ZBORNIK RADOVA MTSM 2014-Mijic-Radica-Dodig-Matulic ......ubrizgavanja zraka se promatra kao izobara, izgaranje kao izohora, a ekspanzija kao adijabata Slika 2.4. Taktovi u cilindru

131

univ.bacc.ing.mech. 1)

prof.dr.sc.Gojmir Radica1)

univ.bacc.ing.mech. Dino Dodig1)

1)

1) Fakultet Elektrotehnike, Strojarstva i

(Faculty of Electrical Engineering,

Mechanical Engineering and Naval

Architecture, University of Split)

Republic of Croatia

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Keywords

AMICES

Hybrids

New construction concepts

Ceramic piston coatings

Carbon pistons

AMICES

Hibridi

Novi konstrukcijski koncepti

Karbonski klipovi

Review article

Abstract: This article analyzes construction characteristics

of AMICES concept, which include ways of cylinder

design and the use of materials that are able to withstand

the given conditions inside of the engine. AMICES stands

for active modular internal combustion engine system, and

it is conceptually designed as a two stroke, three cylinder

engine with external compression. It would be in

accordance with all of the default rules and standards of air

pollution, with extremely high engine efficiency and

performance, and with very low fuel consumption in

comparison with other similar engines. We are presenting a

description and specifications of the concept, and analyzed

problems related to the construction of engine and

materials needed for its production.

Ovaj rad se bavi konstrukcijskim

aktivni modularni motor

s unut

skladu sa svim zadanim propisima i normama o

energije bio

iznimno visok u usporedbi sa ostalim nim motorima, uz

specifikacije koncepta, te su analizirani problemi vezani uz

konstrukciju motora i materijali potrebni za njegovu izradu.

SMT - CROATIAN SOCIETY FOR MECHANICAL TECHNOLOGIESHDST – HRVATSKO DRUŠTVO ZA STROJARSKE TEHNOLOGIJE

MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

132

1. Uvod

inku automobilskih plinova, koji

enje

i

Osnovnu

unutarnjim izgaranjem predstavlja toplinska

mala(otprilike 25-

energije pohranjene u gorivu pretvara u koristan

raspolaganje Zemljinim energentima te se veliki dio

energije bespovratno baca.

i obnovljivi

nazire, u obliku hibridnih automobila kako

goriva. Ovaj rad se bavi konstrukcijskim

karakteristikama koncepta AMICES, hibridnog

motora k

reducirao

minimum.

2. Analiza problema

2.1. Hibridi

Hibridni automobili su oni koji za pokretanje koriste

esto jednog kao kod

tradicional

benzinskog ili dizelskog motora s elektromotorom.

romotor i

2.2. AMICES koncept

patenta za koncept

dugogo

trocilind 3

napajan zrakom od krilnog kompresora koji je

pogonjen direktno preko razdjelnika snage ili

elektromotora. Rekuperacijski modul se sastoji od

turbine pogonj

snagu generatoru za punjenje baterija ili preko

planetarnog prijenosnika na razdjelnik snage. Turbina

i kompresor nisu u direktnoj vezi kao kod

Symbols/Oznake

W - specific work , kW

- rad Subscripts/Indeksi

p - pressure, bar

- tlak MUI

- internal combustion engine

- motor s

Q - heat, J

- toplina AMICES

- active modular internal combustion engine system

- aktivni modularni motor s

V - tensile strength, MPa

- GMT

- top dead center

-

DMT - down dead center

-

DOPPELWELLE - two crankshafts system

- sistem s dva koljenasta vratila

- coefficient of thermal expansion, 1/K

-

E - modulus of elasticity, GPa

-

- conduction coefficient, Wm-1K-1

- koeficijent kondukcije

- density, gcm-3

-


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

133

ijih turbina, kao i

sigurnosnih razloga izbacuje preko obilaznih ili

ispu nih ventila.

Slika 2. 1. Pogonski sklop [5]

Figure 2. 1. Powertrain of AMICES [5]

Oznake sa slike 2.1. su:

Rekuperationsmodul- rekuperacijski modul,

Additionsmotor- adicijski motor-

dvotaktni motor,

Modul-Systemluft- modul za pripremu zraka,

Compound AT- turbina,

EM/G- elektromotor/generator,

Kraftverteiler- razdjelnik snage,

Getriebe-

Slika 2.2. Konstrukcija motora [5]

Figure 2.2. Engine construction [5]

istodobnom ubrizgavanju i regulaciji snage

pri konstantnom tlaku, krivulja okretnog momenta je

gotovo linearna.

Pogon se temelji na start-stop sistemu te ne treba

nikakav period uhodavanja iz stanja mirovanja.

