Karl Romanenkov KESKMOOTORIGA RALLIAUTO TAURIA RESTAUREERIMINE SISSELASKETRAKT LÕPUTÖÖ Transporditeaduskond Autotehnika eriala Tallinn 2017
Mina/meie,..., tõendan/tõendame, et lõputöö on minu/meie kirjutatud. Töö koostamisel kasutatud teiste autorite, sh juhendaja teostele on viidatud õiguspäraselt. Kõik isiklikud ja varalised autoriõigused käesoleva lõputöö osas kuuluvad autori/te/le ainuisikuliselt ning need on kaitstud autoriõiguse seadusega. Lõputöö autor/autorid Nimi, allkiri ja allkirjastamise kuupäev Üliõpilase kood Õpperühm Lõputöö vastab sellele püstitatud kehtivatele nõuetele ja tingimustele. Juhendajad Nimi, allkiri ja allkirjastamise kuupäev Konsultandid Nimi, allkiri ja allkirjastamise kuupäev Kaitsmisele lubatud..20.a.... teaduskonna dekaan.. Teaduskonna nimetus Nimi ja allkiri
SISUKORD SISSEJUHATUS... 4 1. TAURIA RALLIAUTO... 6 1.1. Tauria ralliauto kirjeldus... 6 1.2. Tauria Mootor... 7 2. SISSELASKEKOLLEKTORI PROJEKTEERIMINE... 9 2.1. Sisselasketrakti projekteerimise alused... 9 2.1.1. Põhimõtted... 12 2.1.2. Sisselaskekanali läbimõõt... 13 2.1.3. Rõhulained sisselaskekollektoris... 16 2.1.4. Helmholtzi resonaator... 19 2.2. Karburaator... 22 2.3. Sisselaskekollektor... 23 2.4. Lotuse mudel... 26 2.5. Trompetid... 30 3. VALMISTAMINE JA KULUD... 31 3.1. Kollektor... 31 3.2. Trompetid... 32 3.3 Kogu sisselasketrakt... 33 KOKKUVÕTE... 34 SUMMARY... 35 KASUTATUD KIRJANDUS... 36 LISAD... 38 Lisa 1. Mootori tehnilised parameetrid... 39 Lisa 2. Karburaatori flants... 40 Lisa 3. Plokikaane flants... 41 Lisa 4. Sisselaske kollektor... 42 Lisa 5. Sisselaske trompet... 43 3
SISSEJUHATUS 1980ndate teisel poolel Kalle Keele poolt konstrueeritud ZAZ 1101-l põhineva Tauria ralliauto eesmärk oli võistelda B rühmas. Kahjuks lõppes B grupp peatselt peale auto valmimist ning sõidukile ei leitud rohkem rakendust. Algselt valmistatud kolmest autost on säilinud kaks, kolmas hävis esimesel katsetusel Krimmi rallil. Tallinna Tehnikakõrgkooli ja Eesti Mootorispordi Muuseumi koostööl taastatakse üks säilinud sõidukitest. Antud töö käsitleb Tauria ralliauto mootorile uue sisselaskekollektori valmistamist ning ülejäänud sisselasketrakti komponentide valikut. Vajaduse uue sisselaskekollektori järele tekitab asjaolu, et algne õhuvõtusüsteem oli kaasavaraks operatiivselt laenatud LADA VFTS ralliauto mootorile, ning ei ole projekteeritud antud auto isepärasusi arvestades. Auto taastamise käigus on mootorit nihutatud 10 cm taha poole, mistõttu algne lahendus, horisontaalse asetusega 4 silindri karburaator, ei mahu enam füüsiliselt ära. Lisaks on modifitseeritud antud mootori tehnilisi parameetreid: valminud on uus väljalase, suurenenud töömaht, muutunud surveaste ning on paigaldatud originaalist erinevad nukkvõllid, seega ei ole valida ühegi standart toote hulgast, mis oleks optimeeritud just antud parameetreid arvesse võttes. Uue kollektori valmistamisel uurin järgnevaid probleeme, ning proovin leida neile parim lahendus: kollektori pikkus ja kuju, mis tagaks parima õhuvoolavuse ning maksimeeriks mootori võimsust, piiravateks teguriteks on piiratud ruum ning etteantud kanalite läbimõõt plokikaanes; karburaatori valik; trompetite pikkus; materjali valik, et tagada vastupidavus mootoriruumis ja optimeerida kulusid ning lihtsustada detaili valmistamist; kollektori valmistamisviis ja tehnoloogia; soojusülekande vähendamine (sisselaske kollektori all asub väljalaskekollektor, mis õhkab kuuma); Töö eesmärgiks on projekteerida uus sisselasketrakt, mis oleks sobilik Lada mootori ja Tauria kere kooslusele ning sihiks on pakkuda mõningat ülelaade efekti, eesmärgiks on täiteaste 105% 4
saavutamine. Nagu tolle ajastu ralliauto komponentidele kohane, ei pea arvestama piiravate reeglitega, mis on seatud masstootmisele olevate sõiduki komponentidele. Tänavasõiduki sisselase peab tegema auto hästi sõidetavaks väga laias pöörete vahemikus, nii linnas tühikäigupöörete lähedal foorist-foorini veeremisel ja maanteesõidul suurt võimsust nõutavates olukordades. Lisaks ei tohi sisselase tekitada palju müra, peab aitama külmkäivitusel kaasa võimalikult kiirele heitenormide vähenemisele ja peab olema odav ja lihtne valmista, siis ralliauto sisselaskesüsteemil ainsaks eesmärgiks on aidata jõuda autol kõige kiiremini stardist finišini. Selle eesmärgi saavutamiseks tuleb maksimaliseerida sisselaske abiga sõitmisel kasutavas pöörete vahemikus võimsust ja tagada parimat võimaliku mootori reageerimist gaasipedaalile. Arvestama peab antud projekti puhul, et kuigi valitud lahendus peab olema parim, siis kasutada tuleb komponente, mis olid ka auto valmistamise hetkel saadaval. Seega ei hakata antud töös vaatama näiteks toitesüsteemi uuendamist karburaatoritelt pritsungi peale ning mootori jõudluse parandamist läbi selle. Lisaks peab arvestama ka toodete ja juppide valmistamise hindadega, kuna koguprojektil on antud ette rahaline eelarve. 5
1. TAURIA RALLIAUTO 1.1. Tauria ralliauto kirjeldus Tauria ralliauto (Sele 1) põhineb sõiduautol ZAZ 1102, mida hakati tootma aastal 1986 Venemaal Toljati linnas. Ametlik nimi projektil oli ZAZ 1102 ERF, lisa ERF tuleneb selle sportauto idee arendaja Kalle Keele ametinikohast, kes oli eesti reklaamfilmi tehnikaklubi juht. Algselt ees paiknenud 1.1 liitrine originaalmootor asendati VAZ 2106-lt pärineva 1.6 liitrise töömahuga mootoriga. Uuel mootoril ehitati ümber sisselaske ja väljalaskesüsteem ning mootorist pigistati välja umbes 140 hobujõudu. Kuna mootor viidi taha ehitati ümber ka jahutussüsteem, jahutusradiaator jäi ette ja seda ühendas pikendatud torustik taga paikneva mootoriga. Vedrustus muudeti sõltuvast sõltumatuks, suurendati teljelaiust ning lisati originaalist suurema diameetriga rattad. Uute rataste mahutamiseks, aerodünaamika parandamiseks ning kaalu vähendamiseks valmistati uus väliskere klaasplastist. [1] Sele 1. Tauria ralliauto [2] 6
