Embed Size (px)
Citation preview
15
Rys. 9. Silnik V6 firmy Volvo wykorzystujący kolektor ssący o zmiennej długości kanałów
dolotowych [7]
Innymi sposobami zwiększenia sprawności napełnienia jest zastosowanie
doładowania dzięki turbosprężarce lub dzięki doładowaniu mechanicznym. Jednak ten
sposób jest bardzo kosztowny i często wiąże się z ingerencją w konstrukcję silnika.
Kolejnym sposobem jest obniżenie temperatury ładunku poprzez zastosowanie
układu chłodzącego. W pracy wybrano ostatni sposób z uwagi na brak ingerencji w
konstrukcję silnika oraz względnie niski koszt komponentów układu chłodzącego.
Współczynnik sprawności napełnienia cylindra wyraża się wzorem:
t
rV m
m=η,
16
Zakładając że mt jest stała, to znaczy silnik pracuje w otoczeniu o nie zmiennej i ściśle
określonej wartości ciśnienia oraz temperatury powietrza, to aby zwiększyć sprawność
napełniania należy zwiększyć wartość wielkości mr która określana jest wzorem:
pr Vm ρ*=
V – objętość cylindra
ρp - gęstość ładunku (powietrza)
Objętość cylindra jest wielkością stałą więc aby zwiększyć wartość ładunku doprowadzonego
do cylindra należy zwiększyć jego gęstość powietrza którą definiuje się jako:
=3* m
kg
TR
ppρ
Gdzie p oznacza ciśnienie powietrza, R to indywidualna stała gazowa powietrza, T jest
temperaturą powietrza. Wartość ciśnienia powietrza uznano za nie zmienną gdyż silnik jest
silnikiem wolnossącym.
Temperatura °C Gęstość powietrza kg/m^3
Wzrost gęstości w stosunku do
poprzedniej temp. [%]
70 1,029 X 60 1,06 3,0 50 1,093 3,1 40 1,128 3,2 30 1,165 3,3 20 1,204 3,3 10 1,247 3,6 0 1,293 3,7
-10 1,342 3,8 -20 1,395 3,9
Tabela 1. Wzrost gęstości powietrza przy obniżaniu temperatury.
17
W tabeli 1 przedstawiono wzrost gęstości powietrza wraz z obniżaniem jego
temperatury. Widać że powietrze zwiększa swoją gęstość o średnio 3,4% w zakresie
temperatur od 60 °C do -20 °C. Oznacza to że względnie łatwo można zwiększyć masę
ładunku doprowadzonego do silnika jedynie obniżając temperaturę powietrza dolotowego.
3.4. Obliczenia teoretyczne
Przy użyciu programu „Obiegi silnika” Instytutu Pojazdów Politechniki Łódzkiej
wykonane zostały obliczenia obiegu silnika za pomocą algorytmu Wibiego dla silnika o
zapłonie iskrowym przy stałych wartościach ciśnienia otoczenia i przy zmiennych wartościach
temperatury powietrza dolotowego.
Dane wejściowe użyte przy obliczeniach zostały przedstawione poniżej.
Rys. 10. Dane wejściowe użyte przy obliczeniach
Wyniki obliczeń obiegów silnika o zapłonie iskrowym w zakresie temperatur od 0 °C o
60 °C o kroku 10°C przedstawiono w tabeli poniżej.
18
19
3.5. Omówienie wyników.
Rys.11 Wykres zależności średnich ciśnień efektywnych oraz indykowanych w
zależności od temperatury powietrza dolotowego.
Po dokonaniu obliczeń za pomocą programu komputerowego można zauważyć
wyraźne zmiany niektórych wartości, kilka z nich spadło.
