TSF-258 จังหวดขอนแกั ่น · 2014-10-09 · การประชุมวชาการเคริ ือข่ายวิศวกรรมเคร

การประชมวชาการเครอขายวศวกรรมเครองกลแหงประเทศไทย ครงท 28 15-17 ตลาคม 2557 จงหวดขอนแกน

1551

TSF-258

การปรบปรงสมรรถนะแรงบดเครองยนตแกสโซลนสาหรบการแขงขน

จากการออกแบบลกษณะทอรวมสงไอด Torque Performance Characteristic Improvement of a Gasoline Engine

for Motor Sport Competition due to Design of Intake Air Manifold Configuration

ดสต เพชรปานกน, อทธพล ไตรสกขา, พทชรตน เขตประเสรฐกล,

สทธพนธ สงหธรรม และ ชลธศ เอยมวรวฒกล*

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยศรปทม เขตจตจกร กรงเทพฯ 10900 *ตดตอ: [email protected], 02-579-1111 ตอ 2168, โทรสาร ตอ 2147

บทคดยอ ลกษณะของระบบทางเดนอากาศเขาเครองยนตหรอทอรวมสงไอด (Intake Air Manifold System) ม

อทธพลตอพฤตกรรมสมรรถนะการทางานของเครองยนตโดยเฉพาะแรงบด (torque) โดยงานวจยนไดรายงานผลการศกษาการออกแบบลกษณะระบบทอรวมสงไอดของเครองยนตแกสโซลนสาหรบรถแขงเขารวมในรายการ TSAE Auto Challenge - Student Formula 2013 เพอใหเกดคาแรงบดสงสดในยานความเรวรอบของเครองยนตทตองการเหมาะสมตอการแขงขน ซงระบบทอรวมไอดไดรบการศกษาออกแบบประกอบดวย 4 สวนหลกคอ 1) ขนาดเสนผานศนยกลางของวาลวปกผเสอ (Butterfly Valve) ของ Throttling Body บนเงอนไขการเกด choke 2) รปลกษณะ Venturi ของ Flow Restrictor ทลดแรงตานของการไหล 3) ความยาวของทอนาอากาศ (Runner) บนพนฐานทฤษฎของ Helmholtz Resonator และ 4) รปลกษณะของ Plenum เพอใหเกดการกระจายอากาศสกระบอกสบอยางสมาเสมอ โดยการศกษาไดใชโปรแกรมคอมพวเตอรสาเรจรป ประกอบการคานวณเบองตนตามหลกทฤษฎพนฐาน เพอจาลองพฤตกรรมการไหลของอากาศและสมรรถนะของเครองยนต ในการวเคราะหออกแบบของรปรางลกษณะของระบบทอรวมสงไอดกอนดาเนนการจดสรางตดตงจรง ผลการทดสอบดวยเครอง dynamometer มาตรฐานใหคาสมรรถนะเครองยนตทสอดคลองกบผลการคานวณ โดยเครองยนตทตดตงระบบทอสงไอดทไดรบการออกแบบใหมนสามารถผลตแรงบดไดสงสดทคาคอนขางคงท (Flat Torque) ตลอดยานความเรวรอบประมาณ 8,250 - 10,550 rpm ทเหมาะสมตอการควบคมรถในการแขงขน คาหลก: การเพมสมรรถนะ เครองยนตแกสโซลน ทอรวมสงไอด Abstract Intake air manifold system can have an important effect on power and, especially, torque performance characteristic of an engine. This study focuses on the design of the intake air manifold system for a gasoline engine used in a formula racing car to compete in the TSAE Auto Challenge - Student Formula 2013. The design objective is to improve torque characteristic, so the engine can provide relatively flat torque value at close to the maximum point over a range of engine speed needing


1552

TSF-258

of the race. Four main parts of the manifold system are considered for the design investigation including: Butterfly Valve diameter in the Throttling Body to be evaluated according to choke flow limitation; Venturi profile to be selected base on minimizing flow restriction; Runner length to be determined fundamentally due to the guideline from Helmholtz Resonator; Plenum geometry to be selected so balance flow distribution to all engine pistons can be obtained. In addition to the fundamental theoretical calculations, the investigation utilizes commercial software packages to simulate intake air flow as well as to evaluate engine performance during the design processes. The design results are used for the construction of the intake manifold system which is installed into the engine of the race car. The performance results via standard dynamometer testing yield engine powers and torque values aligning with the calculations. High flat torque value can be obtained over a range of engine speed between 8,250 and 10,500 rpm suitable for car controlling in the competition. Keywords: performance enhancement, gasoline engine, air intake manifold

