RAZVOJ SESALNEGA SISTEMA ZA DIRKALNIK FORMULA S - … · ̶90° zavoj na sesalni cevi. Slika Kot je...

Robert FRIDMAN

RAZVOJ SESALNEGA SISTEMA ZA DIRKALNIK FORMULA S

Diplomsko delo

univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje

Strojništvo

Maribor, avgust 2016

RAZVOJ SESALNEGA SISTEMA ZA DIRKALNIK

FORMULA S

Diplomsko delo

Študent: Robert FRIDMAN

Študijski program: univerzitetni študijski program 1.stopnje Strojništvo

Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo

Mentorica: red. prof. dr. Breda KEGL

Maribor, avgust 2016

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- I -


- II -

I Z J A V A

Podpisani Robert FRIDMAN izjavljam, da:

je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli

izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

so rezultati korektno navedeni,

nisem kršil avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor, avgust 2016 Podpis: ________________________


- III -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorici red. prof. dr. Bredi Kegl za

pomoč in vodenje med pisanjem diplomskega dela.

Zahvaljujem se tudi celotni ekipi Grand Prix

Engineering Maribor.

Posebno zahvalo namenjam staršem, ki so mi

omogočili študij.


- IV -

RAZVOJ SESALNEGA SISTEMA ZA DIRKALNIK FORMULA S

Ključne besede: sesalni sistem, optimizacija, računalniška dinamika tekočin.

UDK: 621.43.03(043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu je obravnavan razvoj sesalnega sistema s posebnimi zahtevami za dirkalni

motor dirkalnika GPE 14. Določiti smo želeli optimalne geometrijske lastnosti sesalnega

sistema za doseganje nemotenega dovoda zraka pri čim nižjih tlačnih izgubah. V ta namen

smo z uporabo numeričnih simulacij analizirali vpliv spremembe geometrijskih lastnosti

sesalnega sistema na karakteristiko motorja in optimirali geometrijske lastnosti, za katere je

bilo ugotovljeno, da bistveno vplivajo na karakteristiko dirkalnega motorja. Rezultati kažejo

opazna znižanja (12,3 %) tlačnega padca skozi restriktor in vidno izboljšane karakteristike

motorja (1,58 %) glede na začetni dizajn geometrijskih parametrov sesalnega sistema.

Rezultati numeričnih simulacij so bili verificirani z laboratorijskimi meritvami.


- V -

DEVELOPMENT OF INTAKE MANIFOLD FOR FORMULA S RACE CAR

Key words: intake manifold, optimization, computational fluid dynamics

UDK: 621.43.03(043.2)

ABSTRACT

In this diploma thesis the design of the intake manifold with special requirements for a racing

engine of GPE14 race car will be discussed. The goal is to determine the optimal geometrical

properties of the intake manifold for smooth flow and low pressure drop. For that purpose

we have analyzed the effect of changing the geometrical properties of intake manifold on the

engine characteristics by using numerical simulations and we have later optimized the

properties for which it was established to have major effect on engine characteristics. Results

show noticable reduction (12,3 %) of pressure drop trough the restrictor and visible

improvement of engine characteristics (1,58 %) relative to initial design of inatake manifold

geometrical parameters . Results of the numerical simulation were verified by labratory

measurements.


- VI -

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................... - 1 -

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela ............................................................. - 2 -

1.2 Opredelitev diplomskega dela ................................................................................. - 4 -

1.2.1 Sesalni sistem dirkalnika GPE 12 ........................................................................ - 4 -

1.2.2 Sesalni sistem dirkalnika GPE 13 ........................................................................ - 5 -

1.3 Struktura diplomskega dela ..................................................................................... - 6 -

2 TEORETIČNE OSNOVE SESALNEGA SISTEMA ......................................... - 7 -

2.1 Maksimalni teoretični pretok skozi restriktor toka ................................................. - 7 -

2.2 Uporaba Helmholtzeve teorije za izračun geometrije sesalne cevi......................... - 9 -

3 PROGRAMSKI PAKETI ......................................................................... - 12 -

3.1 Dassault Catia ......................................................................................................... - 12 -

3.2 AVL Boost ............................................................................................................... - 12 -

3.2.1 Grafični vmesnik ............................................................................................... - 13 -

3.2.2 Računski program ............................................................................................. - 13 -

3.3 AVL Design explorer ............................................................................................... - 16 -

3.3.1 Vzorčenje po metodi »latin hypercube« .......................................................... - 16 -

3.3.2 Nelder-Mead optimizacijska metoda ............................................................... - 17 -

3.4 AVL Fire .................................................................................................................. - 18 -

3.4.1 Grafični vmesnik ............................................................................................... - 18 -

3.4.2 Računski program ............................................................................................. - 18 -

4 MOTOR IN SESALNI SISTEM ............................................................... - 23 -

4.1 Karakteristike standardnega motorja .................................................................... - 23 -

4.2 Karakteristike predelanega motorja ...................................................................... - 24 -

4.3 Modeliranje in uporabljene inženirske rešitve ...................................................... - 26 -

4.3.1 Sesalne trobentice ............................................................................................ - 26 -


- VII -

4.3.2 Loputa ............................................................................................................... - 28 -

4.3.3 Restriktor .......................................................................................................... - 29 -

4.3.4 Sesalna komora ................................................................................................ - 34 -

4.3.5 Sesalna cev........................................................................................................ - 35 -

4.3.6 Vbrizgalna šoba ................................................................................................. - 36 -

5 SIMULACIJA IN OPTIMIZACIJA ENODIMENZIONALNEGA MODELA

MOTORJA ................................................................................................. - 38 -

5.1 Analiza vpliva dolžine sesalne cevi ......................................................................... - 39 -

5.2 Analiza vpliva premera sesalne cevi ...................................................................... - 40 -

5.3 Analiza vpliva volumna sesalne komore ................................................................ - 41 -

5.4 Optimizacija parametrov sesalnega sistema ......................................................... - 42 -

6 IZDELAVA SISTEMA IN PRIMERJAVA REZULTATOV ............................. - 46 -

7 SKLEP ................................................................................................. - 47 -

8 UPORABLJENI VIRI ............................................................................. - 48 -


- VIII -

UPORABLJENE KRATICE

CAD Computer Aided Design

E85 gorivo, ki je sestavljeno iz 85 % etilnega alkohola in 15 %bencina

GPE Grand Prix Engineering

UNI MB Univerza v Mariboru

GPE 12 ime dirkalnika Študentske ekipe GPE, sestavljenega v letu 2012



RDT računalniška dinamika tekočin


- IX -

UPORABLJENI SIMBOLI

𝑡 – čas [𝑠]

𝐴 – površina [𝑚2]

𝑉 – volumen [𝑚3]

��𝐴 – pokazatelj lokalne difuzije veličine �� na kontrolni meji

��𝑚 – izvor ali ponor veličine �� na enoto mase in enoto časa

𝜌 – gostota [𝑘𝑔

𝑚3]

𝑥𝑗 – smerni vektor

𝑥𝑖,𝑗,𝑘 – smerne komponente [𝑚]

𝑈𝑗 – hitrostni vektor

𝑈𝑖,𝑗,𝑘 – hitrostne komponente [𝑚

𝑠]

��𝑖𝑗 , 𝜏𝑖𝑗 – tenzor napetosti

𝑔𝑖 – vektor pospeška telesa

𝜇 – dinamična viskoznost [𝑃𝑎 𝑠]

𝑝 – tlak [𝑃𝑎]

𝜆 – toplotna prevodnost [𝑊𝑚−1𝐾−1]

𝑇 – temperatura [𝐾]

𝐻 – totalna energija [𝐽]


- 1 -

1 UVOD

Že več let ekipa nadobudnih študentov na mariborski fakulteti za strojništvo vsako leto razvija

dirkalnik, s katerim se kasneje na večjih inženirskih tekmovanjih širom Evrope (npr. Anglija:

Silverstone, Nemčija: Hockenheim) pomeri s svojimi konkurenti, ki na tekmovanja prihajajo

tudi z drugih kontinentov, da bi pokazali svoje inženirsko znanje, proizvedeni dirkalnik in

njegove zmogljivosti. Slika 1.1 prikazuje dirkalnik GPE 14 na tekmovanju v Angliji.

Slika 1.1: Dirkalnik GPE 14 na dirki v Angliji

Del tekmovanja je sestavljen iz statičnih dogodkov, s katerimi ekipe pokažejo organizacijo

znotraj ekipe, poslovni načrt za prodajo dirkalnika v določenem scenariju, zagovarjajo in

predstavljajo svoje inženirske rešitve ter navsezadnje predstavijo še stroškovni načrt za

izdelavo dirkalnika. Vse omenjene statične discipline zatem objektivno ovrednotijo sodniki.

Drugi, vznemirljivejši del tekmovanja pa predstavljajo dinamične discipline, v katerih se

dirkalniki in vozniki le-teh pomerijo med seboj. V veliki večini primerov gre za dinamične

dogodke, ki so sestavljeni iz pospeševanja, vožnje osmice, krajše dirke po dirkalnem poligonu

(dva kroga – preizkušajo se meje dirkalnika) in vzdržljivostne dirke, ki je sestavljena iz

poligona, po katerem se dirkalnik vozi 11 km z enim in 11 km z drugim voznikom, ki se med

dirko zamenjata v posebnem območju, namenjenem menjavi voznikov. Vse navedene


- 2 -

preizkušnje so veliki test vzdržljivosti in učinkovitosti posamičnih komponent dirkalnika,

medtem ko delujejo kot celota. Več kot polovico točk, ki jih je mogoče doseči na tekmovanju

sestavljajo rezultati dinamičnih dogodkov. Tako je za doseganje dobrega skupnega rezultata

na tekmovanju zelo pomembno, da je dirkalnik inženirsko dovršen, testiran in vrhunsko

dokumentiran. Za doseganje statusa inženirske dovršenosti je treba v posamične komponente

dirkalnika vložiti zelo veliko časa in pridobiti mnogo novega znanja ter se ga naučiti uporabiti

v praksi, čemur je ne nazadnje projekt študentske formule tudi namenjen. Eden izmed delov

dirkalnika, ki za svoj razvoj porabi večji del sredstev in kadra pri projektu formula S, je

nedvomno motorni sklop. Motorni sklop je seveda ključnega pomena in tako kot vsaka druga

komponenta na dirkalniku prispeva h končnim zmogljivostim dirkalnika. Motorni sklop se

deli na sistem elektronskega krmiljenja, električno napeljavo, sesalni, izpušni in hladilni

sistem, nosilce motorja, elektronski prestavni mehanizem ter sistem za hranjenje in vbrizg

goriva. Vsi posamični deli teh sistemov morajo sestavljati celoto, ki jo imenujemo motorni

sklop. V nadaljevanju bo poudarjena tematika sesalnega sistema dirkalnega motorja

dirkalnika GPE 14. Sesalni sistem po pravilniku formule študent delno geometrijsko določi z

namenom zagotavljanja varnosti udeležencev in omejevanja maksimalne moči dirkalnega

motorja. Zaradi zahteve po nestandardni izvedbi sesalnega sistema je bilo treba izvesti

dodatne raziskave in optimirati geometrijo sesalnega sistema tako, da unikatno ustreza

motorju dirkalnika GPE14.