50 bar-

mog

pod tlakom od 50 bara, a gorivo se ubrizgava

direktno u cilindar. Zatim slijedi paljenje smjese na

klasi

m

se visoke vrijednosti rada na turbini zbog produljene

ekspanzije uzrokovane kasnim paljenjem tj. realno je

na konvencionalne motore.

Slika 2.3. AMICES ciklus [5]

Figure 2.3. AMICES cycle [5]

-2 slijedi ugrijavanje smjese energijom

onvekcijom i to

traje vrlo kratko. Nakon toga slijedi lasersko

zapaljenje

Slijedi ekspanzija od 3-4, tijekom koje se otvara

plinova u

-5. Na dijagramu se jasno vidi da


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

134

rad

izv AMICES-a je:

rad kompresije plus rad koji je predala toplina

R(+) konvekcijom;

- rad primarne ekspanzije koji nastaje ekspanzijom

plinova u cilindru;

plinovi predaju rad turbini,

toplina koja se razvija laserskim paljenjem smjese.

ubrizgavanja zraka se promatra kao izobara, izgaranje

kao izohora, a ekspanzija kao adijabata

Slika 2.4. Taktovi u cilindru

Figure 2.4. Strokes inside of cylinder

2.3. Razlika AMICES-a i ostalih hibrida

AMICES koncept unutar automobila zauzima

mnogo manje mjesta nego standardni motori istih

izvedbi i snaga, kompaktniji je, a manja nam je i

rade. Na slici 2.5 se

hibrida i AMICES-a. Uz to, prema teorijskim

uta

standardni hibridi (Toyota Prius) . Standardni hibridi

-6.5 l/100 km (Toyota Prius, Honda Insight),

-a trebala biti

unutar 1-3 l/100 km uz ekstremno malu emisiju CO2

manje od 50 mg. Veliki minus standardnih hibrida je

Roadster).

Slika 2.5. AMICES-a [5]

Figure 2.5. Difference between standard hybrids and

AMICES [5] Oznake sa slike 2.5. su:

Conventional ICE Basis: Hybrids 1st Generation

Standardni MUI: hibridi prve generacije

AMICES Basis : Hybrids 2nd Generation AMICES :

Hibridi druge generacije

Power enhancment

Efficiency enhancment

Reduction of weight and costs Redukcija mase i

Slika 2.6. Shema koncepta AMICES [5]

Figure 2.6. AMICES car appearance [5]

Oznake sa slike 2.6. su: Kraftstoff - Gorivo

Elektrik Struja

Koncept s ciklusom kompresije van motora je u

koji je pokretan elektromotorom. Temperatura smjese

prilikom ubrizgavanja nije povezana s kompresijskim

toplinske barijere. Nema potrebe za dodatnim

o potrebi preko sustava spojki i

kapaciteta (1-10 kW) u

niske vrijednosti, uz vrlo visoku s

1000 km bez punjenja ili ulijevanja goriva.


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

135

Hibridi 1.generacije temelje se na Otto/Diesel pogonu

glavna odlika je da prikupljaju energiju k

I-

sustav baterija i elektromotora predstavlja nepotrebnu

Slika 2.7. Hibridi prve generacije

Figure 2.7. 1st generation hybrids


Integrated compression - Unutarnja kompresija

Electric drive

Refueling Punjenje gorivom

Recharging

Regenerative breaking

ciklusa motora na vanjski izvor energije.

Slika 2.8. AMICES hibrid

Figure 2.8. AMICES hybrid


Fuel tank - Tank goriva

Compressed air Komprimirani zrak

-e

ijuna prodanih automobila

prodala preko 7.5 milijuna modela svojih hibrida.

broj prodanih

automobila od 10 tipova najprodavanijih hibrida na

-

0.5L motor koji razvija 200 kW na

10000 okretaja,

1.798L ima maksimalno 98 kW na 5200 ok/min.

AMICES-

samo 5-10 kW, dok je kod Toyote 59 kW.

AMICES-

mnogo manji zbo pri svakom ciklusu

plinova na turbini u baterije. No, to nam je sasvim

dovoljno s obzirom na karakteristike MUI-a, a

imamo manje baterija. Naravno,

g ept AMICES tek u

2.4. Problemi u realizaciji AMICES-a

AMICES koncept je

sve nedoumice i mnogobrojna pitanja koja se

pojavljuju. Neki od problema, kao i sama usporedba

radovima [3], te ukazuju na to da, iako AMICES u

teoriji pokazuje svoje prednosti, postoje i mnogi

vezani uz vanjsku kompresiju.

ubrizgavao zrak u cilindar pri pritisku od 50 bara.

