ELIMINACIJA TURBO LUKNJE PRI MOTORJU Z NOTRANJIM …

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Tadej ILOVŠEK

ELIMINACIJA TURBO LUKNJE PRI MOTORJU Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM

Diplomsko delo

visokošolskega strokovnega študijskega programa 1. stopnje

Strojništvo

Maribor, avgust 2017

ELIMINACIJA TURBO LUKNJE PRI MOTORJU Z

NOTRANJIM ZGOREVANJEM

Diplomsko delo

Študent(ka): Tadej ILOVŠEK

Študijski program: visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Strojništvo

Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo

Mentor: Red. prof. dr, Breda KEGL

Somentor: Dr, Ivo PRAH

Maribor, avgust 2017

II

I Z J A V A

Podpisani Tadej ILOVŠEK, izjavljam, da:

je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

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

izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

so rezultati korektno navedeni,

nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

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

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor,_____________________ Podpis: ________________________

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Bredi Kegl in

(so)mentorju Dr. Ivo Prahu za pomoč in vodenje pri

opravljanju diplomskega dela.

Zahvaljujem se tudi družini za vso podporo in da so mi

omogočili študij strojništva na univerzi Mariboru.

IV

ELIMINACIJA TURBO LUKNJE PRI MOTORJU Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM

Ključne besede: turbopolnilnik, turbo luknja, eliminacija turbo luknje, AVL BOOSTTM

UDK: 621.43.018(043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu je prikazana idejna zasnova za eliminacijo turbo luknje v motorju z

notranjim zgorevanjem (MNZ). V delu je opisano delovanje turbopolnilnika, njegove

komponente in njihova vloga za zmanjšanje turbo luknje ter simulacijski program AVL

BOOSTTM. Predstavljen je sistem za eliminacijo turbo luknje, ki je bil analiziran s pomočjo

simulacijskega modela motorja z notranjim zgorevanjem in vozila v programskem orodju

AVL BOOSTTM. Izvedena je bila primerjava karakteristik motorja z notranjim zgorevanjem in

vozila za tri različne variante motorja z notranjim zgorevanjem: (1) običajno izvedbo MNZ s

turbo luknjo ter (2) dve idejni zasnovi, ki omogočata v zelo veliki meri odpraviti pojav turbo

luknje. Na podlagi dobljenih simulacijskih rezultatov je bil izbran model, ki je pokazal

najprimernejši potek opazovanih karakteristik, na katere vpliva pojav turbo luknje.

V

ELIMINATION OF TURBO LAG IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Key words: turbocharger, turbo lag, elimination of turbo lag, AVL BOOST TM

UDK: 621.43.018(043.2)

ABSTRACT

In the work is presented an idea for reduction of the turbo lag of the internal combustion

engine. The work describes the purpose of turbocharger, its components and their role, the

existing designs of the turbocharged engines and additionally introduces simulation software

AVL BOOSTTM. The proposed solution for eliminating the turbo lag was analysed based on the

performed simulations using combined model of the internal combustion engine and vehicle

in AVL BOOSTTM. In the scope of work, three different variants of the internal combustion

engine were simulated and analysed: (1) typical turbocharged engine configuration and (2)

two variants which enable evident elimination of turbo lag. Based on obtained simulation

results the best variant of the internal combustion engine simulation model which enables

evident elimination of the turbo lag phenomena was selected.

VI

KAZALO VSEBINE

UVOD ....................................................................................................... 1 1

Opredelitev problema ....................................................................... 1 1.1

Namen in cilj naloge .......................................................................... 1 1.2

Opis strukture dela ............................................................................ 1 1.3

TURBOPOLNILNIKI PRI MNZ ..................................................................... 2 2

Začetek razvoja turbopolnilnikov ...................................................... 2 2.1

Sestavni deli turbopolnilnika ............................................................. 3 2.2

Delovanje turbopolnilnikov ............................................................... 6 2.3

Turbo luknja ...................................................................................... 6 2.4

Vloga turbopolnilnika na energijsko bilanco ...................................... 7 2.5

Glavni sistemi za zmanjšanje turbo luknje ......................................... 8 2.6

PROGRAM AVL BOOSTTM ....................................................................... 10 3

Orodje za analizo rezultatov (IMPRESS Chart) .................................. 12 3.1

MODELI MOTORJA IN VOZILA ................................................................ 13 4

Osnovni model ................................................................................ 14 4.1

Elementi v modelu .......................................................................... 16 4.2

Model s sistemom za povečanje tlaka pred kompresorjem.............. 18 4.3

Model s sistemom za povečanje tlaka pred turbino ......................... 19 4.4

Cevi ................................................................................................. 22 4.5

Vmesnik motorja 3 .......................................................................... 23 4.6

Vmesnik motorja 2 .......................................................................... 26 4.7

Robni pogoj 3 .................................................................................. 28 4.8

Merilne točke .................................................................................. 31 4.9

Element za pretvorbo enačb ............................................................ 32 4.10

VII

Vozilo 1 ........................................................................................... 36 4.11

REZULTATI................................................................................................. 40 5

SKLEP....................................................................................................... 52 6

VIRI IN LITERATURA ..................................................................................... 53 7

VIII

KAZALO SLIK

Slika 1: Turbopolnilnik ............................................................................................................... 3

Slika 2: VGT turbopolnilnik ....................................................................................................... 8

Slika 3: Glavno okno simulacijskega programa AVL BOOST ................................................ 11

Slika 4: Graf za analizo rezultatov v post-procesorju IMPRESS Chart ................................... 12

Slika 5: Osnovni model motorja z vozilom v programu AVL BOOSTTM

............................... 15

Slika 6: Model motorja in vozila s tlačnim pulzom pred kompresorjem ................................. 18

Slika 7: Model motorja z vozilom s tlačnim pulzom pred turbino ........................................... 19

Slika 8: Set podatkov začetnih pogojev uporabljenih v modelu motorja z vozilom ................ 21

Slika 9: Podatki potrebni za inicializacijo cevi ........................................................................ 22

Slika 10: Imenovanje referenčnih podatkov o ventilu .............................................................. 23

Slika 11: Pretočni koeficient (odprtje) ventila za krmiljenje tlačnega pulza v odvisnosti od

časa ................................................................................................................................... 24

Slika 12: Način izbire krmiljenega elementa R9 s pomočjo EI3 .............................................. 25

Slika 13: Definiranje razmernika zraka in goriva v EI2 ........................................................... 26

Slika 14: Tabela zraka in goriva v odvisnosti od vrtilne frekvence motorja ............................ 27

Slika 15: Način izbire krmiljenja razmernika zraka s pomočjo EI2 ......................................... 27

Slika 16: Robni pogoj v tlačni posodi za tvorbo dodatnega tlačnega pulza ............................. 28

Slika 17: Postavitev pomembnih merilnih točk v modelu z vozilom ....................................... 31

Slika 18: Elementi in izbrane merjene veličine v EI2 .............................................................. 32

Slika 19: Prikaz krmiljenja vbrizgane količine goriva v valje ................................................. 33

Slika 20: Primer zapisa enačbe v prevajalniku enačb............................................................... 35

Slika 21: Osnovni podatki elementa vozila ............................................................................. 36

Slika 22: Definiranje karaktersitike voznika in prestavnih razmerij v menjalniku vozila ....... 38

Slika 23: Časovna odvisnost želene hitrosti vozila .................................................................. 39

Slika 24: Hitrost vozila v odvisnosti od časa ............................................................................ 40

IX

Slika 25: Vrtilna frekvenca motorja v odvisnosti od časa vožnje ............................................ 41

Slika 26: Navor motorja v odvisnosti od časa vožnje in področje turbo luknje ....................... 42

Slika 27: Vrtilna frekvenca turbopolnilnika v odvisnosti od časa vožnje ................................ 43

Slika 28: Volumetrični izkoristek v odvisnosti od časa vožnje ................................................ 45

Slika 29: Masni delež zaostalih izpušnih plinov v valju v odvisnosti od časa vožnje ............. 46

Slika 30: Delo bata za izmenjavo delovne snovi na enoto volumna v odvisnosti od časa vožnje

.......................................................................................................................................... 47

Slika 31: Entalpijski tok izpušnih plinov v odvisnosti od časa vožnje ..................................... 48

Slika 32: Hitrost izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje ..................... 49

Slika 33: Tlak izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje ......................... 50

Slika 34: Temperatura izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje ............ 51