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela

Sesalni sistem, katerega razvoj je predstavljen v tem diplomskem delu, predstavlja bistveni

del naravno polnjenega dirkalnega motorja s prisilnim vžigom, ki je bil vgrajen v dirkalnik

GPE 14 (ime dirkalnika Študentske ekipe GPE (Grand Prix Engineering), sestavljenega v letu

2014). Problematika tega diplomskega dela sta razvoj in izvedba sesalnega sistema dirkalnika

GPE 14 ob upoštevanju pravil za izdelavo dirkalnika in splošnih smernic, določenih s strani

ekipe. Najpomembnejše omejitve sesalnega sistema dirkalnika s strani pravilnika [1] so

predvsem geometrijske narave:

sesalni sistem ali njegovi deli ne smejo biti v nobeni točki v neposredni liniji z

voznikom,


- 3 -

najožji premer sesalne cevi (v nadaljevanju restriktor) mora v neki točki na sesalnem

sistemu znašati 19 mm za motorje, ki kot gorivo uporabljajo E85, in 20 mm za

motorje, ki kot gorivo uporabljajo bencin,

razporeditev komponent sesalnega sistema (sesalna trobentica, loputa, restriktor,

plenum, sesalna cev),

sesalni sistem ne sme v nobeni točki gledati izven površine, ki jo tvori najvišja točka

vozila, ko jo povežemo z najbolj zunanjo točko zadnjega para ali bočnega para

pnevmatik. Za boljšo predstavo geometrijske omejitve je dodana slika 1.2.

Slika 1.2: Zunanja geometrijska omejitev sesalnega sistema

Razen omejitev iz pravilnika so bili za projektiranje sesalnega sistema upoštevani tudi

smernice in cilji skupnega razvoja dirkalnika:

linearna krivulja navora brez grobih prehodov,

nizka masa sesalnega sistema,

enostavnost montaže in vzdrževanja.


- 4 -

Slika 1.3: Sesalni sistem dirkalnika

GPE 12

1.2 Opredelitev diplomskega dela

V mariborski ekipi že več let uporabljamo sesalne sisteme s statično dolžino sesalnih cevi. V

preteklih letih v preračune in optimizacijo geometrije ni bilo vloženega veliko časa. Večina

ugotovitev se je izvedla na eksperimentalnem nivoju in ostala nezapisana. V nadaljevanju

bomo poskusili opisati predhodne sesalne sisteme in njihove hibe.

1.2.1 Sesalni sistem dirkalnika GPE 12

V sezoni 2012 se je uporabljal še Hondin 600-

kubični štirivaljni motor. Problematika tega

sesalnega sistema je nekoliko drugače

definirana, saj ima motor štiri valje. Sesalni

sistem GPE 12 je prikazan na sliki 1.3.

Hibe:

uporabljen kupljeni restriktor (večje

tlačne izgube, višja masa),

ravne površine na področju sesalne

komore (večja možnost pojavljanja

upogiba in višja masa ob poskusu, da se

upogibu izognemo),

standardna kupljena sesalna trobentica

pred loputo (večje tlačne izgube, višja

masa),

ker se za numerični preračun Hondinega

motorja še ni uporabljalo programskega

paketa AVL boost, sklepamo, da tudi

dolžina sesalnih cevi ni ravno optimalna


- 5 -

1.2.2 Sesalni sistem dirkalnika GPE 13

V sezoni 2013 se je prvič uporabil KTM-ov 478-

kubični enovaljni motor. Problematika sesalnega

sistema na tem motorju je podobna obravnavani

tematiki. Sesalni sistem GPE 13 je prikazan na

sliki 1.4.

Hibe:

standardna kupljena sesalna trobentica

pred loputo (večje tlačne izgube, višja

masa),

neoptimiran restriktor (večje tlačne

izgube),

prvi računski model motorja AVL

BOOST (iterativni pristop k optimizaciji

parametrov sistema),

90° zavoj na sesalni cevi.

Kot je razvidno iz zapisanega, so predhodni sesalni sistemi dirkalnikov imeli precej

pomanjkljivosti in nikoli niso bili v celoti geometrijsko unikatno določeni ter optimirani za

dirkalni motor, na katerem so bili uporabljani. Cilj tega diplomskega dela je izogibanje

takšnim pomanjkljivostim in določitev optimalne geometrije sesalnega sistema za motor z

unikatnimi zahtevami. V ta namen smo s pomočjo programskih paketov analizirali vpliv

geometrijskih sprememb sesalnega sistema na karakteristiko motorja in vplivne parametre

sesalnega sistema tudi optimirali na tak način, da smo zmanjšali tlačne izgube skozi sistem in

izboljšali karakteristike motorja v uporabnem območju vrtilne frekvence z uporabo polnilnega

učinka sesalne cevi.

Slika 1.4: Sesalni sistem dirkalnika

GPE 13


- 6 -

1.3 Struktura diplomskega dela

V uvodnem delu diplomskega dela sta predstavljena ozadje ekipe Univerze v Mariboru (UNI

MB) GPE in pomen sesalnega sistema na dirkalniku GPE 14, opisane so omejitve sesalnega

sistema in pomanjkljivosti sesalnih sistemov na dirkalnikih iz prejšnjih let, postavljen je cilj

diplomskega dela in na kratko je prikazana njegova struktura. Drugo poglavje je posvečeno

teoretičnim osnovam sesalnih sistemov, predstavljene pa so tudi poenostavljene inženirske

rešitve za nekatere njihove probleme. V tretjem poglavju so zapisane informacije o

uporabljenih inženirskih računalniških programih, njihovi funkcionalnosti in ozadju

delovanja. Četrto poglavje povzema predelavo obravnavanega motorja, za katerega se razvija

sesalni sistem, in njegove osnovne specifikacije. Drugi del četrtega poglavja predstavlja

izbrane inženirske rešitve za določene dele sesalnega sistema in prikazuje njihov končni

CAD-model (Computer aided design). Peto poglavje predstavlja rezultate analize vpliva

geometrijskih lastnosti sesalnega sistema na karakteristiko motorja in opisuje postopek

optimizacije ter končne optimirane parametre sesalnega sistema. V šestem poglavju je na

kratko opisana izdelava sesalnega sistema in primerjani so rezultati numerične simulacije z

opravljenimi laboratorijskimi meritvami karakteristik motorja. Sedmo poglavje predstavlja

povzetek diplomskega dela, v osmem poglavju pa je zbrana uporabljena literatura.


- 7 -

2 TEORETIČNE OSNOVE SESALNEGA SISTEMA

Sesalni sistem je namenjen dobavi in pripravi sveže gorljive mešanice za motor z notranjim

zgorevanjem. Cilj dobro izvedenega sesalnega sistema je dobava takšne gorljive mešanice v

valj motorja pri čim nižji temperaturi (višja gostota zraka) in čim višjem tlaku (višji masni

pretok gorljive mešanice v valj). Glavni dejavnik, s katerim lahko ocenimo, ali je sesalni

sistem dober ali slab, je volumetrični izkoristek, ki ga podaja razmerje med realnim in

teoretičnim masnim tokom gorljive mešanice v valj [2]. Definiramo ga kot:

휂𝑣 =2. ��𝑟

𝜌. 𝑉𝑑 . 𝑛=

𝑚𝑟

𝑚𝑡

(2.1)

Pri tem so:

휂𝑣 – volumetrični izkoristek

��𝑟 [kg/s] – realni masni pretok

��𝑡 [kg/s] – teoretični masni pretok

𝜌 [kg/m3] – gostota zraka v okolici

𝑉𝑑 [m3] – delovni volumen valja

𝑛 [obr/min] – vrtilna frekvenca motorja

Ker na temperaturo okoliškega zraka ne moremo vplivati, se pri naravno polnjenih motorjih

osredotočamo predvsem na zmanjšanje tlačnega padca skozi sesalni sistem.

2.1 Maksimalni teoretični pretok skozi restriktor toka

Pravilnik določa, da mora sesalni sistem dirkalnega motorja, ki bo uporabljen v dirkalniku

GPE 14, vsebovati najožji krožni presek sesalnega sistema premera 19 mm, ki je podan v

kombinaciji z gorivom E85. Najožji presek ali restriktor toka mora biti implementiran v

sesalni sistem neposredno za loputo. Na podlagi izkušenj iz prejšnjih let smo se odločili, da se

za konceptno obliko restriktorja uporabi De Lavalova oblika konvergentno-divergentne šobe

(glej sliko 2.1).


