.
Pravi preboj v avtomobilski industriji je turbopolnilnik doživel leta 1978 z uvedbo prvega
dizelskega motorja s turbopolnilnikom pri Mercedesovem modelu 300SD. Sledil mu je VW
Golf turbodiesel leta 1981. S pomočjo turbo polnilnika se je povečala sposobnost dizelskih
motorjev in dosegla skoraj enak učinek kot pri bencinskih motorjih vendar z znatno nižjimi
emisijami izpušnih plinov. Danes se turbopolnilniki pri bencinskih motorjih ne uporabljajo za
povečanje moči motorja, pač pa sta glavna razloga zmanjšanje porabe goriva in emisij
škodljivih izpušnih plinov [1].
Sestavni deli turbopolnilnika 2.2
Na sliki 1 so prikazani osnovni deli turbopolnilnika
Slika 1: Turbopolnilnik
Ohišje
kompresorja
Ohišje turbine
Ležajno ohišje
Kompresor
Turbina
Povezovalna gred Priključek za dovod
olja ležajem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
4
2.2.1 Kompresor in ohišje kompresorja
Kompresor sestoji iz dveh osnovnih komponent, ohišja kompresorja, ki se običajno imenuje
pokrov in "impelerja" ali tudi kompresorskega kolesa (rotorja). Pretok skozi kompresor
poteka na vstopu skozi center pokrova v aksialni smeri, do kompresorskega kolesa, nato se v
kompresorskem kolesu preusmeri za 90 stopinj. Ko pretok zraka zapušča kompresorsko kolo,
se preusmeri iz aksialne v radialno smer. Radialni tok nadaljuje pot proti difuzorju, kjer se
pretvori kinetična energija zraka v tlačno na račun difuzije pretočne hitrosti. V nadaljevanju
zrak vstopi v posodo imenovano volut, ki je lahko z ali brez lopatic. Tok zraka nato izstopi iz
volutnega ohišja. Velikost in oblika kompresorskega kolesa močno vpliva na njegovo
zmogljivost. Najbolj kritične so kompresorske lopatice. Profil lopatic in toleranca med
ohišjem in rotorjem sta dva pomembna faktorja poleg velikosti lopatic [2,3].
2.2.2 Ležajno ohišje
V ohišju turbine se nahaja gred na katero sta nasajena kolesi turbine in kompresorja. Gred
podpirata ležaja, ki sta ključnega pomena za obratovanje turbopolnilnika. Sistem ležajev
nadzira aksialne in radialne premike sestava gredi s kolesoma turbine in kompresorja. V
večini primerov so ležaji drsni, obstajajo pa tudi variante s krogličnimi ležaji. Naslednja
pomembna komponenta v ohišju so tesnila locirana na obeh straneh, tj. na turbinski in
kompresorski strani. Glavna naloga ležajev je preprečevanje uhajanja izpušnih plinov in sveže
polnitve v ležajno ohišje, ker sta tlaka slednjih pri kompresorju in turbini višja od tlaka v
ohišju, ki je približno enak tlaku v ohišju ročične gredi motorja. To pomeni, da preprečevanje
puščanja olja v turbino ali kompresor, ni primarna funkcija tesnil. Za to običajno skrbijo
deflektorji olja, ki preprečujejo, da olje sploh pride do tesnil. Edina slabost tesnil je, da
morajo prenesti gibanje gredi, ki ga povzroča potreben odmik od ležaja, kar je tudi edini
povzročitelj trenja v samem ohišju [4,3].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
5
2.2.3 Turbina in ohišje turbine
Glavna naloga turbine je pretvoriti energijo izpušnih plinov v mehansko delo, ki žene
kompresor. Turbino sestavljata dve komponenti, rotor (turbinsko kolo) in stator (turbinsko
ohišje). Obstaja več različnih vrst turbin. Najbolj osnovne so turbine z aksialnim, radialnim in
mešanim pretokom [5]. Glede na to, da bo v obravnavanem delu uporabljena turbina z
radialnim tokom, bo ta podrobneje razložena. Radialna turbina je lahko v različnih
konstrukcijskih izvedbah. Obstaja turbina z enim (enonatočna) ali pa z dvema vstopoma
(dvonatočna). Različni konfiguraciji vplivata na dinamično obnašanje. Namen vstopne strani
v turbino je optimalni natočni tok na rotor z minimalno izgubo totalnega tlaka. To je
omogočeno z obliko ohišja imenovano volut. Večinoma so ohišja turbine brez lopatic [2].
Primarna funkcija ohišja je, da usmeri tok izpušnih plinov na lopatice rotorja turbine in
pospeši rotor v najkrajšem možnem času. Izpušni plini vstopijo v ohišje v tangencialni smeri
in potujejo po kanalih okoli središča turbine. Ti kanali vodijo pod optimalnim natočnim
kotom izpuste na lopatice turbine in jo vrtijo. Plini nato nadaljujejo svojo pot in zapustijo
turbino v aksialni smeri iz centra ohišja. Velikost ohišja ima pomemben vpliv na obnašanje
turbine. S spremembo velikosti ohišja se spremeni odzivnost turbine in s tem moč motorja
[3].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
6
Delovanje turbopolnilnikov 2.3
Turbopolnilnik poganja turbina, ki izkorišča moč (entalpijo) in kinetično energijo izpušnih
plinov. Turbina je preko gredi povezana s polnilnikom oz. s tlačno (kompresorsko) stranjo, ki
sesa in komprimira zrak potreben za izgorevanje na višji tlak, ter ga dovaja v valje motorja.
Turbopolnilnik ni mehansko povezan z motorjem, ker ne potrebuje dodatne energije za svoje
delovanje, saj izkorišča razpoložljivo energijo izpušnih plinov, zato lahko motor porabi manj
goriva za enako zmogljivost, kot motor brez turbopolnilnika. Motor ima lahko zato manjšo
prostornino. Volumski izkoristek motorja je dosti boljši. Če primerjamo atmosferski motor z
večjo delovno prostornino in turbo motor z manjšo, je ta sposoben razviti manjšo, enako ali
večjo moč ob manjši porabi goriva. Turbopolnilniki imajo običajno izkoristek okrog 55% [1],
je pa slednji v splošnem odvisen od velikosti turbopolnilnika (manjši turbopolnilnik ima
manjši izkoristek).
Turbo luknja 2.4
V trenutku, ko je pritisnjena stopalka za plin, bi moral motor doseči maksimalni navor na
vrtljajih, pri katerih motor trenutno obratuje. Luknja je časovni zamik med trenutkom, ko je
bila pritisnjena stopalka za plin in največjim dejanskim navorom, ki ga motor lahko proizvede
pri dani obremenitvi (položaju stopalke za plin) in vrtilni frekvenci.