1.2. Tauria Mootor Mootor, mis Tauria ralliauto taastamisel algmaterjaliks võeti on 1,7 liitrise töömahuga neljataktiline ja neljasilindriline vesijahutusega ottomootor, pärineb see Lada Nivalt. Nimetus Otto tuleb selle mootoritüübi leiutaja Nicolaus Otto perekonnanimest. Ottomootori tunnuseks on see, et kütuse ja õhu segu, mis on silindris kokku surutud, süüdatakse silindris väljastpoolt sinna juhitud elektrisädemega [3, p. 26]. Neljataktilises mootoris jaotub töötsükkel, nagu nimigi viitab, neljaks osaks, neid osi nimetatakse taktideks. Mootori töötsükliks nimetatakse üksteisele järgnevate protsesside kordumist, mille vältel kütuses olev keemiline energia muudetakse soojusenergiaks ja see omakorda mehaaniliseks tööks. Need protsessid korduvad kindlas järjekorras kõigis silindrites. Iga takt toimub väntvõlli poole pöörde jooksul ehk ühe töötsükli jooksul teeb väntvõll kaks täispööret. Kasutusel oleva mootori tööjärjekord on 1-3-4-2. Antud mootoril on kaheksa klappi, üks sisse- ja üks väljalaskeklapp silindri kohta, neid juhib ülal plokikaanes paiknev nukkvõll. Mootori ehitamise käigus on originaal nukkvõll asendatud uuega, mille eesmärk on suurendada jõudlust suurtel mootoripööretel, muutunud on nii klappide tõusud, kui avatuse ajaline pikkus ühe tsükli kohta (Lisa 1). Klappide mõõdud on 37 mm läbimõõt sisselaskeklapil ja 32 mm väljalaskeklapil, need on forsseerimise käigus jäänud samaks nagu originaalmootoril. Küll aga on suurendatud sisselaske ja väljalaskekanalite läbimõõtu plokikaanes ning parandatud nende voolavust. Originaal väljalaskekollektor ja summuti on asendatud täielikult uuega. Torustiku läbimõõt ja pikkused on muutunud, et parandada gaaside voolavust väljalasketakti ajal ning aidata kaasa silindri täitumisele tänu õigesti ajastatud madalrõhule sisselasketakti alguses. Mootori töömahu suurendamiseks on kaks võimalust, kas suurendada kolvi alla-ülesse liikumise pikkust ehk kolvikäiku või suurendada silindri läbimõõtu, antud mootoril on kasutatud mõlemat. 80 mm käiguga väntvõll on asendatud 84 mm kolvikäiguga väntvõlliga, ning silindrid on puuritud 8 mm suuremaks. Tänu eelnevale on mootori töömaht suurenenud 1690 cm 3 -lt 1809 cm 3 -le. Kuna mootori töömahtu on suurendatud kolvikäigu suurendamisega, kuid kepsu pikkus on jäänud samaks, siis suurenenud on ka surveaste. Surveaste on alumises surnud seisus oleva kolvi silindri ruumala ülemises surnud seisus oleva kolvi ruumalade suhe, ehk mida suurem number seda rohkem segu kokku surutakse ning seda rohkem potentsiaalselt võimsust saadakse. Kahjuks ei saa surveastet lõputult tõsta, tekitades silindrisse liiga kõrge rõhu plahvatavad silindris olevad gaasid põlemise asemel, tekib detonatsioon, mis kasvatades koormust mootorile ja vähendades mootori võimsust. 7
Surveaste motospordis jääb tavaliselt 10:1 16:1 vahele [4, p. 22]. Tehnilistest parameetritest on teada, et surveaste originaalmootori korral oli 9,3:1, peale töömahu suurendamist on surveaste suurenenud 12,0:1. 8
2. SISSELASKEKOLLEKTORI PROJEKTEERIMINE 2.1. Sisselasketrakti projekteerimise alused Ottomootori sisselasketrakti eesmärk on puhastada õhk sinna mitte kuuluvatest osakestest ja veest ning pakkuda mootorile õiges vahekorras õhu ning mootoribensiini segu. Kuna sisepõlemismootor on saadaval olnud juba pea 150 aastat, on mootori arengu käigus parendatud ka sisselasketrakti ja toitesüsteemi lahendusi, kuidas kütust õhuga parimal viisil segada. Ottomootorid jaotatakse küttesegu moodustamise poolest järgmiselt [3]: 1) karburaatormootorid, nendes mootoriteks segatakse õhk ja kütus eriseadmes, mida nimetatakse karburaatoriks; 2) pritsung-ottomootorid, nende mootorite korral segatakse kütus ja õhk sisselaskekanalis enne sisselaskeklappi, pritsides seal olevasse õhku kütust (Sele 2); 3) gaasi ottomootorid, nende mootorite toiteks kasutatakse gaasilist kütust; 4) turbo-ottomootorid, nendes mootorites tekitatakse turbiini abil sisse imetavale õhule rõhk, see tähendab, et silindrisse mineva õhu rõhk on suurem kui välisõhul; turbiini läbinud õhku võidakse veel ka jahutada, mis omakorda parandab mootori tehnilisi näitajaid; 5) lahjasegu-ottomootorid, need on mootorid, milles vastavate võtetega saadakse põlema kütusesegu, mille koostises on vähe kütust; 6) otsepritsega ottomootori korral valmistatakse kütusesegu vahetult silindris, pritsides silindrisse bensiini. 9
Sele 2. Pritsung-ottomootor (autori looming) Kuna taastamise käigus on tehtud otsus, et säilitatakse karburaatoritega toitesüsteem, siis sisselasketrakti projekteerimisel lähtun sellest ning teise alternatiivseid lahendusi selles töös rohkem ei vaatle. Nagu ka Lada VFTS-l, millelt antud mootor pärit on, tulevad kasutusse kaks kahelõõriga karburaatorit, ehk iga silinder saab oma karburaatori lõõri ja karburaatorist sisselaskeni viiva torustiku. Kuna mootori parameetreid on taastamise käigus muudetud ning Tauria ralliauto mootoriruumis paiknev turvapuuri torustik ei võimalda kasutada enam algset lahendust, sest samasse asendisse paigutatuna oleksid sisselaske trompetid vastu puuri torusid ning süsteemi mahutamiseks selle nurka muuta ei ole võimalik, sest Lada VFTSi peal kasutuses olnud karburaatorid tootjalt Weber nõuavad, et nende kalle horisontaaltelje suhtes ei tohiks ületada 15 kraadi. Eelnevast tulenevalt läheb Tauria ralliautol käiku süsteem, kus kasutatakse kahte vertikaal karburaatorit. Mootorisse pääseb õhk Tauria katusel asuvast õhuvõtturist, läbib sisselasketorustiku ja õhufiltri ning jõuab trompetiteni. Edasi läbib õhk karburaatorit, siis sisselasketorustiku ning viimasena plokikaanes paiknevat sisselaskekanalit, ennem kui sisselaske klapi avanedes silindrisse pääseb. Õhu tee trompetitest kuni silindrini on nähtav järgmisel skeemil: Sele 3. Õhu tee silindrisse topeltkarburaatorite korral [5] 10
Vabalt hingava mootori põhiliseks võimsust piiravaks probleemiks on piisava õhukoguse saamine silindrisse, seda eriti suurtel mootoripööretel. Õhk jõuab mootorisse tänu rõhuerinevustele silindris ja atmosfääris. Sisepõlemiskolbmootoris saavutatakse rõhuerinevus kolvi liikumisega. Kolvi alla liikudes üritab õhk täita kiirelt suurenevat ruumala. Silindrisse tulev õhk peab läbima aga kitsaskohta, milleks on sisselaskeklapp, mis sõltuvalt oma avatus astmest ja suurusest takistab õhuvoogu ning tänu sellele tekib silindrisse alarõhk atmosfääri suhtes. Alumise surnud seisuni lähenedes kolvi liikumiskiirus aga aeglustub ning atmosfääris olev õhk täidab silindrit (Sele 4). Mõistlik on avada sisselaskeklapp varakult, et ära kasutada väljalaskesüsteemi tekitatavat negatiivset rõhulainet. Sisselaskeklapi sulgemisega viivitamine kolvi alumisse surnud seisu liikumisel on vajalik, et tagada täielik täitumine kuna õhk täidab silindrit inertsist ka peale kolvi alumisse surnud seisu jõudmist. Liigne sisselaskeklapi sulgemisega viivitamine viib selleni, et õhuvoolu suund muutub