- 8 -

Slika 2.1: Konvergentno-divergentna De-Lavalova šoba

Vloga restriktorja na sesalnem sistemu je s stališča pravilnika omejevanje maksimalnega

možnega pretoka in s tem maksimalne moči motorja. Ko hitrosti toka v ozkem grlu prestopijo

mejo 1 Macha, se tlačni padec skozi sesalni sistem bistveno poveča. Temu območju pravimo

dušeno območje, motorja pa v tem območju ni smotrno uporabljati. Za določitev Machovega

števila najvišjo hitrost skozi ozko grlo [3] sesalnega sistema definiramo kot:

𝑣𝑚𝑎𝑥 =0,5 ∗ 𝑉𝑑 ∗ 𝑛

60 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟2

(2.2)

Pri tem so 𝑉𝑑 delovni volumen valja, 𝑛 vrtilna frekvenca motorja in 𝑟 polmer ozkega grla

restriktorja. Machovo število [3] določimo enostavno iz razmerja maksimalne hitrosti 𝑣𝑚𝑎𝑥 v

ozkem grlu sesalnega sistema in hitrosti zvoka 𝑐𝑧 pri določeni temperaturi, tlaku in vlažnosti

okolice:

𝑍 =𝑣𝑚𝑎𝑥

𝑐𝑧

(2.3)


- 9 -

Zaželeno je, da Machovo število ne presega vrednosti 1 Macha v nobeni obratovalni točki

motorja, saj se na tak način izognemo zmanjšanju volumetričnega izkoristka motorja zaradi

tlačnega padca skozi šobo [4].

2.2 Uporaba Helmholtzeve teorije za izračun geometrije sesalne cevi

Helmholtzeva resonanca [5] je fenomen, ki se pojavi pri oscilaciji fluida v nekem volumnu.

Vhodno oscilacijo lahko z napravo, imenovano Helmholtzev resonator, pri nekaterih

frekvencah ojačamo ali izničimo. Pri motorjih z notranjim zgorevanjem pojav Helmholtzeve

resonance izkoriščamo v različne namene. Tukaj bo opisan primer uporabe tega pojava za

zvišanje polnilnega tlaka pri štiritaktnih naravno polnjenih motorjih z notranjim zgorevanjem.

Slika 3.2 prikazuje model, ki ga uporabimo za preračun sesalne cevi.

Slika 2.2: Shematski model Helmholtzevega resonatorja

Tlačne oscilacije znotraj sesalne cevi motorja z notranjim zgorevanjem se pojavijo ob zaprtju

sesalnega ventila. Takrat se tlak na čelu ventila poviša zaradi vztrajnostnih sil premikajočega

se fluida in nastane tlačni val, ki se s hitrostjo zvoka premika po dolžini sesalne cevi do

zunanje meje, kjer se delno odbije nazaj proti čelu ventila. Ta oscilacija se pred naslednjim

odprtjem sesalnega ventila pri višjih frekvencah izvede večkrat in tako so tlačni valovi, ki jih

ujamemo ravno ob pravem trenutku, da dvignejo tlak polnjenja, v valju že nekoliko oslabljeni.

Na žalost se temu v večini primerov ne moremo izogniti, ker bi bile dimenzije takšnih

sesalnih cevi, ki bi omogočale polnjenje s prvim ali drugim odbojnim valom, zelo dolge in

neprimerne za praktično uporabo na dirkalniku. Slika 2.3 prikazuje fenomen tlačnega

valovanja v sesalni cevi štiritaktnega motorja z notranjim zgorevanjem.


- 10 -

Slika 2.3: Tlačne oscilacije znotraj sesalne cevi

Poenostavljena enačba temelji na osnovi Helmholtzeve teorije in določa vrtilno frekvenco

motorja z notranjim zgorevanjem, pri kateri se z danimi parametri pojavi ekstrem polnilnega

učinka:

𝑛 =15 ∗ 𝐶

𝜋∗ √

𝐴

𝐿 ∗ 𝑉𝑒𝑓𝑓

(2.4)

Pri tem so:

𝐿 [m] – dolžina sesalne cevi

𝐶 [m/s] – hitrost zvoka v mediju

𝐴 [m3] – površina preseka sesalne cevi (A = π * r2; r – polmer sesalne cevi)

𝑉𝑒𝑓𝑓 [m3] – efektivni volumen



- 11 -

Enačbo lahko preoblikujemo tudi tako, da izrazimo dolžino sesalne cevi L pri znanem

premeru cevi in obratovalni točki motorja, v kateri želimo motorju z notranjim zgorevanjem

dvigniti volumetrični izkoristek :

𝐿 = 225 ∗ 𝐶2 ∗ 𝐴

𝑉𝑒𝑓𝑓 ∗ 𝜋2 ∗ 𝑛2

(2.5)

Pri tem so:

𝐿 [m] – dolžina sesalne cevi

𝐶 [m/s] – hitrost zvoka v mediju

𝐴 [m3] – površina preseka sesalne cevi (A = π * r2; r – polmer sesalne cevi)



Efektivni volumen valja 𝑉𝑒𝑓𝑓 je določen kot polovica delovne prostornine s prišteto

kompresijsko prostornino. Pri efektivnem volumnu je hitrost bata najvišja, posledično pa je

tudi hitrost fluida, ki vteka v valj, najvišja :

𝑉𝑒𝑓𝑓 =𝑉𝑑

2+ 𝑉𝑐

(2.6)

Pri tem so:


𝑉𝑑 [m3] – delovna prostornina motorja

𝑉𝑐 [m3] – kompresijska prostornina motorja

Iz enačbe 2.5 je razvidno, da Helmholtzev pristop k problematiki ne upošteva časa odprtja

sesalnih ventilov, zato lahko pričakujemo pri uporabi te metode rahla odstopanja.


- 12 -

3 PROGRAMSKI PAKETI

Za reševanje problema obravnavane tematike so uporabljeni programski paketi podjetij

DASSULT in AVL. S pomočjo modelirnega programa CATIA podjetja DASSAULT sta

modelirana tridimenzionalni konceptni in končni model sesalnega sistema. Program CATIA

se je uporabil iz preprostega razloga, saj je tudi preostali del dirkalnika modeliran s pomočjo

tega orodja in sta umestitev v skupni model in spreminjanje le-tega enostavna in hitra. S

pomočjo programa AVL BOOST podjetja AVL je bil vzpostavljen enodimenzionalni

numerični simulacijski model celotnega dirkalnega motorja in s spreminjanjem parametrov

sesalnega sistema je bil prikazan vpliv na karakteristiko dirkalnega motorja. Izvedena je bila

tudi optimizacija parametrov sesalnega sistema, ki je s pomočjo optimizacijskega algoritma

vrnila optimalne vrednosti za posamezne parametre sesalnega sistema. Program AVL FIRE je

bil uporabljen za tridimenzionalni numerični preračun računalniške dinamike tekočin v

računskem modelu restriktorja, s pomočjo katerega smo analizirali vpliv geometrijskih

lastnosti restriktorja na tlačni padec skozi restriktor in optimirali njegovo geometrijo.

3.1 Dassault Catia

CATIA [6] s široko paleto produktov, ki jih zajema v svojem programskem paketu, ponuja

rešitev za obširno območje inženirskih problemov, saj ponuja orodja za računalniško podprto

konceptualizacijo, modeliranje, izdelavo CNC-programov, dizajniranje (modeliranje površin),

enostavno integriranje elektro in cevnih inštalacij. Ob ponudbi takšnih celovitih rešitev za

različna področja inženirske stroke ni težko uvideti, zakaj je CATIA še zmeraj najbolj

uporabljano orodje v avtomobilski, letalski in ladijski industriji. Najpomembnejše orodje v

sklopu programskega paketa CATIA, ki je bilo uporabljeno za reševanje dela obravnavane

problematike, je modelirnik, s pomočjo katerega je bil modeliran tridimenzionalni model

sesalnega sistema.

3.2 AVL Boost

AVL BOOST [7] je program, ki omogoča enodimenzionalno numerično simulacijo motorja z

notranjim zgorevanjem. Pri konstantni vrtilni frekvenci omogoča opis termodinamičnih

procesov motorja z notranjim zgorevanjem. Ob uporabi dobro kalibriranih (kalibracija na


- 13 -

meritve) modelov motorjev z notranjim zgorevanjem lahko pridobimo informacije o motorju,

za katere bi sicer porabili zelo veliko časa in sredstev, da bi jih pridobili s pomočjo

eksperimentalnih metod. S pomočjo programa AVL BOOST lahko simuliramo delovanje

različnih izvedenk motorjev (otto, diesel, wankel), batne bencinske in dizelske motorje lahko

simuliramo v dvo- ali štiritaktnih izvedenkah.

3.2.1 Grafični vmesnik

Program ima dobro razvit grafični vmesnik, ki uporabniku služi kot orodje za vstavljanje

različnih elementov, ki so del motorja (cilinder, turbokompresor, injektor, cevi, plenum itd.) v

realnosti, in kasneje nudi možnost, da za vsak del posebej vnesemo potrebne geometrijske in

termodinamske lastnosti. Povezave med posamičnimi deli v grafičnem vmesniku so

definirane kot cevi, ki jim prav tako lahko pripišemo geometrijske in termodinamske lastnosti.

Simulacija se lahko odvija samo pri konstantni frekvenci in tako moramo izvesti simulacijo

motorja v več operativnih točkah, da lahko kasneje tvorimo serijske rezultate in želene

vrednosti z uporabo programa za obdelovanje podatkov prikažemo v odvisnosti od vrtilne

frekvence motorja.

3.2.2 Računski program

Program za izračune s svojimi optimiranimi algoritmi in enačbami temelji na dolgoletnih

izkušnjah podjetja AVL v svetu motorjev z notranjim zgorevanjem. Tok v ceveh in

posameznih elementih je definiran enodimenzionalno, kar pomeni, da so hitrost, tlak in

temperatura v cevi po celotnem prerezu konstantni. Pretočne izgube skozi posamezni element

ali cev definiramo s pretočnimi koeficienti.

Slika 3.1 shematsko prikazuje energijsko bilanco v valju. V enačbi 3.1 imamo na levi strani

člen, ki opisuje spremembo notranje energije v valju. Na desni strani enačbe od leve proti

desni prvi člen opisuje delo, ki ga opravi bat. Drugi člen opisuje dovedeno energijo, ki jo

pridobimo iz vbrizganega goriva, tretji opisuje vsoto izgub toplote skozi stene zgorevalne

komore in četrti člen opisuje izgube entalpijskega toka zaradi uhajanja produktov ekspanzije

med steno valja in batnimi obročki.