V vsakem motorju je nekaj časovnega zamika, zaradi vztrajnostnega momenta rotirajočih se
mehanskih delov ter tudi vztrajnosti (gibalne količine) same delovne snovi (zrak in izpušni
plini), ker slednji potrebujejo določen čas, da se lahko začnejo hitreje gibati. Prav tako
potrebuje določen čas tudi kontrolna enota (ang. Engine control unit - ECU), da reagira na
spremembo položaja stopalke za plin.
Pri atmosferskem motorju je časovni zamik bistveno manjši vendar še vedno prisoten, ker
mora motor napolniti polnilni kolektor z atmosferskim zrakom. To traja med 0.1 in 0.2
sekundama. Motorji, ki imajo turbopolnilnike imajo najdaljši časovni zamik, ker je potrebno
odpreti loputo za dovod zraka, počakati da izpušni plini pospešijo turbino na višje vrtljaje in
da kompresor komprimira zrak v polnilnem kolektorju na višji tlak.
Z velikostjo turbopolnilnika, se poveča tudi vztrajnostni moment in masa delovne snovi in s
tem čas trajanja, da turbopolnilnik doseže višjo vrtilno frekvenco. V tem primeru je turbo
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
7
luknja najbolj občutna, ker ob takojšnjem pritisku pedala za plin, voznik ne občuti povečanja
moči motorja [5].
Vloga turbopolnilnika na energijsko bilanco 2.5
Največja moč, ki jo motor lahko proizvede, je omejena s količino vbrizganega goriva in
dovodnega zraka, ki lahko zgori v valjih. Če je induciran (polnilni) zrak komprimiran, ima
večjo gostoto od okoliške pred vstopom v posamezen valj, potem bo maksimalna moč
motorja večja, ker lahko ob večji količini zraka vbrizgamo večjo količino goriva za določen
razmernik zraka in goriva. Primarna funkcija turbopolnilnika je povečanje gostote zraka na
račun povečanja tlaka zraka na vstopu v valje. V procesu komprimiranja turbopolnilnik jemlje
energijo iz entalpijskega toka izpušnih plinov, da poganja turbino, ki žene kompresor. Pri
mehansko gnanem kompresorju s pomočjo motorja (turbo kompresorju), pa se energija
potrebna za komprimiranje zraka dovaja neposredno od motorja. Variante z dvema
turbinama, dvostopenjskim turbinskim polnjenjem ali z dodanim hladilnikom oz. toplotnim
izmenjevalcem zraka za kompresorje, pa so tiste, ki še dodatno omogočijo povečanje
gostote zraka [6,7].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
8
Glavni sistemi za zmanjšanje turbo luknje 2.6
VGT/VNT turbopolnilnik z variabilno geometrijo lopatic
Turbopolnilnik z dvema vstopoma v turbino (ang. twin scroll)
Hibridni turbopolnilnik
2.6.1 VGT Turbopolnilnik
Se uporablja v zračnem krogu motorja. Geometrija turbopolnilnika se spreminja s položajem
lopatic rotorja turbine (spreminjanjem pretočne površine skozi turbino) v odvisnosti od
signala ECU komponente. Ko je vrtilna frekvenca motorja nizka je s tem tudi zmožnost
(entalpija in kinetična energija) izpušnih plinov, ki ženejo turbino, nižja. Ko želimo motor
pospešiti z nižjih vrtljajev, je prvi parameter, ki ga motor sprejme, sprememba pritiska
pedala za plin. S spremembo položaja pedala se ECU krmilna enota v trenutku odzove s
signalom do vbrizgalnih šob, da se vbrizga večja količina goriva v zgorevalno komoro. ECU
sočasno pošlje signal do VGT sistema, da spremeni položaj lopatic rotorja turbine in s tem
omogoči izpušnim plinom, da zavrtijo turbino na višje vrtljaje zaradi povečanja totalnega
tlaka na vstopu v turbino. To posledično postopoma omogoči večji dovod količine zraka in
goriva v zgorevalno komoro [8].
Slika 2: VGT turbopolnilnik
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
9
2.6.2 Turbopolnilnik z dvema vstopoma v turbino
Sistem ima dva vstopa izpušnih plinov v turbino, da ni interakcije med tlačnimi pulzi v
izpušnih ceveh do posameznih valjev. Ena polovica izpušnih cevi, je povezana na eden del
odprtja v ohišju turbine, drugi del cevi pa na drugega. Če govorimo o šest valjnem motorju,
potem so izpušne cevi treh valjev združene na svitek v turbinskem ohišju. Ta metoda
omogoča neprekinjen tok izpušnih plinov v turbino. Ena od prednosti z ločitvijo toka izpušnih
plinov, je ob največji izkoriščenosti izpušnih plinov tudi njihova izmenjava v valjih, ker se
izognemo prekrivanju pulzov izpušnega tlaka [2,3].
2.6.3 Hibridni turbokopolnilnik
V ohišju turbopolnilnika se nahaja elektromotor/generator, motor deluje do hitrosti 120.000
vrt/min. Ko deluje kot generator je njegova učinkovitost 98%. Tukaj je hitrost kompresorja
neodvisna od hitrosti turbine. Med pospeševanjem vozila kompresor žene elektromotor vse
dokler kompresor ne doseže delovnih vrtljajev. To pospeševanje izniči turbo luknjo, ki se
kaže pri običajnih sistemih. Pri višjih motornih vrtljajih se generira več energije v turbini
kolikor je zahteva kompresor. V tem primeru je možno s presežkom energije napajati
akumulator za naslednjo fazo pospeševanja oz. električni kompresor klime. V ustaljenih
razmerah pa je elektromotor izključen [10,11].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
10
Zgoraj našteti sistemi do neke mere zmanjšajo turbo luknjo, vendar je v celoti ne izničijo z
izjemo hibridnega sistema, ki pa ima slabost, da je kompleksen in poveča maso motorja. Zato
sem se odločil, da preizkusim lastno idejo, ki sem jo dobil tekom študijskega leta, natančneje,
v tretjem letniku. Deloma tudi s pomočjo trenutne tehnologije, ki se uporablja pri F1. Zato
sem s pomočjo fakultete kontaktiral podjetje AST, kjer sem dobil program AVL BOOSTTM, ki je
v nadaljevanju podrobneje razložen za lažje razumevanje.
PROGRAM AVL BOOSTTM 3
AVL BOOSTTM ima možnost simuliranja termodinamskega delovanja širšega spektra motorjev
z notranjim zgorevanjem, dvo in štiri taktnih, kjer vžig poteka s svečko ali samodejno.
Simulirati je možno tako manjše motorje za motorna kolesa, kakor tudi največje ladijske
motorje. Program je del programskega paketa AWS (AVL Workspace), ki poleg BOOST-a
vsebuje še program AVL EXCITE in IMPRESS Chart. AVL BOOSTTM vključuje grafični vmesnik
(ang. pre-processor), ki nudi podporo pri pripravi simulacijskega modela in vhodnih podatkov
za numerični izračun. Analiza rezultatov je podprta z interaktivnim post-procesorjem
imenovanim IMPRESS Chart.