vastupidiseks. Mootorist saadav maksimaalne võimsus on tugevalt seotud sellega kui palju õhku suudetakse silindrisse saada sisselasketakti lõpuks ja seda iseloomustav suurus on täiteaste, mis on reaalselt silindrisse saabuva ning sinna teoreetiliselt mahtuva õhukoguse suhe [6, p. 8]. Mida rohkem õhku silindrisse õnnestub saada, seda rohkem võimsust mootor toodab. Sele 4. Teoreetiline silindri täituvus sõltuvalt kolvi liikumisest [5, p. 194] Enne sisselaske projekteerimist on vaja teada, mis tingimustes mootor töötama hakkab ning millist eesmärki ta täidab. Mootor, mis on disainitud suurele võimsusele kõrgetel pööretel ja kitsas pöörete vahemikus toimib hästi ringrajal kuid ei sobi kindlasti tänavaautole linnaliikluses kasutamiseks oma ebapiisava võimsuse madalatel pööretel ja suure kütusekulu tõttu. Ralliauto mootori põhiliseks eesmärgiks on võimalikult suure võimsuse saavutamine, mis omakorda on otseselt seotud mootori poolt tarbitava õhukogusega ja õhuvoolu maksimaliseerimisega. Ralliautode mootorid 11
projekteeritakse suurele võimsusele kõrgetel mootoripööretel, sellega kaasnevad tihti kehvad võimsusnäitajad madalatel mootoripööretel. Kui mootori ainus eesmärk on toota maksimaalset võimsust nii, et kütusekulu ja muud parameetrid ei ole olulised, saab kasutada sisselaske komponente ja klapifaase, mis tänavasõidukil ei ole otstarbekad. Sellise süsteemiga saab maksimeerida sisselaskesüsteemis tekkivaid rõhulaineid ja täiteastet suurtel mootori pööretel. 2.1.1. Põhimõtted Sisselasketrakti kõige kitsamaks kohaks avatud drosselklapi korral on sisselaskeklapp, seega esimese sammuna kontrollime, kas sisselaskeklapp on piisavate mõõtmetega, et ei takistaks õhuvoolu maksimaalsel mootori pöörlemissagedusel. Antud mootor on arvestatud töötama maksimaalselt kuni 7000 p/min. Minimaalsete klapi mõõtude leidmiseks kasutame valemit [6]: A =C B U C, 1 kus A - minimaalne sisselaske klapi pindala ühe silindri kohta; C konstant 1,3; B silindri läbimõõt; U keskmine kolvi liikumiskiirus maksimaalsetel mootoripööretel; C heli kiirus sisselasketraktis. Keskmise kolvikiiruse soovitud mootoripööretel saame valemiga: U =2 N 60 S 1000, 2 kus N S mootoripöörded (p/min); kolvikäik (mm). Mootoripööretel 7000 p/min on keskmiseks kolvi liikumiskiiruseks Tauria mootoris: U =2 7000 60 84 1000 =19,6 m 3 s Teades kolvi liikumise kiirust, saame leida minimaalse klapi pindala kasutades eelnevat valemit: Ai=1,3 82,4 1000 19,6 334 =0,000518 m 4 12
Saadud klapi pindala on 5,18 cm 2, mis teeb minimaalseks klapi läbimõõduks antud mootori puhul 2,56 cm, seega kasutusel olev 3,7 cm läbimõõduga klapp on piisav, et rahuldada selle mootori õhutarbimist. 2.1.2. Sisselaskekanali läbimõõt Järgmise parameetrina sisselaskesüsteemi projekteerimisel on vaja leida optimaalne torustiku siseläbimõõt, mis tagaks tänu kiiresti liikuvale õhule parima kütuse segunemise ning samas ei takistaks õhu voolavust. Minimaalne õhu liikumiskiirus, mis aitaks inertsi näol kaasa mootori täitumisele ning tagab piisavalt hea õhu ja kütuse segunemise on 10 m/s, maksimaalne aga, millest edasi on märgatud õhu tiheduse vähenemist ning seega ka täiteaste vähenemist on 75 m/s [9, p. 230]. Esiteks leiame teoreetilise mootori poolt tarbitava õhukoguse (Sele 5), selleks kasutame valemit: m=i η n z V ρ, 5 kus m mootori poolt tarbitav õhukogus (kg); i tsüklite arv mootori pöörde kohta; η - täiteaste (%); n mootori pöörlemissagedus (p/min); z silindrite arv mootoris; V töömaht (m ); õhutihedus normaaltingimustel (1,2928 kg/m ). tarbitav õhuhulk (m 3 /min) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 5750 6000 6250 6500 6750 7000 7250 7500 7750 8000 Pöörded (p/min) Täiteaste 0,8 Täiteaste 0,9 Täiteaste 1,0 Täiteaste 1.1 Sele 5. Graafik mootori õhutarbimise kohta erinevate täiteastmete korral (autori looming) 13
Neljataktilise mootori korral on õhu liikumise kiirus sisselaskes leitav valemiga [9, p. 231]: V= n Q N η 2 60 A, 6 kus V õhuvoolu kiirus sisselasketraktis (m/s) n - silindrite arv ühe sisselaskekanali kohta; Q ühe silindri töömaht (m 3 ); N mootori pöörlemissagedus (p/min); η täiteaste (%); A sisselaskekanali ristlõike pindala (m 3 ). Kuna sisselaskekanali läbimõõt plokikaanes on teada, siis esmalt leiame, mis on minimaalne mootori pöörlemissagedus, mis täidaks 10 m/s õhu liikumiskiirust, selleks avaldame eelmisest valemist N ja saame järgneva valemi, täiteastmeks valin 0,75, kuna samal ajal arvutamistega kasutasin ka Lotuse mootori simulatsiooni programmi ning 1000 p/min just sellist numbrit näitas: N= V= n Q N η 2 60 A N= 180 A V n Q η, 180 π 0,0165 10 p 1 π 0,0414 =1445,34 0,084 0,75 min 7 8 Tulemus 1445 p/min on küll kõrge tühikäik igapäeva tänavasõidukile, kuid ralliautole pole see probleemiks. Tühikäigu sõltuvust täiteastmest iseloomustab Sele 6. Reaalne tühikäik, kus mootor käib ühtlaselt, selgub katsetamise käigus ning antud numbrit tuleks võtta pigem algse soovitusena, kus kohast katsetamist alustada. Mootori pöörlemissagedus (p/min) 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Täiteaste (%) Sele 6. Mootori soovituslik tühikäik 33 mm sisselaske pordi korral erinevate täiteastmetega (autori looming) 14
Järgmisena kontrollime, kas sisselaskeport läbimõõduga 33 mm on piisav, et mootori pöörlemissagedusel 7000 p/min jääks õhuvool maksimaalset lubatust 75 m/s allapoole, selleks kasutame eelnevat valemit: N= 180 π 0,0165 75 p 1 π 0,0414 =9564,74 0,084 0,85 min 9 Tulemus näitab (Sele 7), et sisselaskeport on valitud piisava suurusega ning õhuvoolu takistama ei jää ning mootorikomponentide tugevdamisel ning maksimaalsete pöörete tõstmisel ei jääks sisselasketrakt takistavaks teguriks. Mootori pöörlemissagedus (p/min) 17000 16000 15000 14000 13000 12000 11000 10000 9000 8000 7000 6000 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Täiteaste (%) Sele 7. Mootori maksimaalne pöörlemissagedus erinevate täiteastmete korral (autori looming) Optimaalse sisselaske läbimõõdu valimiseks kasutame David Vizardi poolt välja töötatud meetodit [10], mis on toodud järgneva valemina: d= N Q η 3330, 10 kus d sisselaske kanali optimaalne läbimõõt (toll); N mootori pöörete arv, kus soovitakse saada maksimaalset väändemomenti (p/min); Q mootori töömaht (l); η täiteaste (%). 15