Średnie ciśnienie indykowane (15) określa się jako takie ciśnienie zastępcze gazów
wywierane na tłok, które, nie zmieniając swojej wartości podczas całego suwu rozprężania,
wykonałoby taką samą pracę jak ciśnienie rzeczywiste działające na tłok w ciągu jednego
obiegu pracy. Na wykresie widać wyraźny wzrost ciśnienia indykowanego przy spadku
temperatury powietrza dolotowego. Wynika to z faktu że do cylindra, przy obniżaniu
temperatury ładunku (jednocześnie zwiększając jego gęstość), dostaje się większa masa
ładunku zwiększając ilość powstających gazów w wyniku spalania mieszanki paliwowo-
powietrznej.
0,8
0,85
0,9
0,95
1
1,05
1,1
1,15
1,2
0 10 20 30 40 50 60
Temperatura powietrza dolotowego [°C]
Ciś
nie
nie
[M
Pa
]
15.średnie
ciśnienie
indykowane
16.średnie
ciśnienie
efektywne
20
Średnie ciśnienie efektywne (16) to wielkość oznaczająca takie ciśnienie zastępcze
gazów które działając na tłok, zachowując jednocześnie stałą wartość podczas całego suwu
rozprężania, wykonałoby pracę równą pracy użytecznej dla danego obiegu. Wielkości
średniego ciśnienia efektywnego i średniego ciśnienia indykowanego są ściśle ze sobą
powiązane ponieważ sprawność mechaniczną silnika można również wyrazić jako stosunek
średniego ciśnienia użytecznego do średniego ciśnienia indykowanego. Oznacza to że część
średniego ciśnienia efektywnego zużywana jest do pokonania oporów wewnętrznych silnika.
Sprawność mechaniczną można określić poprzez zależność:
i
em p
p=η , gdzie
ηm – sprawność mechaniczna
pe – średnie ciśnienie efektywne
pi – średnie ciśnienie indykowane
4,5
5
5,5
6
6,5
7
0 10 20 30 40 50 60
Temperatura powietrza dolotowego [°C]
Ciś
nie
nie
[M
Pa]
5.ciśnienie
maksymalne
9.ciśnienie
końca spalania
Rys.12. Wykres zależności ciśnienia maksymalnego oraz ciśnienia końca spalania w zależności
od temperatury powietrza dolotowego
21
Ciśnienie końca spalania, jak również ciśnienie maksymalne wzrastają wraz ze
spadkiem temperatury świeżego ładunku dostarczonego do komory spalania. Wzrost
ciśnienia maksymalnego oznacza że moc silnika jak również i jego moment obrotowy
wzrastają. Natomiast wzrost ciśnienia końca spalania usprawnia proces wydalania gazów z
cylindra dzięki wytwarzaniu większej różnicy ciśnień między kolektorem wydechowym a
cylindrem.
290
340
390
440
490
540
590
640
690
0 10 20 30 40 50 60
Temperatura powietrza dolotowego [°C]
Te
mp
era
tura
[K
]
2.temperatura
końca
napełniania
4.temperatura
końca sprężania
Rys. 13. Wykres zależności temperatury końca napełniania oraz końca procesu sprężania w
zależności od temperatury powietrza dolotowego.
Wartość temperatury końca sprężania jak również temperatura końca napełniania
spadają wraz ze spadkiem temperatury powietrza dostającego się do cylindra.
Spowodowane jest to tym iż świeży ładunek o mniejszej temperaturze posiada mniej energii
cieplnej niż ładunek o temperaturze wyższej oraz jednocześnie ilość energii cieplnej którą
ładunek może przejąć od ścianek cylindra oraz tłoka jest ograniczona.
22
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
0 10 20 30 40 50 60
Temperatura powietrza dolotowego [°C]
Te
mp
era
tura
[K
]
7.temperatura
maksymalna
10.temperatura
końca spalania
12.temperatura
końca
rozprężania
Rys. 14. Wykres przedstawiający zależność temperatury maksymalnej, końca spalania oraz
końca rozprężania w zależności od temperatury powietrza dolotowego
Temperatura maksymalna spada wraz ze spadkiem temperatury powietrza
doprowadzanego do silnika. Spadek ten jest jednak niski, przy spadku temperatury powietrza
z 30 °C na 20 °C temperatura maksymalna spada z wartości 2699 K na 2686 K czyli spadek
wynosi jedynie 0,5 % wartości wyższej.