Model motorja je zasnovan tako, da se z miškinim klikom izbere elemente iz drevesne
strukture, in se jih poveže s cevnimi elementi. Po tem principu je možno modelirati tudi
najzahtevnejše konfiguracije motorja brez težav, saj je na voljo veliko različnih elementov
[12].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
11
Na sliki 3, je prikazana delovna površina v delovnem okolju AVL BOOSTTM.
Slika 3: Glavno okno simulacijskega programa AVL BOOST
Vrstica z menijem Vrstica z ikonami
Drevesna struktura z
elementi Delovna površina
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
12
Orodje za analizo rezultatov (IMPRESS Chart) 3.1
IMPRESS Chart služi za analizo rezultatov v grafični obliki. Optimiziran je za hitro in
enostavno analizo množice simulacijskih rezultatov ter omogoča ponovno uporabo
posnetkov in podatkov. Uporabnik lahko uvaža podatke v različnih oblikah, izvaja vrsto
matematičnih in statističnih analiz, ter izmenjuje podatke z drugimi aplikacijami delovnega
prostora. IMPRESS Chart vsebuje obsežen nabor grafičnih stilov, ki uporabniku omogočajo
mnogo možnosti pri oblikovanju grafov in dobljenih rezultatov simulacije [10].
Slika 4: Graf za analizo rezultatov v post-procesorju IMPRESS Chart
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
13
MODELI MOTORJA IN VOZILA 4
Na sliki 5 je prikazan osnovni, nemodificiran model motorja, imenovan baseline, ki služi kot
referenčni model. Naredili smo še dve izpeljanki (varianti) modela, kjer pri prvem spustimo
pulz pred kompresor, pri drugem pa pred turbino. Na delovno površino smo dodali in
razporedili vse potrebne elemente za sistem eliminacije turbo luknje in jih ustrezno
medsebojno povezali. Povezave so v modelu označene z modro barvo. Po razporeditvi vseh
potrebnih elementov je bilo potrebno elemente povezati še s povezavo za izmenjavo
signalov, kar je v modelu prikazano z modro barvo med posameznimi elementi.
Vse to je bilo potrebno storiti, ker smo v modelu priključili sistem za eliminacijo turbo luknje,
ki je za kratek čas dovedel povečano količino mase zraka v valje motorja.
V vseh treh modelih smo ustvarili enake pogoje za obratovanje, zato smo v posameznih
elementih izbrali enake vhodne vrednosti.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
14
Osnovni model 4.1
Osnovni podatki o motorju so zbrani v Tabeli 1.
Tabela 1: Osnovni podatki o motorju
Delovna prostornina 2.6 l
Število valjev 6
Število taktov 4
Premer valja 80 mm
Hod bata 85 mm
Kompresijsko razmerje 18
Način hlajenja Vodno
Indukcija Prisilna
Vrsta goriva Dizel
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
15
Na sliki 5, je prikazan osnovni model motrja z vozilom, ki smo ga uporabili za numerični
izračun v programu AVL BOOSTTM.
Slika 5: Osnovni model motorja z vozilom v programu AVL BOOSTTM
FI1
45
51
47 48 49
5250
44
46
SB1
SB2
PL1
PL2
PL3
C1 C2 C3
C4 C5 C6
MP1MP2
MP3
MP4
MP5
MP11
MP12
MP10
MP13
MP6
MP14
MP7
CO1
CL1
CAT1
TC1
J1 J2
J3 J4
J5
J6
J7J8
1 2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22 23 24
25
26
27
J9
28 29 30 31 32 33
J10
34 35 36 37 38 39
40
CO2
R1
R7
R4
R5 R6
R3R2
41 42
43
MP8
MP9
EI1
ECU1
MNT1
E1 V1MC1
EI2
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
16
Elementi v modelu 4.2
Posamezne oznake oziroma elementi v modelu, na sliki 5, so:
- SB robni pogoj (ang. system boundary), zagotavlja povezavo med modelom in
okolico (atmosfero)
- 1,2,3… cevi (ang. pipe); cev predstavlja povezava črne barve, ki se označuje s številom
in je eden najpomembnejših elementov v modelu, ker z njo opišemo pot delovne
snovi v polnilnem in izpušnem sistemu. V njej je potrebno definirati parametre, kot so
premer, koeficient trenja, radij ukrivljenosti cevi, temperaturo stene in začetne
pogoje za tlak temperaturo plina, da so definirani v odvisnosti od lokacije v cevi.
- CL zračni filter (ang. cleaner); obravnavan je kot sistem volumenski element (ang.
Plenum)-cev-plenum. Uporablja se za izračun tlačnega padca v filtru v odvisnosti od
pretočnih pogojev.
- MP merilna točka (ang. measuring point); z uporabo merilnih točk je možen dostop
do podatkov o stanju delovne snovi na določenem mestu v cevi (npr. masni tok, tlak,
temperatura, itd.). Položaj merilne točke se definira kot oddaljenost začetka cevi, ki je
določen glede na smer puščice, ki kaže od začetka proti koncu cevi.
- R pretočni upor (ang. flow restriction); element se uporablja za upoštevanje padca
tlaka na določeni lokaciji v cevnem sistemu. Pretočni koeficienti upora morajo biti
definirani za obe pretočni smeri v cevi. Definirani so kot razmerje med dejanskim
masnim pretokom in izentropnim masnim pretokom pri enakem totalnem tlaku in
tlačnem razmerju.
- PL (ang. plenum); je volumenski element v katerem se gibalna količina toka zanemari.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
17
- TC turbopolnilnik (ang. turbocharger); na voljo sta dva modela: poenostavljen in
kompleksen. Poenostavljen se uporablja samo v stacionarnih pogojih obravnavanja,
pri čemer se upošteva učinkovitost kompresorja in turbine. Prednost tega je, da ni
potrebnega večjega vnosa vhodnih podatkov za opis karakteristike turbopolnilnika.
Kompleksen model pa zahteva tudi podatke o celotni izmerjeni karakteristiki turbine
in kompresorja od proizvajalca turbopolnilnika.
- CO hladilnik (ang. cooler); podobno kot pri zračnem filtru tudi hladilnik sestavljajo
plenum-cev-plenum.
- C valj (ang. cylinder); je element v katerem je potrebno definirati osnovne dimenzije:
premer bata, hod bata, kompresijsko razmerje, dolžino ojnice, zamik sornika in
zaporedje vžiga v posameznih valjih. Prav tako je potreben vnos začetnih podatkov v
valju.
- J spoj (ang. junction); je element, ki združi cevi v vozlišče.