otvor da bi u kratkom vremenu u cilindar ubacili

potrebnu masu zraka. Javlj

komprimiranog zraka jer temperatura na kraju jedno-

stupanjske kompresije iznosi 896 K. AMICES

definira temperaturu ubrizgavanja od 293K, stoga

komprimirani zrak treba ohladiti. AMICES koristi 2-

stupanjsku kompresiju koja daje manju temperaturu

-stupnju kao i na izlazu iz kompresora da bi

postigli ciljanu temperaturu. Veliki problem je i

zirom na to da nam je

ip vrlo brzo


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

136

tlaka kompresora sve do 20-ak bara kako bi nam

jer nam je pri ve acije,

No, ti svi proble ina

konstruiranja cilindra i gibanja klipa unutar cilindra.

a

-a

Slika 3.1. Konstrukcijske izvedbe cilindra

Figure 3.1. Different construction concepts Na slici 3.1 vidimo razne konstrukcijske izvedbe

cilindra koje bi bile u primjeni za AMICES koncept.

Svaka od njih ima svoje prednosti i svoje mane, te s

obzirom da zadane karakteristike trebamo odabrati

ti procesom

[6]. 3.2. Neander system

uvjetuje,

cilindar motora, kod zakreta vratila od otprilike 300-

ru iti samo na dva

kroz vrlo nepovoljan odnos (S/D = cc

ekspanzijskog takta.

3.3. Doppelwelle system

Razlikujemo dva tipa ovog sistema: onoga sa

kretanja

kroz

stjenke cilindra. Sistem krije u svojoj kinematici

trajanje silaska i povratka klipa je potpuno

Doppelwelle sistema put klipa od GMT-a u DMT

traje dulje nego njegov povratak u gornju mrtvu

izuzetnu prednost vezano za ubrizgavanje i paljenje

i da nam

smanjenje motora kod istog radnog volumena

(downsizing), tako i u smanjenju mase pokretnih

dijelova u meh

trajno preklapaju u radnom taktu (Dvostruko radno

Slika 3.2. Doppelwelle sistem

Figure 3.2. Doppelwelle system

Wave. Rezultati su vidljivi na slikama 3.3 i 3.4.


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

137

Slika 3.3. Specifikacije Doppelwelle sistema

Figure 3.3. Doppelwelle Specifications

Slika 3.4.

Figure 3.4. Specifications for classical engine

construction

tablica, ali

okretnog momenta. Dobivene vrijednosti ne moraju

intervalu kao i ove.


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

138

Dijagram 1. Ovisnost snage o broju okretaja za

Diagram 1. Power - RPM diagram for Doppelwelle system (left picture) and classical engine construction (right picture)

Dijagram 1.

Diagram 1. Torque - RPM diagram for Doppelwelle system (left picture) and classical engine construction (right picture)


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

139

snage

okretaja nego od Doppelwelle-a kao npr. na 8000

min-1

i

pad vrijednosti na 5000 min-1 , a same vrijednosti mu

50 Nm.

programu Ricardo kako bi dobili podatke, jer

program nema opciju biranja pravog Doppelwelle

sistema sa kojim bi onda provodili eksperiment.

4. Materijali za izradu klipa

S obzirom na dobivene krivulje snage i momenta za

pojedinu konstrukcijsku izvedbu,

velikih tlakova i izrazito visoke temperature u komori

o njegova glava.

vrha glave nam zajedno s oblikom glave motora

definira prostor izgaranja. Iako se smatra da klip ima

oblik valjka, to u stvarnosti nije tako, jer je gornji dio

Standardni materijali za izradu su aluminij (za

promjere 200

promjere). Alternativni materijali za k

emperaturama mogu i

bolje sagor

Slika 4.1.

Figure 4.1. Ceramic piston coatings

Testovi su pokazali da potpuno jednaki motori sa

jednakim parametrima, ali samo razlikom u

4.2. Grafitni klip

Veliki novitet u svijetu MUI-a je klip u potpunosti

prednosti pred ostalim materijalima koji se trenutno

upotrebljavaju u autoindustriji: l

toplinskog otpora.

Karakteristike Ozn. Mjerna

jedinica

Al

legure

Grafit

gcm-3 2.7 1.83

Koef.lin.topl.

1/K

Modul el. E GPa 80 11

Koeficijent

kondukcije

Wm-1K-1 150 80

V MPa 225 70

Tablica 1. Usporedba aluminija i grafita

Table 1. Difference between Al and graphite

manja, ali za razliku od aluminija, ona raste s


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

140

Dijagram 5.

Diagram 5. Tensile strength temperature diagram

Prednosti karbonskih klipova su [7]:

Manja masa klipova i do 30 % ;

Bolje performanse motora (manje vibracija,

temperaturama ;

Stabilnost ;

CO, 3 % NOx ;

za podmaziva

Jednaka raspodjela topline unutar cilindra.

Slika 4.2.