X

UPORABLJENI SIMBOLI

T1 temperatura pred kompresorjem

T2 temperatura za kompresorjem

P1 tlak pred kompresorjem

P2 tlak za kompresorjem

κ koeficient kappa

mzr masni pretok zraka

n število vrtljajev motorja

i število valjev

XI

UPORABLJENE KRATICE

Fm_max Največji masni pretok goriva

AFRmin razmernik zraka in goriva

MF_MP11 masni pretok v merilni točki 11



ECU krmilna enota motorja

VGT/VNT turbopolnilnik z variabilno geometrijo turbine

SB robni pogoj

CL filter za zrak

MP merilna točka

R pretočni upor

PL posoda

TC turbopolnilnik

CO toplotni izmenjevalec

C valj

J spoj

FI prevajalnik enačb

EI vmesnik motorja

CAT katalitični pretvornik

E motor

MNZ motor z notranjim zgorevanjem

FMEP srednji efektivni tlak za premagovanje trenja

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

1

UVOD 1

Opredelitev problema 1.1

Pri motorju z notranjim zgorevanjem s turbopolnilnikom predstavlja le-ta oviran pretok

izpušnih plinov iz izpušnega sistema. Turbina se ob pritisnjenem pedalu za plin vrti z visoko

vrtilno frekvenco, da pa pride do teh vrtljajev, morajo izpušni plini premagati vztrajnostni

moment turbopolnilnika v čim krajšem času. Med pospeševanjem turbine se pojavi t.i. turbo

luknja, kar pomeni, da se v določenem časovnem intervalu po pritisku pedala za plin

zmogljivost motorja odzove z zakasnitvijo. Motor mora ustvariti dovolj visok tlak izpušnih

plinov, da se začne turbopolnilnik dovolj hitro vrteti. Ta pojav traja najdlje v področju nižjih

vrtilnih frekvenc motorja.

Namen in cilj naloge 1.2

Cilj je bil dokazati možnost eliminiranja turbo luknje in povečati odzivnost motorja v

področju nižjih vrtilnih frekvenc, kjer je le-ta najdlje prisotna. Odločili smo se uporabiti že

obstoječ motor kot začetni model za izvedbo simulacije tlačnega pulza in nanj namestili

opremo za eliminacijo turbo luknje. Z namenom, da bi se lažje ugotovilo kje bi bil spust

tlačnega pulza najbolj ustrezen, smo na izbranem motorju naredili več variant postavitve

opreme. Na koncu je sledila primerjava karakteristik za posamezno izvedbo in določitev

najbolj ugodnega poteka med primerjanimi karaktersitikami.

Opis strukture dela 1.3

V nadaljevanju je opisan razvoj turbopolnilnikov, obstoječe rešitve za zmanjšanje turbo

luknje, uporaba turbopolnilnikov pri MNZ ter njihove izvedbe. Prav tako je predstavljen

simulacijski program AVL BOOSTTM v katerem smo izvajali simulacijo ter začetni model

motorja z različnimi variantami postavitve sistema za preprečevanje turbo luknje.


2

TURBOPOLNILNIKI PRI MNZ 2

Začetek razvoja turbopolnilnikov 2.1

Zgodovina turbopolnilnikov sega do leta 1885, ko sta Gottlieb, Daimler in Rudolf Diesel

raziskovala možnost povečanja moči in zmanjšanja porabe goriva pri MNZ.

Leta 1925 je bil švicarski inženir dr. Alfred Buechl prvi kateri je uspešno uvedel sistem turbo

polnilnika gnanega s pomočjo izpušnih plinov, ter tako dosegel povečanje moči motorja za

več kot 40%. To je bil tudi začetek uvajanja turbopolnilnikov v avtomobilsko industrijo.

Turbo polnilniki so bili prvič uporabljeni v zelo velikih motorjih. Leta 1938 je »Swiss Machine

Works Sauer« naredil prvi motor s turbopolnilnikom za tovorno vozilo.

Chevrolet Corvair Monza in Oldsmobile Jetfire sta bila prva osebna avtomobila s turbo

polnilnikom. Bila sta na ameriškem trgu v letih 1962/63. Toda kljub naprednim tehničnim

rešitvam, njihovo delovanje ni bilo zanesljivo, kar je povzročilo, da sta hitro izginila iz tržišča.

Po prvi naftni krizi leta 1973 je turbopolnilnik postal bolj sprejemljiv v dizelskih motorjih. Do

tedaj ni bilo velikih vlaganj v razvoj, saj so bile cene goriva zelo nizke in so bili prihranki

minimalni. Vedno večje omejitve emisij izpušnih plinov so konec osemdesetih let privedle do

povečane proizvodnje in uporabe turbopolnilnikov. Tako ima danes skoraj vsako tovorno

vozilo vgrajen motor s turbopolnilnikom.

V sedemdesetih letih je prišlo do uporabe turbo polnilnikov tudi v avto moto športih,

predvsem v vozilih Formule 1, kar je pripeljalo do vse večje popularnosti v avtomobilski

industriji [1].


3

Beseda »turbo« je postala zelo popularna, zato je skoraj vsak proizvajalec vozil imel vsaj eno

vozilo s turbo motorjem. Kljub temu pa pojav izgine po nekaj letih in čeprav je bil motor

močnejši še vedno ni bil ekonomičen.

Pravi preboj v avtomobilski industriji je turbopolnilnik doživel leta 1978 z uvedbo prvega

dizelskega motorja s turbopolnilnikom pri Mercedesovem modelu 300SD. Sledil mu je VW

Golf turbodiesel leta 1981. S pomočjo turbo polnilnika se je povečala sposobnost dizelskih

motorjev in dosegla skoraj enak učinek kot pri bencinskih motorjih vendar z znatno nižjimi

emisijami izpušnih plinov. Danes se turbopolnilniki pri bencinskih motorjih ne uporabljajo za

povečanje moči motorja, pač pa sta glavna razloga zmanjšanje porabe goriva in emisij

škodljivih izpušnih plinov [1].

Sestavni deli turbopolnilnika 2.2

Na sliki 1 so prikazani osnovni deli turbopolnilnika

Slika 1: Turbopolnilnik

Ohišje

kompresorja

Ohišje turbine

Ležajno ohišje

Kompresor

Turbina

Povezovalna gred Priključek za dovod

olja ležajem


4

2.2.1 Kompresor in ohišje kompresorja

Kompresor sestoji iz dveh osnovnih komponent, ohišja kompresorja, ki se običajno imenuje

pokrov in "impelerja" ali tudi kompresorskega kolesa (rotorja). Pretok skozi kompresor

poteka na vstopu skozi center pokrova v aksialni smeri, do kompresorskega kolesa, nato se v

kompresorskem kolesu preusmeri za 90 stopinj. Ko pretok zraka zapušča kompresorsko kolo,

se preusmeri iz aksialne v radialno smer. Radialni tok nadaljuje pot proti difuzorju, kjer se

pretvori kinetična energija zraka v tlačno na račun difuzije pretočne hitrosti. V nadaljevanju

zrak vstopi v posodo imenovano volut, ki je lahko z ali brez lopatic. Tok zraka nato izstopi iz

volutnega ohišja. Velikost in oblika kompresorskega kolesa močno vpliva na njegovo

zmogljivost. Najbolj kritične so kompresorske lopatice. Profil lopatic in toleranca med

ohišjem in rotorjem sta dva pomembna faktorja poleg velikosti lopatic [2,3].

2.2.2 Ležajno ohišje

V ohišju turbine se nahaja gred na katero sta nasajena kolesi turbine in kompresorja. Gred

podpirata ležaja, ki sta ključnega pomena za obratovanje turbopolnilnika. Sistem ležajev

nadzira aksialne in radialne premike sestava gredi s kolesoma turbine in kompresorja. V

večini primerov so ležaji drsni, obstajajo pa tudi variante s krogličnimi ležaji. Naslednja

pomembna komponenta v ohišju so tesnila locirana na obeh straneh, tj. na turbinski in

kompresorski strani. Glavna naloga ležajev je preprečevanje uhajanja izpušnih plinov in sveže

polnitve v ležajno ohišje, ker sta tlaka slednjih pri kompresorju in turbini višja od tlaka v

ohišju, ki je približno enak tlaku v ohišju ročične gredi motorja. To pomeni, da preprečevanje

puščanja olja v turbino ali kompresor, ni primarna funkcija tesnil. Za to običajno skrbijo

deflektorji olja, ki preprečujejo, da olje sploh pride do tesnil. Edina slabost tesnil je, da

morajo prenesti gibanje gredi, ki ga povzroča potreben odmik od ležaja, kar je tudi edini

povzročitelj trenja v samem ohišju [4,3].