- 14 -

Slika 3.1: Energijska bilanca v valju

Računski program temelji na prvem glavnem zakonu termodinamike (ohranitev energije):

𝑑(𝑚𝑐. 𝑢)

𝑑𝛼= −𝑝𝑐 .

𝑑𝑉

𝑑𝛼+

𝑑𝑄𝑓

𝑑𝛼− ∑

𝑑𝑄𝑤

𝑑𝛼− ℎ𝐵𝐵 .

𝑑𝑚𝐵𝐵

𝑑𝛼

(3.1)

Računski program pri izračunu upošteva tudi splošno plinsko enačbo:

𝑝𝑐 =1

𝑉. 𝑚𝑐 . 𝑅0. 𝑇𝑐

(3.2)

Pri numerični simulaciji motorja, katere rezultati so prikazani skozi diplomsko delo, smo za

model sproščanja toplote ob zgorevanju uporabili funkcijo Vibe – to je najenostavnejši model,

ki se uporablja za naravno polnjene motorje s prisilnim vžigom:

𝑑𝑥

𝑑𝛼=

𝑎

∆𝛼𝑐. (𝑚 + 1). 𝑦𝑚. 𝑒−𝛼.𝑦(𝑚+1)

(3.3)

𝑑𝑥 =𝑑𝑄

𝑄

(3.4)

𝑦 = 𝛼 − 𝛼0

∆𝛼𝑐

(3.5)


- 15 -

Pri tem so:

𝑄 [J] – totalni vnos toplote

𝛼 [°] – kot zasuka ročične gredi

𝛼0 [°] – kot zasuka ročične gredi pri začetku zgorevanja

∆𝛼𝑐 [°] – trajanje zgorevanja

𝑚 – parameter oblike zgorevanja

𝑎 – parameter funkcije Vibe

Prenos toplote ima za menjavo plinov v valju veliko vlogo, ob tem pa močno vpliva tudi na

volumetrični izkoristek motorja, še posebej pri nižjih vrtilnih frekvencah. Za model prenosa

toplote v valju je izbran model AVL 2000, ki je s pomočjo izkušenj podjetja AVL

izpopolnjeni model Woschni. Glavna prednost modela AVL 2000 pred modelom Woschni je,

da bolje opiše vpliv prenosa toplote na volumetrični izkoristek.

𝛼 = 𝑀𝑎𝑥 [𝛼𝑊𝑜𝑠𝑐ℎ𝑛𝑖, 0.013𝑑−0.2𝑝0.8𝑇−0.53 (𝑐4 (𝑑𝑖𝑛

𝑑)

2

|𝑣𝑖𝑛|)

0.8

] (3.6)

Pri tem so:

𝛼 [J/m2K] – koeficient prenosa toplote

𝑐4 – interni parameter = 14

𝑑 [m] – premer valja

𝑝 [Pa] – tlak

𝑇 [K] – temperatura

𝑑𝑖𝑛 [m] – premer cevi, povezane na sesalni kanal

𝑣𝑖𝑛 [m/s] – hitrost v sesalnem kanalu

Za izračun prenosa toplote v okolici sesalnih in izpušnih ventilov se je uporabila funkcija

zapf:

𝛼𝑝 = [𝐶7 + 𝐶8. 𝑇𝑈 − 𝐶9. 𝑇𝑢2]. 𝑇𝑢

0.33. ��0.68. 𝑑𝑣𝑖−1.68. [1 − 0765.

ℎ𝑣

𝑑𝑣𝑖]

(3.7)

𝛼𝑝 = [𝐶4 + 𝐶5. 𝑇𝑈 − 𝐶6. 𝑇𝑢2]. 𝑇𝑢

0.44. ��0.5. 𝑑𝑣𝑖−1.5. [1 − 0,797.

ℎ𝑣

𝑑𝑣𝑖]

(3.8)


- 16 -

3.3 AVL Design explorer

AVL DESIGN EXPLORER je program, ki je, kot kaže že ime, namenjen raziskovanju

parametrično različnih izvedenk specifičnega računskega modela. Program je integriran v

programske pakete AVL na tak način, da omogoča uporabo le-tega v povezavi s katerim koli

izmed programov znotraj paketov AVL, mogoče pa ga je uporabljati tudi v povezavi z

nekaterimi zunanjimi programskimi paketi (CATIA, PROE itd.).

DESING EXPLORER omogoča ustvarjanje in analizo parametrično različnih izvedenk

specifičnega računskega modela (spreminjanje parametrov matematičnih modelov ali

geometrijskih lastnosti računskega modela) s pomočjo različnih statističnih metod. Program

prav tako omogoča parametrično optimizacijo specifičnega računskega modela – meje

parametrov določi uporabnik in so optimirani s pomočjo optimizacijskih algoritmov na tak

način, da dosežejo neko ciljno funkcijo, ki jo poda uporabnik glede na rezultat simulacije

računskega modela (ciljno funkcijo predstavlja maksimalna ali minimalna vrednost

opazovane veličine).

3.3.1 Vzorčenje po metodi »latin hypercube«

Metoda »latin hypercube« [8] je statistična metoda za generiranje skoraj naključnih vzorcev

vrednosti parametrov iz večdimenzionalne distribucije. Metoda za vzorčenje je v DESIGN

EXPLORERJU namenjena generaciji parametrično smiselno različnih izvedenk specifičnega

računskega modela.

V kontekstu statističnega vzorčenja je kvadratna mreža, ki vsebuje pozicije vzorcev »latinska

kvadratna mreža« samo v primeru, da je v vsaki vrstici in v vsakem stolpcu kvadratne mreže

samo en vzorec (glej sliko 3.2). Metoda »latin hypercube« pa je posploševanje tega koncepta

v želeno število dimenzij (parametrov), kjer je vsak vzorec edini v svoji aksialno poravnani

iperpovršini, ki ga vsebuje. Med vzorčenjem specifičnega računskega modela z N parametri je

razpon vsakega parametra razdeljen v M enako verjetnih intervalov. M vzorčnih točk je zatem

razdeljenih tako, da zadostijo pogojem metode »latin hypercube«. Pomanjkljivost te metode

je, da takšna razdelitev vzorčnih točk pomeni enako število razdelkov M za vsak parameter.

Prednost te metode je, da za več dimenzij (parametrov) ne potrebujemo več vzorcev in da

lahko vzamemo vsak vzorec posebej, ne da bi pri tem izgubili nadzor nad obravnavanimi

vzorci.


- 17 -

Slika 3.2: Primer dvodimenzionalne mreže, ki izpolnjuje pogoj metode »latin hypercube« [16]

3.3.2 Nelder-Mead optimizacijska metoda

Nelder-Mead [9] ali padajoča simpleks optimizacijska metoda je pogosto uporabljena

numerična metoda za iskanje maksimuma ali minimuma objektivne funkcije v

večdimenzionalnem prostoru. Uporablja se za nelinearne optimizacijske probleme, katerih

odvodi po navadi niso znani. Metoda se poslužuje koncepta simpleksa [10], ki je poseben

politop z n + 1 točkami v n dimenzijah. Primeri politopov so: segment linije na liniji, trikotnik

na površini, tetraeder v tridimenzionalnem prostoru in tako naprej (glej sliko 3.3). Metoda se

približuje lokalnemu optimumu problema z n parametri, ko objektivna funkcija variira gladko

in je unimodalna.

Slika 3.3: Posebne politope [17]


- 18 -

Nelder-Mead metoda v n dimenzijah ohranja niz n + 1 vzorčnih točk, ki so oblikovane v

simpleks. Metoda nato ekstrapolira obnašanje objektivne funkcije, izmerjene v vsaki vzorčni

točki tako, da lahko najde novo vzorčno točko simpleksa in jo nadomesti s staro, in tako

metoda napreduje. Najenostavnejši pristop je, da se nadomesti najslabšo vzorčno točko s

točko, ki je zrcalna točka prek srednjice preostalih n vzorčnih točk. Če je ta vzorčna točka

boljša od katerekoli izmed ostalih vzorčnih točk v simpleksu, se metoda poskuša

eksponencialno raztegniti v smeri te vzorčne točke, če pa ta vzorčna točka ni veliko boljša od

predhodne, to pomeni, da stopamo prek doline, zato se simpleks začne skrčevati k boljši

vzorčni točki.

3.4 AVL Fire

AVL FIRE [11] je program, ki za različne tridimenzionalne termofluidne probleme z uporabo

računalniške dinamike tekočin ponuja celovite ali delne rešitve znotraj enega samega

programa. Omogoča ustvarjanje tridimenzionalno strukturiranih in nestrukturiranih računskih

modelov (računske mreže), preračun računskega modela z uporabo metode končnih volumnov

ter obdelavo izpisovanih tri- in dvodimenzionalnih rezultatov, skratka, program nam ponuja

celovito rešitev vse od točke, ko imamo pripravljeno želeno CAD-geometrijo, do točke, ko

želimo pregledati in oceniti rezultate simulacije.

3.4.1 Grafični vmesnik

Grafični vmesnik v programu AVL FIRE nam omogoča popravljanje površinskega modela,

ustvarjanje strukturiranih in nestrukturiranih računskih mrež, izbiranje površin na modelu za

kasnejšo definicijo robnih pogojev, uporabo številnih modulov in podprogramov, namenjenih

predvsem za pripravo modelov motorjev z notranjim zgorevanjem in premikajočih se

računskih mrež, definicijo in nastavitev računskega programa ter robnih pogojev modela,

zagon kalkulacije, spremljanje konvergence posamičnih spremenljivk v živo in obdelavo tri-

in dvodimenzionalnih rezultatov kalkulacije.

3.4.2 Računski program

Računski program AVL FIRE temelji na osnovi preračuna z metodo končnih volumnov.