Kuna eesmärgiks on saavutada maksimaalset väändemomenti 4000 p/min juures saavutades täiteastet 105%, siis valem oleks järgnev: d= 4000 1,8 1,05 3330 =1,51 tolli. 11 Kuna 1 toll on 25,4 mm siis eelnev vastus millimeetrites on d=1,51 25,4=38,35 mm. 12 Seega optimaalne sisselaske torustiku siseläbimõõt ühe silindri kohta, et saavutada parimat voolavust mootoripööretel 4000 p/min on 38,35 mm ning edasisi detaile valides arvestame võimalikult sellele mõõdule lähedale saamisega. Sisselasketrakti siseläbimõõt (mm) 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 Pöörded (p/min) Täiteaste (80%) Täiteaste (90%) Täiteaste (100%) Täiteaste (110%) Sele 8. Sisselaske kanali soovituslik mõõt sõltuvalt pööretest ja täiteastest (autori looming) 2.1.3. Rõhulained sisselaskekollektoris Lisaks eelnevalt valitud optimaalsele sisselasketorustiku siseläbimõõdule, et parandada täiteastet tänu õigele voolukiirusele ja mitte seda takistada liiga väikese läbimõõduga saame täiteastet veel parandada sisselasketrakti pikkuse valikuga. Kuna sisselaskeklapp ei ole avatud koguaeg, vaid avaneb vaid teatud perioodiks iga teine väntvõllipööre, siis ühtlase õhuvoolu asemel liigub õhk kollektoris rõhulainetena. On ilmselgne, et mida suurem rõhk sisselaskekanalis, sisselaske klapi ees, sisselasketakti lõpus on, seda parem on silindri täitumine. Palju eksperimente on tehtud, et uurida 16
võimalusi silindri täiteaste parandamisega läbi sisselaskes tekkiva kineetilise gaasienergia ja rõhulainete. Jõu saamine mitte millestki on tekitanud palju huvi ja see sai alguse motospordist, kus sisselaske ja väljalase optimeerimisega ja täppishäälestamisega algust tehti, et saavutada edu konkurentide ees. Ajastades rõhulaine varasemaks kaob see suure silindrisse liikuva õhuvoolu sisse ära ning tekitab pigem vastupidise efekti, kuna positiivne laine põrkub kolvilt tagasi ja tekitab negatiivse voolusuunale vastupidise laine, mis ei soodusta silindri maksimaalset täituvust. Sisselaske pikkust saab kasutada ära võimsuse suurendamiseks mingil konkreetsel mootori pöörlemissagedusel, kuid peab arvesse võtma, et auto mootor töötab väga laias pöördevahemikus ning eriti tänavasõidu autode mootorite puhul on soovitav valida sisselaske pikkus selliselt, et vääne oleks ühtlaselt kõrge laias pöördevahemikus. Parima täiteastme saavutamiseks peaks sisselaskekanali pikkuse ja sisselaskekanali läbimõõdu suhe jääma vahemikku 10:1 kuni 20:1 [9, p. 255], see teeb eelnevalt leitud optimaalse sisselasketrakti läbimõõdu 38,35 mm puhul sisselasketrakti pikkuseks 383,5 mm kuni 767 mm, kui võtta aluseks sisselaske kanali mõõt plokikaanes, milleks on 33 mm, siis peaks pikkus jääma vahemikku 330 mm kuni 660 mm. Sisselaske klapi avanedes tekib negatiivne rõhulaine, mis liigub heli kiirusel läbi sisselasketrakti selle algusesse atmosfääri. Koheselt järgneb sellele negatiivsele rõhulainele positiivne rõhulaine, mis liigub tagasi sisselaskeklapini. Rõhulaine kas jõuab õigeaegselt silindrisse ja aitab kaasa selle täitumisele või jõuab kohale liiga hilja, kui sisselaskeklapp on juba sulgenud, ning põrkab suletud sisselaskeklapilt tagasi atmosfääri. Negatiivsed ja positiivsed rõhulained peegelduvad järjepidevalt edasi-tagasi sisselaske alguse ja sisselaskeklapi vahel väheneva tugevusega kuni sisselaskeklapp sulgeb. Maksimaalse tulemuse saamiseks rõhulainetest on vajalik ajastada esimene positiivne rõhulaine nii, et see jõuab sisselaskeklapini sisselasketakti lõpus kui kolb läheneb alumise surnud seisuni. Selle saavutamiseks on oluline teada kui kaua kulub rõhulainel sisselaskeklapist sisselaske alguseni ja tagasi liikumiseks, selle saame teada valemiga [9, p. 259]: t= 2 L 1000 C, 13 kus t L C aeg, mis kulub rõhulainel kahekordseks sisselasketrakti läbimiseks (s); sisselasketrakti pikkus selle algusest kuni sisselaskeklapini (mm); heli kiirus õhus (~330 m/s). 17
Väntvõlli liikumise selle aja jooksul saab arvutada valemiga [9, p. 259]: θ =t 360 60 N, 14 kus θ N väntvõlli liigutud nurk (kraad); mootori pöörlemissagedus (p/min). Kasutades mõlemat eelnevat valemit saame: θ = 2 L 1000 C 360 2 L N= 60 1000 C 6 N=0,012 L N C 15 Saadud valemist saame tuletada trakti pikkuse järgnevalt: θ = 0,012 L N C L= θ C 0,012 N 16 Võimalikult suure silindri täituvuse saavutamiseks on parim valida rõhulaine saabumise hetk just ennem seda kui silinder on jõudnud alumisse surnud seisu, katsetused on näidanud, et parima tulemuse saamiseks tuleks valida 80 90 vahele [5, p. 204]. Rõhulaine ajastamiseks soovitud pööretele, milleks on 4000 p/min, kasutame eelnevalt avaldatud valemit: L= θ C 0,012 N = 85 330 =584,38 mm 17 0,012 4000 2500 Trakti pikkus (mm) 2000 1500 1000 500 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Mootori pöörlemissagedus (p/min) Sele 9. Esimesele rõhulainele ajastatud sisselasketrakti pikkus sõltuvalt mootoripööretest (autori looming) 18
Rõhulainetega üle laadimine parandab täiteastet valitud pööretel tänu õigesti valitud pikkusega sisselasketraktile. Kuna ruumi on täpselt parasjagu, et ära kasutada esimest rõhulainet võimsuse ajastamiseks 4000 p/min, siis seda varianti ka antud sisselasketraktijuures kasutatakse, sest esimene rõhulaine on kõige tugevam. Mida kõrgematele pööretel soovitakse ülelaade efekti saavutada, seda lühem peab olema sisselasketrakt (Sele 9), kuna sellisel puhul võtab kolvil ülemisest surnud seisust alla liikumine vähem aega ning rõhulaine peab jõudma selle perioodiga läbida kahekordse sisselasketrakti pikkuse. 2.1.4. Helmholtzi resonaator Hermann von Helmholtzi välja töötatud teooria järgi hakkab õhk kinnises ruumis väljapääsu ava ees teatud sagedusega võnkuma, käitudes kui vedru. Seda efekti kasutatakse ära ka autonduses sisselaske ja väljalaskesüsteemides, et parandada mootori täiteaste. Sisselaskes jaoks on Helmholtzi meetodi valem järgmine [11, p. 312]: N= 955 K C A l V, 18 kus K konstant 2; C heli kiirus õhus (330 m/s); A sisselaske kanali ristlõikepindala (cm 2 ); l sisselaske trakti pikkus (cm); Vef resonaatori ruumala (cm 3 ). Resonaatori ruumalaks on pool silindri töömahu ruumala + põlemiskambri ruumala ja see on leitav valemiga [11, p. 312]: kus Vef resonaatori ruumala (cm 3 ); Vs silindri ruumala (cm 3 ); Vp põlemiskambri maht (cm3). V = V 2 +V, 19 19