5

2.2.3 Turbina in ohišje turbine

Glavna naloga turbine je pretvoriti energijo izpušnih plinov v mehansko delo, ki žene

kompresor. Turbino sestavljata dve komponenti, rotor (turbinsko kolo) in stator (turbinsko

ohišje). Obstaja več različnih vrst turbin. Najbolj osnovne so turbine z aksialnim, radialnim in

mešanim pretokom [5]. Glede na to, da bo v obravnavanem delu uporabljena turbina z

radialnim tokom, bo ta podrobneje razložena. Radialna turbina je lahko v različnih

konstrukcijskih izvedbah. Obstaja turbina z enim (enonatočna) ali pa z dvema vstopoma

(dvonatočna). Različni konfiguraciji vplivata na dinamično obnašanje. Namen vstopne strani

v turbino je optimalni natočni tok na rotor z minimalno izgubo totalnega tlaka. To je

omogočeno z obliko ohišja imenovano volut. Večinoma so ohišja turbine brez lopatic [2].

Primarna funkcija ohišja je, da usmeri tok izpušnih plinov na lopatice rotorja turbine in

pospeši rotor v najkrajšem možnem času. Izpušni plini vstopijo v ohišje v tangencialni smeri

in potujejo po kanalih okoli središča turbine. Ti kanali vodijo pod optimalnim natočnim

kotom izpuste na lopatice turbine in jo vrtijo. Plini nato nadaljujejo svojo pot in zapustijo

turbino v aksialni smeri iz centra ohišja. Velikost ohišja ima pomemben vpliv na obnašanje

turbine. S spremembo velikosti ohišja se spremeni odzivnost turbine in s tem moč motorja

[3].


6

Delovanje turbopolnilnikov 2.3

Turbopolnilnik poganja turbina, ki izkorišča moč (entalpijo) in kinetično energijo izpušnih

plinov. Turbina je preko gredi povezana s polnilnikom oz. s tlačno (kompresorsko) stranjo, ki

sesa in komprimira zrak potreben za izgorevanje na višji tlak, ter ga dovaja v valje motorja.

Turbopolnilnik ni mehansko povezan z motorjem, ker ne potrebuje dodatne energije za svoje

delovanje, saj izkorišča razpoložljivo energijo izpušnih plinov, zato lahko motor porabi manj

goriva za enako zmogljivost, kot motor brez turbopolnilnika. Motor ima lahko zato manjšo

prostornino. Volumski izkoristek motorja je dosti boljši. Če primerjamo atmosferski motor z

večjo delovno prostornino in turbo motor z manjšo, je ta sposoben razviti manjšo, enako ali

večjo moč ob manjši porabi goriva. Turbopolnilniki imajo običajno izkoristek okrog 55% [1],

je pa slednji v splošnem odvisen od velikosti turbopolnilnika (manjši turbopolnilnik ima

manjši izkoristek).

Turbo luknja 2.4

V trenutku, ko je pritisnjena stopalka za plin, bi moral motor doseči maksimalni navor na

vrtljajih, pri katerih motor trenutno obratuje. Luknja je časovni zamik med trenutkom, ko je

bila pritisnjena stopalka za plin in največjim dejanskim navorom, ki ga motor lahko proizvede

pri dani obremenitvi (položaju stopalke za plin) in vrtilni frekvenci.

V vsakem motorju je nekaj časovnega zamika, zaradi vztrajnostnega momenta rotirajočih se

mehanskih delov ter tudi vztrajnosti (gibalne količine) same delovne snovi (zrak in izpušni

plini), ker slednji potrebujejo določen čas, da se lahko začnejo hitreje gibati. Prav tako

potrebuje določen čas tudi kontrolna enota (ang. Engine control unit - ECU), da reagira na

spremembo položaja stopalke za plin.

Pri atmosferskem motorju je časovni zamik bistveno manjši vendar še vedno prisoten, ker

mora motor napolniti polnilni kolektor z atmosferskim zrakom. To traja med 0.1 in 0.2

sekundama. Motorji, ki imajo turbopolnilnike imajo najdaljši časovni zamik, ker je potrebno

odpreti loputo za dovod zraka, počakati da izpušni plini pospešijo turbino na višje vrtljaje in

da kompresor komprimira zrak v polnilnem kolektorju na višji tlak.

Z velikostjo turbopolnilnika, se poveča tudi vztrajnostni moment in masa delovne snovi in s

tem čas trajanja, da turbopolnilnik doseže višjo vrtilno frekvenco. V tem primeru je turbo


7

luknja najbolj občutna, ker ob takojšnjem pritisku pedala za plin, voznik ne občuti povečanja

moči motorja [5].

Vloga turbopolnilnika na energijsko bilanco 2.5

Največja moč, ki jo motor lahko proizvede, je omejena s količino vbrizganega goriva in

dovodnega zraka, ki lahko zgori v valjih. Če je induciran (polnilni) zrak komprimiran, ima

večjo gostoto od okoliške pred vstopom v posamezen valj, potem bo maksimalna moč

motorja večja, ker lahko ob večji količini zraka vbrizgamo večjo količino goriva za določen

razmernik zraka in goriva. Primarna funkcija turbopolnilnika je povečanje gostote zraka na

račun povečanja tlaka zraka na vstopu v valje. V procesu komprimiranja turbopolnilnik jemlje

energijo iz entalpijskega toka izpušnih plinov, da poganja turbino, ki žene kompresor. Pri

mehansko gnanem kompresorju s pomočjo motorja (turbo kompresorju), pa se energija

potrebna za komprimiranje zraka dovaja neposredno od motorja. Variante z dvema

turbinama, dvostopenjskim turbinskim polnjenjem ali z dodanim hladilnikom oz. toplotnim

izmenjevalcem zraka za kompresorje, pa so tiste, ki še dodatno omogočijo povečanje

gostote zraka [6,7].


8

Glavni sistemi za zmanjšanje turbo luknje 2.6

VGT/VNT turbopolnilnik z variabilno geometrijo lopatic

Turbopolnilnik z dvema vstopoma v turbino (ang. twin scroll)

Hibridni turbopolnilnik

2.6.1 VGT Turbopolnilnik

Se uporablja v zračnem krogu motorja. Geometrija turbopolnilnika se spreminja s položajem

lopatic rotorja turbine (spreminjanjem pretočne površine skozi turbino) v odvisnosti od

signala ECU komponente. Ko je vrtilna frekvenca motorja nizka je s tem tudi zmožnost

(entalpija in kinetična energija) izpušnih plinov, ki ženejo turbino, nižja. Ko želimo motor

pospešiti z nižjih vrtljajev, je prvi parameter, ki ga motor sprejme, sprememba pritiska

pedala za plin. S spremembo položaja pedala se ECU krmilna enota v trenutku odzove s

signalom do vbrizgalnih šob, da se vbrizga večja količina goriva v zgorevalno komoro. ECU

sočasno pošlje signal do VGT sistema, da spremeni položaj lopatic rotorja turbine in s tem

omogoči izpušnim plinom, da zavrtijo turbino na višje vrtljaje zaradi povečanja totalnega

tlaka na vstopu v turbino. To posledično postopoma omogoči večji dovod količine zraka in

goriva v zgorevalno komoro [8].

Slika 2: VGT turbopolnilnik


9

2.6.2 Turbopolnilnik z dvema vstopoma v turbino

Sistem ima dva vstopa izpušnih plinov v turbino, da ni interakcije med tlačnimi pulzi v

izpušnih ceveh do posameznih valjev. Ena polovica izpušnih cevi, je povezana na eden del

odprtja v ohišju turbine, drugi del cevi pa na drugega. Če govorimo o šest valjnem motorju,

potem so izpušne cevi treh valjev združene na svitek v turbinskem ohišju. Ta metoda

omogoča neprekinjen tok izpušnih plinov v turbino. Ena od prednosti z ločitvijo toka izpušnih

plinov, je ob največji izkoriščenosti izpušnih plinov tudi njihova izmenjava v valjih, ker se

izognemo prekrivanju pulzov izpušnega tlaka [2,3].

2.6.3 Hibridni turbokopolnilnik

V ohišju turbopolnilnika se nahaja elektromotor/generator, motor deluje do hitrosti 120.000

vrt/min. Ko deluje kot generator je njegova učinkovitost 98%. Tukaj je hitrost kompresorja

neodvisna od hitrosti turbine. Med pospeševanjem vozila kompresor žene elektromotor vse

dokler kompresor ne doseže delovnih vrtljajev. To pospeševanje izniči turbo luknjo, ki se

kaže pri običajnih sistemih. Pri višjih motornih vrtljajih se generira več energije v turbini

kolikor je zahteva kompresor. V tem primeru je možno s presežkom energije napajati

akumulator za naslednjo fazo pospeševanja oz. električni kompresor klime. V ustaljenih

razmerah pa je elektromotor izključen [10,11].


