konstrukcja układu dolotowego silnika spalinowego

konstrukcja układu dolotowego silnika spalinowego

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 57, ISSN 1896-771X
KONSTRUKCJA UKŁADU DOLOTOWEGO
SILNIKA SPALINOWEGO
Krzysztof Święcicki1a
1
a
Instytut Podstaw Konstrukcji Maszyn, Politechnika Śląska
[email protected]
Streszczenie
W artykule zaprezentowano proces konstruowania układu dolotowego silnika pojazdu konkursowego zapewniającego efekt doładowania dynamicznego Układ wyposażony został w aktuator liniowy pozwalający na zmianę długości przewodów dolotowych w konkretnym przedziale obrotów. Modelowanie układu dolotowego obejmuje wykonanie jego modelu wirtualnego oraz przeprowadzenie analizy wytrzymałościowej oraz symulacji przepływów. Do celów modelowania i optymalizacji układu podciśnienia zastosowano oprogramowanie CATIA V5 oraz Ansys.
Słowa kluczowe: układ dolotowy, silnik spalinowy, modelowanie, przepływ, optymalizacja, CATIA, Ansys
THE DESIGN OF THE AIR INTAKE SYSTEM
OF THE COMBUSTION ENGINE
Summary
The article presents the process of constructing the competition vehicle's engine intake system whitch providing
a dynamic boost effect. The system is equipped with a linear actuator whitch allows to change the length of the
intake ducts in a particular range of revolution speed of the engine. Modeling intake system includes performing
his virtual model, stress analysis and flow simulation. For the modeling and optimization of intake system was
used CATIA V5 and Ansys software.
Keywords: intake system, combustion engine, modeling, flow, optymalization , CATIA, Ansys
1. WSTĘP
Do dziś poligonem doświadczalnym, na którym konstruktorzy sprawdzają nowatorskie rozwiązania, których
głównym celem jest zwiększanie parametrów roboczych
silników, są zawody sportowe i związane z nimi ekstremalne warunki eksploatacji. Jednym z przykładów takich zawodów jest konkurs Formuła Student. Bierze w
nich udział ponad 500 zespołów akademickich. Zawody
odbywają się w wielu krajach i wszędzie obowiązują
takie same ograniczenia regulaminowe, jak na przykład
zwężka układu dolotowego. Podczas zawodów oceniane
są rozwiązania techniczne przyszłych inżynierów oraz
własności zbudowanych przez nich pojazdów.
Zastosowanie zwężki układu dolotowego zmusza uczestników zawodów do zaproponowania własnej konstrukcji
takiego układu. Układ dolotowy jest źródłem wielu
zjawisk fizycznych, które wykorzystane w odpowiedni
sposób pozwalają na uzyskanie wzrostu współczynnika
napełnienia cylindra, co przyczynia się do wzrostu osią-
Od zbudowania pierwszych silników spalinowych uwaga
badaczy oraz konstruktorów skupiała się na uzyskaniu
jak najlepszych parametrów pracy. Wraz z rozwojem
technicznym silników problem ich doskonalenia z uwagi
na proces spalania wymagał uwzględnienia coraz większej liczby parametrów. Podstawowym problemem pozostał jednak stopień napełnienia cylindrów czynnikiem
roboczym, czyli mieszanką paliwowo-powietrzną. Jednym z podstawowych sposobów na zwiększenie stopnia
napełniania cylindra jest doprowadzenie czynnika roboczego
pod
zwiększonym
ciśnieniem
oraz
w niezmienionej temperaturze względem temperatury
otoczenia. Zabieg polegający na wprowadzeniu ładunku
do cylindra w wyżej wymieniony sposób określany jest
jako doładowanie. Doładowanie można podzielić na dwa
podstawowe rodzaje: sprężarkowe oraz bezsprężarkowe
(dynamiczne).
63
KONSTR
RUKCJA UK
KŁADU DO
OLOTOWEG
GO SILNIKA
A SPALINOWEGO
gów. Jednym
m ze sposobóów wykorzystywania zjaw
wisk
fizycznych w układzie dolotowym
d
jeest zastosowaanie
efektu doładoowania dynam
micznego – bezsprężarkowegoo.