Metoda končnih volumnov je konservativna aproksimativna metoda za predstavitev in

vrednotenje volumskih in površinskih integralov parcialnih diferencialnih enačb v obliki


- 19 -

algebraičnih enačb za posamezni končni volumen celotnega računskega modela. Podobno kot

pri metodi končnih razlik in metodi končnih elementov so vrednosti izračunane na diskretnih

mestih računske mreže. »Končni volumen« se nanaša na mali volumen, ki obkroža vsako

vozliščno točko na računski mreži (glej sliko 3.4). Prednost metode končnih volumnov je tudi

to, da je enostavno prilagojena za računanje modelov z nestrukturirano računsko mrežo.

Slika 3.4: Končni volumen [18]

Temeljni fizikalni konservativni zakoni (zakon o ohranitvi mase, zakon o ohranitvi gibalne

količine, zakon o ohranitvi energije itd.) so v svoji izvorni obliki definirani za masni sistem

(sistem kontrolne mase), lahko pa jih preoblikujemo v oznako, ki pravi, da je stopnja

spremembe ekstenzivne veličine �� = ��𝑑𝑉 posledica interakcije tega sistema z okolico:

(𝑑��

𝑑𝑡)

𝑚

= ∫ ��𝐴𝐴

𝑑𝐴 + ∫ ��𝑉

��𝑚𝑑𝑉 (3.9)

Pri tem so �� upoštevana ekstenzivna veličina (masa, gibalna količina, vrtilna količina,

energija itd.), �� ustrezna veličina (na enoto mase), �� gostota fluida, ��𝐴 pokazatelj lokalne

difuzije veličine �� na kontrolni meji na enoto časa in ��𝑚 izvor ali ponor veličine �� na enoto

mase in enoto časa.


- 20 -

Z uporabo Reynoldsovega prenosnega izreka za elementarni kontrolni volumen lahko enačbo

3.9 preoblikujemo v diferencialno obliko konservativnega zakona za katerokoli intenzivno

veličino 𝜙 za uporabo s kontrolnim volumnom:

��𝐷��

𝐷𝑡= ��

𝜕��

𝜕𝑡+ ��𝑗

𝜕��

𝜕𝑥𝑗= ��𝑚 +

𝜕��𝐴

𝜕𝑥𝑗

(3.10)

Z uporabo izraza 3.10 in upoštevanjem ohranitve intenzivne veličine (ohranitev mase,

ohranitev gibalne količine, ohranitev energije) izrazimo diferencialno obliko Navier-

Stokesovih enačb:

Kontinuitetna enačba – ohranitev mase (�� =��

𝑚= 1, ��𝐴 = 0 𝑖𝑛 ��𝑚 = 0) :

𝜕��

𝜕𝑡= −

𝜕

𝜕𝑥𝑗(��𝑗)

(3.11)

Gibalne enačba, ohranitev gibalne količine (�� = ��𝑖):

��𝐷��𝑖

𝐷𝑡= ��

𝜕��𝑖

𝜕𝑡+ ��𝑗

𝜕��𝑖

𝜕𝑥𝑗= ��𝑔𝑖 +

𝜕��𝑖𝑗

𝜕𝑥𝑗

= ��𝑔𝑖 −𝜕��

𝜕𝑥𝑖+

𝜕

𝜕𝑥𝑗[𝜇 (

𝜕��𝑖

𝜕𝑥𝑗+

𝜕��𝑗

𝜕𝑥𝑖−

2

3

𝜕��𝑘

𝜕𝑥𝑘𝛿𝑖𝑗)]

(3.12)

Energijska enačba, ohranitev energije (�� = �� = ℎ + ��2/2):

��𝐷��

𝐷𝑡= �� (

𝜕��

𝜕𝑡+ ��𝑗

𝜕��

𝜕𝑥𝑗) = ��𝑔𝑔 +

𝜕��

𝜕𝑡+

𝜕(��𝑖𝑗��𝑗)

𝜕𝑥𝑖+

𝜕

𝜕𝑥𝑗(𝜆

𝜕��

𝜕𝑥𝑗)

(3.13)

Za izračun turbulence v računskem modelu je uporabljen turbulentni model 𝑘 − 휁 − 𝑓, ki

temelji na sistemu štirih enačb in je nadgradnja turbulentnega modela 𝑣2 − 𝑓, kjer je za

razmernik hitrostne skale uporabljena vrednost 휁 =𝑣2

𝑘 za boljšo numerično stabilnost

turbulentnega modela.

Vrtinčna viskoznost je izračunana kot:


- 21 -

𝜈𝑡 = 𝐶𝜇 ∗ 휁 ∗𝑘2

휀

(3.14)

Ostale spremenljivke pa so izračunane iz naslednjega niza enačb:

– turbulentna kinetična energija 𝑘:

𝜌𝐷𝑘

𝐷𝑡= 𝜌(𝑃𝑘 − 휀) +

𝜕

𝜕𝑥𝑗[(𝜇 +

𝜇𝑡

𝜎𝑘) ∗

𝛿𝑘

𝛿𝑥𝑗]

(3.15)

– disipacija turbulentne kinetične energije 휀:

𝜌𝐷휀

𝐷𝑡= 𝜌

𝐶𝜀1∗ ∗ 𝑃𝑘 − 𝐶𝜀2 ∗ 휀

𝑇+

𝜕

𝜕𝑥𝑗[(𝜇 +

𝜇𝑡

𝜎𝑘) ∗

𝛿휀

𝛿𝑥𝑗]

(3.16)

– normalizirana hitrost 휁:

𝜌𝐷휁

𝐷𝑡= 𝜌 ∗ 𝑓 − 𝜌 ∗

휁

𝑘∗ 𝑃𝑘 +

𝜕

𝜕𝑥𝑗[(𝜇 +

𝜇𝑡

𝜎𝜁) ∗

𝛿휁

𝛿𝑥𝑗]

(3.17)

– eliptična relaksacijska funkcija 𝑓:

𝑓 − 𝐿2 ∗𝜕2𝑓

𝜕𝑥𝑗 ∗ 𝜕𝑥𝑗= (𝐶1 + 𝐶2 ∗

𝑃𝑘

휁) ∗

(23⁄ − 휁)

𝑇

(3.18)

Turbulentna časovna in dolžinska skala sta podani kot:

𝑇 = 𝑚𝑎𝑥 (𝑚𝑖𝑛 (𝑘

휀,

𝑎

√6 ∗ 𝐶𝜇 ∗ |𝑆| ∗ 휁) , 𝐶𝑡 (

𝜈

휀)

12⁄

) (3.19)

𝐿 = 𝐶𝐿 ∗ 𝑚𝑎𝑥 (𝑚𝑖𝑛 (𝑘

32⁄

휀,

𝑘1

2⁄

√6 ∗ 𝐶𝜇 ∗ |𝑆| ∗ 휁) , 𝐶𝜂 ∗ (

𝜈3

4⁄

휀1

4⁄))

(3.20)


- 22 -

Dodatna modifikacija enačbe za disipacijo turbulentne kinetične energije 휀 je oslabitev

konstante 𝐶𝜀1∗ v bližini sten za boljšo računsko stabilnost:

𝐶𝜀1∗ = 𝐶𝜀1 ∗ (1 + 0.045 ∗ √

1

휁)

(3.21)


- 23 -

4 MOTOR IN SESALNI SISTEM

4.1 Karakteristike standardnega motorja

V dirkalniku GPE 14 je bil kot pogonski dirkalni motor uporabljen predelan pogonski agregat

motocikla KTM SX-F 450 (glej sliko 4.1). V serijski izvedbi tega motorja je dobava goriva

izvedena z uplinjačem, sesalni sistem pa je izveden v obliki enostavne cevi in volumna, v

katerem je tudi zračni filter. V tabeli 1 so zbrane osnovne lastnosti standardnega motorja [12].

Slika 4.1: Standardni motor motocikla KTM SX-F 450 [19]

Tabela 1: Osnovni parametri standardnega motorja

Premer bata [mm] 97

Hod bata [mm] 60,8

Kompresijsko razmerje 12,5 : 1

Dolžina ojnice [mm] 107,4

Notranji premer sesalnih ventilov [mm] 40,4

Notranji premer izpušnih ventilov [mm] 31,7

Odpiranje sesalnih ventilov [° pred ZML] 50


- 24 -

Zapiranje sesalnih ventilov [° za SML] 90

Odpiranje izpušnih ventilov [° pred SML] 75

Zapiranje izpušnih ventilov [° za ZML] 60

Območje maksimalnega navora [obr./min] ~ 7250

Območje maksimalne moči [obr./min] ~ 8250

Maksimalni navor [Nm] 48,4

Maksimalna moč [HP] 53,1

4.2 Karakteristike predelanega motorja

Dirkalni motor, uporabljen v dirkalniku GPE 14, se zaradi predelave, ki je bila izvedena, da se

poveča specifična izhodna moč kljub posebnim zahtevam, opazno razlikuje od standardnega

motorja za motocikel. Na sliki 4.2 je prikazan motor dirkalnika GPE 14 na preizkuševališču.

Tabela 2 podaja osnovne lastnosti dirkalnega motorja po izvedeni predelavi.

Slika 4.2: Dirkalni motor GPE14 na preizkuševališču


- 25 -

Predelava motorja v sezoni 2013/14 je vključevala:

povišanje prostornine motorja z nestandardnim valjem in batom,

povečanje hoda bata z modifikacijo standardne motorne gredi,

povišanje kompresijskega razmerja motorja z nestandardnim batom,

implementacijo senzorja pozicije odmičnih gredi,

uporabo vbrizgalne šobe za vbrizgavanje goriva v sesalni kanal,

uporabo širokopasovnega lambda tipala,

uporabo goriva E85,

uporabo dirkalne kontrolne enote motorja MoTeC M800,

optimiran sesalni, izpušni in hladilni sistem.