10

Zgoraj našteti sistemi do neke mere zmanjšajo turbo luknjo, vendar je v celoti ne izničijo z

izjemo hibridnega sistema, ki pa ima slabost, da je kompleksen in poveča maso motorja. Zato

sem se odločil, da preizkusim lastno idejo, ki sem jo dobil tekom študijskega leta, natančneje,

v tretjem letniku. Deloma tudi s pomočjo trenutne tehnologije, ki se uporablja pri F1. Zato

sem s pomočjo fakultete kontaktiral podjetje AST, kjer sem dobil program AVL BOOSTTM, ki je

v nadaljevanju podrobneje razložen za lažje razumevanje.

PROGRAM AVL BOOSTTM 3

AVL BOOSTTM ima možnost simuliranja termodinamskega delovanja širšega spektra motorjev

z notranjim zgorevanjem, dvo in štiri taktnih, kjer vžig poteka s svečko ali samodejno.

Simulirati je možno tako manjše motorje za motorna kolesa, kakor tudi največje ladijske

motorje. Program je del programskega paketa AWS (AVL Workspace), ki poleg BOOST-a

vsebuje še program AVL EXCITE in IMPRESS Chart. AVL BOOSTTM vključuje grafični vmesnik

(ang. pre-processor), ki nudi podporo pri pripravi simulacijskega modela in vhodnih podatkov

za numerični izračun. Analiza rezultatov je podprta z interaktivnim post-procesorjem

imenovanim IMPRESS Chart.

Model motorja je zasnovan tako, da se z miškinim klikom izbere elemente iz drevesne

strukture, in se jih poveže s cevnimi elementi. Po tem principu je možno modelirati tudi

najzahtevnejše konfiguracije motorja brez težav, saj je na voljo veliko različnih elementov

[12].


11

Na sliki 3, je prikazana delovna površina v delovnem okolju AVL BOOSTTM.

Slika 3: Glavno okno simulacijskega programa AVL BOOST

Vrstica z menijem Vrstica z ikonami

Drevesna struktura z

elementi Delovna površina


12

Orodje za analizo rezultatov (IMPRESS Chart) 3.1

IMPRESS Chart služi za analizo rezultatov v grafični obliki. Optimiziran je za hitro in

enostavno analizo množice simulacijskih rezultatov ter omogoča ponovno uporabo

posnetkov in podatkov. Uporabnik lahko uvaža podatke v različnih oblikah, izvaja vrsto

matematičnih in statističnih analiz, ter izmenjuje podatke z drugimi aplikacijami delovnega

prostora. IMPRESS Chart vsebuje obsežen nabor grafičnih stilov, ki uporabniku omogočajo

mnogo možnosti pri oblikovanju grafov in dobljenih rezultatov simulacije [10].

Slika 4: Graf za analizo rezultatov v post-procesorju IMPRESS Chart


13

MODELI MOTORJA IN VOZILA 4

Na sliki 5 je prikazan osnovni, nemodificiran model motorja, imenovan baseline, ki služi kot

referenčni model. Naredili smo še dve izpeljanki (varianti) modela, kjer pri prvem spustimo

pulz pred kompresor, pri drugem pa pred turbino. Na delovno površino smo dodali in

razporedili vse potrebne elemente za sistem eliminacije turbo luknje in jih ustrezno

medsebojno povezali. Povezave so v modelu označene z modro barvo. Po razporeditvi vseh

potrebnih elementov je bilo potrebno elemente povezati še s povezavo za izmenjavo

signalov, kar je v modelu prikazano z modro barvo med posameznimi elementi.

Vse to je bilo potrebno storiti, ker smo v modelu priključili sistem za eliminacijo turbo luknje,

ki je za kratek čas dovedel povečano količino mase zraka v valje motorja.

V vseh treh modelih smo ustvarili enake pogoje za obratovanje, zato smo v posameznih

elementih izbrali enake vhodne vrednosti.


14

Osnovni model 4.1

Osnovni podatki o motorju so zbrani v Tabeli 1.

Tabela 1: Osnovni podatki o motorju

Delovna prostornina 2.6 l

Število valjev 6

Število taktov 4

Premer valja 80 mm

Hod bata 85 mm

Kompresijsko razmerje 18

Način hlajenja Vodno

Indukcija Prisilna

Vrsta goriva Dizel


15

Na sliki 5, je prikazan osnovni model motrja z vozilom, ki smo ga uporabili za numerični

izračun v programu AVL BOOSTTM.

Slika 5: Osnovni model motorja z vozilom v programu AVL BOOSTTM

FI1

45

51

47 48 49

5250

44

46

SB1

SB2

PL1

PL2

PL3

C1 C2 C3

C4 C5 C6

MP1MP2

MP3

MP4

MP5

MP11

MP12

MP10

MP13

MP6

MP14

MP7

CO1

CL1

CAT1

TC1

J1 J2

J3 J4

J5

J6

J7J8

1 2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22 23 24

25

26

27

J9

28 29 30 31 32 33

J10

34 35 36 37 38 39

40

CO2

R1

R7

R4

R5 R6

R3R2

41 42

43

MP8

MP9

EI1

ECU1

MNT1

E1 V1MC1

EI2


16

Elementi v modelu 4.2

Posamezne oznake oziroma elementi v modelu, na sliki 5, so:

- SB robni pogoj (ang. system boundary), zagotavlja povezavo med modelom in

okolico (atmosfero)

- 1,2,3… cevi (ang. pipe); cev predstavlja povezava črne barve, ki se označuje s številom

in je eden najpomembnejših elementov v modelu, ker z njo opišemo pot delovne

snovi v polnilnem in izpušnem sistemu. V njej je potrebno definirati parametre, kot so

premer, koeficient trenja, radij ukrivljenosti cevi, temperaturo stene in začetne

pogoje za tlak temperaturo plina, da so definirani v odvisnosti od lokacije v cevi.

- CL zračni filter (ang. cleaner); obravnavan je kot sistem volumenski element (ang.

Plenum)-cev-plenum. Uporablja se za izračun tlačnega padca v filtru v odvisnosti od

pretočnih pogojev.

- MP merilna točka (ang. measuring point); z uporabo merilnih točk je možen dostop

do podatkov o stanju delovne snovi na določenem mestu v cevi (npr. masni tok, tlak,

temperatura, itd.). Položaj merilne točke se definira kot oddaljenost začetka cevi, ki je

določen glede na smer puščice, ki kaže od začetka proti koncu cevi.

- R pretočni upor (ang. flow restriction); element se uporablja za upoštevanje padca

tlaka na določeni lokaciji v cevnem sistemu. Pretočni koeficienti upora morajo biti

definirani za obe pretočni smeri v cevi. Definirani so kot razmerje med dejanskim

masnim pretokom in izentropnim masnim pretokom pri enakem totalnem tlaku in

tlačnem razmerju.

- PL (ang. plenum); je volumenski element v katerem se gibalna količina toka zanemari.


17

- TC turbopolnilnik (ang. turbocharger); na voljo sta dva modela: poenostavljen in

kompleksen. Poenostavljen se uporablja samo v stacionarnih pogojih obravnavanja,

pri čemer se upošteva učinkovitost kompresorja in turbine. Prednost tega je, da ni

potrebnega večjega vnosa vhodnih podatkov za opis karakteristike turbopolnilnika.

Kompleksen model pa zahteva tudi podatke o celotni izmerjeni karakteristiki turbine

in kompresorja od proizvajalca turbopolnilnika.

- CO hladilnik (ang. cooler); podobno kot pri zračnem filtru tudi hladilnik sestavljajo

plenum-cev-plenum.

- C valj (ang. cylinder); je element v katerem je potrebno definirati osnovne dimenzije:

premer bata, hod bata, kompresijsko razmerje, dolžino ojnice, zamik sornika in

zaporedje vžiga v posameznih valjih. Prav tako je potreben vnos začetnih podatkov v

valju.

- J spoj (ang. junction); je element, ki združi cevi v vozlišče.

- FI element za pretvorbo enačb (ang. formula interpreter); je element kamor lahko

vpišemo formule za izračun želenih parametrov v programskem jeziku C#.