Zakres pracy
y obejmuje ob
bliczenia, wybrranie optymallnej
koncepcji – z uwagi na kompaktową budowę
b
oraz prop
stotę mechan
nizmu, opracoowanie konstru
ukcji, utworzeenie
modelu wirtu
ualnego oraz przeprowadzen
p
nie analiz ukłaadu
dolotowego, który będziee zamontowany przy siln
niku
napędzającym
m bolid projeektowany przzez zespół Polsl
Racing. Projekt posłuży do
d wytworzen
nia rzeczywistego
układu, stanoowiącego podzzespół pojazdu
u konkursoweggo.
u przez zawór dolotowy.
tłoka i współczynniika przepływu
uls, który
Podciśśnienie to traaktować naleeży jako impu
częścio
owo rozpraszaa się na zewnąątrz, a częścio
owo odbija
się od otwarteggo przewod
du, zmieniając znak
i stają
ąc się impulssem podciśnieenia wraca do
d zaworu
doloto
owego po upływie czasu:
∆a 2
ö÷
•
(1)
gdzie:
ñò – długość
d
przewoodu dolotoweggo,
¦ – prrędkość dźwięk
ku.
Czas t jest okreseem drgań właasnych słupa gazu w rurzee
doloto
owej, a wał koorbowy silnika w tym okreesie obróci sięę
o kąt:
2. DO
OŁADOWANIE
DY
YNAMICZ
ZNE
ów 360”
2.1 KO
ONSTRUKC
CJA UKŁAD
DU
DO
OLOTOWEG
GO
∆Q
S´
12”
ö÷
•
(2)
gdzie:
n – prrędkość obrotoowa silnika
Kąt teen nazwano paarametrem spiiętrzenia falow
wego [9].
Układ dolotoowy jest to podzespół od
dpowiedzialny za
doprowadzen
nie świeżego ładunku
ł
powiietrza oraz miem
szanki paliw
wowo-powietrzn
nej do poszcczególnych cy
ylindrów silnika.. Składa się z kilku podstaawowych elem
mentów, takich jaak:
• filtr pow
wietrza,
• przepusstnica,
• przewod
dy dolotowe,
• kolektorr dolotowy.
Przewody dolotowe, głów
wny przewód dolotowy oraz
o
pojemność zb
biorcza kolektoora dolotowegoo są to elemen
nty,
w których zaachodzące zjaw
wiska przy prrawidłowo wy
ykonanych oblicczeniach i prrawidłowej konstrukcji mogą
powodować zwiększenie
z
sttopnia napełn
nienia cylindraa w
pewnym zakrresie prędkościi obrotowych [4].
2.3
3 TEORIA
A FALOWA
A
Efekt falowy związaany jest ze staale występująccymi zaburzeniami ciśnienia, które tworząą falę stojącą
ą w rurze
doloto
owej. Zaburzeenia ciśnienia wynikają z cyklicznej
pracy silnika na sku
utek ssania. W przypadku, gdy
g amplituda początkowego
p
impulsu jest duża, a tłum
mienie fali
małe, to fala stojącca ma wpływ na ciśnienie w wolnym
przelocie zaworu, a tym samym n
na napełnienie cylindra.
Zjawissko to ma mieejsce wtedy, ggdy ów jest mn
niejsze niż
czas efektywnego okresu napeełnienia cylind
dra, czyli
przyby
ycia pierwszeego impulsu oodbitego od otwartego
końca przewodu do
d otworu wllotowego, gdzzie impuls
zmieniia ciśnienie i tym samym wpływa na sttopień napełnienia cylindra [99]
Można
a wyróżnić warunki
w
w przewodzie dolotowym
d
sprzyjające i niesprrzyjające spraawności napełnienia cylindra (rys. 6) [3].
