Rok Jene Izdelava sklopa za dekompresijo motorja z notranjim izgorevanjem Diplomsko delo Maribor, julij 2011
Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa Izdelava sklopa za dekompresijo motorja z notranjim izgorevanjem Študent: Študijski program: Mentorica FERI: Mentor FS: Lektor(ica): Rok Jene UN Mehatronika doc. dr. Andreja Rojko Izr. prof. dr. Gotlih Karl doc. dr. Andreja Rojko Maribor, julij 2011 II
III
Zahvala Rad bi se zahvalil mentorici doc. dr. Andreji Rojko somentorju izr. prof. dr. Karlu Gotlih ter laborantu mag. Marijanu Španerju za strokovne nasvete v času študija ter predvsem v času tekom izdelave diplomske naloge. Zahvalil bi se tudi izr. prof. dr. Ivu Pahole za svetovanje pri zasnovi Dekompresijskega sklopa, ter mojim študijskim kolegom, ki so tudi sodelovali pri razvoju hibridnega pogonskega agregata. Zahvala pa gre tudi moji druţini in prijateljem za podporo pri študiju ter podjetju Iskra Pio d.o.o., ki mi je s štipendijo pripomogla k uspešnemu študiju. IV
Izdelava sklopa za dekompresijo motorja z notranjim izgorevanjem Ključne besede: hibridni pogon, elektromotor, motor z notranjim izgorevanjem, takt, navor, kompresija, dekompresija, dekompresijski sklop, poraba goriva UDK: 621.43:621.313(043.2) Povzetek V diplomski nalogi je najprej opisana splošna ideja hibridnega pogona, katerega namen je zmanjšanje izpusta toplogrednih plinov, ki ga povzroča sodoben osebni transport. Osrednja tema pričujočega dela se nanaša na enega izmed problemov, ki jih je potrebno rešiti pri praktični realizaciji takšnega pogona. To je načrtovanje, realizacija in priklop sklopa za dekompresijo motorja z notranjim izgorevanjem. Motor z notranjim izgorevanjem je eden izmed obeh pogonov, ki sestavljajo hibridni pogon. Delo je potekalo na laboratorijskem preizkuševališču hibridnega pogona s paralelno konstrukcijo. Oba pogonska sklopa, motor z notranjim izgorevanjem in elektromotor, delujeta usklajeno. Bencinski motor aktivno deluje v območju največjega izkoristka, v ostalih območjih pa je pogonski motor elektromotor. Da se zmanjšajo nepotrebne izgube zaradi komprimiranja zraka pri pasivnem vrtenju, je potrebno realizirati funkcijo dekompresorja. Dekompresijski sklop je izveden s pnevmatskim aktuatorjem, ki preko ekscentrične gredi odpira ventile, ki dovoljujejo zraku prosti prehod, kar onemogoča kompresijo. V
Design of decompression system for internal combustion engine Keywords: hybrid, electric motor, internal combustion engine, stroke, torque, compression, decompression, set for decompression, fuel consumption. UDK: 621.43:621.313(043.2) Abstract This work first describes the general idea of hybrid drive, whose aim is to reduce greenhouse gas emissions caused by the modern personal transportation. Then a solution of one of the problems, which have to be solved for the practical realization of such drive, is presented. This problem is design of the system for decompression of internal combustion engine (which is one of two motors which compose the drive) and integration of the produced set in hybrid drive. The work was done on the laboratory test rig. The hybrid drive in test rig has a parallel structure, which means that both motors, internal combustion engine and electric motor, are working simultaneously. The internal combustion engine is active in the area of maximum efficiency, while otherwise only electric motor is used for the propulsion. In order to reduce unnecessary losses due to compression of the air by passive operation, it is necessary to realize the decompression function. System for decompression is realized by a pneumatic actuator that is operated through eccentric shaft the valves, allowing free passage of the air, which is preventing compression. VI