- FI element za pretvorbo enačb (ang. formula interpreter); je element kamor lahko
vpišemo formule za izračun želenih parametrov v programskem jeziku C#.
- EI vmesnik motorja (ang. engine interface); se uporablja za pošiljanje podatkov do
posameznih elementov v modelu, ki so med seboj povezani.
- CAT katalitični pretvornik (ang. catalyst), podobno kot element za zračni filter, je tudi
ta sestavljen iz treh delov (plenum-cev-plenum). Ta se uporablja za modeliranje
padca tlaka skozi katalitični pretvornik, v odvisnosti od dejanskega pretoka.
- E1 motor (ang. engine); v elementu se določi tip motorja, število valjev, zaporedje
vžigov za posamezne valje ter izgube zaradi trenja (ang. FMEP) v motorju med
obratovanjem.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
18
Model s sistemom za povečanje tlaka pred kompresorjem 4.3
Na sliki 6 je prikazan model z vozilom z dodanim sistemom za povečanje polnilnega tlaka
pred kompresorjem, ki je označen z zeleno barvo.
Slika 6: Model motorja in vozila s tlačnim pulzom pred kompresorjem
FI1
45
51
47 48 49
5250
44
46
SB1
SB2
PL1
PL2
PL3
C1 C2 C3
C4 C5 C6
MP1
MP2
MP3
MP4
MP5
MP11
MP12
MP10
MP13
MP6
MP14
MP7
CO1
CL1
CAT1
TC1
J1 J2
J3 J4
J5
J6
J7J8
1 2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22 23 24
25
26
27
J9
28 29 30 31 32 33
J10
J11
34 35 36 37 38 39
40
CO2
R1
R7
R4
R8
R5 R6
R3R2
41 42
43
MP8
MP9
EI1
ECU1
MNT1
E1
R9
V1MC1
PL4
SB3
5455
EI2
56
53
EI3
57
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
19
Model s sistemom za povečanje tlaka pred turbino 4.4
Na sliki 7 je prikazan model motorja z vozilom z dodanim sistemom za povečanje tlaka pred
turbino, označen je z zeleno barvo.
Slika 7: Model motorja z vozilom s tlačnim pulzom pred turbino
R8
53
54
FI1
45
51
47 48 49
5250 44
46
SB1
SB2
PL1
PL2
PL3
C1 C2 C3
C4 C5 C6
MP1
MP2
MP3
MP4
MP5
MP11
MP12
MP10
MP13
MP6
MP14
MP7
CO1
CL1
CAT1
TC1
J1 J2
J3 J4
J5
J6
J7J8
1 2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22 23 24
25
26
27
J9
28 29 30 31 32 33
J10
J11
34 35 36 37 38 39
40
CO2
R1
R7
R4
R5 R6
R3R2
41 42
43
MP8
MP9
EI1
ECU1
MNT1
E1 V1MC1
R9
EI2
PL4
SB3
5556
57
EI3
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
20
Za razliko od osnovnega modela motorja z vozilom prikazanega na sliki 5 (referenčni model),
smo v ostalih dveh modelih dodali še sistem za eliminacijo turbo luknje, ki ga sestavljajo in
krmilijo naslednji elementi:
- Cevni elementi
- robni pogoj 3 (ang. system boundary 3)
- Posoda 4 (ang. plenum 4)
- Element za spoj cevi 11 (ang. junction 11)
Elementi, ki smo jih dodali oz. prilagodili in so enaki v obeh variantah motorja (sliki 6 in 7) z
namenom enakega delovanja in kasnejše primerjave karakteristik ter nadzora simulacije so:
- Element za pisanje enačb (ang. formula interpreter 1)
- Vmesnik motorja 3 (ang. engine interface 3)
- Vmesnik motorja 2 (ang. engine interface 2)
Elemente smo izbral v drevesni strukturi z elementi, pod zavihkom "componnents", kar je
prikazano na sliki 3. Na slikah 5, 6 in 7 so prikazani zgoraj navedeni elementi, ki smo jih
ustrezno razporedili na delovno površino in povezali s cevmi.
Vsako cev je bilo potrebno "inicializirati" z ustreznim setom podatkov oziroma določiti
začetne robne pogoje za tlak, temperature in sestavo delovne snovi. Vrednosti za
posamezen set so definirane v vrstici menija pod zavihkom simulation, control in nato
initilalization kar odpre okno, ki ga prikazuje slika 8.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
21
Na sliki 8 je prikazan nabor podatkov za začetne pogoje v ceveh in plenumih simulacijskega
modela motorja z vozilom (slike 5-7).
Slika 8: Set podatkov začetnih pogojev uporabljenih v modelu motorja z vozilom
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
22
Cevi 4.5
Za vnos začetnih pogojev oziroma inicializacijo posamezne cevi v modelu, je potrebno izbrati
vsako cev posebej, ki je povezana z sistemom za eliminiranje turbo luknje. Prikaže se okno z
možnostjo vnosa podatkov o cevi. V drevesni strukturi cevi, smo izbrali zavihek initialization
in nato možnost global initialization pri naboru podatkov set 1 , kjer so definirani teoretični
začetni pogoji. Slednji so lahko drugačni od dejanskih, ki ji dobimo po končani simulaciji.
Na sliki 9 je prikazan primer za izvedbo inicializacije cevi.
Slika 9: Podatki potrebni za inicializacijo cevi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
23
Vmesnik motorja 3 4.6
Pri vsakem modelu smo dodali dva vmesnika motorja (ang. engine interface), imenovana EI2
in EI3. Element EI3, služi za krmiljenje ventila, poimenovanega z R9, zato je bilo potrebno
vnesti vrednosti za čas odprtja in zaprtja ventila R9. Pred tem smo morali najprej določiti ime
seta podatkov (Name for Data Set), kar je razvidno s slike 10. To smo storili tako, da smo
izbrali element EI3 in nato izbrali v drevesni strukturi zavihek (data set[1]). Pod ime, (Name
for Data Set), smo vpisali (Valve_position). Za enoto smo izbrali razmerje (Ratio), za vrednost
(Value) pa tabelo (Table). V nadaljevanju smo vnesli vrednosti za odprtje oz. zaprtje ventila
R9 v odvisnosti od časa v tabelo.