1. บทนา ในการแขงขน TSAE Auto Challenge 2013 ผแ ตงไดมโอกาสอย ในทมสรางประดษฐรถแขง Student Formula ซงเปนททราบกนวาลกษณะของระบบทอสงไอดมผลสาคญตอสมรรถนะการทางานของเครองยนตเปนอยางยง โดยหากมการออกแบบทเหมาะสมกจะสงผลใหการทางานของระบบเครองยนตสามารถตอบสนองตอสมรรถนะของรถทตองการในสนามแขงไดอยางมประสทธภาพ จากการศกษาบนทกจากการแขงขน TSAE Auto Challenge ในปทผานมาของสถาบนตางๆ เชนโครงงานการพฒนา Intake Manifold สาหรบเครองรถจกรยานยนตเบนซน 4 จงหวะ (4สบ ) เพอใหแรงบดสงสดอย ในชวงความเรวรอบปานกลาง [1] โครงงานการเพมสมรรถนะเครองยนต เพอทจะนาไปรวมทาการแขงขน TSAE Auto Challenge 2012 [2] รวมถงการถอดประสบการณการของทมนกศกษารนทผานมา และชางผมความเชยวชาญในภาคอตสาหกรรมการผลตชนงาน ไดชใหเหนวายงมสงทสามารถปรบปรงได โดยเฉพาะในสวนของ การออกแบบระบบทอไอด ขนาด Intake Butterfly Valve, รปรางของ Flow Restrictor, ความยาวของ Runner และ รวมถงรปรางลกษณะของ Plenum Header เพอกระจายอากาศเขาสกระบอกสบ ใหเหมาะสมสอดคลองกบสมรรถนะของเครองยนตทถกนามาใช

จากการศกษาพบวาในการควบคมเพอใหเกดคาแรงบดทสงคงทตลอดชวงความเรวรอบทตองการหรอ Flat Torque ของเครองยนตนนทจะทาใหอตราเรงคงทเปนสงทมความจาเปนตอการแขงขนและยงไมไดมการออกควบคมใหเกดขนไดอยางมประสทธผล จงไดกาหนดใหเปนเปาหมายหลกในการทางานวจยน เพอหากระบวนการและวธการ ทมงเนนสาหรบการออกแบบระบบทอไอดและการพยากรณยานการทางานของเครองยนตไดตรงตามความตองการ โดยมจดประสงคเพอใหเกดแรงบดสงสด เหมาะสมกบสนามแขงขน TSAE Auto Challenge 2013

2. วธการศกษา เคร อ งยนตท ไ ด น ามา ใช ในรถ Student

Formula และถกใชศกษาสาหรบการออกแบบระบบทอไอดเ ปนเครองยนตของรถมอเตอรไซคยหอ YAMAHA รน YZF-R6 ป 2006 โดยตามกตกาทกาหนดโดย TSAE [3] ระบวาในระบบทอไอดไดมการจากดขนาดเสนผานศนยกลางของทางเขาอากาศ หรอ เรยกวา Restrictor ไวท 20 มลลเมตร ดงนนจงมความจาเปนในการออกแบบเพอใหการไหลของอากาศมความคลองตวมความราบเรยบและตอเนองมากทสด ในสวนของ Runner ไดนาหลกการปรบคลนของ Helmholtz รวมกบการใช โปรแกรมคอมพวเตอรสาเรจรป Engine Analyzer ในการออกแบบ