Kazalo 1 UVOD... 1 2 HIBRIDNI POGON... 3 2.1 KONSTRUKCIJA HIBRIDNIH AVTOMOBILOV... 4 3 NAČRTOVANJE IN REALIZACIJA DEKOMPRESIJSKEGA SKLOPA... 7 3.1 DEKOMPRESIJSKI SKLOP... 7 3.2 MERITVE... 9 3.3 ZASNOVA DEKOMPRESORJA... 16 3.4 IZVEDBA... 17 3.5 IZRIS IN IZDELAVA... 18 3.6 PNEVMATIKA... 19 4 REGULACIJA DEKOMPRESIJSKEGA SKLOPA... 21 5 POVEZAVA DEKOMPRESORJA V CELOTEN HIBRIDNI SISTEM... 22 5.1 MONTAŢA... 22 5.2 POVEZAVA Z OSTALIMI ELEMENTI HIBRIDNEGA POGONA... 23 6 ZAKLJUČEK... 25 7 LITERATURA... 26 8 PRILOGE... 27 8.1 KAZALO SLIK... 27 8.2 KAZALO GRAFOV... 27 8.3 IZRISI ELEMENTOV DEKOMPRESIJSKEGA SKLOPA... 28 8.4 NASLOV ŠTUDENTA... 32 8.5 KRATEK ŢIVLJENJEPIS... 32 VII
Uporabljeni simboli p - tlak A - površina lr - dolţina ročice F - sila M - navor Uporabljene kratice rpm - obratov na minuto PHEV - hibridni električni avtomobil, ki se lahko napaja iz zunanjega vira ICE - motor na notranje izgorevanje DSP-2 - digitalni signalni procesor VIII
1 Uvod Dandanes si sveta brez avtomobila ne znamo več predstavljati. Čeprav bi lahko marsikdaj uporabili enostavnejše, varnejše in predvsem cenejše prevozno sredstvo nam udobje ter hitrost prevoza z osebnim vozilom, preprosto odtehtajo druge slabosti. K povečanju števila avtomobilov v zadnjih desetih letih sta po mojem mnenju pripomogla dva pojava. Kot prvo, bi izpostavil drobljenje velikih podjetij s skupinskimi prevozi na delovno mesto v manjša privatna podjetja z zelo variabilnimi delovnimi časi. Kot drugo pa bi izpostavil ceno avtomobilov. Cena rabljenih in tudi nekaterih novih avtomobilov je danes tako nizka, da si lahko vsak študent privošči svoj avtomobil. Na ţalost pogosto zmanjka denarja za redno vzdrţevanje, kar še poveča nivo škodljivih izpustnih plinov. Velik problem motorjev z notranjim izgorevanjem je prav njihovo onesnaţevanje ozračja. Pri izgorevanju fosilnih goriv se v ozračje sproščajo velike količine CO 2, ki so vzrok učinka tople grede in s tem segrevanja ozračja in podnebnih sprememb. Posameznik ob misli na izpuste CO 2 svojega avtomobila pogosto zaključi, da je to le majhna kaplja v morje, vendar dejstvo, da vsak liter fosilnega goriva povprečno proizvede okoli 2.5 kg CO 2, še zmeraj ostaja. Zaradi vsesplošnega segrevanja ozračja so leta 2005 nekatere drţave podpisale Kjotski sporazum, ki drţave podpisnice zavezuje, da vsako leto postopno zniţujejo raven izpusta CO 2 v ozračje. Trenutno je edina alternativa fosilnim gorivom za pogon motornih vozil električni avtomobil, vendar ga zaenkrat še vedno zaznamuje njegov majhen domet. Velik domet je najpomembnejša dobra lastnost bencinskih motorjev, vendar imajo izjemno slab končni izkoristek. Posledično so se začela uveljavljati vozila, ki imajo vgrajena oba motorja in s tem tudi dobre lastnosti obeh vrst motorjev. Vozila s takšnim pogonom se imenujejo vozila s hibridnim pogonom ali pogosto kar hibridi. Naš hibridni pogon sestavljata paralelno povezana električni in bencinski motor. Namen dela je razvoj hibridnega pogona, ki bi ga vgradili v laţje dostavno vozilo. Projekt je zastavila lanska skupina študentov, zato smo v razvoj dobili ţe polizdelek. Izbrali so oba 1
motorja, ju mehansko povezali, uredili električno napeljavo in podporo za vodenje motorjev ter dodali enoto za simulacijo obremenitve. Za bencinski del pogona so izbrali Honda agregat GX160 s prostornino 163 ccm in močjo 3.6 kw. Za električni del pogona skrbi Mavilor servo motor z močjo 2.5 kw. Za simuliranje dejanskih obremenitev, ki bi nastajale med voţnjo, je uporabljen električni motor z močjo 4.96 kw. V pričujočem delu je tako obravnavan samo eden izmed problemov pri razvoju hibridnega pogona, to je razvoj in realizacija dekompresijskega sklopa za bencinski motor. 2