Slika 10: Imenovanje referenčnih podatkov o ventilu
V drevesni strukturi smo izbrali (Value – Table). Odprlo se je okno tabele za položaj ventila
(Table for valve_position), kjer smo pod (Element) označimo (Global) in za senzorski kanal
(Sensor Channel) izbrali čas (Time). To smo storili, da smo omogočili vnos vrednosti za čas
odpiranja in zapiranja ventila. V stolpec Time (X) smo vpisali vrednosti časa, v stolpec
Valve_position (Y) pa položaj ventila.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
24
V stolpec Time (X), ki prikazuje čas smo vpisali vrednosti: 0; 4.7 ; 4.8 ; 4.9 ; 5 ; 30
V stolpec Valve_position(Y), ki prikazuje pretočni koeficient (odprtje) ventila, pa smo vpisali
vrednosti: 0; 0; 0.9; 0.9; 0. Navedene vrednosti pomenijo, da je ventil pri vrednosti 0 zaprt in
pri vrednosti maksimalno 0.9 odprt. Iz tabele je razvidno da je skupen čas odpiranja,
zapiranja in trajanje odprtja ventila 0.3 sekunde.
Slika 11: Pretočni koeficient (odprtje) ventila za krmiljenje tlačnega pulza v odvisnosti
od časa
V zavihku aktuatorskega kanala (Actuator Channels) , je bilo potrebno definirati element, ki
smo ga krmilili. To smo storili s klikom na Insert Actuator Channel kar je omogočilo vnos
podatkov. Za referenčni set podatkov (Ref Data Set) smo vstavili položaj ventila
(Valve_position). Program je podatke jemal iz zgornje tabele prikazane na sliki 11. Za
element smo izbrali Restriction 9, ki predstavlja ventil. Za krmiljeno vrednost (Actuator
Channel) smo uporabili pretočni koeficient (flow coefficient).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
25
Slika 12 prikazuje način izbire krmiljenega elementa R9 s pomočjo EI3.
Slika 12: Način izbire krmiljenega elementa R9 s pomočjo EI3
V obeh modelih smo uporabili enake vrednosti, zaradi primerjave rezultatov med dvema
variantama, in posledično izbire najboljše rešitve.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
26
Vmesnik motorja 2 4.7
V elementu, ki predstavlja vmesnik motorja 2, je bilo potrebno definirati razmernik zraka in
goriva v odvisnosti od vrtilne frekvence motorja, ki posledično določa količino vbrizganega
goriva, kar je razvidno s slike 13. V drevesni strukturi elementa EI2, smo izbrali Data Set[1],
kjer smo za ime (Name for Data Set) vpisali AFR in izbrali enoto ratio.
Slika 13: Definiranje razmernika zraka in goriva v EI2
Iz slike 14, je razvidno, da smo v drevesni strukturi izbrali Value – Table, kamor smo vstavili
pod element motor (Engine 1) in pod merjeno vrednost (Sensor Channel) vrtilno frekvenco
(Mean Speed). V tabelo pod stolpec MSpeed(X) smo vpisali vrtilne frekvence motorja: 800 ;
1000 ; 2000 ; 3000 ; 4000 ; 5000 vrt/min. V stolpec AFR(Y) smo vnesli vrednosti: 16 ; 16.5 ; 18
; 20 ; 22, ki predstavljajo razmerje zraka in goriva. Pri 800 vrt/min, znaša razmerje med
zrakom in gorivom 16, pri 1000 vrt/min je 16.5 itd. vse do 5000 vrt/min.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
27
Slika 14: Tabela zraka in goriva v odvisnosti od vrtilne frekvence motorja
Iz slike 15 je razvidno, da smo v drevesni strukturi, izbrali zavihek merjene oziroma krmiljene
vrednosti (ang. Actuator Channels). V stolpcu referenčnih podatkov (ang. Ref Data Set) smo
izbrali razmerje med zrakom in gorivom (AFR), v ostalih stolpcih pa izbrali None.
Slika 15: Način izbire krmiljenja razmernika zraka s pomočjo EI2
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
28
Robni pogoj 3 4.8
Na sliki 16 v elementu robnih pogojev označenem s SB3 je razvidno, da smo vnesli podatke
za tlak, temperaturo in sestavo delovne snovi v tlačni posodi za tvorbo dodatnega tlačnega
pulza pred kompresorjem oz. pred turbino. V ta namen smo v drevesni strukturi izbrali
možnost robni pogoj (ang. boundary conditions), nato pa izbrali možnost vnosa lokalnih
robnih pogojev (ang. local boundary conditions). Za tlak (ang. pressure) smo izbrali 6 bar, za
temperaturo komprimiranega zraka (gas temperature) pa vstavili temperaturo 224 ˚C.
Slika 16: Robni pogoj v tlačni posodi za tvorbo dodatnega tlačnega pulza
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
29
Glede na to, da je znašal tlak delovne snovi (zraka), ki smo ga komprimirali v tlačno posodo 6
bar, se je s tem povišala tudi temperatura zraka. V primeru kjer smo tlačni pulz zraka spustili
pred kompresor, je imela povišana temperatura negativen vpliv, ker je polnilnemu zraku
zmanjšala gostoto in je posledično vstopila v valje motorja manjša količina zraka, kar je
zmanjšalo možnost za povečanje moči motorja. Za določitev temperature zraka v tlačni
posodi smo uporabili enačbo za plinski kompresor:
𝑇2 = 𝑇1 ∗ (𝑝2
𝑝1)
𝜅−1
𝜅 [13] (4.1)
kjer je:
𝑇2 [K] temperatura na izstopni strani kompresorja
𝑇1 [K] temperatura okolice
𝑝2 [bar] tlak polnjenja tlačne posode
𝑝1 [bar] tlak okolice
Κ [-] razmerje specifičnih toplot
znani podatki:
𝑇1 = 298 K
𝑝2 = 6 bar
𝑝1 = 1 bar
Κ = 1.4
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
30
tako dobimo:
𝑇2 = 298 ∗ (6
1)
1.4−11.4
= 497 K
= 224˚C
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
31
Merilne točke 4.9
V vseh modelih so bile dodane merilne točke MP 11, MP13, MP 14, da je bilo možno meriti
masni pretok zraka in s tem omogočiti programu izračun največje možne količine
vbrizganega goriva med zagonom simulacije. Dve točki sta bili izbrani v neposredni bližini
valja, ena pa za hladilnikom izpušnih plinov skozi obvod.
Slika 17: Postavitev pomembnih merilnih točk v modelu z vozilom
FI1
45
51
47 48 49
5250
44
46
SB1
SB2
PL1
PL2
PL3
C1 C2 C3
C4 C5 C6
MP1MP2
MP3
MP4
MP5
MP11
MP12
MP10
MP13
MP6
MP14
MP7
CO1
CL1
CAT1
TC1
J1 J2
J3 J4
J5
J6
J7J8
1 2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22 23 24
25
26
27
J9
28 29 30 31 32 33
J10
34 35 36 37 38 39
40
CO2
R1
R7
R4
R5 R6
R3R2
41 42
43
MP8
MP9
EI1
ECU1
MNT1
E1 V1MC1
EI2
Lokacija merilnih
točk
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
32
Element za pretvorbo enačb 4.10
V drevesni strukturi, pod zavihkom zajemanje vhodnih vrednosti (ang. sensor channels), smo
vnesli v stolpcih imena spremenljivk (ang. variable), izbrali elemente (ang. element) iz katerih
zajemamo izbrane merjene vrednosti (ang. sensor channels) za izbrane veličine. Ti podatki so
navedeni v posameznem stolpcu, ki ga prikazuje slika 18.