1553

TSF-258 คานวณหาความยาวและขนาดของ Runner จากนนจงนาคาทไดจากการคานวณดงกลาวมาสราง Runner ทมความยาวเหมาะสมตอการทางานของเครองยนต และในสวนของหองประจอากาศ (Plenum) ตองออกแบบใหมปรมาตรและลกษณะรปรางทเพยงพอตอจงหวะการดดอากาศของเครองยนตและโดยเฉพาะเพอใหเกดการกระจายไอดสงกระบอกสบอยางสมดลโดยพจารณาจากความดนและความเรวทอากาศแตละกระบอกสบเคลอนท ในความเรวรอบทใหแรงมาสงสดของเครองยนต โดยตงสมมตฐานไวท 10,000 rpm การออกแบบชนสวนตางๆ ของระบบทอไอดไดดาเนนการเปนไปตามขอบงคบของกตกากาหนดในการแขงขน TSAE Auto Challenge 2013 และมการใชโปรแกรมคอมพวเตอรสาเรจรปชวยคานวณวเคราะหออกแบบ ประกอบกบหลกทฤษฎพนฐานทาง Fluid Mechanics, Internal Combustion Engine [4], Intake Manifold and Induction System Design [5] เพอใหผลการออกแบบมความถกตองแมนยายงขนและ ลดตนทนในการสรางดาเนนการ โดยไดมการจดสรางระบบทอไอดทไดถกออกแบบใหมและนาไปตดตงทดสอบสมรรถนะเครองยนตของรถแขง Student Formula เพอนามาเปรยบเทยบผลจากการค านวณออกแบบ รวมถ งผลการทดสอบของเครองยนตทใชระบบทอไอดเดมกอนการปรบปรง

การออกแบบระบบทอไอด (Intake Manifold) ในโครงการศกษาน ไดถกแบงออกเปน 4 สวน หลก ดงรปท 1 คอ Intake Butterfly Valve, Flow Restrictor, Plunum Header, และ Runner ซงสามารถอธบายแนวทางการดาเนนงานในแตละสวนดงตอไปน Flow Restrictor รปแบบมลกษณะของ Venturi ซงทวไปจะมมมในทางดาน Upstream ประมาณ 15 - 21 และมมทางดาน Downstream ประมาณ 5 - 7 หลงจากการศกษาหาคาสมประสทธความสญเสย (loss Coefficient) จากตารางทไดมการทดสอบหาคาเหลาน [2] และศกษาจากขนาดทถกใชในรถแขงทผานมา ได

รปท 1 แบบจาลองสวนประกอบ Intake Manifold เลอกใชมม 21 และ 7 สาหรบดาน upstream และ downstream ตามลาดบ โดยไดเขยนแบบและนามาวเคราะหโดยใชโปรแกรม Autodesk CFD [6] ดงแสดงลกษณะผลการไหลของอากาศในรปท 2 และ 3 ซงสามารถพจารณาจากผลของอตราการไหลเชงมวล ความเรวและความดนเปนหลก วสดทเลอกใชในการผลตเลอกใชอลมเนยมเนองจาก มความแขงแรงทนทาน ไมเกดสนม

รปท 2 แบบ Flow Restrictor


1554

TSF-258

รปท 3 แบบจาลองการไหลของอากาศภายใน Flow Restrictor Intake Butterfly valve การกาหนดขนาดเสนผานศนยกลางเบองตนอยบนพนฐานการคานวณจากสมการความสมพนธ

เพอคานวณขอจากดปรมาณอากาศทไหลไดมากทสด (kg/s) โดยไมเกด choke จากการทางานของเครองยนต [1] ดงน

= (1)

0.04 (2)

เมอ

คอ throat area ( ) คอ inlet air pressure (Pa) คอ inlet air temperature (K)

ผลการคานวณจะไดวา = 0.0735 kg/s คอมวลของอากาศสงสดทไหลผาน Butterfly valve กาหนดใหเปนแบบ Incompressible เนองจากมความเรวอากาศสงสดไมเกน 100 m/s หรอ 0.3 Mach และจะไดขนาด Butterfly valve จากสมการ

(3)

เมอ V คอความเรวของอากาศทไหลผาน Butterfly valve เทากบ 100 m/s

ดงนนจะไดเสนผานศนยกลางของ Butterfly valve เทากบ 33.5 mm Runner ตามหลกการของ Helmholtz Resonator [4] อธบายวาทอสงไอด (Runner) ทยาวจะสงผลใหเครองยนตมประสทธภาพสงในรอบการทางานตาและถา Runner สนจะสงผลใหมประสทธภาพสงในรอบการทางานสง โดยสามารถหาความยาวของทอสงไอดทเหมาะสมจากสมการ [1]