2 HIBRIDNI POGON Hibridno vozilo je vsako vozilo, ki uporablja dva ali več različnih virov energije za gibanje. Enostaven hibrid je električno kolo KEPP, ki je bilo na Inštitutu za robotiko, FERI razvito v okviru študentskega projekta ţe pred nekaj leti. Zdruţuje električni pogon ter noţni pogon. Vendar pa s poimenovanjem HIBRID ponavadi poimenujemo avtomobil, ki uporablja električni motor ter motor z notranjim izgorevanjem - ICE (Internal combustion engine). Temeljna ideja hibridnega pogona izvira iz dejstva, da izkoristek ICE ni konstanten v celotnem območju obratovanja, ampak se spreminja glede na obremenitev ter vrtilno hitrost. Cilj je v območjih slabšega izkoristka uporabljati električni pogon, oziroma razviti takšno vodenje hibridnega pogona, da bo ICE deloval le v tistih območjih delovanja, kjer je izkoristek višji. Izkoristek pogona se bistveno zviša tudi s tem, da se energija, ki se sprošča pri zaviranju, uporabi za polnjene baterij. V takšnem reţimu delovanja električni motor deluje kot generator. Regeneracija energije je zelo učinkovita in dosega okoli 90 % izkoristek. Čeprav so hibridi postali zanimivi šele v zadnjih 15-ih letih, sega njihov razvoj daleč v zgodovino. Prvi električno-bencinski hibrid je bil izdelan ţe leta 1900. Zasnovan je bil v podjetju Jacob Lohner & Co na Dunaju. Zasnoval ga je Ferdinand Porsche, avtomobil pa se je imenoval Lohner-Porsche Mixte. Lohner-Porsche Mixte Porsche prvega hibrida ni zasnoval zaradi ţelje po prijaznosti do okolja, ampak zato, ker je hotel premostiti slabosti zgodnjih bencinskih motorjev. Ti so bili potratni in niso zmogli večjih pospeškov. Porsche je zato izdelal avtomobil s pogonom, ki bi ga danes imenovali zaporedni hibrid. ICE na petrolej je poganjal dinamo, ki je polnil baterije, iz katerih sta elektriko za svoje delovanje črpala bolj odzivna pogonska 5 kw elektromotorja v pestih sprednjih koles. S stalno proizvodnjo elektrike so tako premostili teţave s slabo kapaciteto tedanjih baterij. Ker je avtomobil imel motorje na pestih koles, ni imel izgub menjalnika ter gredi. Po naročilu je Porsche izdelal tudi štiri pogonsko različico, kar je bil prvi avtomobil na štiri pogonska kolesa. 3
Vendar je z nadaljnjim razvojem zmogljivost bencinskih motorjev presegla zmogljivosti hibrida, in slednji je potonil v pozabo. Šele okoljska problematika ter visoke cene goriva so ustvarile ustrezne pogoje za uspeh hibridnega vozila. Posledično je doţivelo hibridno vozilo pravi razcvet šele po predstaviti Toyote Prius na Japonskem v letu 1997. Toyota Prius Toyota Prius je prvi hibridni avtomobil, ki je postal vsesplošno dostopen in tudi zelo razširjen. Na trg je prišel decembra 1997. Model z motorjem 1.8 l delovne prostornine ter močjo 73 kw ima serijsko-paralelno povezan še 60 kw elektromotor. Uporabljen je brezstopenjski menjalnik. Avtomobil ima za 5.2 kwh litij-ionskih baterij, kar v idealnih okoliščinah zadošča za 21 km voţnje na izključno električen pogon. Spada med PHEV, kar pomeni, da je baterije moţno polniti iz zunanjega vira. Toyotin avtomobilski model Prius je bil najbolje prodajani avtomobil na Japonskem leta 2009. Septembra 2010 je bilo po vsem svetu prodanih ţe 2 milijona vozil Toyota Prius. Višanje cen goriva je številne proizvajalce avtomobilov prisililo v razvoj hibridov. Tako so do konca leta 2000 skoraj vsi proizvajalci avtomobilov razvili svoj hibridni pogon. Dandanes so vozila s hibridnim pogonom razumljena kot temeljni segment na avtomobilskem trgu v prihodnosti. 