Kuna mootori surveaste ja töömaht on teada, siis saame leida põlemiskambri mahu surveastme valemi kaudu: ε= V V, 20 kus ε surveaste; Vk silindri kogumaht (cm 3 ); Vp põlemiskambri maht (cm 3 ). Kuna silindri kogumahtu saab ka väljendada kolvi liikumisel tekkiva ruumala ja põlemiskambri ruumala summana, siis silindri kogumaht on võrdne: V =V +V, 21 kus Vs silindri ruumala (cm 3 ). Avaldades surveaste võrrandis silindri kogumahu, saame võrrandi: ε= V V = V +V V = V V + V V =1+ V V V = V ε 1 22 Seega: V = V 2 +V = V 2 + V ε 1 =V 1 2 + 1 ε 1 V =452,25 0,5+ 1 12 1 =452,25 0,59=266,83 cm 23 24 Kuna hetkel on veel täpne sisselaskekanali ristlõike pindala teadmata, siis proovime läbi kolme variandiga. Esiteks võtame kanali diameetriga 3,3 cm, mis on kanali läbimõõt plokikaanes, sellisel juhul tuleb ristlõikepindalaks: A =π d 4 =π 3,3 4 8,55 cm 25 Teiseks võtame kanali läbimõõduks eelnevalt leitud optimaalse kanali läbimõõdu 3,84 cm ja plokikaanes oleva kanali läbimõõdu 3,3 cm keskmise ning saame ristlõikepindalaks: 20
A =π d 4 =π 3,57 10,01 cm 26 4 Kolmandaks kasutame eelnevalt leitud optimaalset sisselasketrakti läbimõõtu 3,84 cm, mis annab ristlõikepindalaks: Nüüd avaldame algsest valemist sisselasketrakti pikkuse: A =π d 4 =π 3,84 11,58 cm 27 4 N= 955 K C A l V L= 955 A C K N V 28 Erinevate sisselaskekanali ristlõike pindalade puhul on tulemuseks: L = 955 A C K N = 955 8,55 330 V 2 4000 49,73 cm 29 266,83 L = 955 A C K N = 955 10,01 330 V 2 4000 58,22 cm 30 266,83 L = 955 A C K N = 955 11,58 330 V 2 4000 67,35 cm 31 266,83 300 Sisselasketrakti pikkus (cm) 200 100 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Mootoripöörete sagedus (p/min) d = 3,30 cm d = 3,57 cm d = 3,84 cm Sele 10. Sisselasketrakti pikkus sõltuvalt siseläbimõõdust Helmholtzi meetodi kohaselt (autori looming) 21
Sõltuvalt valitavast sisselasketrakti siseläbimõõdust tuleb pikkuseks 49,73 67,35 cm (Sele 10). Mida suurem läbimõõt sisselaskele valida, seda pikem toru tuleks kasutusele võtta, et ära kasutada Helmholtzi resonaatori effekti. 2.2. Karburaator Sisselaske süsteemi projekteerimisel ei tohi arvestamata jätta ka teist mootorisse koos õhuga minevat mootori energia allikat- mootorikütust. Kuigi mootorisse minevast segust lõviosa moodustab õhk ja kütust kõigest natuke üle kahe protsendi [7], siis just selle kahe protsendi kütuse segunemise kvaliteet õhuga määrab palju saadavast mootori võimsusest. Karburaatori ülesanne on lisada sisselasketraktis mootorisse liikuvale õhule kütus, tehes seda õiges koguses vastavalt olukorrale. Parima jõudluse annab segu vahemikus 1:12 1:13, kus siis on vastavalt üks kg kütust ja 12-13 kg õhku [12]. Lisaks paikneb karburaatoris drosselklapp, millega reguleeritakse kui palju õhku mootor saab ning läbi selle saab piirata mootori võimsust. Kuna taastamise käigus soovitakse kasutada sama tootja karburaatorit, nagu algselt mootoril küljes, siis karburaatorite valik on piiratud tootja Weber tootevalikuga. Weber on Itaalia ettevõte, mis on tootnud karburaatoreid alates 1923 [13] ja teeb seda tänini. Kui Lada VFTS-lt laenatud süsteemil oli kasutuse kaks horisontaalkarburaatorit 40DCOE, siis uuele lahendusele lähvad külge ruumipuuduse tõttu mootori küljepeal kaks vertikaalkarburaatorit, mis kitsendab valiku IDF seeria Weber karburaatoritele (Sele 11). Sele 11. Karburaator Weber IDF [14] 22
Karburaatori valikut alustatakse vajaliku venturi toru suuruse määramisega. Venturi toru eesmärk on tekitada rõhu erinevus karburaatori erinevates sektsioonides, tänu millele liigub kütus kütuse düüsini ning sealt edasi karburaatorit läbivasse õhku. Mida suurem ahenemine venturi torus toimub, seda suurem on seal tekkiv vaakum ning kütuse segunemise kvaliteet paraneb. Liiga kitsas venturi toru aga hakkab piirama seda läbivat õhuvoolu. Sele 12. Venturi toru läbimõõt sõltuvalt töömahust ja mootoripööretest [15] Põhinedes eelnevale graafikule (Sele 12), kus on välja toodud sobiva venturitoru suurus sõltuvalt mootori töömahust ja mootoripööretest, millal soovitakse maksimaalset võimsust saada, saab valida õige venturi. Teades, et mootori töömaht on 1809 cm 3 ning mootori võimsus saavutatakse pööretel 5500 p/min (paralleelselt komponentide valimisega teostati ka simulatsiooni programmis Lotus Engine Simulator) siis sobiva venturi läbimõõt eelneva graafiku järgi on 30 mm. Edasi on võimalik valida, millise nimiläbimõõduga karburaator valitakse, selle jaoks korrutatakse venturi mõõt 1,25-ga, mis teeb tulemuseks 37,5 ja valitakse saadud numbrile lähima nimimõõduga karburaator. IDF seeria karburaatoreid on saadaval mõõtudega 40, 44 ja 48, seega sobivaks osutub karburaator Weber 40IDF venturiga 30 mm. [15] 2.3. Sisselaskekollektor Sisselaskekollektori ülesanne on juhtida karburaatorist tulev õhu ja kütuse segu sisselaskeklapini. Kollektori projekteerimisel tuleb arvestada järgnevate asjaoludega: piiratud ruum, kuhu kollektor koos karburaatoritega ära peab mahtuma, kogu sisselasketrakti pikkus ja kuju, mis tagaks parima mootorivõimsuse ning karburaatorite paigutus sisselasketraktis. Tauria ralliauto taastamise käigus 23
valitud toitesüsteemil tuleb sisselaske süsteemi ülesehitus selline, et iga silinder saab oma eraldi sisselasketorustiku ja drosselklapi, seega tuleb konstrueerida ja valmistada kollektor, kus igast sisselaskekanalist jookseb eraldi toru karburaatori lõõrini. Hea sisselaskekollektor täidab järgnevaid tingimusi [9, p. 229]: 1) varustab silindreid tööseguga võimalikult vähe voolu takistades; 2) tagab võrdse koguse töösegu igasse silindrisse; 3) sisselaskekollektoril on väikseim võimalik sisselaskekanali diameeter, mis tagab mootori madalal pöörlemissagedusel piisava töösegu voolukiiruse ilma voolu takistamata kõrgetel mootori pööretel; 4) tagab piisava kütuse aurustumise külmkäivitusel ja mootori soojenemise faasis; 5) on valmistatud mõõtmetega, mis aitavad kaasa pulseerivast õhuvoolust tingitud ülelaadeefekti tekkimisele. Kuna kollektori otsmised siseläbimõõdud on töö eelnevatest etappides leitud, siseläbimõõt plokikaane pool on 33 mm ja karburaatori pool 40 mm, siis peab kollektori projekteerimisel arvestama sellega, et kanali siseläbimõõt muutub karburaatori poolt vaadates suuremalt väiksemale. Ahenevas torus voolukiirus suureneb. Kanali kitsenevas osas on risk, et kütuseosakesed kogunevad kollektori siseseintele enne kui nad tõmmatakse piiskadena kaasa kiiresti liikuva vooluga trakti kitsas osas (Sele 13). Üldiselt segu kvaliteet toru ristlõike vähenemisel paraneb, eriti kitsenemiskohast allavoolu, tänu ahenemiskohas tekkivatele turbulentsidele [9, p. 234]. Sele 13. Töösegu voolamine kitsenevas torus [9, p. 233] 24