- EI vmesnik motorja (ang. engine interface); se uporablja za pošiljanje podatkov do

posameznih elementov v modelu, ki so med seboj povezani.

- CAT katalitični pretvornik (ang. catalyst), podobno kot element za zračni filter, je tudi

ta sestavljen iz treh delov (plenum-cev-plenum). Ta se uporablja za modeliranje

padca tlaka skozi katalitični pretvornik, v odvisnosti od dejanskega pretoka.

- E1 motor (ang. engine); v elementu se določi tip motorja, število valjev, zaporedje

vžigov za posamezne valje ter izgube zaradi trenja (ang. FMEP) v motorju med

obratovanjem.


18

Model s sistemom za povečanje tlaka pred kompresorjem 4.3

Na sliki 6 je prikazan model z vozilom z dodanim sistemom za povečanje polnilnega tlaka

pred kompresorjem, ki je označen z zeleno barvo.

Slika 6: Model motorja in vozila s tlačnim pulzom pred kompresorjem

FI1

45

51

47 48 49

5250

44

46

SB1

SB2

PL1

PL2

PL3

C1 C2 C3

C4 C5 C6

MP1

MP2

MP3

MP4

MP5

MP11

MP12

MP10

MP13

MP6

MP14

MP7

CO1

CL1

CAT1

TC1

J1 J2

J3 J4

J5

J6

J7J8

1 2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22 23 24

25

26

27

J9

28 29 30 31 32 33

J10

J11

34 35 36 37 38 39

40

CO2

R1

R7

R4

R8

R5 R6

R3R2

41 42

43

MP8

MP9

EI1

ECU1

MNT1

E1

R9

V1MC1

PL4

SB3

5455

EI2

56

53

EI3

57


19

Model s sistemom za povečanje tlaka pred turbino 4.4

Na sliki 7 je prikazan model motorja z vozilom z dodanim sistemom za povečanje tlaka pred

turbino, označen je z zeleno barvo.

Slika 7: Model motorja z vozilom s tlačnim pulzom pred turbino

R8

53

54

FI1

45

51

47 48 49

5250 44

46

SB1

SB2

PL1

PL2

PL3

C1 C2 C3

C4 C5 C6

MP1

MP2

MP3

MP4

MP5

MP11

MP12

MP10

MP13

MP6

MP14

MP7

CO1

CL1

CAT1

TC1

J1 J2

J3 J4

J5

J6

J7J8

1 2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22 23 24

25

26

27

J9

28 29 30 31 32 33

J10

J11

34 35 36 37 38 39

40

CO2

R1

R7

R4

R5 R6

R3R2

41 42

43

MP8

MP9

EI1

ECU1

MNT1

E1 V1MC1

R9

EI2

PL4

SB3

5556

57

EI3


20

Za razliko od osnovnega modela motorja z vozilom prikazanega na sliki 5 (referenčni model),

smo v ostalih dveh modelih dodali še sistem za eliminacijo turbo luknje, ki ga sestavljajo in

krmilijo naslednji elementi:

- Cevni elementi

- robni pogoj 3 (ang. system boundary 3)

- Posoda 4 (ang. plenum 4)

- Element za spoj cevi 11 (ang. junction 11)

Elementi, ki smo jih dodali oz. prilagodili in so enaki v obeh variantah motorja (sliki 6 in 7) z

namenom enakega delovanja in kasnejše primerjave karakteristik ter nadzora simulacije so:

- Element za pisanje enačb (ang. formula interpreter 1)

- Vmesnik motorja 3 (ang. engine interface 3)

- Vmesnik motorja 2 (ang. engine interface 2)

Elemente smo izbral v drevesni strukturi z elementi, pod zavihkom "componnents", kar je

prikazano na sliki 3. Na slikah 5, 6 in 7 so prikazani zgoraj navedeni elementi, ki smo jih

ustrezno razporedili na delovno površino in povezali s cevmi.

Vsako cev je bilo potrebno "inicializirati" z ustreznim setom podatkov oziroma določiti

začetne robne pogoje za tlak, temperature in sestavo delovne snovi. Vrednosti za

posamezen set so definirane v vrstici menija pod zavihkom simulation, control in nato

initilalization kar odpre okno, ki ga prikazuje slika 8.


21

Na sliki 8 je prikazan nabor podatkov za začetne pogoje v ceveh in plenumih simulacijskega

modela motorja z vozilom (slike 5-7).

Slika 8: Set podatkov začetnih pogojev uporabljenih v modelu motorja z vozilom


22

Cevi 4.5

Za vnos začetnih pogojev oziroma inicializacijo posamezne cevi v modelu, je potrebno izbrati

vsako cev posebej, ki je povezana z sistemom za eliminiranje turbo luknje. Prikaže se okno z

možnostjo vnosa podatkov o cevi. V drevesni strukturi cevi, smo izbrali zavihek initialization

in nato možnost global initialization pri naboru podatkov set 1 , kjer so definirani teoretični

začetni pogoji. Slednji so lahko drugačni od dejanskih, ki ji dobimo po končani simulaciji.

Na sliki 9 je prikazan primer za izvedbo inicializacije cevi.

Slika 9: Podatki potrebni za inicializacijo cevi


23

Vmesnik motorja 3 4.6

Pri vsakem modelu smo dodali dva vmesnika motorja (ang. engine interface), imenovana EI2

in EI3. Element EI3, služi za krmiljenje ventila, poimenovanega z R9, zato je bilo potrebno

vnesti vrednosti za čas odprtja in zaprtja ventila R9. Pred tem smo morali najprej določiti ime

seta podatkov (Name for Data Set), kar je razvidno s slike 10. To smo storili tako, da smo

izbrali element EI3 in nato izbrali v drevesni strukturi zavihek (data set[1]). Pod ime, (Name

for Data Set), smo vpisali (Valve_position). Za enoto smo izbrali razmerje (Ratio), za vrednost

(Value) pa tabelo (Table). V nadaljevanju smo vnesli vrednosti za odprtje oz. zaprtje ventila

R9 v odvisnosti od časa v tabelo.

Slika 10: Imenovanje referenčnih podatkov o ventilu

V drevesni strukturi smo izbrali (Value – Table). Odprlo se je okno tabele za položaj ventila

(Table for valve_position), kjer smo pod (Element) označimo (Global) in za senzorski kanal

(Sensor Channel) izbrali čas (Time). To smo storili, da smo omogočili vnos vrednosti za čas

odpiranja in zapiranja ventila. V stolpec Time (X) smo vpisali vrednosti časa, v stolpec

Valve_position (Y) pa položaj ventila.


24

V stolpec Time (X), ki prikazuje čas smo vpisali vrednosti: 0; 4.7 ; 4.8 ; 4.9 ; 5 ; 30

V stolpec Valve_position(Y), ki prikazuje pretočni koeficient (odprtje) ventila, pa smo vpisali

vrednosti: 0; 0; 0.9; 0.9; 0. Navedene vrednosti pomenijo, da je ventil pri vrednosti 0 zaprt in

pri vrednosti maksimalno 0.9 odprt. Iz tabele je razvidno da je skupen čas odpiranja,

zapiranja in trajanje odprtja ventila 0.3 sekunde.

Slika 11: Pretočni koeficient (odprtje) ventila za krmiljenje tlačnega pulza v odvisnosti

od časa

V zavihku aktuatorskega kanala (Actuator Channels) , je bilo potrebno definirati element, ki

smo ga krmilili. To smo storili s klikom na Insert Actuator Channel kar je omogočilo vnos

podatkov. Za referenčni set podatkov (Ref Data Set) smo vstavili položaj ventila

(Valve_position). Program je podatke jemal iz zgornje tabele prikazane na sliki 11. Za

element smo izbrali Restriction 9, ki predstavlja ventil. Za krmiljeno vrednost (Actuator

Channel) smo uporabili pretočni koeficient (flow coefficient).


25

Slika 12 prikazuje način izbire krmiljenega elementa R9 s pomočjo EI3.

Slika 12: Način izbire krmiljenega elementa R9 s pomočjo EI3

V obeh modelih smo uporabili enake vrednosti, zaradi primerjave rezultatov med dvema

variantama, in posledično izbire najboljše rešitve.


26

Vmesnik motorja 2 4.7

V elementu, ki predstavlja vmesnik motorja 2, je bilo potrebno definirati razmernik zraka in

goriva v odvisnosti od vrtilne frekvence motorja, ki posledično določa količino vbrizganega

goriva, kar je razvidno s slike 13. V drevesni strukturi elementa EI2, smo izbrali Data Set[1],

kjer smo za ime (Name for Data Set) vpisali AFR in izbrali enoto ratio.