Vstavljene podatkov za:
Variable: MF_MP13, MF_MP14 , MF_MP11 (oznake za merjenje masnega pretoka zraka).
Element: merilna točka 13 (ang. measuring point 13), merilna točka 14 (ang. measuring point
14), merilna točka 11 (ang. measuring point 11), vmesnik motorja 1 (ang. Engine interface 1),
motor 1 (ang. Engine 1).
Sensor channels: masni pretok zraka (ang. Mean Mass Flow), masni pretok zraka (ang. Mean
Mass Flow), masni pretok zraka (ang. Mean Mass Flow), izhodni kanal št. 72 (ang. Output.
No. 72), izhodni kanal št. 1 (ang. Output. No. 1).
Slika 18: Elementi in izbrane merjene veličine v EI2
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
33
Na sliki 19 smo v drevesi strukturi izbrali zavihek Actuator Channels. Vrednosti smo vnesli v
stolpce spremenljivk (ang. variable), elementov (ang. element) in krmiljenih vrednosti (ang.
actuator channels).
Vnos podatkov za:
Variable: fm_out1, fm_out2, fm_out3, fm_out4, fm_out5, fm_out6. Te spremenljivke
prikazujejo prepoznavne simbole.
Element: valj 1 (ang. Cylinder 1 ), valj 2 (ang. Cylinder 2 ), valj 3 (ang. Cylinder 3 ), valj 4 (ang.
Cylinder 4 ), valj 5 (ang. Cylinder 5 ), valj 6 (ang. Cylinder 6 ). To so elementi, za katere
program prilagaja količino vbrizganega goriva s pomočjo FI1.
Actuator Channel: Fuelling, Fuelling, Fuelling, Fuelling, Fuelling, Fuelling. To so spremenljivke,
ki jih element FI1 prilagaja oz. spreminja glede na uporabljene enačbe v zavihku Formula ter
vrednosti izmerjenih veličin, ki so definirane v zavihku Sensor Channels.
Slika 19: Prikaz krmiljenja vbrizgane količine goriva v valje
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
34
V zadnjem zavihku drevesne strukture imenovanem Formula, smo napisali enačbo za izračun
največje možne količine vbrizganega goriva v valj v odvisnosti od masnega pretoka zraka ter
razmernika zraka in goriva.
𝑓𝑚_ max = 𝑚𝑧𝑟∗ 120
𝑛∗ 𝑖∗ 𝐴𝐹𝑅𝑚𝑖𝑛 , (4.2)
kjer je:
𝑚𝑧𝑟 [kg/c] – masni pretok zraka
𝑛 [vrt/s] – vrtilna frekvenca motorja
𝑖 [-] - število valjev
𝐴𝐹𝑅𝑚𝑖𝑛- minimalno razmerje zraka in goriva
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
35
Vnos vrednosti:
𝑓𝑚_ max = ((𝑀𝐹_𝑀𝑃13 + 𝑀𝐹_𝑀𝑃14) ∗ 6 − 𝑀𝐹_𝑀𝑃11) ∗ 120/(1 ∗ 𝐸𝑛𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 ∗ 6 ∗
𝐴𝐹𝑅_𝑚𝑖𝑛) (4.3)
kjer sta MF_MP13 in MF_MP14 merilni točki, kjer se meri masni pretok, ki vstopi po sesalnih
kanalih v valj, zato ju seštejemo in množimo z vsemi šestimi valji. Tako dobimo celotni masni
pretok, ki vstopa v motor. V točki MF_MP11 pa merimo masni pretok izpušnih plinov iz
obvoda, ki se vrača v valje . Glede na to da v temu delu pretoka ni sveže polnitve, ga moramo
v enačbi odšteti.
Slika 20: Primer zapisa enačbe v prevajalniku enačb
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
36
Vozilo 1 4.11
Modelu motorja je dodan element vozila, ki je mehansko povezan z elementom motorja.
Slika 21 prikazuje zavihek osnovnih podatkov (ang. General) vozila. Uporabljeni so naslednji
podatki:
Vztrajnostni moment vozila (ang. Inertia of Drivetrain): 0,134 [kg m^2]
Masa vozila (ang. Vehicle Mass): 1930 [kg]
Radij kotaljenja kolesa (ang. Rolling Radius): 312 [mm]
V karakteristike obremenitve vozila smo vstavili:
Vrednost sile za premagovanje trenja (ang. Coefficient b): 160 [N]
Vrednost sile za premagovanje zračnega upora (ang. Coefficient d): 0,75 [N s^2/m^2]
Slika 21: Osnovni podatki elementa vozila
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
37
V drevesni strukturi slike 22 v zavihku Driver (voznik) so uporabljeni naslednji podatki:
Čas potreben za menjavo prestave (ang. Shifting time) : 0.25 [s]
Aktiviranje sklopke (ang. Clutch Pedal On) : 30 [%]
Spust pedala za plin (ang. Acceleration Padel Off) : 28 [%]
Pritisk pedala za plin (ang. Acceleration Padel On): 80 [%]
Pritisk sklopke (ang. Clutch Padel Off) : 72 [%]
Procentualno navedeni rezultati prikazujejo porabo časa potrebnega za menjavo prestave.
V polju menjalnika (ang. Gear Box), je definirano število prestav. V stolpcu prestav (ang.
Gear), so vstavljene vrednosti: 1, 2, 3, 4, 5 kar pomeni pet stopenjski menjalnik. V stolpcu
prestavnega razmerja (ang. ratio) so podane vrednosti za vsako posamezno prestavo: 10 ;
6,66 ; 4,53; 3,24 ; 2,55.
V polju menjave prestav (ang. Gear Shifting) je definirana minimalna in maksimalna vrtilna
frekvenca motorja, kjer nastopi menjava v višjo prestavo (pri doseženi maksimalni vrednosti
definirane vrtilne frekvence motorja) oz. nižjo prestavo (pri doseženi minimalni vrednosti
definirane vrtilne frekvence motorja).
V polju hitrosti (ang. Velocity) smo v pod vrstici hitrost vozila (ang. Vehicle Velocity) izbrali
tabelo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
38
Slika 22: Definiranje karaktersitike voznika in prestavnih razmerij v menjalniku vozila
Na sliki 23 je v drevesni strukturi prikazana tabela želene hitrosti vozila v odvisnosti od časa
(Vehicle velocity – table), z naslednjimi podatki:
Čas (ang. Time): 0 ; 4 ; 5 ; 60. Čas je prikazan v sekundah.