2.1 Konstrukcija hibridnih avtomobilov 2.1.1 Paralelni ali vzporedni hibrid V paralelni hibrid sta vgrajena električni motor ter ICE. Sestavljen je tako, da lahko vsak motor posebej, oziroma tudi oba hkrati, poganjata vozilo. Povezana sta neposredno preko gredi. Pri speljevanju oziroma pri nizkih hitrostih se uporabi električni motor, da poţene celotno gred na obrate, pri katerih ima bencinski motor primeren izkoristek. Šele nato se vklopi bencinski motor. Če obremenitev presega optimalni navor, se vzporedno vklopi še elektromotor, ob zmanjšanem navoru pa elektromotor deluje kot generator. Tako bencinski motor deluje v optimalnem reţimu. Laboratorijski hibridni pogon, na katerem je potekalo delo, ima prav takšno paralelno konstrukcijo. 4
Baterije Pretvornik Elektro-motor Rezervoar ICE Slika 2-1 : Konstrukcijska shema paralelnega hibrida 2.1.2 Serijski ali zaporedni hibrid V serijski hibrid je ponavadi vgrajeno več elektromotorjev in eden ICE. Slednji ob delovanju vseskozi obratuje v optimalnem reţimu ter preko generatorja polni baterije. Baterije se lahko pri PHEV (hibridni električni avtomobil, ki se lahko napaja iz zunanjega vira) polnijo tudi iz zunanjega napetostnega vira. Elektromotor nato uporablja energijo iz baterije. Tako je bil zasnovan tudi prvi hibrid, ki ga je izdelal Ferdinand Porsche. Rezervoar ICE Generator Baterije Pretvornik Elektromotor Slika 2-2 : Konstrukcijska shema serijskega hibrida 2.1.3 Serijsko-paralelni hibrid V paralelni hibrid sta vgrajena električni motor ter ICE. Posebnost take konstrukcije je, da lahko deluje v paralelnem ali serijskem reţimu. V zaporednem načinu lahko preko planetnih gonil ICE poganja samo generator in ta poganja elektromotor. V vzporednem načinu pa se v planetnem gonilu hitrosti ICE in elektromotorja seštejeta, ter skupaj poganjata gred. Reţima se vseskozi izmenjujeta in delujeta tudi hkrati. Takšna je tudi konstrukcija Toyote Prius. Rezervoar Generator Baterije Elektromotor ICE Slika 2-3 : Konstrukcijska shema serijsko paralelnega hibrida 5
2.1.4 Blagi paralelni hibrid Je v osnovi paralelni hibrid ki pa ima vgrajen elektro-motor manjših moči (<20kW) in ga predvsem uporabljajo za start/stop funkcijo, za dodatno moč pri prehitevanju ter regeneriranje zavorne energije. Je razmeroma dobro razširjen hibrid. 2.1.5 Sklep Konstrukcija hibrida je zelo odvisna od tega, za kakšne namene se bo vozilo uporabljalo. Za mestno voţnjo bi bil najprimernejši serijski hibrid, vendar z njim teţje dosegamo velike moči avtomobila. Paralelni hibrid omogoča velike moči, vendar poganjanje obeh motorjev hkrati in ohranitev funkcije menjalnika, povzroča dokaj velike izgube. Serijsko paralelni hibrid delno premosti teţave obeh konstrukcij. 6
3 NAČRTOVANJE IN REALIZACIJA DEKOMPRESIJSKEGA SKLOPA 3.1 Dekompresijski sklop Vsa avtomobilska industrija veliko denarja porabi za razvoj svojih avtomobilov. Ena od prioritet pri razvoju je majhna poraba goriva, na katero vpliva mnogo dejavnikov. V vseh pogledih zmanjševanje porabe pomeni zmanjševanje izgub oziroma boljši izkoristek motorja. Priklop motorjev brez optimizacije bi pomenil slabše rezultate. Ena od pomanjkljivosti našega hibridnega pogona je komprimiranje zraka pri pasivnem obratovanju bencinskega motorja. Oba pogonska sklopa, motor z notranjim izgorevanjem in elektromotor, delujeta usklajeno in sta mehansko povezana preko gredi. Bencinski motor aktivno deluje v območju največjega izkoristka, v ostalih reţimih pa ga poganja pogonski elektromotor. Gred je zato v večini časa gnana le z enim od motorjev, drugi motor pa je gnan pasivno, pri čemur nastajajo velike izgube. Predvsem ICE v pasivnem vrtenju povzroča velik odpor. Da se zmanjšajo nepotrebne izgube zaradi komprimiranja zraka pri pasivnem vrtenju, je bilo potrebno realizirati funkcijo DEKOMPRESORJA. 3.1.1 Kako deluje štiri taktni motor v pasivnem reţimu Štiri taktni motor v normalnem delovanju ima štiri različne takte (glej sliko 3-1): 1.takt = sesanje 2. takt = kompresija 3. takt = delovni takt 4. takt = izpuh 7