Tabela 2: Osnovni parametri motorja po predelavi

Premer bata [mm] 104

Hod bata [mm] 64,75

Kompresijsko razmerje 14:1

Dolžina ojnice [mm] 107,4

Notranji premer sesalnih ventilov [mm] 40,4

Notranji premer izpušnih ventilov [mm] 31,7

Odpiranje sesalnih ventilov [° pred ZML] 50

Zapiranje sesalnih ventilov [° za SML] 90

Odpiranje izpušnih ventilov [° pred SML] 75

Zapiranje izpušnih ventilov [° za ZML] 60

Območje maksimalnega navora [obr./min] ~ 6000

Območje maksimalne moči [obr./min] ~ 9500


- 26 -

4.3 Modeliranje in uporabljene inženirske rešitve

Pred začetkom modeliranja se je z enostavnimi elementi (CAD) in upoštevanjem pravilnika

izvedla analiza o maksimalnih in minimalnih gabaritih pomembnih parametrov sesalnega

sistema. S spreminjanjem geometrijskih lastnosti elementov sesalnega sistema (sesalna cev,

sesalna komora itd.) in premikanja le-teh znotraj geometrijske omejitve pravilnika so bile

definirane mejne vrednosti za sesalni sistem, kot je razvidno iz tabele 3.

Tabela 3: Mejne geometrijske vrednosti

Minimalna vrednost Maksimalna vrednost

Dolžina sesalne cevi 50 mm 500 mm

Premer sesalne cevi 30 mm 65 mm

Kot zasuka sesalne cevi 80° 110°

Volumen sesalne komore 2 l 6,5 l

4.3.1 Sesalne trobentice

Sesalne trobentice so nameščene na prehodih sesalnega sistema, kjer bi implementacija

enostavnejšega ostrega roba predstavljala zmanjšanje efektivnega prereza pri vtoku fluida v

sistem, s čimer bi se povišale tlačne izgube celotnega sesalnega sistema. Implementacija

sesalne trobentice je bila izvedena na vseh prehodih sesalnega sistema, kjer fluid iz okoliša ali

večjega volumna zraka pri visoki hitrosti vstopa v cev. Formula (4.1) predstavlja odvisnost

tlačnih izgub od oblike in hrapavosti sesalne trobentice, ki je podana s koeficientom lokalnih

izgub 휁 ter od hitrosti toka 𝑣 in gostote fluida 𝜌 [3]:

𝛥𝑝 =휁𝜌𝑣2

2

(4.1)

Pri modeliranju geometrijskih lastnosti sesalne trobentice imamo vpliv le na obliko, saj so

premeri in s tem tudi hitrost fluida pogojeni z geometrijskimi omejitvami pravilnika,

kupljenih komponent (lopute) in optimalnega premera sesalne cevi za izkoriščanje

polnitvenega učinka. Za določitev optimalne oblike sesalne trobentice smo uporabili rezultate

raziskave, ki sta jo izvedla Gordon. P Blair in W. Melvin Cahoon [13]. Kot najbolj optimalno


- 27 -

obliko sesalne trobentice krožnega preseka sta izpostavila eliptično obliko vtoka z

zaokrožitvijo na vstopnem robu. Ostale geometrijske parametre sesalne trobentice sta podala

v odvisnost od premera izstopa, kot kaže slika 4.3:

Slika 4.3: Optimalne izmere sesalne trobentice

Na podlagi povzete raziskave smo zmodelirali in umestili sesalni trobentici, ki ju prikazuje

slika 4.4. Implementirani sta na prehodnih točkah v sesalnem sistemu.

Slika 4.4: Vstopni trobentici sesalnega sistema


- 28 -

4.3.2 Loputa

Loputo, ki služi za regulacijo obremenitve motorja (dodajanje in odvzemanje plina), smo

kupili pri proizvajalcu AT Power. Odločitev za nakup lopute je bila sprejeta na podlagi

problema zanesljivosti, ki bi se ob razvoju le-te najverjetneje pojavil – odpoved lopute ima

lahko katastrofalne posledice za dirkalnik (izguba nadzora nad delovanjem motorja, odpoved

motorja), in tako je bilo odločeno, da uporabimo testirano in preizkušeno komponento z

geometrijskimi lastnostmi, kot so opisane v tabeli 4.

Tabela 4: Geometrijske lastnosti lopute

Geometrijske lastnosti lopute

Premer lopute 28 mm

Dolžina lopute 30 mm

Kot odpiranja 90°

Slika 4.5: Loputa sesalnega sistema


- 29 -

4.3.3 Restriktor

Optimizacije restriktorja ali tako imenovane kritične točke sesalnega sistema smo se lotili s

pomočjo iterativnega pristopa, saj smo ocenili, da bomo lahko na tak način ta del sistema

dovolj izboljšali. Kot osnovna oblika restriktorja je bila izbrana De-Lavalova konvergentno-

divergentna šoba, saj naj bi po izsledkih dela Space Advantage Provided by De-Laval Nozzle

and Bell Nozzle over Venturi[14] le-ta omogočala najnižji tlačni padec s pravilnimi

geometrijskimi lastnostmi (radij vstopa, vstopni kot, izstopni kot) v območju 0,5 Macha, v

katerem se nahaja tudi tok v restriktorju. Kot začetni model smo uporabili geometrijo s

parametri, prikazanimi v tabeli 5. Pomen posameznih parametrov je prikazan na sliki 4.6.

Dolžina L = 100 mm in premer D = 19 mm sta konstantna in se ne spreminjata. Kot začetni

dizajn restriktorja smo uporabili vrednosti geometrijskih lastnosti v tabeli 5.

Slika 4.6: Posamezni parametri restriktorja

Tabela 5: Parametri začetnega modela

Konvergentni radij (R) 30 mm

Konvergentni kot (α) 16°

Divergentni kot (β) 6°


- 30 -

Za optimizacijo restriktorja z iterativnim pristopom je bilo izvedenih šestnajst geometrijsko

različnih preračunov RDT (računalniška dinamika tekočin) računskih modelov restriktorja s

parametri iz tabele 6.

Tabela 6: Preizkusne kombinacije geometrijskih parametrov restriktorja

Konvergentni

radij [mm]

Konvergentni

kot [°]

Divergentni

kot [°]

60 12 2

60 12 4

60 12 6

60 12 8

40 14 2

40 14 4

40 14 6

40 14 8

30 16 2

30 16 4

30 16 6

30 16 8

25 18 2

25 18 4

25 18 6

25 18 8

Računski model in uporabljene nastavitve računskega programa

Za izdelavo računske mreže smo najprej ustvarili polovični CAD-model sesalne trobentice,

lopute in restriktorja ter jim dodali ustalitveni volumen na vhodu in izhodu za boljšo

stabilnost simulacije. Polovično računsko mrežo smo uporabili iz razloga, ker smo želeli

prihraniti na računskem času simulacije, saj se le-ta zmanjša, pri tem pa so rezultati enaki kot


- 31 -

pri uporabi celotnega računskega modela. Primer pripravljenega računskega modela,

sestavljenega iz šestih ploskovnih končnih elementov, predstavlja slika 4.7.

Slika 4.7: Pripravljen računski model

Za preračun računskega modela smo uporabili časovno neodvisen pristop pri ustaljenih robnih

pogojih. Kot robni pogoj na dovodu smo uporabili polovični (zaradi polovice računskega

modela) masni pretok 0,0275 kg/s, ki je bil analitično izračunan za obravnavani motor pri

vrtilni frekvenci 10.000 obr./min. Predpostavili smo, da je tlačni padec manjši v vseh

obratovalnih pogojih, če je tako pri najvišjem teoretičnem masnem pretoku skozi restriktor.

Odvodni robni pogoj smo podali kot ambienti tlak 100.000 Pa, saj imamo na vstopu podan

masni pretok, tlačni padec pa je izpisan kot tlačna razlika med dovodnim in odvodnim delom.

V preračun je bil vključen tudi preračun stisljivosti toka, saj imamo znotraj domene vrednosti

Machovega brezdimenzijskega števila, ki presegajo mejo 0,3–0,4 Macha, nad katero efekt

stisljivosti že vpliva na rezultate. Turbulenca v toku je bila upoštevana z uporabo

turbulentnega modela k-ζ-f. Pri preračunu ni bila upoštevana energijska enačba.

Optimirani restriktor

Z analizo tlačnih padcev skozi restriktor smo izbrali optimalno geometrijsko obliko (nižji

tlačni padec je boljši). V tabeli 7 so podani rezultati iterativnega pristopa k optimizaciji.


- 32 -

Tabela 7: Prikaz rezultatov iterativnega pristopa k optimizaciji

Konvergentni

radij [mm]

Konvergentni

kot [°]

Divergentni

kot [°]

Tlačni padec

(Pa)

60 12 2 5839,52

60 12 4 3901,28

60 12 6 4315,23

60 12 8 5154,67

40 14 2 5240,14

40 14 4 3808,53

40 14 6 4488,4

40 14 8 5423,84

30 16 2 5297,87

30 16 4 3869,57

30 16 6 4344,06

30 16 8 5695,52

25 18 2 5529,45

25 18 4 3879,71

25 18 6 3889,96

25 18 8 5095,86

Kot optimalna oblika restriktorja se je pokazal model z geometrijskimi parametri, kot je

prikazano v tabeli 8 in na sliki 4.8.

Tabela 8: Geometrijske lastnosti optimalnega restriktorja

Konvergentni radij (R) 40 mm

Konvergentni kot (α) 14°

Divergentni kot (β) 4°


- 33 -

Slika 4.8: Optimalni parametri restriktorja

Skozi restriktor teče razviti turbulentni tok s podzvočno hitrostjo. Na sliki 4.9 je prikazano

hitrostno polje skozi optimirano geometrijo restriktorja, najvišje hitrosti se pojavijo v

območju ozkega grla ob steni, kjer se posledično pojavi tudi najnižji absolutni tlak, kot je

razvidno iz slike 4.10.