2.2 OP
PIS DOŁAD
DOWANIA
DY
YNAMICZN
NEGO
Ciśnienie napełniania ma znaczący wp
pływ na stop
pień
napełnienia cylindra, jest więc główny
ym parametreem,
z którym zw
wiązana jest prędkość przeepływu czynn
nika
w przewodziee dolotowym. Stosując dołaadowanie mecchaniczne lub tu
urbosprężarkow
we, można doość znacznie podp
nieść ciśnieniia napełnianiaa, lecz takie roozwiązanie wiiąże
się z dodattkowymi koszztami (zabud
dowa urządzeenia
doładowująceego, a także jego koszt zak
kupu) oraz strratą
energii na napęd.
n
Rozw
wiązaniem, któóre pozwala na
zwiększenie ciśnienia
c
bez dodatkowych
h urządzeń dooładowujących, jest zastosowaanie doładowaania dynamiczznego. Podstaw
wą są
tu
u zjawiska bezwładnościoowe
i falowe zachodzące w rurzze dolotowej [33].
Teoretyczne badania nad optymalnym
m warunkiem napełniania cyllindra z indyw
widualnym przewodem dolootowym na pod
dstawie przeb
biegów zjawisk
k falowych prrzeprowadził A.. Capetti [4]. W swoich roozważaniach brał
b
pod uwagę przypadek przewodu
p
z jednym końccem
otwartym, a drugim zamk
kniętym, gdzie wartość pod
dciśnienia w koonkretnej chw
wili czasu jesst funkcją rucchu
Rys. 9.. Warunki w przzewodzie dolotoowym: a) sprzyja
ające i b)
nie sprzyjające zjawisk
ku doładowania dynamicznego [9]
64
KRZYSZTOF ŚWIĘCICKI
2.4 EFEKT BEZWŁADNOŚCIOWY
3. MODEL WIRTUALNY UKŁADU
DOLOTOWEGO
Efekt bezwładnościowy związany jest z ruchem całej
masy gazu wewnątrz rury dolotowej w pierwszym okresie ssania. Pęd gazu, który zostaje w ten sposób wywołany, może zostać wykorzystany pod koniec okresu napełnienia tuż przed zamknięciem zaworu dolotowego do
zwiększenia napełnienia cylindra, poprzez zwiększenie
gęstości gazu w cylindrze. Pęd gazów dopływających do
cylindra
podczas
suwu
napełnienia
jest
w pewnym stopniu wykorzystywany we wszystkich
silnikach. Wraz ze zmniejszeniem przekroju przepływu
gazu przez zamykający się zawór dolotowy ma miejsce
wzrost ciśnienia w otworze dolotowym. Zjawisko to
pozwala na dalszy wzrost ciśnienia oraz dalsze napełnienie cylindra po przekroczeniu przez tłok dolnego martwego położenia [5].
Model wirtualny układu został utworzony w środowisku
systemu CATIA v5. Ponieważ postać geometryczna
układu jest skomplikowana, do utworzenia i optymalizacji modelu niezbędne było wykorzystanie możliwości
modelowania powierzchniowego. Praca w systemie CATIA v5 umożliwia również zastosowanie parametrów,
dzięki którym możliwe były szybkie, a także proste
zmiany głównych własności geometrycznych układu.
Model kolektora dolotowego ze względu na niesprecyzowany początkowo podział technologiczny został utworzony jako model wielobryłowy, gdzie poszczególne bryły
symbolizowały wstępnie założony podział. Ostatecznie
układ został podzielony na dwa elementy: część górną
oraz dolną (rys. 1). Część dolna została wyposażona w
gniazda wtryskiwaczy i elementy montażowe listwy
paliwowej, natomiast część górna wyposażona została w
gniazdo montażowe przepustnicy powietrza.
2.5 DOBÓR UKŁADU DOLOTOWEGO
Zmienność amplitudy fali ciśnienia w przewodzie dolotowym może polepszać lub pogarszać sprawność napełnienia cylindra w zależności od ciśnienia panującego
przed zaworem dolotowym podczas jego otwarcia, a
zwłaszcza w końcowej fazie zamykania się zaworu. Dzięki odpowiedniemu dobraniu długości przewodów dolotowych możliwe jest zapewnienie odpowiedniego czasu
powrotu impulsu – dobieganie impulsu nadciśnienia do
otworu dolotowego w najkorzystniejszych chwilach czasu.