[2]

Figure 4.2. Carbon piston, connecting rod and

crankshafts [2]

, Schunk Kohlenstofftechnik GmbH

Ford Focus RS Mk1, Mk2 and Mk3

-R

n Skyline and GT-R

Slika 4.3. Izgled

aluminijskih klipova (C)

Figure 4.3. Appearance of carbon(B), steel (A) and

aluminum pistons (C)

S obzirom na navedene karakteristike klipovi od

mase motora i njegovih dijelova te smanjuju emisije

nost.

4.3. Raspodjela temperature po klipu za odabrane

materijale Za svaki od opisanih materijala klipa, u

SOLIDWORKS-u smo za jednake dimenzije klipa

odabrali svaki od materijala sa zadanim svojstvima,te

Rezultati se mogu vidjeti na slikama 4.4 , 4.5 , 4.6.

0

50

100

150

200

250

0 200 400 600

Aluminij

Grafit

[MPa ]

[ C]


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

141

Slika 4.4. Standardni aluminijski klip

Figure 4.4. Aluminum piston

Za standardni aluminijski klip uzeli smo aluminijsku

- E=70 GPa

-

- Koeficijent kondukcije

-

- Koefici

Slika 4.5. Karbonski klip

Figure 4.5. Carbon pistons

Za karbonski klip uzeli smo

svojstvima :

- E=11 GPa

-


-

- Koeficijent linearnog

Slika 4.6.

Figure 4.6. Piston with ceramic piston coatings

svojstvima :

- E=220 GPa

-


-

- KoeficI

zirom na to da im je

koeficijent kondukcije od 50 do 100 puta manji u

odnosu na karbon odnosno aluminij. Ali, velika mana

-3 puta manja u odnosu na karbon i

probleme. Uz

karakteristike aluminija i keramike. Ima dovoljno

kondukcije, te izvrsno podnosi velike temperature i

raspodjela temperatura dobivena u SOLIDWORKSU,

(konvekcija, a i brojni drugi) koji su

raspodjeli temperature.


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

142

Koncept AMICES, u svojoj teoriji, predstavlja

izraziti napredak u odnosu na hibride koji se trenutno

pulsacije unutar

cilindra,. Uz taj glavni problem nam se javlja i

problem balansiranja motora, jer nam je ekspanzijski

usporimo gibanje klipa prema GMT. Pri ugradnji

ona trebala

gubimo na brzini automobila. Problemi, poput

tlakova unutar cilindra bi trebali biti vrlo lako

a nam je laserska tehnologija sve

vratila koji uvelike smanjuju masu motora te

vibracije, a izvrsno funkcioniraju pri visokim

podmazivanje.

autoindustrije, ali i ostalih grana strojarstva nadamo

pogonjeni AMICES konceptom. Samim time

energije na zavidnom nivou.

Literatura [1]

Interneta,

http://www.toyota.hr/cars/new_cars/prius/inde

x.tmex, Nagoya , 2011

[2]

pistons for ICE engines

http://www.schunk-

group.com/uploads/tx_rmsschunktest/08-

06_Carbon-Pistons-for-Internal-Combustion-

Engines_02.pdf , Heuchelheim , 2006

[3] .

FESB Split , 2013

[4] Analiza radnih parametara aktivnog

modularnog motora s unutarnjim izgaranjem

rad, FESB Split , 2014.

[5] alinovi -2008 zu

AMICES II-2011

[6] Basshuysen, R., Schaefer, F. : Handbuch

Verbrennungsmotor, MTZ, GWV Fachverlag

GmbH, Wiesbaden, 2010.

[7] J. Heuer : Development and testing of carbon

Research, Structural Materials

Daimler-Benz Aktiengesellschaft, Sttutgart


MTSM2014 Split, 25-26.09.2014

Za ugodniji život.

...a sada, uz EVN, više voli biti doma.

Murko je prije stalno trčao za macama po susjedstvu...

Kad je vani hladno, puno je ugodnije biti u kući, pogotovo ako se grijete

uz EVN. Uz zemni plin, hlađenje i grijanje vašeg doma ili ureda postaje

jednostavno, ugodno i dostupno, a temperatura uvijek idealna neovisno

o godišnjem dobu. Odaberite zemni plin i učinit ćete ogromnu uslugu sebi,

svom kućnom budžetu i okolišu. Kontaktirajte nas i rado ćemo vam dati

detaljne informacije o instaliranju zemnog plina u vaš dom.

Saznajte više o plinofikaciji Dalmacije na:

www.evn.hr, [email protected]

ili na besplatnom info telefonu 0800 820 820.

ISSN 1847-7917

ZBORNIK RADOVA MTSM 2014-Mijic-Radica-Dodig-Matulic ......ubrizgavanja zraka se promatra kao izobara, izgaranje kao izohora, a ekspanzija kao adijabata Slika 2.4. Taktovi u cilindru

Documents