Slika 4.9: Hitrostno polje skozi optimalno obliko restriktorja


- 34 -

Slika 4.10: Tlačno polje skozi optimalno geometrijo restriktorja

4.3.4 Sesalna komora

Sesalna komora motorju predstavlja zalogo zraka ob polni obremenitvi motorja, ko razmere v

sesalnem sistemu še niso ustaljene, in se v sesalnem sistemu obnaša podobno kot kondenzator

pri električnih vezjih, kar bo razvidno tudi iz raziskave v naslednjem poglavju. Sesalna

komora je izvedena kot podaljšek divergentnega dela restriktorja in se v začetnem območju

razširja z enakim kotom, kakršen je kot divergentnega dela šobe, kasneje pa se po eksponentni

funkciji kot poveča in sesalna komora se razširi do končnega premera, ki je nameščen v

območju, kjer trobentica sesalne cevi sesa zrak. Sesalna trobentica je nameščena tam zato, ker

se v tem območju sesalne komore pojavi najvišji statični tlak, saj so hitrosti tam zaradi

največjega preseka najnižje. Pri modeliranju in dizajniranju sesalne komore smo se

osredotočili predvsem na ciljani volumen sesalne komore in geometrijske omejitve, saj je bil

vpliv kota odpiranja, končnega premera in oblike sesalne komore ocenjen kot manj

pomemben v primerjavi z volumnom in geometrijskimi omejitvami. Končna oblika sesalne

komore je predstavljena na sliki 4.11.


- 35 -

Slika 4.11: Sesalna komora

4.3.5 Sesalna cev

Za končni model sesalne cevi smo kot geometrijske parametre uporabili vhodne podatke, ki

so bili pridobljeni s pomočjo optimizacije parametrov sesalnega sistema v programu AVL

BOOST. Optimalna dolžina sesalne cevi (vključno s sesalno trobentico) znaša 324 mm, njen

premer cevi pa 50 mm. Pri končnem modelu smo v sklopu geometrijskih omejitev poiskali še

najmanjši možni kot zasuka sesalne cevi (80°), ki je še omogočal optimalno postavitev ostalih

komponent sesalnega sistema. Manjši kot zasuka sesalne cevi je bil uporabljen zaradi

zmanjšanja tlačnih izgub, ki se pojavijo v zavitih ceveh. Končni uporabljeni model je prikazan

na sliki 4.12.


- 36 -

Slika 4.12: Sesalna cev

4.3.6 Vbrizgalna šoba

Izbira prave velikosti vbrizgalne šobe v tem delu ni obravnavana. Prikazana sta pozicioniranje

in pritrditev izbrane vbrizgalne šobe na sesalno cev. Za vbrizgavanje goriva smo na dirkalnem

motorju GPE 14 uporabili vbrizgalno šobo Bosch motorsport EV 14 (glej tabelo 9) z

naslednjimi geometrijskimi in vbrizgalnimi lastnostmi (shematski prikaz pomembnih veličin

je predstavljen na sliki 4.13).

Tabela 9: Osnovni podatki vbrizgalne šobe Bosch EV 14

Pretok [min-1] 429 g/627 cm3 (n-

heptan)

Tip E

Ohišje SxT

α 25°

γ 0°

δ 90°


- 37 -

Slika 4.13: Pomembne geometrijske veličine vbrizgalne šobe

Vbrizgalna šoba je bila na sesalno cev nameščena na tak način, da sta se najprej modelirala

vbrizgalna stožca vbrizgalne šobe (na sliki 4.14 označena rumeno) s pomočjo podatkov iz

zgornje preglednice, nato se je v model umestil in pravilno namestil tridimenzionalni posnetek

geometrije sesalnih in izpušnih ventilov. Vbrizgalna šoba je bila nato z uporabo manevriranja

po različnih delih sesalne cevi vstavljena na tak način, da se vbrizgalna stožca v nobeni točki

nista dotikala sesalnik kanalov in sta bila usmerjena na hrbtno stran sesalnih ventilov, kjer se

bo gorivo kasneje zaradi toplote sesalnih ventilov bolje uparjalo. Slika 4.13 prikazuje končno

pozicijo vbrizgalne šobe in pritrditev le-te na sesalno cev.

Slika 4.14: Pozicija vbrizgalne šobe


- 38 -

5 SIMULACIJA IN OPTIMIZACIJA ENODIMENZIONALNEGA

MODELA MOTORJA

Za izvedbo primerjalnih simulacij in optimizacije parametrov sesalnega sistema je bil v

programu AVL BOOST uporabljen simulacijski model motorja z notranjim zgorevanjem, kot

je prikazan na sliki 5.1. V tem diplomskem delu smo se osredotočili samo na sesalni sistem,

kljub temu pa je bila izvedena simulacija celotnega motorja. V sklopu enodimenzionalne

numerične simulacije motorja z notranjim zgorevanjem smo analizirali vpliv spremembe

geometrijskih parametrov posamičnih delov sesalnega sistema na karakteristike motorja in na

podlagi analize ovrednotili, ali je določene vrednosti parametrov smotrno optimirati. Kasneje

so predstavljeni rezultati optimizacije in vrednotenje le-teh.

Slika 5.1: BOOST simulacijski model obravnavanega motorja

Za prikaz učinkov spreminjanja geometrijskih parametrov sesalnega sistema (dolžina sesalne

cevi, premer sesalne cevi, volumen sesalne komore) je bil uporabljen volumetrični izkoristek


- 39 -

motorja, saj je vpliv spreminjanja geometrijskih lastnosti sistema najbolj razviden prav iz

volumetričnega izkoristka. Analiza posamične geometrijske lastnosti sesalnega sistema je bila

izvedena na tak način, da so bile vse ostale geometrijske lastnosti enake začetnim vrednostim,

spreminjali pa smo le analizirano veličino (dolžina sesalne cevi, premer sesalne cevi, volumen

sesalne komore). Kot začetne vrednosti simulacijskega modela motorja z notranjim

zgorevanjem smo uporabili vrednosti v tabeli 10.

Tabela 10: Začetne vrednosti geometrijskih parametrov

Dolžina sesalne cevi 250 mm

Premer sesalne cevi 45 mm

Volumen sesalne komore 5 l

5.1 Analiza vpliva dolžine sesalne cevi

Kot je razvidno iz slike 5.2, sprememba dolžine sesalne cevi močno vpliva na lokalno

zvišanje volumetričnega učinka v različnih območjih vrtilne frekvence za različne dolžine

cevi. Razvidno je, da daljša cev lokalno zviša volumetrični izkoristek v območju nižjih

vrtilnih frekvenc, krajše cevi pa lokalno povišajo volumetrični izkoristek pri višjih vrtilnih

frekvencah.

Slika 5.2: Vpliv spremembe dolžine sesalne cevi na volumetrični izkoristek motorja


- 40 -

Na sliki 5.3 so z rdečimi krožci označena prej omenjena maksimalna lokalna zvišanja

volumetričnega izkoristka zaradi polnitvenega učinka pri različnih dolžinah cevi.

Slika 5.3: Lokalni maksimumi za posamezne dolžine sesalne cevi

5.2 Analiza vpliva premera sesalne cevi

Iz slike 5.4 je jasno razviden vpliv oženja sesalne cevi na višje frekvence (zviševanja hitrosti

znotraj sesalne cevi). Tlačne izgube v cevi se pri višjih frekvencah povečajo in s tem

razlogom močno upade volumetrični izkoristek motorja v območju višjih frekvenc.

Slika 5.4: Vpliv premera sesalne cevi na volumetrični izkoristek motorja


- 41 -

Če povzamemo rezultate na sliki 5.5, sprememba premera sesalne cevi za 10 mm pomeni

spremembo območja pojava vrha lokalnega maksimuma za območje vrtilne frekvence 1.000

obr./min. Sprememba premera vpliva tudi na najvišjo vrednost volumetričnega izkoristka.

Slika 5.5: Lokalni maksimumi za posamezne premere sesalne cevi

5.3 Analiza vpliva volumna sesalne komore

Kot je razvidno iz slike 5.6, s povečevanjem volumna sesalne komore zvišujemo volumetrični

izkoristek motorja v območju 4.000–10.000 obr./min, lokalni maksimumi pa se v tem

območju ohranjajo v okolici enake vrtilne frekvence.

Slika 5.6: Vpliv volumna sesalne komore na volumetrični izkoristek motorja


- 42 -

Zanimiv vpliv volumna sesalne komore je razviden v območju rdečega kvadrata na sliki 5.6,

ki je podrobneje opisan na sliki 5.7. S spremembo volumna sesalne komore opazimo

premikanje lokalnega maksimuma v območju nizkih frekvenc motorja, to je v območju

2.500–4.500 obr./min, pri večjem volumnu se premakne v nižje frekvence in obratno pri

manjšem volumnu v višje frekvence.

Slika 5.7: Lokalni maksimumi v območju nizkih vrtilnih frekvenc

5.4 Optimizacija parametrov sesalnega sistema

S pomočjo analize posameznih geometrijskih lastnosti (dolžina sesalne cevi, premer sesalne

cevi, volumen sesalne komore) je bilo ugotovljeno, da vsi obravnavani parametri močno

vplivajo na volumetrični izkoristek motorja in s tem na karakteristike motorja, zato je dobro

izbrati takšne vrednosti le-teh, ki nam dajo najboljšo karakteristiko motorja. Ker bi s pomočjo

iterativnega postopka takšno kombinacijo parametrov iskali zelo dolgo, smo si pomagali z

optimizacijskim programom AVL DESIGN EXPLORER. Kot vhodne podatke za

optimizacijo smo morali podati parametre, ki so se spreminjali, njihove meje (glej tabelo 11)

in ciljno funkcijo, ki je ovrednotila vsak dizajn na način, ki smo ga podali. Ciljna funkcija

optimizacije je bila določena kot maksimalna vrednost navora v vsaki obratovalni točki

motorja, saj je bil cilj, da ima motor čim višji navor v čim bolj širokem uporabnem

obratovalnem območju.