Slika 13: Definiranje razmernika zraka in goriva v EI2

Iz slike 14, je razvidno, da smo v drevesni strukturi izbrali Value – Table, kamor smo vstavili

pod element motor (Engine 1) in pod merjeno vrednost (Sensor Channel) vrtilno frekvenco

(Mean Speed). V tabelo pod stolpec MSpeed(X) smo vpisali vrtilne frekvence motorja: 800 ;

1000 ; 2000 ; 3000 ; 4000 ; 5000 vrt/min. V stolpec AFR(Y) smo vnesli vrednosti: 16 ; 16.5 ; 18

; 20 ; 22, ki predstavljajo razmerje zraka in goriva. Pri 800 vrt/min, znaša razmerje med

zrakom in gorivom 16, pri 1000 vrt/min je 16.5 itd. vse do 5000 vrt/min.


27

Slika 14: Tabela zraka in goriva v odvisnosti od vrtilne frekvence motorja

Iz slike 15 je razvidno, da smo v drevesni strukturi, izbrali zavihek merjene oziroma krmiljene

vrednosti (ang. Actuator Channels). V stolpcu referenčnih podatkov (ang. Ref Data Set) smo

izbrali razmerje med zrakom in gorivom (AFR), v ostalih stolpcih pa izbrali None.

Slika 15: Način izbire krmiljenja razmernika zraka s pomočjo EI2


28

Robni pogoj 3 4.8

Na sliki 16 v elementu robnih pogojev označenem s SB3 je razvidno, da smo vnesli podatke

za tlak, temperaturo in sestavo delovne snovi v tlačni posodi za tvorbo dodatnega tlačnega

pulza pred kompresorjem oz. pred turbino. V ta namen smo v drevesni strukturi izbrali

možnost robni pogoj (ang. boundary conditions), nato pa izbrali možnost vnosa lokalnih

robnih pogojev (ang. local boundary conditions). Za tlak (ang. pressure) smo izbrali 6 bar, za

temperaturo komprimiranega zraka (gas temperature) pa vstavili temperaturo 224 ˚C.

Slika 16: Robni pogoj v tlačni posodi za tvorbo dodatnega tlačnega pulza


29

Glede na to, da je znašal tlak delovne snovi (zraka), ki smo ga komprimirali v tlačno posodo 6

bar, se je s tem povišala tudi temperatura zraka. V primeru kjer smo tlačni pulz zraka spustili

pred kompresor, je imela povišana temperatura negativen vpliv, ker je polnilnemu zraku

zmanjšala gostoto in je posledično vstopila v valje motorja manjša količina zraka, kar je

zmanjšalo možnost za povečanje moči motorja. Za določitev temperature zraka v tlačni

posodi smo uporabili enačbo za plinski kompresor:

𝑇2 = 𝑇1 ∗ (𝑝2

𝑝1)

𝜅−1

𝜅 [13] (4.1)

kjer je:

𝑇2 [K] temperatura na izstopni strani kompresorja

𝑇1 [K] temperatura okolice

𝑝2 [bar] tlak polnjenja tlačne posode

𝑝1 [bar] tlak okolice

Κ [-] razmerje specifičnih toplot

znani podatki:

𝑇1 = 298 K

𝑝2 = 6 bar

𝑝1 = 1 bar

Κ = 1.4


30

tako dobimo:

𝑇2 = 298 ∗ (6

1)

1.4−11.4

= 497 K

= 224˚C


31

Merilne točke 4.9

V vseh modelih so bile dodane merilne točke MP 11, MP13, MP 14, da je bilo možno meriti

masni pretok zraka in s tem omogočiti programu izračun največje možne količine

vbrizganega goriva med zagonom simulacije. Dve točki sta bili izbrani v neposredni bližini

valja, ena pa za hladilnikom izpušnih plinov skozi obvod.

Slika 17: Postavitev pomembnih merilnih točk v modelu z vozilom

FI1

45

51

47 48 49

5250

44

46

SB1

SB2

PL1

PL2

PL3

C1 C2 C3

C4 C5 C6

MP1MP2

MP3

MP4

MP5

MP11

MP12

MP10

MP13

MP6

MP14

MP7

CO1

CL1

CAT1

TC1

J1 J2

J3 J4

J5

J6

J7J8

1 2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22 23 24

25

26

27

J9

28 29 30 31 32 33

J10

34 35 36 37 38 39

40

CO2

R1

R7

R4

R5 R6

R3R2

41 42

43

MP8

MP9

EI1

ECU1

MNT1

E1 V1MC1

EI2

Lokacija merilnih

točk


32

Element za pretvorbo enačb 4.10

V drevesni strukturi, pod zavihkom zajemanje vhodnih vrednosti (ang. sensor channels), smo

vnesli v stolpcih imena spremenljivk (ang. variable), izbrali elemente (ang. element) iz katerih

zajemamo izbrane merjene vrednosti (ang. sensor channels) za izbrane veličine. Ti podatki so

navedeni v posameznem stolpcu, ki ga prikazuje slika 18.

Vstavljene podatkov za:

Variable: MF_MP13, MF_MP14 , MF_MP11 (oznake za merjenje masnega pretoka zraka).

Element: merilna točka 13 (ang. measuring point 13), merilna točka 14 (ang. measuring point

14), merilna točka 11 (ang. measuring point 11), vmesnik motorja 1 (ang. Engine interface 1),

motor 1 (ang. Engine 1).

Sensor channels: masni pretok zraka (ang. Mean Mass Flow), masni pretok zraka (ang. Mean

Mass Flow), masni pretok zraka (ang. Mean Mass Flow), izhodni kanal št. 72 (ang. Output.

No. 72), izhodni kanal št. 1 (ang. Output. No. 1).

Slika 18: Elementi in izbrane merjene veličine v EI2


33

Na sliki 19 smo v drevesi strukturi izbrali zavihek Actuator Channels. Vrednosti smo vnesli v

stolpce spremenljivk (ang. variable), elementov (ang. element) in krmiljenih vrednosti (ang.

actuator channels).

Vnos podatkov za:

Variable: fm_out1, fm_out2, fm_out3, fm_out4, fm_out5, fm_out6. Te spremenljivke

prikazujejo prepoznavne simbole.

Element: valj 1 (ang. Cylinder 1 ), valj 2 (ang. Cylinder 2 ), valj 3 (ang. Cylinder 3 ), valj 4 (ang.

Cylinder 4 ), valj 5 (ang. Cylinder 5 ), valj 6 (ang. Cylinder 6 ). To so elementi, za katere

program prilagaja količino vbrizganega goriva s pomočjo FI1.

Actuator Channel: Fuelling, Fuelling, Fuelling, Fuelling, Fuelling, Fuelling. To so spremenljivke,

ki jih element FI1 prilagaja oz. spreminja glede na uporabljene enačbe v zavihku Formula ter

vrednosti izmerjenih veličin, ki so definirane v zavihku Sensor Channels.

Slika 19: Prikaz krmiljenja vbrizgane količine goriva v valje


34

V zadnjem zavihku drevesne strukture imenovanem Formula, smo napisali enačbo za izračun

največje možne količine vbrizganega goriva v valj v odvisnosti od masnega pretoka zraka ter

razmernika zraka in goriva.

𝑓𝑚_ max = 𝑚𝑧𝑟∗ 120

𝑛∗ 𝑖∗ 𝐴𝐹𝑅𝑚𝑖𝑛 , (4.2)

kjer je:

𝑚𝑧𝑟 [kg/c] – masni pretok zraka

𝑛 [vrt/s] – vrtilna frekvenca motorja

𝑖 [-] - število valjev

𝐴𝐹𝑅𝑚𝑖𝑛- minimalno razmerje zraka in goriva


35

Vnos vrednosti:

𝑓𝑚_ max = ((𝑀𝐹_𝑀𝑃13 + 𝑀𝐹_𝑀𝑃14) ∗ 6 − 𝑀𝐹_𝑀𝑃11) ∗ 120/(1 ∗ 𝐸𝑛𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 ∗ 6 ∗

𝐴𝐹𝑅_𝑚𝑖𝑛) (4.3)

kjer sta MF_MP13 in MF_MP14 merilni točki, kjer se meri masni pretok, ki vstopi po sesalnih

kanalih v valj, zato ju seštejemo in množimo z vsemi šestimi valji. Tako dobimo celotni masni

pretok, ki vstopa v motor. V točki MF_MP11 pa merimo masni pretok izpušnih plinov iz

obvoda, ki se vrača v valje . Glede na to da v temu delu pretoka ni sveže polnitve, ga moramo

v enačbi odšteti.