Podobnie wygląda przebieg temperatury końca spalania, jest ona niższa od
temperatury maksymalnej ponieważ koniec procesu spalania mieszanki występuje gdy
spalona mieszanka jest rozprężana więc jej temperatura jest mniejsza od temperatury
mieszanki przy wyższym ciśnieniu. Spadek tej wartości wynosi również 0,5 % na każde 10 °C
spadku temperatury powietrza dolotowego.
Temperatura końca rozprężania jest wyraźnie niższa od pozostałych temperatur
przedstawionych na wykresie. Spowodowane jest to tym że moment występowania tej
temperatury przypada w najniższym położeniu tłoka, czyli przy mieszance najbardziej
23
rozprężonej (przy stałej objętości, obniżając ciśnienie obniżana zostaje jednocześnie
temperatura).
266
268
270
272
274
276
278
280
0 10 20 30 40 50 60
Temperatura powietrza dolotowego [°C]
Jed
no
stk
ow
e z
uży
cie
pa
liw
a [
g/
kW
h]
19.jednostk
owe zużycie
paliwa
Rys. 15. Wykres przedstawiający zależność jednostkowego zużycia paliwa od temperatury
powietrza dolotowego.
Jedną z podstawowych wartości charakteryzujących pracę silnika jest jednostkowe
zużycie paliwa. Wielkość ta jest to ilość zużywanego przez silnika paliwa w jednostce czasu,
przypadająca na jednostkę mocy. Najczęściej wyrażana jest w g/kWh lub w kg/kWh.
Jak można zauważyć na wykresie ilość spalanego paliwa na jednostkę czasu spada
wraz ze spadkiem temperatury powietrza dolotowego. Wartość jednostkowego zużycia
paliwa spada o 1% na każde 10 °C spadku temperatury powietrza dolotowego. Przekłada się
to na zmniejszenie ilości spalin wydalanych z układu wydechowego do atmosfery uzyskaną
wyłącznie dzięki obniżeniu temperatury powietrza dolotowego silnika.
24
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 10 20 30 40 50 60
Temperatura powietrza dolotowego [°C]
Sp
raw
no
ść
17.sprawność
mechaniczna
18.sprawność
ogólna
Rys. 16. Wykres przedstawiający zmianę sprawności mechanicznej oraz sprawności ogólnej w
zależności od temperatury powietrza dolotowego.
Powyższy wykres ilustruje zmianę wartości współczynnika sprawności mechanicznej
oraz ogólnej silnika. Wartość ta rośnie wraz ze spadkiem temperatury powietrza dolotowego
doprowadzanego do silnika.
Sprawność mechaniczna jest stosunkiem mocy użytkowej silnika do mocy
indukowanej przez ten silnik, lub odpowiednio stosunkiem ciśnienia użytkowego do ciśnienia
indykowanego co wyrazić można wzorem:
i
e
i
em p
p
M
M ==η
Gdzie, ηm – sprawność mechaniczna,
Me/i – moc efektywna oraz indykowana
pe/i – ciśnienie efektywne oraz indykowane
25
Sprawność ogólna to sprawność mechaniczna pomniejszona o straty mechaniczne
występujące w silniku. Straty te to na przykład straty wywołane oporami tarcia które muszą
być pokonane podczas pracy silnika.
0,7
0,72
0,74
0,76
0,78
0,8
0,82
0,84
0,86
0,88
0,9
0 10 20 30 40 50 60
Temperatura powietrza dolotowego [°C]
Wsp
ółc
zyn
nik
na
pe
łnie
nia
20.współczynniknapełnienia
Rys.17. Wykres przedstawiający zależność wielkości współczynnika napełnienia cylindra w
zależności od temperatury
Powyższy wykres przedstawia jak zmienia się współczynnik napełnienia przy
obniżaniu temperatury powietrza dolotowego. Wartość ta wzrasta o ponad 3% przy
zmniejszeniu temperatury powietrza dolotowego. Zauważyć można iż wzrost ten jest swoją
wartością zbliżony do wartości wzrostu gęstości powietrza.