Poprzez zmianę długości przewodów dolotowych można
sprawnie zwiększać lub zmniejszać prędkość obrotową,
przy której silnik osiąga maksymalny moment obrotowy.
Poniższy wykres przedstawia charakterystykę zmiany
długości w funkcji obrotów silnika otrzymaną w wyniku
obliczeń (rys. 2). Zmiana długości przewodów dolotowych w celu wykorzystania zjawiska doładowania dynamicznego odbywać się będzie w zakresie od 300 mm
do 400 mm.
Rys. 11. Model części górnej i dolnej kolektora [5]
Ze względu na jedno z głównych założeń, jakim była
zmienna długość kanałów dolotowych, niezbędne było
zamodelowanie elementu, który odpowiadałby za ten
efekt. Elementem tym stały się cztery dysze dolotowe
połączone płytą (rys. 4). Profil dysz dolotowych został
ukształtowany z zachowaniem poprawności aerodynamicznej. Zgodnie z badaniami G.P. Blaira optymalnym
profilem kończącym rurę dolotową jest profil eliptyczny
[2].
Rys. 10. Charakterystyka zmiany długości rur dolotowych
w funkcji obrotów silnika [5]
Rys. 4. Model ruchomych dysz dolotowych [5]
65
KONSTRUKCJA UKŁADU DOLOTOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO
W pierwszym etapie ważną kwestią było określenie
wielkości elementu skończonego. Następnie przeprowadzono analizę przy następujących warunkach brzegowych (rys. 4):
• ciśnienie wewnątrz kolektora równe 0,3 bar,
• utwierdzenie stałe w części łączenia z dolną
częścią kolektora i w miejscu podłączenia
z korpusem przepustnicy,
• materiał PVC.
4. REALIZACJA ZMIANY
DŁUGOŚCI UKŁADU
Ciągła i automatyczna zmiana długości układu, wybrana
konstrukcja oraz mechanizm zmiany długości kanałów
dolotowych wymagały zastosowania odpowiedniego
elementu wykonawczego ruchu liniowego dysz dolotowych znajdujących się wewnątrz górnej części kolektora
– w komorze zbiorczej.
Po analizie dostępnych na rynku rozwiązań ostatecznie
wybrany został aktuator liniowy firmy Heydon Kerk.
Rozwiązanie tego typu oparte jest na silniku krokowym
z przymocowaną do wału silnika śrubą pociągową wraz z
nakrętką teflonową.
Rys.4. Warunki brzegowe analizy wytrzymałościowej [5]
Analiza wytrzymałościowa wykazała niedoskonałości
w konstrukcji górnej części kolektora. Maksymalne odkształcenie wyniosło ponad 18 mm, co wiązałoby się ze
zniszczeniem układu. Na podstawie wyników analizy
konstrukcja została wzmocniona żebrami usztywniającymi w dwóch płaszczyznach (rys. 5) dzięki czemu maksymalne odkształcenie wyniosło 1,19 mm (rys. 5).
Rys. 4. Wymiary gabarytowe aktuatora liniowego [5]
Widoczny na powyższym rysunku aktuator charakteryzuje się kompaktową budową o wymiarach gabarytowych silnika wynoszących 35,2x35,2x44,1. Takie wymiary umożliwią zamontowanie siłownika centralnie, pomiędzy kanałem 2, a 3 w osi symetrii dysz dolotowych oraz
kanałów dolotowych dzięki temu siła pochodząca od
ruchu siłownika przyłożona będzie centralnie, co powinno zapewnić równomierny rozkład sił w elemencie przemieszczanym – dyszach dolotowych.