Hitrost vozila (ang. Velocity): 2 ; 2 ; 250 ; 250. Hitrost je prikazana v metrih na sekundo, pri
čemer pomeni 250 da je pedal za plin pritisnjen do konca.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
39
Slika 23: Časovna odvisnost želene hitrosti vozila
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
40
REZULTATI 5
Ko smo vse zgoraj opisane elemente ustrezno prilagodili, smo modele shranili in izvedli
simulacijo. Po uspešni izvedbi simulacije smo preverili in analizirali dobljene rezultate. Ti so
prikazani za vse tri modele, za osnovnega, za model s tlačnim pulzom pred kompresorjem ter
model s tlačnim pulzom pred turbino. V grafični obliki so rezultati prikazani v odvisnosti od
časa vožnje, pri čemer se vozilo na začetku 4 s giblje z minimalno hitrostjo 7.2 km/h nato pa
začne na polno pospeševati po nenadnem maksimalnem pritisku pedala za plin.
Na sliki 24, je prikazana hitrost vozila v odvisnosti od časa. Pri peti sekundi smo v elementu
vozila V1 (ang. vehicle V1) v tabeli, definirali, da mora biti dosežena največja obremenitev
motorja, kar na sliki 24 prikazane karakteristike potrjujejo, ker hitrost vozila narašča. Sistem
eliminacije turbo luknje prikazuje v obeh primerih prednost pri pospeševanju vozila, še
posebej na začetku oz. po peti sekundi, ko je dosežena obremenitev. Čas do 100 km/h se
zmanjša za približno 1,5 sekunde.
Slika 24: Hitrost vozila v odvisnosti od časa
0
20
40
60
80
100
120
140
Ve
hic
leV
elo
city (
km
/h)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (km/h)
Ppulz_Tu_Up (km/h)
baseline (km/h)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
41
Slika 25 prikazuje vrtilno frekvenco motorja vozila v odvisnosti od časa vožnje. V diagramu,
kjer je potek karakteristik žagaste oblike, poteka prestavljanje v višjo prestavo. Iz primerjave
rezultatov je jasno razvidna prednost tlačnega pulza v obeh primerih glede na osnovni
model, ker se vrtilna frekvenca motorja potrebna za prestavljanje v višjo prestavo doseže v
krajšem času, s tem pa se izboljša pospeševanje.
Slika 25: Vrtilna frekvenca motorja v odvisnosti od časa vožnje
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Cycle
Ave
rag
ed
Sp
ee
d (
rpm
)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (rpm)
Ppulz_Tu_Up (rpm)
baseline (rpm)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
42
Na sliki 26 so med seboj primerjane karakteristike navora motorja. Tukaj prideta do izraza
oba modela s sistemom dodatnega tlačnega pulza. Na diagramu je za osnovni model motorja
prikazano območje časovnega intervala, kjer vozilo pospešuje v prvi prestavi in navor
motorja narašča mnogo počasneje v primerjavi z variantama s tlačnim pulzom, kar nazorno
kaže na prisotnost turbo luknje. Kasneje pa se navor motorja izenači z variantama s tlačnim
pulzom zaradi dosežene podobne vrtilne frekvence turbopolnilnika, kar prikazuje slika 27.
Slika 26: Navor motorja v odvisnosti od časa vožnje in področje turbo luknje
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
To
rqu
e (
N.m
)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (N.m)
Ppulz_Tu_Up (N.m)
baseline (N.m)
Področje turbo
luknje
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
43
Na sliki 27 vidimo, da vrtilna frekvenca turbopolnilnika narašča mnogo počasneje z začetne
do maksimalne vrednosti. V primerih s tlačnim pulzom, vrtilna frekvenca motorja naraste v
trenutku, s čemer se eliminira pojav turbo luknje, kar se posledično odraža na povečanju
zmogljivosti motorja v krajšem časovnem intervalu (slika 26). V obeh primerih s tlačnim
pulzom se mnogo hitreje od začetka pospeševanja vozila (časovni interval od 4.5 s do 8.75 s)
poveča kinetična energija toka polnilnega zraka oz. izpušnih plinov in vrtilna količina
turbopolnilnika (slike 26,27,31 in 32), kar se odraža na večji zmogljivosti motorja vse do
trenutka, dokler se vrtilna frekvenca turbopolnilnika ne izenači z vrednostjo vrtilne frekvence
v osnovnem modelu (sliki 26,27).
Slika 27: Vrtilna frekvenca turbopolnilnika v odvisnosti od časa vožnje
0
50000
100000
150000
200000
250000
Ro
tatio
na
lSp
ee
d (
rpm
)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (rpm)
Ppulz_Tu_Up (rpm)
baseline (rpm)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
44
V nadaljevanju pa je prikazanih še nekaj dodatnih rezultatov, ki smo jih analizirali in
pojasnijo, značilnosti rezultatov prikazanih na slikah 24, 25, 26 ,27. Če primerjamo samo
sistema s tlačnim pulzom lahko zaključimo, da sistem s tlačnim pulzom pred kompresor kaže
najboljše rezultate pospeševanja vozila (slika 24). Oba sistema imata določeno slabost. V
primeru ko pa spustimo tlačni pulz pred vstopom v kompresor, višja temperatura zraka iz
tlačne posode zmanjšuje gostoto delovne snovi (polnilnega zraka), kar negativno vpliva na
zmogljivost motorja. Vsled tega bi temperatura zraka tlačnega pulza morala biti čim nižja,
zato bi morali zrak iz tlačne posode usmeriti skozi dodaten hladilnik. V primeru tlačnega
pulza pred turbino, je glavna slabost ta, da je potrebno večje delo za izmenjavo delovne
snovi v primeru izpušnega takta, ker mora bat premagovati večji tlak v izpušnem sistemu.
Slednje se odraža v delu bata na enoto volumna potrebnem za izmenjavo delovne snovi
prikazanem na sliki 30. Dodatna slabost sistema s tlačnim pulzom pred turbino je ta, da z
njim ohlajamo izpušne pline, ki imajo dosti višjo temperaturo in s tem znižujemo entalpijo
mešanice izpušnih plinov in zraka iz tlačne posode, ki nateka na turbino (slika 31). V tem
primeru bi bilo bolje, če bi bila temperatura plina v tlačni posodi višja od izračunane, kar bi
bilo možno doseči z povečanjem tlaka komprimiranega zraka.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
45
Na sliki 28 lahko vidimo, kako se poveča volumetrični izkoristek v primeru tlačnega pulza
pred kompresorjem in pri tlačnem pulzu pred turbino relativno glede na osnovni model.
Razlog je v povečanju tlaka v valjih motorja, ki ga modela s tlačnim pulzom omogočata v
krajšem času za razliko od osnovnega modela.