(4)

คอ engine speed คอ constant parameter of equation

C คอ sound velocity คอ cross section area of the runner คอ runner length คอ volume of cylinder

CR คอ compression ratio จากสมการ สามารถหาความยาวทเหมาะสมสาหรบทอสงไอดในแตละรอบการใชงาน ดงตารางท 1 ตารางท 1 ความยาวทอสงไอดในแตละรอบการใชงาน

Engine Speed(RPM)

Helmholtz Resonator Diameter(mm) Runner

Length(mm) 7000 35 430 8000 35 307 9000 35 220 10000 35 159 11000 35 95 12000 35 55

Plenum จดประสงคของการออกแบบ เพอใหไดรปรางทเหมาะสม ทจะเกดการกระจายอากาศเขาสกระบอก


1555

TSF-258 สบทง 4 ของเครองยนตในอตราการไหลทสมดลกน คณะวจยไดจาลองลกษณะแบบของ Intake Manifold ในรปแบบตางๆลงในโปรแกรม Solid Works จานวน 4 แบบ หลงจากนนจงใชโปรแกรม Autodesk CFD Simulation เพอใชในการวเคราะหลกษณะการไหลของไอด โดยกาหนดสมมตฐานใหเครองยนตทางานทความเรวรอบเครองยนต 10,000 rpm ซงสอดคลองกบอตราการไหลอากาศทเทากบ 25 liter/s และ กาหนดใหความดนภายนอกมคาเทากบ 1 บรรยากาศ โดยคดเลอกรปรางของ Plenum ทมคา Pressure Drop ตาและมความดนทชองทางออกใกลเคยงกนทง 4 สบมากทสด หมายถงการกระจายอากาศทสมดลกน

รปท 4 Pressure Drop Intake Manifold ทง 4 แบบ โดยผลเปรยบเทยบไดแสดงไวในรปท 4 ซงปรากฏวารปแบบท 4 เปนลกษณะของ Plenum ทเหมาะสมสาหรบการศกษาครงน เนองจากขอจากดในระหวาง การออกแบบของสวนประกอบระบบทอไอดทง 4 สวนขางตน ทไมสามารถทาการทดสอบจรงไดโดย Flow Bench ซงการจาลองการไหลดวยโปรแกรม ไดกาหนดไวทสภาวะคงตว (Steady State) ผลของทไดจงอาจมความคลาดเคลอน ทางกลมจงไดนาผลทไดจากการ

คานวณทง 4 ทฤษฎแทนคาลงในโปรแกรม Engine Analyzer Pro 3.9 โดยวธลองผดลองถก (Trial & Error) บนพนฐานของทง 4 ทฤษฎพนฐานทไดกลาวไวขางตนและไดผลลพธในการคานวณดงแสดงในรปท4, 5a, 5b, 6a และ 6b ตามลาดบ ผลลพธทไดจากการวเคราะหโดยใชโปรแกรม Engine Analyzer มดงน

– Max Power = 76 hp@10500 rpm

– Max Torque = 54 Nm@10000 rpm

– POWER-BAND = (10500-8000)/10500=0.24

– Flat Torque 2500 rpm@ 8000-10500 ซงคาทไดออกแบบโดยใชโปรแกรมตรงตามรอบการใชงานทตองการดงแสดงในรปท 5 จงไดตดสนใจดาเนนการจดสรางระบบจรงตามผลการออกแบบทไดรายงานมา

รปท 5 กราฟแรงมาและแรงบดทไดจากการวเคราะหโดยใชโปรแกรม Engine Analyzer

ในรปท 5 แสดงใหเหนถงอทธพลเนองจากความยาวทอรวมไอด ตอสมรรถนะเครองยนตทม กาลงแรงมาและแรงบด ทความเรวรอบการทางานทแตกตางกน โดยพบวาขนาดความยาวของ Runner ท 6.5 นว ใหผลการคานวณทใหกาลงเครองยนตทสง

Brk Hp , Brk Tq


1556

TSF-258 และมขนาดแรงบดคอนขางคงทตลอดชวงความเรว รอบทตองการในการแขงขนเหมาะสมทสด

(a) กาลงแรงมา

(b) แรงบด

รปท 6 ผลของความยาวของทอสงไอด ตอสมรรถนะเครองยนตในชวงรอบการทางานตงแต 8,000-10,500 RPM