Slika 20: Primer zapisa enačbe v prevajalniku enačb


36

Vozilo 1 4.11

Modelu motorja je dodan element vozila, ki je mehansko povezan z elementom motorja.

Slika 21 prikazuje zavihek osnovnih podatkov (ang. General) vozila. Uporabljeni so naslednji

podatki:

Vztrajnostni moment vozila (ang. Inertia of Drivetrain): 0,134 [kg m^2]

Masa vozila (ang. Vehicle Mass): 1930 [kg]

Radij kotaljenja kolesa (ang. Rolling Radius): 312 [mm]

V karakteristike obremenitve vozila smo vstavili:

Vrednost sile za premagovanje trenja (ang. Coefficient b): 160 [N]

Vrednost sile za premagovanje zračnega upora (ang. Coefficient d): 0,75 [N s^2/m^2]

Slika 21: Osnovni podatki elementa vozila


37

V drevesni strukturi slike 22 v zavihku Driver (voznik) so uporabljeni naslednji podatki:

Čas potreben za menjavo prestave (ang. Shifting time) : 0.25 [s]

Aktiviranje sklopke (ang. Clutch Pedal On) : 30 [%]

Spust pedala za plin (ang. Acceleration Padel Off) : 28 [%]

Pritisk pedala za plin (ang. Acceleration Padel On): 80 [%]

Pritisk sklopke (ang. Clutch Padel Off) : 72 [%]

Procentualno navedeni rezultati prikazujejo porabo časa potrebnega za menjavo prestave.

V polju menjalnika (ang. Gear Box), je definirano število prestav. V stolpcu prestav (ang.

Gear), so vstavljene vrednosti: 1, 2, 3, 4, 5 kar pomeni pet stopenjski menjalnik. V stolpcu

prestavnega razmerja (ang. ratio) so podane vrednosti za vsako posamezno prestavo: 10 ;

6,66 ; 4,53; 3,24 ; 2,55.

V polju menjave prestav (ang. Gear Shifting) je definirana minimalna in maksimalna vrtilna

frekvenca motorja, kjer nastopi menjava v višjo prestavo (pri doseženi maksimalni vrednosti

definirane vrtilne frekvence motorja) oz. nižjo prestavo (pri doseženi minimalni vrednosti

definirane vrtilne frekvence motorja).

V polju hitrosti (ang. Velocity) smo v pod vrstici hitrost vozila (ang. Vehicle Velocity) izbrali

tabelo.


38

Slika 22: Definiranje karaktersitike voznika in prestavnih razmerij v menjalniku vozila

Na sliki 23 je v drevesni strukturi prikazana tabela želene hitrosti vozila v odvisnosti od časa

(Vehicle velocity – table), z naslednjimi podatki:

Čas (ang. Time): 0 ; 4 ; 5 ; 60. Čas je prikazan v sekundah.

Hitrost vozila (ang. Velocity): 2 ; 2 ; 250 ; 250. Hitrost je prikazana v metrih na sekundo, pri

čemer pomeni 250 da je pedal za plin pritisnjen do konca.


39

Slika 23: Časovna odvisnost želene hitrosti vozila


40

REZULTATI 5

Ko smo vse zgoraj opisane elemente ustrezno prilagodili, smo modele shranili in izvedli

simulacijo. Po uspešni izvedbi simulacije smo preverili in analizirali dobljene rezultate. Ti so

prikazani za vse tri modele, za osnovnega, za model s tlačnim pulzom pred kompresorjem ter

model s tlačnim pulzom pred turbino. V grafični obliki so rezultati prikazani v odvisnosti od

časa vožnje, pri čemer se vozilo na začetku 4 s giblje z minimalno hitrostjo 7.2 km/h nato pa

začne na polno pospeševati po nenadnem maksimalnem pritisku pedala za plin.

Na sliki 24, je prikazana hitrost vozila v odvisnosti od časa. Pri peti sekundi smo v elementu

vozila V1 (ang. vehicle V1) v tabeli, definirali, da mora biti dosežena največja obremenitev

motorja, kar na sliki 24 prikazane karakteristike potrjujejo, ker hitrost vozila narašča. Sistem

eliminacije turbo luknje prikazuje v obeh primerih prednost pri pospeševanju vozila, še

posebej na začetku oz. po peti sekundi, ko je dosežena obremenitev. Čas do 100 km/h se

zmanjša za približno 1,5 sekunde.

Slika 24: Hitrost vozila v odvisnosti od časa

0

20

40

60

80

100

120

140

Ve

hic

leV

elo

city (

km

/h)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (km/h)

Ppulz_Tu_Up (km/h)

baseline (km/h)


41

Slika 25 prikazuje vrtilno frekvenco motorja vozila v odvisnosti od časa vožnje. V diagramu,

kjer je potek karakteristik žagaste oblike, poteka prestavljanje v višjo prestavo. Iz primerjave

rezultatov je jasno razvidna prednost tlačnega pulza v obeh primerih glede na osnovni

model, ker se vrtilna frekvenca motorja potrebna za prestavljanje v višjo prestavo doseže v

krajšem času, s tem pa se izboljša pospeševanje.

Slika 25: Vrtilna frekvenca motorja v odvisnosti od časa vožnje

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Cycle

Ave

rag

ed

Sp

ee

d (

rpm

)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (rpm)

Ppulz_Tu_Up (rpm)

baseline (rpm)


42

Na sliki 26 so med seboj primerjane karakteristike navora motorja. Tukaj prideta do izraza

oba modela s sistemom dodatnega tlačnega pulza. Na diagramu je za osnovni model motorja

prikazano območje časovnega intervala, kjer vozilo pospešuje v prvi prestavi in navor

motorja narašča mnogo počasneje v primerjavi z variantama s tlačnim pulzom, kar nazorno

kaže na prisotnost turbo luknje. Kasneje pa se navor motorja izenači z variantama s tlačnim

pulzom zaradi dosežene podobne vrtilne frekvence turbopolnilnika, kar prikazuje slika 27.

Slika 26: Navor motorja v odvisnosti od časa vožnje in področje turbo luknje

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

To

rqu

e (

N.m

)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (N.m)

Ppulz_Tu_Up (N.m)

baseline (N.m)

Področje turbo

luknje


43

Na sliki 27 vidimo, da vrtilna frekvenca turbopolnilnika narašča mnogo počasneje z začetne

do maksimalne vrednosti. V primerih s tlačnim pulzom, vrtilna frekvenca motorja naraste v

trenutku, s čemer se eliminira pojav turbo luknje, kar se posledično odraža na povečanju

zmogljivosti motorja v krajšem časovnem intervalu (slika 26). V obeh primerih s tlačnim

pulzom se mnogo hitreje od začetka pospeševanja vozila (časovni interval od 4.5 s do 8.75 s)

poveča kinetična energija toka polnilnega zraka oz. izpušnih plinov in vrtilna količina

turbopolnilnika (slike 26,27,31 in 32), kar se odraža na večji zmogljivosti motorja vse do

trenutka, dokler se vrtilna frekvenca turbopolnilnika ne izenači z vrednostjo vrtilne frekvence

v osnovnem modelu (sliki 26,27).

Slika 27: Vrtilna frekvenca turbopolnilnika v odvisnosti od časa vožnje

0

50000

100000

150000

200000

250000

Ro

tatio

na

lSp

ee

d (

rpm

)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (rpm)

Ppulz_Tu_Up (rpm)

baseline (rpm)


44

V nadaljevanju pa je prikazanih še nekaj dodatnih rezultatov, ki smo jih analizirali in

pojasnijo, značilnosti rezultatov prikazanih na slikah 24, 25, 26 ,27. Če primerjamo samo

sistema s tlačnim pulzom lahko zaključimo, da sistem s tlačnim pulzom pred kompresor kaže

najboljše rezultate pospeševanja vozila (slika 24). Oba sistema imata določeno slabost. V

primeru ko pa spustimo tlačni pulz pred vstopom v kompresor, višja temperatura zraka iz

tlačne posode zmanjšuje gostoto delovne snovi (polnilnega zraka), kar negativno vpliva na

zmogljivost motorja. Vsled tega bi temperatura zraka tlačnega pulza morala biti čim nižja,

zato bi morali zrak iz tlačne posode usmeriti skozi dodaten hladilnik. V primeru tlačnega

pulza pred turbino, je glavna slabost ta, da je potrebno večje delo za izmenjavo delovne

snovi v primeru izpušnega takta, ker mora bat premagovati večji tlak v izpušnem sistemu.