5. ANALIZY
Każdy projektowany element, od którego wymagana jest
niezawodność i prawidłowe działanie w najbardziej wymagających warunkach, powinien na etapie projektowania zostać poddany analizom, które pozwolą ocenić, czy
w układzie nie następują niekorzystne zjawiska, takie
jak np. zbyt duże lub niewłaściwe odkształcenia, zakłócenia przepływu itp. W projektowanym układzie dolotowym podstawowymi wymaganiami są wytrzymałość
mechaniczna oraz poprawność aerodynamiczna, dlatego
układ został poddany analizie wytrzymałościowej oraz
analizie przepływu, których wyniki przedstawione zostały poniżej.
Rys.5. Wynik analizy kolektora z żebrami [5]
5.2 ANALIZA PRZEPŁYWU
W przypadku projektowanego układu symulacja została
przeprowadzona w środowisku ANSYS. Analiza została
przeprowadzona dla dwóch wariantów i trzech przypadków dla każdego z wariantów. W przypadku wariantu
pierwszego ładunek powietrza pobierany jest do cylindra
skrajnego, a w przypadku warunku drugiego ładunek
powietrza pobierany jest do jednego z cylindrów wewnętrznych. Dla obu wariantów przeprowadzono symulację dla minimalnego wysunięcia dysz dolotowych (0
mm), maksymalnego wysunięcia dysz dolotwych (100
mm) oraz pozycji środkowej (50 mm). Warunki brzegowo przeprowadzanych analiz ograniczone były do ciśnienia na wejściu do układu równego 1 bar oraz ciśnienia
na wyjściu układu równego 0,2 bara (rys. 6).
5.1 ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA
Analizę wytrzymałościową wykonano w środowisku
CATIA v5. Analizie został poddany element najbardziej
obciążony – górna część kolektora.
66
KRZYSZTOF ŚWIĘCICKI
6. POSTAĆ KOŃCOWA UKŁADU
Podczas konstruowania układu dolotowego na każdym
etapie nie można było zapomnieć o zapewnienie łatwego
połączenia współpracujących ze sobą elementów.
Wszystkie połączenia w układzie zostały zaprojektowane
jako połączenie rozłączne pozwalające na proste zmontowanie oraz rozmontowanie układu. Jest to cecha niezwykle istotna ze względu na warunki, w jakich układ
będzie działał oraz ze względu na fakt, iż projektowany
układ jest prototypowy i należy zapewnić łatwą obsługę
serwisową w każdym momencie, aby prosta usterka nie
powodowała unieruchomienia pojazdu.
Rys.6. Warunki brzegowe analizy przepływu [5]
Poniżej przedstawione wyniki analiz dla wariantu pierwszego i wysunięcia 0 mm pokazują (rys. 7), że podczas
zasysania powietrza przez cylinder zewnętrzny część
powietrza znajdującego się w komorze zbiorczej zostaje
skierowana również do cylindrów środkowych. Widoczny
jest
również
powstający
wir
powietrza,
w górnej części komorze zbiorczej, który niewątpliwie
związany jest z nagłą zmianą przekroju układu
i zmianą pojemności (przejście z kanału dolotowego do
komorze zbiorczej, w której panują zupełnie inne warunki). Niestety, fakt występowania takiego zjawiska może
wpływać niekorzystnie na proces napełniania cylindra,
jednak trudno jest ustalić, jak duży będzie jego wpływ
na ten proces.
Rys.8. Złożenie układu [5]
Wszystkie połączenie zostały skonstruowane z wykorzystaniem śrub imbusowych M4 z łbem walcowym oraz
nakrętek sześciokątnych z podkładkami. Przepustnica
zamontowana została zgodnie z zaleceniami producenta
za pomocą dwóch śrub (rys. 9).
Rys.9. Połącznie przepustnica-kolektor [5]
Górna oraz dolna część zostały połączone za pomocą
kołnierza centrującego, a także, jak w przypadku połączenia przepustnica-kolektor, ośmiu śrub imbusowych
M4 z łbem walcowym oraz nakrętek sześciokątnych
z podkładkami (rys. 10).