Chain results IntRnlen=5.5 IntRnlen=6.5 IntRnlen=5.5

Chain results IntRnlen=5.5 IntRnlen=6.5 IntRnlen=5.5


1557

TSF-258

(a) กาลงแรงมา

(b) แรงบด

Chain results IntRnlen=30 IntRnlen=28 IntRnlen=26

Chain results IntRnlen=30 IntRnlen=28 IntRnlen=26


1558

TSF-258 รปท 7 อทธพลของความยาวของทอสงไอเสยตอสมรรถนะของเครองยนตทรอบการทางาน 8,000-10,500 RPM รปท 6 แสดงผลการวเคราะหถงอทธพลของความยาวทอสงไอดขนาดตางๆทไดทาการศกษา มผลตอสมรรถนะของเครองยนตทความเรวรอบตางๆ ในขณะทความยาว runner ขอทอสงไอเสยทใช พบวาสงผลกระทบตอสมรรถนะการทางานของเครองยนตนอยมาก ดงแสดงในรปท 7 (a) และ 7 (b) จงไมไดดาเนนการศกษาออกแบบผลกระทบของทอไอเสยเพมเตมในงานวจยน

3 ผลการศกษา

ผลการออกแบบคานวณของระบบทอสงไอดไดถกนามาจดสรางและตดตงใหกบเครองยนตจรงทใชในการแขงขน โดยไดถกนาไปทดสอบสมรรถนะของรถยนต ดงแสดงไวในรปท 8 พบวาแรงมาลงพนสงสดอยท 73.72 BHP ทความเรวรอบ 10,500 RPM และแรงบดสงสดอยท 51 Nm ทความเรวรอบ 9,900 RPM และมคา Flat Torque ในยานการทางาน 8,250-10,550 RPM ตามทไดออกแบบคานวณไว

รปท 8 กราฟแรงมาและแรงบดทไดจากการทดสอบ

ดวยเครอง Chassis dynamometer สวนของ POWER-BAND มคาเทากบ 0.22 ซงจากผลดงกลาวแสดงใหเหนวากระบวนการทใชในการ

ออกแบบเพอใหไดผล แรงมาและแรงบด รวมถง Flat Torque ในยานการทางานของเครองยนตทตองการคอ 8,000-10,500 RPM ใหผลสมรรถนะเครองยนตทมคาใกลเคยงเมอเปรยบเทยบกบการทดสอบ เปนไปตามวตถประสงคของงานวจย ทงนเปนผลมาจากการประยกตใชโปรแกรมสาเรจรปรวมกบการคานวณตามหลกทฤษฎพนฐานทไดกลาวมาขางตน สงผลใหคาคานวณจากการออกแบบและพยากรณมผลทสอดคลองกบคาทไดจากการทดสอบจรง ดงทแสดงไวในรปท 9 และ 10 ทงในสวนของกาลงแรงมาและแรงบดของเครองยนตตามลาดบ