Antud kollektori puhul on soovituslik siseseinad teha võimalikult siledad, kuna tänu sellele väheneb hõõre seina ja liikuva õhuvoo vahel ning paraneb täieaste. Karedad seinad kollektoris küll vähendavad kütuse kogunemist siseseintele, kuid samas suurendavad takistust õhuvoolamisele ning antud kollektoris on juba kasutusel kaks kütuse segunemist soodustavat kohta: läbimõõdu ahenemiskoht ja kanali pöördekoht vertikaalselt suunast horisontaalsele. Katsetuste käigus on tõestatud, et väga siledate kollektori kanali seinte puhul ei toimu mehhaanilist kütuse aurustumist ennem kui kütus on mööda kollektori seinu jõudnud sisselaskeklapini [5, p. 188]. Voolavust takistavad kohad, nagu nurgad ja teravad ääred, on kasulikud kütuse hea segunemise jaoks, aga kahjulikud õhu voolule suurtel voolukiirustel, viimasel juhul õhu kiire voolukiirus ise tekitab head turbulentsi ja tänu sellele kütuse head segunemist õhuga ning ei vaja lisameetmeid segunemise soodustamiseks. Külmkäivitamise hetkel aurustub kõigest 5% sisselaskekollektorisse pritsitavast kütusest [16, p. 482], seega on soovitav projekteerida kollektor selliselt, et kütus ei saaks kuhugile koguneda ning liiguks koos õhuga võimalikult kiiresti silindrisse. Sisselaskekollektorid valmistatakse tüüpiliselt kas terasest, alumiiniumist, malmist või tänapäeval tihti plastmassist. Malmist valatud kollektor on masstootmise mõttes kõige odavamad valmistada, kuid tulemus tuleb kõige raskem. Alumiiniumist saab väga kerge kollektori, kuid alumiinium on väga hea sooja juht, mis puhul külmkäivituse faasis on sellest küll kasu, kuid vähendab töösooja mootori puhul tänu soojusülekandele sisse võetavasse õhku mootori võimsust. Teras on koduehitajale kõige odavam ja kättesaadavam ning lihtsaim töödelda. Mootoriruum ja selles paiknevad detailid on töösooja mootori puhul alati kuumemad kui väljastpoolt sisse võetav õhk ja seega kütavad mootorisse minevat õhku. Õhu soojenedes tema tihedus väheneb ning sellega koos langeb ka mootori täiteaste, seega mida vähem õhku kuumutatakse, seda suuremat võimsust mootorist saadakse. Madalatel mootoripööretel kuumeneb õhk rohkem, kuna viibib sisselaskekollektoris kauem aega ja seega puutub kuuma metalliga kauem aega kokku, mis tagab suurema soojusülekande [11]. Põhinedes eelnevale on programmi Solid Edge 3D keskkonnas projekteeritud sisselaskekollektor, mille kanalite pikkus on võrdselt 240 mm kõigi silindrite jaoks. 25
Sele 14. Sisselaskekollektor vertikaal karburaatorite jaoks (autori looming) 2.4. Lotuse mudel Kogu mootori tervikuna analüüsimiseks on kasutatud programmi Lotus Engine Simulation. Programm on välja töötatud auto tootja Lotuse inseneride poolt, et analüüsida oma mootoreid ja neid edasi arendada. Mida rohkem ja täpsemad sisendandmed sisestada, seda kvaliteetsem on ka saadav tulemus. Pärast mootori parameetrite sisestamist arvutab programm välja mootori jõu- momendi- ja täiteastme graafiku, lisaks ka veel palju muud, nagu sisse- ja väljalaskes tekkivad rõhulained, silindrirõhu ja temperatuuri erinevatel hetketel. Sisendandmed olid järgnevad: 1) töömahtu iseloomustavad suurused (kolvikäik, silindri läbimõõt, põlemiskambri ruumala, surveaste); 2) kasutusel oleva nukkvõlli parameetrid; 3) uue väljalaske mõõtmed (primaar ja sekundaartorude pikkused ja läbimõõdud); 4) sisse- ja väljalaske kanali mõõtmed plokikaanes; 5) plokikaane kanalite mõõdetud voolavuse andmed; 6) projekteeritud sisselaskekollektori mõõtmed; 7) karburaatori mõõtmed; 26
8) trompeti mõõtmed. Esiteks tuleb programmi sisestatud vaadeldava mootori mudel ning anta komponentidele väärtused (Sele 15). Sele 15. Mootori mudel programmis Lotus Engine Simulation (autori looming) Kuna simulatsiooni hetkel ei olnud veel teada, millises asendis täpselt nukkvõll olema hakkab, siis sai arvutusteks sisestatud nii, nagu hetkel mootoris reaalselt on, et väljalaske takti lõpus ülemise surnud seisu korral on sisse- ja väljalaskeklapp võrdselt avatud (Sele 16). Sele 16. Simulatsioonis kasutatud klapifaasid (autori looming) 27
Arvutusteks võeti vahemik 2000 7000 p/min, kuna see on prognoositav mootori töövahemik. Alla 2000 p/min ei vaadelnud, kuna simulatsiooni läbiviimine on väga ajamahukas ning antud pöördeid ralliautomootor võistlusolukorras ei kasuta. Simulatsiooni sammuks sai võetud 250 p/min, mis on piisava et tekitada graafikule sujuv kuju ja anda edasi trende, seega mootori parameetreid vaadeldakse ühe simulatsiooni korral kahekümneühes punktis. Muudetavaks parameetriks simulatsioonis on sisselasketrakti pikkus, mille muutmine toimib läbi trompeti pikkuse muutmise. Põhinedes töö eelnevas faasis saadud tulemustele, võetakse vaatlusesse pikkused 500 mm kuni 680 mm, 30 mm astmega. Võrdlusesse on võetud simulatsioonist saadavad tulemused: pöördemoment, võimsus ja täiteaste, mis on esitatud graafikute kujul. Esimesena on vaatluses mootorist saadavat võimsus erinevate pikkuste korral (Sele 17), kõige suurem näitaja on saavutatud pikkuse 530 mm korral kui võimsuseks saavutatakse 90,29 kw mootoripööretel 5500 p/min, sama pikkuse puhul on võimsusenäitajad kõrgetel mootoripööretel head, võimsus püsib üle 85 kw vahemikus 4500-6000 p/min. Kõige kehvema näitaja, 84,9 kw on saavutatud kõige pikkema sisselaske (680 mm) korral, selgelt on näha ka, kuidas pikima puhul kõrgetel mootoripööretel on võimsust tunduvalt vähem kui lühemate pikkuste korral, näiteks kui maksimaalsetel pööretel on 530 mm pikkuse puhul saadaval veel 66,28 kw, siis 680 mm korral on mootori toodetav võimsus kõigest 44,56 kw. Madalatel pööretel, kuni 3500 p/min, on sisselaske pikkuse mõju võimsusele vähem eristatav, erinevus maksimaalselt 5 kw, kuid kõrgematel pööretel on vahe selgem, kuidas lühemad sisselaskepikkused (500 mm, 530 mm ja 560 mm) annavad märkimisväärse edu pööretel 5250 6500 p/min, näiteks vahe 500 mm ja 590 mm vahel mootoripööretel 6000 p/min on umbes 10 kw. 100 Võimsus (kw) 90 80 70 60 50 40 30 500 mm 530 mm 560 mm 590 mm 620 mm 650 mm 680 mm Mootori pöörlemissagedus (p/min) Sele 17. Võimsus erinevate sisselaske pikkuste korral (autori looming) 28