Slika 28: Volumetrični izkoristek v odvisnosti od časa vožnje
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Vo
lum
etr
ic E
ffic
ien
cy I
nt
(-)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (-)
Ppulz_Tu_Up (-)
baseline (-)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
46
Slika 29 prikazuje masni delež zaostalih izpušnih plinov v valju. Na začetku je v vseh treh
modeli masni delež zaostalih izpušnih plinov približno enak, nato pa ko se v času 4.8 sekunde
aktivira tlačni pulz , se masni delež izpušnih plinov v modelih s tlačnim pulzom, mnogo
hitreje zmanjša zaradi povečane količine dovedenega zraka v valje.
Slika 29: Masni delež zaostalih izpušnih plinov v valju v odvisnosti od časa vožnje
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
To
talR
esid
ua
lGa
sC
on
c (
-)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (-)
Ppulz_Tu_Up (-)
baseline (-)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
47
Slika 30 prikazuje da ima v modelu s tlačnim pulzom pred kompresorjem, zelo pozitivno
lastnost, ker v času sesalnega takta, ko se v valje motorja vsesava sveža polnitev, pulz tlaka
pozitivno vpliva na delo bata na enoto volumna, kar se odraža v pozitivni vrednosti dela na
enoto volumna za izmenjavo delovne snovi (zajema delo izpušnega in sesalnega takta), ki ga
prikazuje krivulja rdeče barve na sliki 30.
Slika 30: Delo bata za izmenjavo delovne snovi na enoto volumna v odvisnosti od časa
vožnje
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
IME
P-G
E (
ba
r)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (bar)
Ppulz_Tu_Up (bar)
baseline (bar)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
48
Na sliki 31 je prikazan entalpijski tok izpušnih plinov, ki smo ga spremljali v merilni točki 9.
Slika 31: Entalpijski tok izpušnih plinov v odvisnosti od časa vožnje
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
En
tha
lpyF
low
Pe
rs (
J/s
)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (J/s)
Ppulz_Tu_Up (J/s)
baseline (J/s)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
49
Na sliki 32 je prikazana hitrost izpušnih plinov, v izpušnem zbiralniku pred vstopom v turbino.
V modelih s sistemom za eliminacijo tubo luknje, je hitrost izpušnih plinov, ki zapuščajo
motor, večja zaradi večje količine in tlaka delovne snovi v valjih v času odprtja izpušnega
ventila. Posledično se izboljša izpiranje zaostalih izpušnih plinov iz valjev (slika 29).
Slika 32: Hitrost izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Ve
locity (
m/s
)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (m/s)
Ppulz_Tu_Up (m/s)
baseline (m/s)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
50
Tlak v izpušnem zbiralniku pred turbino (merilna točka 9) na sliki 33, je močno povečan v
primeru sistemov s tlačnim pulzom zaradi večje mase dovedene snovi v valjih in doseže
vrednost preko 3.5 bara, kar prikazujeta krivulji rdeče in zelene barve.
Slika 33: Tlak izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Pre
ssu
re (
ba
r)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (bar)
Ppulz_Tu_Up (bar)
baseline (bar)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
51
Slika 34 prikazuje potek temperature izpušnih plinov v izpušnem zbiralniku pred turbino.
Opazen padec temperature v času, ko se aktivira tlačni pulz v modelu s tlačnim pulzom pred
kompresorjem, je predvidoma posledica nižje temperatura delovne snovi v valju v času
zaprtja sesalnega ventila in delnega uhajanja (toka) sveže polnitve skozi valje v izpušni sistem
v času odprtja obeh ventilov (polnilnega in izpušnega).
Slika 34: Temperatura izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje
100
200
300
400
500
600
700
Te
mp
era
ture
(d
eg
C)
0 5 10 15 20 25
EndOfCycleTime (s)
Ppulz_Co_Up (degC)
Ppulz_Tu_Up (degC)
baseline (degC)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
52
SKLEP 6
Glede na preučevanje modelov s tlačnim pulzom pred kompresorjem in pred turbino, je bila
v obeh primerih turbo luknja eliminirana. Model s tlačnim pulzom pred kompresorjem kaže
boljši rezultat pospeševanja vozila, ki je posledica nekoliko hitrejšega naraščanja navora
motorja v odvisnosti od časa po maksimalnem pritisku pedala za plin. Slednje je posledica
mnogo večje pozitivne vrednosti dela bata na enoto volumna, potrebnega za izmenjavo
delovne snovi v valjih.
Za nadaljnje delo bi bilo potrebno še analizirati celotno energijsko bilanco vozila,
konstrukcijske in stroškovne vidike predlagane idejne zasnove rešitve ter njen vpliv na
kvaliteto vožnje (udobje potnikov) v fazah pospeševanja vozila.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
53
VIRI IN LITERATURA 7
[1] Podjetje Borg Warner. [splet]. Dostopno na: http://www.turbos.bwauto.com/
[2] V. Ollson, An on engine twin scroll turbine preformance estimation. (22. 6. 2015). Diva portal. Dosegljivo: http://www.diva-portal.org/. [Datum dostopa: 15. 8. 2017].
[3] D. Curran. FSAE Turbocharger Design and Implementation A Major Qualifying Project Report submitted to the Faculty of the worcester polytechnic institute in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Bachelor of Science. (24. 4. 2008). Dosegljivo: https://web.wpi.edu/Pubs/
[4] H. Nguyen-Schafer, Rotordynamics of Automotive Turbochargers. Berlin: Springer, 2012.
[5] E. Logan, R. Roy, Handbook of Turbomachinery. New York: Marcel Dekker, Inc., 2003.
[6] J.B. Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill, Inc. 1988
[7] C. D. Rakopoulus, E.G. Giakoumis, Second law applied to internal combustion engine operation. (13. 10. 2005). Dosegljivo: http://users.ntua.gr/vgiakms/pdf/PECS_2006.pdf
[8] J. Shekaina, reduction of turbo lag in CRDI passenger car and afr tuning using neurofuzzy controler. (November 2012). Dosegljivo: http://shodhganga.inflibnet.ac.in/
[9] D. Pratte. Twin scroll turbocharging: still the new hotness. (20. 8. 2014). Dosegljivo: http://speed.academy/
[10] A.G. Dobre, Study on engine efficiency and performance improvements through hybrid turbochargingassisting.(2014).Dosegljivo: http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/234064/234064.pdf
[11] P. Dimitriou, R. Burke, Q. Zhang, C. Copeland, H. Stoffels. Electric Turbocharging for Energy Regeneration and Increased Efficiency at Real Driving Conditions. (1. 4. 2017). Dosegljivo: http://www.mdpi.com/
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
54
[12] AVL List GmbH [splet], Dosegljivo: https://www.avl.com/BOOST [Datum dostopa: 15.
7. 2017].
[13] B. Kraut, Krautov strojniški priročnik, 14. izdaja. Ljubljana: Littera picta, 2007.