41
Do połączenia elementów użyto węży igielitowych odpornych na działanie niskiej
temperatury.
Dodatkowymi zabiegami mającymi zwiększyć sprawność tego układu było
odizolowanie rury prowadzącej do kolektora ssącego materiałami izolacyjnymi, dzięki czemu
stopień wymiany ciepła pomiędzy schłodzonym ładunkiem a rurą prowadzącą do kolektora
ssącego został obniżony do minimum.
Kolejnym krokiem było obniżenie temperatury panującej w komorze silnika, która
była zwiększana poprzez wymianę ciepła między nieosłoniętym kolektorem wydechowym w
którym spaliny osiągają bardzo wysokie temperatury, a powietrzem go opływającym.
Osiągnięto to poprzez zastosowanie taśmy termoizolacyjnej wykonanej z włókien
ceramicznych. Wytrzymałość takiej taśmy jest wysoka, wynosi 1270 oC . Po jej założeniu
temperatura zewnętrznej warstwy taśmy okazała się dużo niższa niż temperatura kolektora
wydechowego który nie był nią osłonięty.
Zabiegiem wieńczącym modyfikacje przed montażem układu chłodzącego było
wykonanie oraz montaż uszczelki termoizolacyjnej między kolektor ssący a głowicę silnika.
Ma ona na celu obniżenie temperatury kolektora ssącego poprzez odizolowanie go od
głowicy silnika. Dzięki zastosowaniu tej uszczelki wzrost temperatury powietrza
przepływającego przez kolektor ssący będzie mniejszy, co przełoży się na mniejsze obniżenie
gęstości powietrza dostarczanego do komory spalania, tym samym zwiększając współczynnik
napełnienia cylindra w stosunku do układu w którym kolektor ssący nie został oddzielony od
głowicy materiałem termoizolacyjnym.
Jako półprodukt, z którego miała zostać wykonana uszczelka, rozważane były dwa
materiały. Materiałem pierwszym był bakelit (ebonit), posiada on niski współczynnik
przewodzenia ciepła wynoszący 0,15-0,17 W/mK. Zaletami zastosowania ebonitu jako
materiału izolacyjnego są:
- niski współczynnik przewodzenia ciepła
- odporność na działanie czynników chemicznych
- twardość
- wytrzymałość na ścieranie
- maksymalna temperatura pracy 120oC
42
Mimo tych zalet bakelit jest materiałem kruchym co przy użyciu go w tym przypadku
mogłoby skutkować występowaniem nieszczelności w postaci pęknięć materiału co
spowodowałoby dostanie się powietrza do cylindra z poza układu dolotowego. W przypadku
nieszczelności komputer źle odczytywałby ilość oraz temperaturę powietrza dostarczanego
do komory spalania co skutkowałoby obniżeniem mocy silnika poprzez złe regulowanie
dawko paliwa. Ponadto temperatura pracy silnika jest blisko maksymalnej temperatury pracy
tego materiału.
Drugim materiałem który był brany pod uwagę był Politetrafluoroetylen (PTFE) zwany
potocznie Teflonem. Posiada on zastosowanie jako elementy urządzeń, powłoki
przedmiotów, przedmioty pracujące w wysokich temperaturach w kontakcie ze środkami
chemicznymi, materiały hydrofobowe, składniki smarów, elementy i powłoki poślizgowe,
materiały uszczelniające, elementy termoizolacyjne czy implanty. Zaletami teflonu są:
- niski współczynnik przewodzenia ciepła wynoszący 0,20 W/mK
- wysoka odporność chemiczna – nie reaguje z innymi substancjami
- niska energia powierzchniowa
- elastyczność
- maksymalna temperatura pracy 240oC
Jak można łatwo zauważyć uszczelka wykonana z PTFE posiada wyższy współczynnik
przewodzenia ciepła niż uszczelka wykonana z ebonitu. Jednak porównując oba te materiały
do współczynnika przewodzenia uszczelki która znajduje się seryjnie między kolektorem a
głowicą która wykonana jest ze stali, różnica między tymi materiałami jest wręcz pomijalna.