Järgmisena uuritakse väändemomenti ja täiteastet (Sele 18 ja 19), mis on üksteisega seotud. Parim täiteaste, milleks on 104,3% saavutatakse sisselaske pikkusega 620 mm ja seda mootoripööretel 4000 p/min, parim pöördemoment, 193,76 Nm saadakse 650 mm pikkuse korral ja pööretel 3750 p/min. Pöördemoment (Nm) 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 500 mm 530 mm 560 mm 590 mm 620 mm 650 mm 680 mm p/min Sele 18. Pöördemoment erinevate sisselaske pikkuste korral (autori looming) Üldiselt, mida pikem sisselasketrakt, seda suuremat absoluutset pöördemomendi näitajat saavutatakse, kuid suurenenud pikkusega liigub pöördemomendi tipp madalamatele mootoripööretele. Üle 190 Nm saavutatakse pöördemoment pikkuste 590 680 mm korral. 110 Täiteaste 100 90 80 70 60 50 500 mm 530 mm 560 mm 590 mm 620 mm 650 mm 680 mm Mootori pöörlemissagedus (p/min) Sele 19. Täiteaste erinevate sisselaske pikkuste korral (autori looming) Mootori pöörlemissagedusel 4000 p/min näitavad parimat pöördemomendi ja täiteastme tulemust sisselasketrakti pikkused 590 mm ja 620 mm, vastavalt 190 ja 192 Nm ja ning täiteaste 102,7 ja 29
104,3%, mis on väga lähedal eesmärgiks seatud täiteastmele 105% ning eelnevates arvutustes leitud parimale pikkusele 584 mm rõhulainete korral. Valituks osutus simulatsiooni tulemusi hinnates sisselasketrakti pikkus 530 mm, mis andis parima võimsuse näitaja 90,29 kw, tehes seda mootoripööretel 5500 p/min ja hoides võimsust üle 85 kw vaadeldavatest pikkustest kõige kauem 1250 pöörde vahemikus (4500 p/min 5750 p/min). 2.5. Trompetid Trompetite ülesanne on suurendada mootorisse minevat õhuhulka ning vähendada võimalust, et sisselaskeklapi sulgudes tagasi põrkav kütusesegu ei satuks atmosfääri vaid saaks efektiivselt mootoris kasutatud. Lisaks on trompetitega kõige lihtsam muuta sisselasketrakti üldpikkust, muutes sellega mootori väljundparameetreid. Arvestades eelnevat jäeti trompetid kõige viimaseks detailiks sisselasketrakti projekteerimisel. Kuna eelnevalt on teada nii sisselaskekanali pikkus, sisselaskekollektori pikkus ning lõõri pikkus karburaatoris, siis lahutades need mõõtmed varem Lotuse simulaatoris leitud parimast sisselasketrakti pikkusest saame edasi arvutada, mis pikkusega tuleb sisselasketrompet: L=L +L +L +L, 32 kus L Lp Lsk Lka Lt sisselasketrakti kogupikkus (mm); kanali pikkus plokikaanes (mm); kanali pikkus sisselaskekollektoris (mm); kanali pikkus karburaatoris (mm); trompeti pikkus (mm). Avaldades valemist trompeti pikkuse, saame: L=L +L +L +L L =L L +L +L L =530 95+240+115 =80 mm 34 Tehes eelneva arvutuse kasutades sisselasketrakti üldpikkuseks 530 mm, tuleb trompeti pikkuseks 80 mm. 30
3. VALMISTAMINE JA KULUD 3.1. Kollektor Kuna soovitud mõõtmetega kollektorit ostutootena saada ei ole tuleb see üksiktootena valmistada. Sisselaskekollektori valmistamist alustatakse materjali valikust, alumiinium on kergem võrreldes terasega, kuid samas juhib paremini soojust edasi, on keerulisem valmistada ning tema materjali hind on kallim. Kuna antud detaili puhul soovib taastaja säilitada originaaliga sarnast väljanägemist ning nii sisse- kui väljalase kinnituvad sama flantsi külge, et lihtsustada vajadusel mootori eemaldamist, siis tuleb sisselase samast materjalist nagu väljalase, terasest. Esiteks on töö käigus mõõdetud ja valmistatud programmis Solid Edge 3D mudelid nii flantsist, mis kinnitub karburaatori külge (Sele 20), kui ka plokikaane poolsest flantsist (Sele 21). Tehtud mudelite järgi on valmistatud tööjoonised, mille järgi on lastud detailid valmistada vesilõikuses. Sele 20. Programmis Solid Edge valmistatud 3D joonis karburaatori flantsist (autori looming) Flantse ühendab torustik, mis moodustab sisselaskekollektori. Ühe kanali jaoks kulub üks jupp 33 mm läbimõõduga toru, üks põlv, et torustik pööraks horisontaal suunalt vertikaalseks, ning üks üleminek siseläbimõõdult 33 mm siseläbimõõdule 40 mm. Detailid ühendatakse omavahel keevisliitega, täpsemat valmistamist antud töös ei vaadelda. Tükk on lastud valmistada ning toote hinnaks on 514 eurot. 31
Sele 21. Programmis Solid Edge valmistatud 3D joonis plokikaane flantsis (autori looming) 3.2. Trompetid Trompetite puhul on kaks varianti, kas kasutada ostutootena valmislahendust või valmistada ise detailid. Ostutoode on mugav soetada, kuid samas on keeruline leida täpselt enda parameetritele sobivat detaili. Ise valmistamise puhul on ajakulu suurem, kuid tulemus on eeldatavasti täpselt selline nagu soovitakse. Kuna soovitud pikkusega trompetit ostutootena leida ei õnnestunud ning oli eeldust arvata, et toode on võimalik ise odavamalt valmistada, otsustati teise variandi kasuks. Selle jaoks valmistati esmalt programmis Solid Edge trompeti 3D mudel (Sele 22). Parim kuju sisselasketrompeti jaoks on võetud kasutades ameerika mootoriehitaja David Vizardi soovitusi [10], ja selle alusel on valminud ka tööjoonised. Sele 22. 3D joonis disainitud trompetist (autori looming) Variante on kaks, kas lasta trompetid valmistada metallist või kasutada trompeti valmistamiseks 3D printerit. Antud töös otsustati kasutada 3D printeriga valmistamist, kuna selle variandi puhul tuleb toote hind odavam. Valmistamiseks võeti pakkumised kolmelt valmistajalt ning soodsaimaks osutus OMG Grupp OÜ hind 4 eurot tükk. Solid Edgis valmistatud mudel salvestati failiformaati stl, et 32
printer oskaks seda lugeda ning prinditakse välja. Printimiseks kasutati FDM tüüpi printerit Flashforge Creator Pro. Teenusepakkuja soovitusel on materjaliks valitud ABS plast, kuna see kannatab hästi kõrged temperatuure ning on piisava tugevusega. Kokku kulus trompetite projekteerimisele ja hinnapakkumiste võtmisele aega 4h ning nelja trompeti maksumuseks kujuneb seega 56 eurot, arvestades inseneri töötunni hindeks 10 eurot tunnis. 3.3 Kogu sisselasketrakt Kogu sisselasketrakti maksumus koosneb järgmistest komponentidest: sisselasketrakti projekteerimisele kulunud aeg, Lotuse simulatsioonile kulunud aeg, karburaatori ostuhind, sisselaskekollektori valmistamise hind ja trompetite valmistamise hind. Projekteerimisele koos Lotuse Simulatsiooniga kulus töö autoril hinnanguliselt 150 tundi, sellest simulatsioonile umbes 8 tundi. Kokku võtsid seitse simulatsiooni, igaüks erineva sisselaske pikkusega aega umbes 3 tundi ja 30 minutit, lisaks kulus aega mudeli sisestamisele ja andmete analüüsimisele. Üks simulatsioon võttis aega umbes pool tundi kasutades Intel I5-760 protsessori, 8GB vahemälu ja Nvidia GeForce GTX 560Ti graafikakaardiga lauaarvutit. Eelnevalt mainitud kulunud 150 tundi teeb rahaliselt 1500 eurot, kui võtta tunnitasuks 10 eurot. Karburaator on ostutootena saadaval ning selle ise valmistamine ei ole ajaliselt ja arvatavasti ka rahaliselt mõistlik. Parima hinnaga, 354 naela tükk, leiti karburaator portaalist ebay.co.uk. Kahe karburaatori hinnaks koos saatmisega Eestisse tuleks sellisel juhul 728 naela, mis on 863,19 eurot (8.05.2017 seisuga). Eelnevalt töös mainitud trompetite ja sisselaskekollektori valmistamisele kulus kokku 570 eurot. Liites eelnevad summad, tuleb kogu projekti maksumuseks 2933,19 eurot. 33