รปท 9 กราฟเปรยบเทยบกาลงแรงมาทไดจากการ

คานวณและการทดสอบ

รปท 10 กราฟเปรยบเทยบแรงบดทไดจากการคานวณ

และการทดสอบ


1559

TSF-258

4 สรป ผลการศกษานแสดงใหเหนไดชดวาการใหไดมาของแรงบดเครองยนตทคงท (Flat Torque) ในยานการทางานความเรวรอบทตองการ สามารถทาไดโดยการออกแบบระบบทอสงไอดของเครองยนต (Intake Air Manifold System) ในการควบคมแรงบดสงสดของเครองยนต ใหอยในยานทเหมาะสมกบการแขงขน โดยการวจยอาศยหลกทฤษฎพนฐานในการออกแบบ ผนวกกบการใชโปรแกรมสาเรจรปในการคานวณและสรางแบบจาลอง 4 สวนประกอบหลกของระบบทอสงไอดดงน 1) Throttle Body ใชสมการการเกด Choked flow เพอใชหาขนาด เสนผานศนยกลางของ Butterfly Valve ทเปน Throttle Body ทเหมาะสม 2) Flow Restrictor โดยกาหนดรปแบบ Venturi และการหาคา Loss Coefficient จากขอมลในตารางและผลการทดสอบทเผยแพร จากนนจงนามาวเคราะหดวยโปรแกรม Autodesk CFD 3) Long Runner ใชพนฐานทฤษฎของ Helmholtz Resonator ในการวเคราะห 4) Plenum ใชวธ Trial & Error โดยใชโปรแกรม Autodesk CFD ออกแบบลกษณะรปทรงเพอใหเกดการไหลทราบเรยบและสงผลใหมการกระจายอตราการไหลไปยงแตละสบทสมดลใกลเคยงกน ผลการคานวณในสวนตางๆไดถกนามาประกอบจาลองและประมวลผลสมรรถนะของเครองยนตโดยใชโปรแกรมคอมพวเตอร Engine Analyzer ทแสดงผลของอตรากาลงและแรงบดในยานความเรวรอบตางๆทตองการ กอนการนาผลมาจดสรางและตดตงระบบทอสงไอดจรงกบเครองยนต โดยผลการทดสอบรถโดย Chassis dynamometer ใหผลท สอดคลอ งกบผลการค านวณตามท ไ ดศกษาวจย

5 กตตกรรมประกาศ

ทางคณะผ จ ดท า ง านวจย ขอขอบคณ อาจารยทปรกษา ผชวยศาสตราจารยดร.ชลธศ เอยมวรวฒกล และ ผชวยศาสตราจารย เผชญ จนทรสา ตลอดจนบคลากร คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยศรปทม ทใหคาแนะนาในการทาโครงงานนจนสาเรจ ขอขอบพระคณมหาวยาลยศรปทมท ไดใหการสนบสนนงบประมาณและสถานทในการทาวจย ขอขอบพระคณบรษท MPK MOTORSPORT ทไดชวยเหลอในเรองการจดสราง รวมไปถงสมาคมวศวกรรมยานยนตไทย (TSAE) ทไดจดการแขงขน TSAE Auto Challenge 2013 Student Formula เอกสารอางอง [1] โครงงานการพฒนา Intake Manifold สาหรบเครอง

รถจกรยานยนตเบนซน 4 จงหวะ (4สบ) เพอใหแรงบดสงสดอยในชวงความเรวรอบปานกลางURL:http://www.me.eng.chula.ac.th/SeniorProject/file/proceeding52.pdf access on 18/6/2013

[2] โครงงานการเพมสมรรถนะเครองยนต เพอทจะนาไปรวมทาการแขงขน TSAE Auto Challenge 2012URL:http://mis.en.kku.ac.th/administrator/doc_upload/20130308090723.pdf access on 18/6/2013.

[3] Kasikapat, A., “กตกาของ Formula SAE 2010 ฉบบ ภาษาไทย” , สมาคมวศวกรรมยานยนตไทย , 2010

[4] Heywood, J.B., 1988. Internal Combustion Engine Fundamental: A Basic Approach. Singapore:McGraw-Hill,Inc.

[5] Engelman H. W, “Design of a tuned intake manifold”,ASME paper No. 73-WA/DGP-2,1973

[6] Autodesk Privacy | Legal Notices & Trademarks | Report Noncompliance | Site map | © 2014 Autodesk Inc. All rights reserved URL:http://www.autodesk.com/products/autodesk-simulation-family/features/simulation-cfd/all/list-view , access on 15/8/2013.

[7] Yamaha “ 2006-2009 RZF R-6 repair manual” , 2006


1560

TSF-258

[8] Performance Trends Inc Producing Quelity Computer Tools for Racers and Engine Builders since 1986 URL :http:// Performancetrends.com/Engine-Analyzer-Pro.htm, access on 22/10/2013.

[9] อทธพล ไตรสกขา และ คณะ, “การออกแบบ ทอสงไอดสาหรบเครองยนตเบนซน 4 จงหวะ 4สบ เพอใหเกดแรงบดสงสดเหมาะสมกบสนามแขงขน TSAE Auto Challenge” รายงานโครงงานหลกสตรวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยศรปทม, 2014

Documents

TSF-258 จังหวดขอนแกั ่น · 2014-10-09 · การประชุมวชาการเคริ ือข่ายวิศวกรรมเคร