Rys.7. Wyniki analizy dla wariantu 1 (wysunięcie 0 mm) [5]
Analiza przepływu ukazała niedoskonałości w konstrukcji aerodynamicznej układu, jednak ze względu na brak
wiedzy na temat wielkości wpływu występujących zawirowań oraz ograniczenie czasowe nie zostały podjęte
próby rozwiązania tego problemu. Niemniej jednak problem ten będzie stanowił temat rozważań podczas przygotowań
pojazdu
do
nowego
sezonu,
a doświadczenie zyskane podczas przeprowadzonych
w przyszłości testów oraz startów w zawodach pozwoli
na lepsze zrozumienie problemu i da wiedzę niezbędną
do poprawy lub pozbycia się tego problemu.
Rys.10. Połączenie górna część kolektora-dolna część kolektora
[5]
Siłownik zmiany długości układu został również przymocowany z wykorzystaniem śrub imbusowych M3 –
zgodnie z otworami montażowymi w obudowie siłownika
(rys. 11). Połącznie trąbek z siłownikiem realizowane
67
KONSTRUKCJA UKŁADU DOLOTOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO
jest za pomocą ruchomej nakrętki siłownika oraz
3 sworzni blokujących możliwość obracania się nakrętki
względem ruchomych dysz dolotowych.
7. PODSUMOWANIE
•
•
•
•
Rys.11. Połącznie siłownik-podstawa komory zbiorczej [5]
W celu zapewnienia braku oporów ruchu trąbek wewnątrz rur dolotowych pomiędzy przemieszczającymi się
względem siebie elementów zapewniono odpowiednie
luzy – 1 mm, ze względu na technologię wytworzenia
elementów – drukowanie 3D (rys. 12).
W artykule przedstawiono proces konstruowania
układu dolotowego wykorzystującego zjawisko doładowania dynamicznego. Dzięki wykorzystaniu
systemu CATIA V5 możliwe było łatwe i płynne
dostosowywanie postaci geometrycznej układu do
postaci optymalnej.
Przeprowadzone symulacje wytrzymałościowe pozwoliły na określenie położenia niebezpiecznych
stref, gdzie układ mógł zostać uszkodzony. Na podstawie uzyskanych wyników układ został odpowiednio wzmocniony żebrami.
Analiza
przepływu
ukazała
niedoskonałości
w konstrukcji aerodynamicznej układu, co pozwoli
na lepszą analizę rzeczywistych testów, a także na
poprawę konstrukcji w przyszłości.
Zastosowanie programów klasy CAx w procesie
konstrukcyjnym pozwala na łatwiejszą i płynniejsza pracę nad optymalizacją postaci przyszłego
środka technicznego. Możliwość przeprowadzania
odpowiednich symulacji daje możliwość analizy
problemów, występujących w trakcie pracy rzeczywistego elementu na etapie konstrukcyjnym, co
pozwala na oszczędność czasu, a przede wszystkim
środków materialnych niezbędnych to wytworzenia
prototypów, modeli itp.
Rys.12. Przekrój obrazujący połączenie ruchomych dysz dolotowych z rurami dolotowymi [5]
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
www.heydonkerk.com
Blair G.P.; Cahoon W.M.: Best Bell. “Race Engine Technology” 2006, No. 9 (17), p. 34-41.
Mysłowski J.: Doładowanie silników. Warszawa: WKŁ, 2006.
Capeti A.: Effect of intake pipe on the volumetric efficience an Internal-Combustion Engine. NACA TM, nr (2)
501, Feb. 1929.
Święcicki K.: Konstrukcja układu dolotowego do pojazdu konkursowego. Praca dyplomowa magisterska. Gliwice:
IPKM, Pol. Śl., 2015.
Hartmann J.: How to tune and modify engine management systems. Motorbooks Workshop 2004, nr 2 (13).
Sobieszczański M.,: Modelowanie procesów zasilania w silnikach spalinowych. Warszawa: WKŁ, 2000.
Święcicki K.: Projekt układu dolotowego do pojazdu konkursowego. Praca przejściowa. Gliwice: IPKM, Pol. Śl.,
Gliwice 2015.
King F.R.B.: The inertia theory of engine breathing. “Automobil” 1968, No. 3-5.
68