KOKKUVÕTE Töö käigus projekteeriti uus sisselasketrakt, mis arvestab vaadeldava mootori ja auto eripärasid. Uus sisselasketrakt on oma põhimõttelt jäänud sama nagu algsel lahendusel, kasutusel on individuaalsed drosselid (karburaatori lõõrid) igale silindrile, kuid muutunud on selle parameetrid: pikkus, läbimõõt ja kuju. Enam ei ole kasutusel horisontaalkarburaatorid, vaid torustik keerab ruumi puuduse tõttu 90 kraadi ning eelnevaid asendavad uued vertikaalkarburaatorid Weber IDF 40. Tänu sisselasketraktis tekkivatele rõhulainetele on võimalik rohkem õhku silindrisse mahutada kui sinna normaalrõhul mahuks. Sisselasketraktis tekivad rõhulained kuna õhk ei liigu seal ühtlase joana edasi, vaid pulseerib edasi-tagasi tänu sisselaskeklapi avanemisele ja sulgumisele. Töö alguses seati eesmärk saavutada täiteastet 105%, teoreetiliselt jõuti sellele ka lähedale, Lotus Engine Simulation programmi kasutades saadi parimaks tulemuseks täiteaste 104,2% sisselasketrakti pikkusega 620 mm. Antud töös osutus siiski valituks sisselaske trakt pikkusega 530 mm, mis pakkus küll veidi vähemat ülelaade efekti, kuid andis parima võimsuse näitaja (90,29 kw), ning parima ühtlase jõudluse suurtel mootoripööretel. Eelnevalt leitud pikkuse põhjal projekteeriti ja valmistati antud olukorda sobiv sisselaskekollektor ja trompetid. Sisselaskekollektori materjaliks valiti teras, kuna see on kõige lihtsamini töödeldav, odav ja sobiv antud keskkonda. Trompetid valmistati 3D printimise tehnoloogia abil, kuna nõutud tingimustele vastavaid trompeteid ostutoodete seast ei leitud. Töö käigus sai Tauria omale uue sisselasketrakti, kuid selle mõju võimsusele hinnati ainult teoreetiliselt, sest puudus võimalus dünostendi külastamiseks, kuna töö tegemise hetkel ei olnud auto veel piisavalt komplektne dünostendi viimiseks. Mootori edasiseks võimsuse arendamiseks oleks vaja auto võimsust mõõta reaalselt dünostendis ning teha siis sealt järeldused, milline komponent või parameeter vajaks tulevikus tähelepanu. 34
SUMMARY During the work of this paper, Restoration of a Mid Engined Rally Car Tauria - Intake System, a new inlet tract that takes into account the traits of the observable engine and car was engineered. The new inlet tract has, based on its principle, stayed the same as in the original solution, individual throttles (carburettor pipes) are used on every cylinder, but the parameters (length, diameter and shape) have changed. Horizontal carburettors are not used anymore, instead the piping turns 90 degrees because of room deficiency and previous ones are replaced by new vertical carburettors Weber IDF 40. Thanks to the pressure waves in the inlet tract, it is possible to fit more air into a cylinder than it would be possible at normal pressure. Pressure waves appear in the inlet tract because air does not move forward as even spurts in there, instead it pulses back and forth thanks to the opening and closing of the inlet valve. The original aim of this paper was to achieve a volumetric efficiency of 105%. Theoretically, it was almost reached using the Lotus Engine Simulation program, volumetric efficiency of 104,2%, when the length of the inlet tract was 620 mm, was achieved as the best result. In this paper, inlet tract with the length of 530 mm was chosen, because it offered a little less of the supercharge effect, but provided the best power (90,29 kw) and even performance at high engine speed. Based on the previously found length, inlet collector and trumpets best fit for this situation where engineered and built. Steel was chosen as the material for the inlet collector, because it is the easiest to process, it is cheap and fit for the given environment. The trumpets were made by using 3D printing technology, because no buyable trumpets were found that would satisfy the requirements. During the work Tauria got a new inlet tract, but its effect on power was only evaluated theoretically. There was not a possibility to visit a dyno stand, because at that time the car was not ready for that yet. For future improvement of the power of the engine, it is necessary to measure the power of the car in dyno stand and then make conclusions about which component or parameter needs more attention based on that. 35
KASUTATUD KIRJANDUS [1] Заз 1102 ЭРФ-мобиле - маленькая, да удаленькая, 23 April 2011. [Võrgumaterjal]. Available: http://smotra.ru/communities/24/blog/106484/. [Kasutatud 2 May 2017]. [2] vootele, Tauria siluettauto, 4 July 2014. [Võrgumaterjal]. Available: http://forum.automoto.ee/showthread.php?tid=49010. [Kasutatud 6 May 2017]. [3] H. Tamm, Mootori algõpkirjastus Ilo, 2008, p. 199. [4] A. Livesey, Basic Motosport Engineering, Oxford: Taylor & Francis Ltd, 2011, p. 276. [5] A. Nichols ja L. Shepard, Racing Carburetor and Manifold Calibrations, [Võrgumaterjal]. Available: http://www.slantsix.org/articles/racing-manual/carbs.html. [Kasutatud 20 April 2017]. [6] D. E. Winterbone ja P. R. J., Design Techniques for Engine Manifolds, Professional Engineering Publishing, 1999, p. 392. [7] J. C. M. Philip H. Smith, The Scientific Design of Exhaust and Intake Systems, Cambridge: Bentley Publisher, 1971, p. 274. [8] W. W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine, 1997, p. 411. [9] H. Heisler, Advanced Engine Technology, Butterworth-Heinemann, 1998, p. 808. [10] D. Vizard, Tuning the A-Series Engine: The Definitive Manual on Tuning for Performance or Economy, Newbury Park: Haynes Manuals Inc, 1999, p. 520. [11] J. Heywood, Internal Combustion Engines Fundamentals, McGraw-Hill Education, 1988, p. 960. [12] A. G. Bell, Performane Tuning in Theory and Practice: Four Strokes, G T Foulis & Co Ltd, 1981, p. 252. [13] Weber carburetor, 28 December 2005. [Võrgumaterjal]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/weber_carburetor. [Kasutatud 25 April 2017]. [14] Weber 40 IDF Carburetor, [Võrgumaterjal]. Available: https://www.pegasusautoracing.com/productdetails.asp?recid=2213. [Kasutatud 3 May 2017]. 36