Slika 3-1 : Štirje takti bencinskega motorja (VIR:http://en.wikipedia.org/wiki/Fourstroke_engine) Ko pasivno poganjamo motor ter opazujemo odpor proti vrtenju, smo pozorni le na takte pri katerih ventili niso odprti: 2. takt = Kompresija 3. takt = Delovni takt Odprti ventili omogočajo zraku prosto prehod, zato so odpori proti vrtenju minimalni. V 2. taktu = Kompresiji, se delovna snov stiska, da dobimo boljši izkoristek goriva. Vendar pri pasivnem poganjanju delovne snovi ni, zato je stiskanje nepotrebno, oziroma povzroča odpor proti vrtenju. V 3.taktu = Delovnem taktu, bi v normalnem delovanju delovna snov eksplodirala, ker pa se pri pasivnem poganjanju stiska zrak, eksplozije ni. Vendar pa stisnjen zrak iz 2. takta ekspandira, kar povzroči silo bata stran od zgornje skrajne lege, ter tako delno kompenzira izgubljeno energijo pasivnega vrtenja pri 2. taktu. Iz tega spoznamo, da je edini takt ki nam povzroča odpor 2. takt, ki povzroča KOMPRESIJO. Za izničenje tega takta zato uporabljamo DEKOMPRESOR. 8
3.2 Meritve Da bi se prepričali o nujnosti izgradnje dekompresijskega sklopa, smo izmerili izgube, ki nastajajo pri obratovanju brez dekompresorja. Da bi lahko določili relativne izgube, smo celoten sistem poganjali z elektromotorjem, izmerili navore, ki pri tem nastajajo in jih primerjali z izgubami, ki bi nastajale pri uporabi dekompresorja. Dokler dekompresor ni bil izdelan, smo se odločili dekompresor simulirati z odstranitvijo vţigalne svečke. Prvotna izvedba dekompresorja je bila zasnovana na sistemu odmikanja vţigalne svečke. Z Mavilor servo-motorjem smo poganjali hibridni sistem, tako da se je bencinski motor, Honda GX160, pasivno vrtel. Elektromotor smo vodili po hitrosti, kar pomeni, da je motor ohranjal konstantno hitrost. Ob tem smo merili, kako se spreminja tok na elektromotorju, ki je proporcionalen z navorom. Če se poveča navor pri istem izhodnem delu (konstantna hitrost, brez zunanjih obremenitve), to pomeni, da imamo izgube, ki povzročajo jalovo delo. Izvedli smo dve vrsti meritev. Pri prvi smo izmerili navor pri nameščeni in nato pri odstranjeni vţigalni svečki. Meritev smo opravili za različne hitrosti. Meritev je bila izvedena z računalnikom. Druga vrsta meritev je potekala na sistemu z montiranim dekompresorjem. Merili smo navor v odvisnosti od vklopa in izklopa dekompresorja. Meritev je potekala na osciloskopu. 9
Frekvenca / Navor [RPM] / [Nm] Frekvenca / Navor [RPM] / [Nm] 3.2.1 MERJENJE NAVOROV Z IN BREZ VŢIGALNE SVEČKE Izvedli smo meritve pri treh različnih frekvencah. Pri vsaki smo posneli časovni potek navora z in brez vţigalne svečke. Frekvenca: 500 rpm Frekvenca merilo: 1 333RPM (ZELENA) Navor merilo: 1 2.8Nm (MODRA) 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Čas [s] Graf 3-1 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev z vţigalno svečko pri 500 rpm. 10 5 0-5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Čas [s] Graf 3-2 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev brez vţigalne svečke pri 500 rpm. 10