Uszczelka montowana seryjnie wykonana jest ze stali której współczynnik przewodzenia
ciepła wynosi około 58 W/mK. Oznacza to ze wartości współczynników omawianych
materiałów wynoszą odpowiednio 0,34% dla bakelitu, oraz 0,4% dla teflonu, wartości tegoż
współczynnika dla stali.
Wartości ciepła właściwego rozpatrywanych materiałów również są wartościami
porównywalnymi. Wynoszą one odpowiednio 1,37 kJ/kgK dla ebonitu oraz 1,1 kJ/kgK dla
PTFE, wartość ta dla stali wynosi około 0,49 kJ/kgK co przy grubości seryjnej uszczelki rzędy
dziesiątych części milimetra (około 0,5mm) jest wartością bardzo małą jeśli porównamy ją z
uszczelką która będzie wykonana z tych materiałów której grubość będzie wynosiła 3,5 mm.
43
Uszczelka wykonana z PTFE zapewnia możliwość wielokrotnego użycia ze względu na
niska energię powierzchniową materiału z którego jest wykonana. Wykazuje ona prawie
zerowe powinowactwo z materiałami które będzie łączyła więc siły adhezji będą na tyle małe
że podczas demontażu uszczelka nie będzie sklejona z żadną ze stron, więc demontaż nie
zniszczy uszczelki tak jak to ma miejsce na przykład w przypadku uszczelek papierowych.
Wiele firm ma w swojej ofercie uszczelki termoizolacyjne do stosowania między
kolektorem ssącym a głowicą, Materiałem który jest wykorzystany do ich wytworzenia
najczęściej jest modyfikowany PTFE. Modyfikacjami są dodatki włókna szklanego
zapobiegającego pełzaniu, czy innych materiałów dodatkowo polepszających właściwości
izolacyjne.
Firma Hondata dokonała pomiarów temperatury powietrza w kolektorze ssącym
przed oraz po montażu tejże uszczelki. Wyniki przedstawiono poniżej.
Rys. 27. Wykres opracowany przez firmę Hondata obrazujący zmianę temperatury przed oraz
po montażu uszczelki termoizolacyjnej. [16]
Pomiary dokonane były przy tej samej temperaturze otoczenia oraz na tej samej
trasie. Jak można zauważyć temperatura powietrza znacząco spadła. Największe spadki
44
można zauważyć w drugiej części przejazdu – spadek temperatury wynosi około 22oC oraz
30oC, przy czym spadek temperatury powietrza o każde 10oC to około 3% wzrostu jego
gęstości.
Na materiał z którego wykonano uszczelkę wybrany został PTFE. Półfabrykatem była
płyta o grubości 3,5mm, była ona ograniczona długością śrub zamontowanych w głowicy.
Pomiary do projektu uszczelki wykonane były na oryginalnej uszczelce produkowanej do
tego silnika aby zapewnić jak najlepsze odwzorowanie oraz dopasowanie uszczelki. Aby
osiągnąć wymaganą szczelność uszczelki użyto płyty ekstrudowanej która posiada mniejszą
odchyłkę grubości niż jest to w przypadku płyt wylewanych. Projekt 2D uszczelki został
wykonany w programie Solid Edge, wysłany do wyceny przez firmę wycinającą elementy za
pomocą technologii WaterJet, a następnie przez nią wycięty.
Rys. 28. Rysunek wykonawczy uszczelki termoizolacyjnej.
Po zamontowaniu uszczelki rozpoczęto montaż instalacji chłodzącej. Montaż, dzięki
uprzedniemu wykonaniu projektu 3D w którym przemyślano rozmieszczenie elementów
układu, przebiegał bezproblemowo.