Slednje se odraža v delu bata na enoto volumna potrebnem za izmenjavo delovne snovi

prikazanem na sliki 30. Dodatna slabost sistema s tlačnim pulzom pred turbino je ta, da z

njim ohlajamo izpušne pline, ki imajo dosti višjo temperaturo in s tem znižujemo entalpijo

mešanice izpušnih plinov in zraka iz tlačne posode, ki nateka na turbino (slika 31). V tem

primeru bi bilo bolje, če bi bila temperatura plina v tlačni posodi višja od izračunane, kar bi

bilo možno doseči z povečanjem tlaka komprimiranega zraka.


45

Na sliki 28 lahko vidimo, kako se poveča volumetrični izkoristek v primeru tlačnega pulza

pred kompresorjem in pri tlačnem pulzu pred turbino relativno glede na osnovni model.

Razlog je v povečanju tlaka v valjih motorja, ki ga modela s tlačnim pulzom omogočata v

krajšem času za razliko od osnovnega modela.

Slika 28: Volumetrični izkoristek v odvisnosti od časa vožnje

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Vo

lum

etr

ic E

ffic

ien

cy I

nt

(-)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (-)

Ppulz_Tu_Up (-)

baseline (-)


46

Slika 29 prikazuje masni delež zaostalih izpušnih plinov v valju. Na začetku je v vseh treh

modeli masni delež zaostalih izpušnih plinov približno enak, nato pa ko se v času 4.8 sekunde

aktivira tlačni pulz , se masni delež izpušnih plinov v modelih s tlačnim pulzom, mnogo

hitreje zmanjša zaradi povečane količine dovedenega zraka v valje.

Slika 29: Masni delež zaostalih izpušnih plinov v valju v odvisnosti od časa vožnje

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

To

talR

esid

ua

lGa

sC

on

c (

-)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (-)

Ppulz_Tu_Up (-)

baseline (-)


47

Slika 30 prikazuje da ima v modelu s tlačnim pulzom pred kompresorjem, zelo pozitivno

lastnost, ker v času sesalnega takta, ko se v valje motorja vsesava sveža polnitev, pulz tlaka

pozitivno vpliva na delo bata na enoto volumna, kar se odraža v pozitivni vrednosti dela na

enoto volumna za izmenjavo delovne snovi (zajema delo izpušnega in sesalnega takta), ki ga

prikazuje krivulja rdeče barve na sliki 30.

Slika 30: Delo bata za izmenjavo delovne snovi na enoto volumna v odvisnosti od časa

vožnje

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

IME

P-G

E (

ba

r)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (bar)

Ppulz_Tu_Up (bar)

baseline (bar)


48

Na sliki 31 je prikazan entalpijski tok izpušnih plinov, ki smo ga spremljali v merilni točki 9.

Slika 31: Entalpijski tok izpušnih plinov v odvisnosti od časa vožnje

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

En

tha

lpyF

low

Pe

rs (

J/s

)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (J/s)

Ppulz_Tu_Up (J/s)

baseline (J/s)


49

Na sliki 32 je prikazana hitrost izpušnih plinov, v izpušnem zbiralniku pred vstopom v turbino.

V modelih s sistemom za eliminacijo tubo luknje, je hitrost izpušnih plinov, ki zapuščajo

motor, večja zaradi večje količine in tlaka delovne snovi v valjih v času odprtja izpušnega

ventila. Posledično se izboljša izpiranje zaostalih izpušnih plinov iz valjev (slika 29).

Slika 32: Hitrost izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Ve

locity (

m/s

)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (m/s)

Ppulz_Tu_Up (m/s)

baseline (m/s)


50

Tlak v izpušnem zbiralniku pred turbino (merilna točka 9) na sliki 33, je močno povečan v

primeru sistemov s tlačnim pulzom zaradi večje mase dovedene snovi v valjih in doseže

vrednost preko 3.5 bara, kar prikazujeta krivulji rdeče in zelene barve.

Slika 33: Tlak izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Pre

ssu

re (

ba

r)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (bar)

Ppulz_Tu_Up (bar)

baseline (bar)


51

Slika 34 prikazuje potek temperature izpušnih plinov v izpušnem zbiralniku pred turbino.

Opazen padec temperature v času, ko se aktivira tlačni pulz v modelu s tlačnim pulzom pred

kompresorjem, je predvidoma posledica nižje temperatura delovne snovi v valju v času

zaprtja sesalnega ventila in delnega uhajanja (toka) sveže polnitve skozi valje v izpušni sistem

v času odprtja obeh ventilov (polnilnega in izpušnega).

Slika 34: Temperatura izpušnih plinov v merilni točki 9 v odvisnosti od časa vožnje

100

200

300

400

500

600

700

Te

mp

era

ture

(d

eg

C)

0 5 10 15 20 25

EndOfCycleTime (s)

Ppulz_Co_Up (degC)

Ppulz_Tu_Up (degC)

baseline (degC)


52

SKLEP 6

Glede na preučevanje modelov s tlačnim pulzom pred kompresorjem in pred turbino, je bila

v obeh primerih turbo luknja eliminirana. Model s tlačnim pulzom pred kompresorjem kaže

boljši rezultat pospeševanja vozila, ki je posledica nekoliko hitrejšega naraščanja navora

motorja v odvisnosti od časa po maksimalnem pritisku pedala za plin. Slednje je posledica

mnogo večje pozitivne vrednosti dela bata na enoto volumna, potrebnega za izmenjavo

delovne snovi v valjih.

Za nadaljnje delo bi bilo potrebno še analizirati celotno energijsko bilanco vozila,

konstrukcijske in stroškovne vidike predlagane idejne zasnove rešitve ter njen vpliv na

kvaliteto vožnje (udobje potnikov) v fazah pospeševanja vozila.


53

VIRI IN LITERATURA 7

[1] Podjetje Borg Warner. [splet]. Dostopno na: http://www.turbos.bwauto.com/

[2] V. Ollson, An on engine twin scroll turbine preformance estimation. (22. 6. 2015). Diva portal. Dosegljivo: http://www.diva-portal.org/. [Datum dostopa: 15. 8. 2017].

[3] D. Curran. FSAE Turbocharger Design and Implementation A Major Qualifying Project Report submitted to the Faculty of the worcester polytechnic institute in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Bachelor of Science. (24. 4. 2008). Dosegljivo: https://web.wpi.edu/Pubs/

[4] H. Nguyen-Schafer, Rotordynamics of Automotive Turbochargers. Berlin: Springer, 2012.

[5] E. Logan, R. Roy, Handbook of Turbomachinery. New York: Marcel Dekker, Inc., 2003.

[6] J.B. Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill, Inc. 1988

[7] C. D. Rakopoulus, E.G. Giakoumis, Second law applied to internal combustion engine operation. (13. 10. 2005). Dosegljivo: http://users.ntua.gr/vgiakms/pdf/PECS_2006.pdf

[8] J. Shekaina, reduction of turbo lag in CRDI passenger car and afr tuning using neurofuzzy controler. (November 2012). Dosegljivo: http://shodhganga.inflibnet.ac.in/

[9] D. Pratte. Twin scroll turbocharging: still the new hotness. (20. 8. 2014). Dosegljivo: http://speed.academy/

[10] A.G. Dobre, Study on engine efficiency and performance improvements through hybrid turbochargingassisting.(2014).Dosegljivo: http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/234064/234064.pdf

[11] P. Dimitriou, R. Burke, Q. Zhang, C. Copeland, H. Stoffels. Electric Turbocharging for Energy Regeneration and Increased Efficiency at Real Driving Conditions. (1. 4. 2017). Dosegljivo: http://www.mdpi.com/

http://www.turbos.bwauto.com/products/turbochargerHistory.aspx

http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:840147/FULLTEXT01.pdf

https://web.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/

http://users.ntua.gr/vgiakms/pdf/PECS_2006.pdf

http://shodhganga.inflibnet.ac.in/

http://speed.academy/

http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/234064/234064.pdf

http://www.mdpi.com/


54

[12] AVL List GmbH [splet], Dosegljivo: https://www.avl.com/BOOST [Datum dostopa: 15.

7. 2017].

[13] B. Kraut, Krautov strojniški priročnik, 14. izdaja. Ljubljana: Littera picta, 2007.

https://www.avl.com/BOOST

Documents

ELIMINACIJA TURBO LUKNJE PRI MOTORJU Z NOTRANJIM …