- 43 -

Tabela 11: Razpon vrednosti geometrijskih parametrov optimizacije

Minimalna

vrednost

Začetna

vrednost

Maksimalna

vrednost

Dolžina sesalne cevi 50 mm 250 mm 500 mm

Premer sesalne cevi 30 mm 45 mm 65 mm

Volumen sesalne komore 2 l 5 l 6,5 l

Optimizacija je potekala na tak način, da se je s pomočjo zgoraj navedenih vhodnih

parametrov in njihovih meja za začetek s pomočjo statistične metode »latin hypercube« za

določanje statistično raznolikih vrednosti parametrov določilo osemdeset različnih testnih

dizajnov. Ko so bili rezultati teh dizajnov izračunani s pomočjo simulacijskega modela

motorja z notranjim zgorevanjem, je optimizacijski algoritem Nelder-Mead izbral najboljšega

izmed vseh testnih dizajnov in ga optimiral, pri tem pa je ustvaril še triinpetdeset

dizajnov/iteracij, ki so privedli k maksimumu ciljne funkcije in optimalnim vrednostim

parametrov sesalnega sistema, ki so prikazane v tabeli 12 in na sliki 5.8. Na sliki 5.9 pa je

prikazan odstotni delež vrednosti ciljne funkcije začetnega dizajna (dolžina sesalne cevi: 250

mm, premer sesalne cevi: 45 mm, volumen sesalne komore: 5 l) za vsakega izmed

preračunanih dizajnov, kjer je 100 % primerjalna vrednost ciljne funkcije za začetni dizajn

(več kot 100 % je boljše, manj je slabše). Dosegli smo 1,58-odstotno izboljšavo glede na

začetni dizajn.

Tabela 12: Optimalne vrednosti geometrijskih parametrov

Optimalna vrednost





- 44 -

Slika 5.8: Področje optimalnih vrednosti parametrov

Slika 5.9: Potek optimizacije


- 45 -

Kot končni dizajn parametrov sesalnega sistema so bile izbrane optimirane vrednosti za

dolžino in premer sesalne cevi. Optimalna vrednost volumna sesalne komore pa je bila

povzeta po analizi, izvedeni v magistrskem delu [15], saj zaradi prepoznega raziskovalnega

dela v laboratoriju in omejenih sredstev ni bilo možno preveriti vpliva volumna sesalne

komore na odzivnost in prosti tek dirkalnega motorja. V omenjenem magistrskem delu se je

član ekipe z univerze v Monashu (Avstralija) posvetil problematiki razvoja podobnega

motorja, kot je bil uporabljen v dirkalniku GPE14, ter pripadajočega sesalnega in izpušnega

sistema. Ugotovljeno je bilo, da ima volumen sesalne komore opazen vpliv na odzivnost

motorja. Povzeli smo njihove laboratorijske ugotovitve in za optimalno vrednost volumna

sesalne komore določili vrednost 4 litre. Tako so končni parametri sesalnega sistema, ki so

bili uporabljeni za izvedbo končnega CAD-modela (glej sliko 5.10), in kasnejšo izdelavo

sesalnega sistema, podani v tabeli 13.

Tabela 13: Končni uporabljeni geometrijski parametri sesalnega sistema

Optimalna vrednost




Slika 5.10: Končni CAD-model sesalnega sistema


- 46 -

6 IZDELAVA SISTEMA IN PRIMERJAVA REZULTATOV

Po končanem določanju optimalnih parametrov sesalnega sistema so ti bili uporabljeni za

končno dimenzioniranje CAD-modela sesalnega sistema in nato je bil ta izdelan. Sesalna cev,

sesalni trobentici, restriktor in eden izmed nosilcev so bili izdelani z laserskim

tridimenzionalnim tiskalnikom. Sesalna komora in večji izmed nosilcev sta bila izdelana z

uporabo kalupa in ogljikovih vlaken, impregniranih s smolo. Celoten sestavljeni sklop je z

vsemi ključnimi elementi tehtal 923 gramov. Sesalni sistem je bil nameščen na motor in na

preizkuševališču smo izmerili karakteristike motorja, prikazane na sliki 6.1. Kot je razvidno iz

slike, smo s simulacijo precej dobro ulovili trend karakteristik motorja in prav tako absolutno

maksimalno vrednost navora in vrtilno frekvenco, pri kateri se le-ta pojavi. Za večjo

natančnost bi bilo v prihodnosti smotrno prilagoditi nekatere parametre računskega modela in

dodati več računskih točk.

Slika 6.1: Izmerjene in simulirane karakteristike motorja


- 47 -

7 SKLEP

Z analizo geometrije restriktorja smo ugotovili, da na tlačni padec skozi restriktor bistveno

vplivajo vstopni in izstopni kot konvergentno-divergentne šobe ter radij, uporabljen na vstopu

v šobo. Z iterativnim pristopom k optimizaciji geometrije restriktorja smo uspeli izboljšati

tlačni padec za 12,3 %.

Z opravljeno analizo vpliva posameznih geometrijskih parametrov na volumetrični izkoristek

in posledično karakteristiko motorja smo ugotovili, da dolžina sesalne cevi najbolj vpliva na

območje vrtilne frekvence, pri kateri se pojavi lokalni maksimum volumetričnega izkoristka,

prav tako pa vpliva na število in območje pojava ostalih lokalno povišanih vrednosti

volumetričnega izkoristka skozi območje vrtilne frekvence. Pri analizi vpliva premera sesalne

cevi smo ugotovili, da premer vpliva na območje vrtilne frekvence, pri kateri se maksimalna

vrednost volumetričnega izkoristka pojavi, in na vrednost le-tega. Izvedeli smo tudi, da

volumen sesalne komore bistveno vpliva na volumetrični izkoristek v območju vrtilne

frekvence 4.000–10.000 obr./min in minimalno v območju nizkih vrtljajev, kjer vpliva na

območje vrtilne frekvence motorja, v katerem se pojavi maksimum prvega lokalnega zvišanja

volumetričnega izkoristka. S pomočjo optimizacije geometrijskih parametrov sesalnega

sistema smo dosegli izboljšanje 1,58 % ciljne funkcije glede na začetni dizajn.

Za nadaljnje raziskave obravnavane tematike bi bilo priporočljivo razmisliti o implementaciji

variabilne dolžine sesalne cevi ali variabilnega volumna sesalne komore, saj bi na tak način

lahko povišali volumetrični izkoristek s polnilnim učinkom ali večjo zalogo zraka v več

različnih obratovalnih točkah dirkalnega motorja. Za boljšo natančnost enodimenzionalnega

simulacijskega modela motorja z notranjim zgorevanjem bi bilo treba model bolje umeriti.


- 48 -

8 UPORABLJENI VIRI

[1] Formula SAE® Rules, 2014. Dosegljivo:

http://students.sae.org/cds/formulaseries/rules/2014_fsae_rules.pdf. [Datum dostopa: 12. 6.

2016].

[2] P. Pogorevc, Oblikovanje sesalnega kolektorja s pomočjo računalniške dinamike

tekočin, magistrsko delo, Univerza v Mariboru, 2007.

[3] B. Kraut, Krautov strojniški priročnik, 15. izdaja. Ljubljana: Littera picta, 2011.

[4] J. D. Anderson Jr., Modern Compressible Flow 2nd Edition. New York, USA:

McGraw-Hill publishing company, 1990.

[5] D. E. Winterbone, R. J. Pearson, Design Techniques for Engine Manifolds. London,

UK: Professional Engineering Publishing Limited, 1999.

[6] Dassault systems - CATIA [online]. Dosegljivo: http://www.3ds.com/products-

services/catia/. [Datum dostopa: 20. 6. 2016].

[7] AVL BOOST Version 2014.1 User's guide AVL List GmbH Graz.

[8] Latin hypercube sampling [online]. (Zadnje urejano: 8. 6. 2016). Wikipedia, the free

encyclopedia. Dosegljivo: https://en.wikipedia.org/wiki/Latin_hypercube_sampling. [Datum

dostopa: 20. 6. 2016].

[9] Nelder–Mead method [online]. (Zadnje urejano: 16. 7. 2016). Wikipedia, the free

encyclopedia. Dosegljivo: https://en.wikipedia.org/wiki/Nelder%E2%80%93Mead_method.

[Datum dostopa: 20. 6. 2016].

[10] Simplex [online]. (Zadnje urejano: 13. 7. 2016). Wikipedia, the free encyclopedia.

Dosegljivo: https://en.wikipedia.org/wiki/Simplex. [Datum dostopa: 20. 6. 2016].

[11] AVL FIRE Version 2014.2 User's guide AVL List GmbH Graz.

[12] KTM SX-F 450 Repair manual 2007 KTM Sportmotorcycle GmbH.

[13] G. P. Blair, M. Cahoon, "Best Bell," Race engine technology magazine, Sep 2006.

[14] O. N. Deshpande, N. L. Narappanawar, "Space advantage provided by De-Laval nozzle

and Bell nozzle over Venturi," Proceedings of the World Congress on Engineering, vol. 2, Jul

2015.


- 49 -

[15] R. Gilani, Engine simulation model for a formula SAE race car, Master's thesis, Luleå

University of Technology, 2010.

[16] Slika: Primer pogoja »Latin hypercube«. Datum dostopa: 20. 7. 2016. Vir slike:

< https://en.wikipedia.org/wiki/Latin_hypercube_sampling#/media/File:LHSsampling.png>

[17] Slika: Primeri politop. Datum dostopa: 25. 7. 2016. Vir slike:

< https://en.wikipedia.org/wiki/Simplex#/media/File:1-simplex_t0.svg>

[18] Slika: Primer končnega volumna. Datum dostopa: 26. 7. 2016. Vir slike:

< http://www.scielo.org.mx/img/revistas/geoint/v53n1/a5f1.jpg>

[19] Slika: Motor od motocikla KTM SXF 450. Datum dostopa: 28. 7. 2016. Vir slike:

< http://www.bikewalls.com/pictures/KTM_450_SX-F_2007_06_1024x768.jpg>

RAZVOJ SESALNEGA SISTEMA ZA DIRKALNIK FORMULA S - … · ̶90° zavoj na sesalni cevi. Slika Kot je...

Documents

Transcript of RAZVOJ SESALNEGA SISTEMA ZA DIRKALNIK FORMULA S - … · ̶90° zavoj na sesalni cevi. Slika Kot je...