Frekvenca / Navor [RPM] / [Nm] Frekvenca / Navor [RPM] / [Nm] Frekvenca: 1000 rpm Frekvenca merilo: 1 333RPM (ZELENA) Navor merilo: 1 2.8Nm (MODRA) 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Čas [s] Graf 3-3 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev z vţigalno svečko pri 1000 rpm. 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Čas [s] Graf 3-4 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev brez vţigalne svečke pri 1000 rpm. 11
Frekvenca / Navor [RPM] / [Nm] Frekvenca: 1500 rpm Frekvenca merilo: 1 333RPM (ZELENA) Navor merilo: 1 2.8Nm (MODRA) 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Čas [s] Graf 3-5 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev z vţigalno svečko pri 1500 rpm. 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Graf 3-6 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev brez vţigalne svečke pri 1500 rpm. 12
Navor [Nm] Sklep merjenja navorov z in brez vžigalne svečke Iz grafov lahko sklepamo, da komprimiranje zraka pri pasivnem vrtenju povzroča velike izgube. Pri merjenju brez vţigalne svečke se amplitude navorov zmanjšajo na vsaj četrtino prvotnih vrednosti. Največja teţava komprimiranja zraka je pri zaganjanju oziroma pri nizkih obratih (Graf 3-1), kjer so izgube večje, pri višjih obratih pa so zaradi vztrajnosti manj opazne (Graf 3-5). Elektromotor ima dober časovni odziv, vendar kljub temu opazimo, da ima navor zelo velik vpliv na kotno hitrost (Graf 3-1). Opazimo nihanja kotne hitrosti za okoli 10%. To vsekakor ni dobrodošlo v našem sistemu. Pri odstranjeni vţigalni svečki opazimo, da se hitrost umiri in je skoraj konstantna (Graf 3-2). 3.2.2 MERJENJE NAVOROV PRED IN PO VKLOPU DEKOMPRESORJA Izvedli smo meritve pri treh različnih frekvencah. Pri vsaki smo posneli časovni potek navora pred in po vklopu dekompresorja. Vklop dekompresorja naj bi dal enake rezultate kot odstranitev vţigalne svečke. Frekvenca: 500 rpm Navor merilo: 1 2.8 Nm (MODRA) Graf 3-7 : Meritev pri 500 rpm. Prikazan je navor na elektromotorju pred in po vklopu dekompresorja. Čas [s] 13
Navor [Nm] Navor [Nm] Frekvenca: 1000 rpm Tok Idc merilo: 1 2.8 Nm (MODRA) Graf 3-8 : Meritev pri 1000 rpm. Prikazan je navor na elektromotorju pred in po vklopu dekompresorja. Čas [s] Frekvenca: 1500 rpm Tok Idc merilo: 1 2.8 Nm (MODRA) Graf 3-9 : Meritev pri 1500 rpm. Prikazan je navor na elektromotorju pred in po vklopu dekompresorja. Čas [s] 14
Ugotovitve na podlagi merjenja navorov pred in po vklopu dekompresorja Ugotovimo, da so grafi pri vklopu in izklopu dekompresorja zelo podobni tistim, ki smo jih dobili, ko smo imeli nameščeno in odstranjeno vţigalno svečko. Tudi tukaj ugotovimo, da pri večjih kotnih hitrostih (Graf 3-9) amplitude navora niso tako velike kot pri nizkih kotnih hitrostih (Graf 3-7). 15
3.3 Zasnova dekompresorja 3.3.1 Zahteve Prvotne zahteve za dekompresor so bile: Enostavnost, lahka izvedba, tesnost, ohranitev vseh funkcij motorja, energijska varčnost, dolga ţivljenjska doba, hiter odziv, ne bo zahteval pretiranih konstrukcijskih sprememb bencinskega agregata. Poenostavitve razvojnega modela: sistem lahko uporabi pnevmatski aktuator, vodenje iz osebnega računalnika. 3.3.2 Ideja Enostaven dekompresor bi izvedli z izvrtino na zgornji strani cilindra, ki bi omogočala prosto prehajanje zraka v cilinder in iz njega. Vendar je naš namen isto napravo uporabiti tudi za povračilo kompresije. Ker imamo na cilindru nekaj odmičnih elementov, ni bilo smiselno uvajanje novih izvrtin in primernih tesnilnih elementov, ampak smo raje uporabili ţe uvedene izvrtine oziroma odmične mehanizme. Na voljo smo imeli odmik vţigalne svečke in odmik sesalnih/izpušnih ventilov. Ker se svečka odmika z vrtenjem, odpiranje ventilov pa lahko doseţemo le s pritiskom, smo se odločili uporabiti ventile. Sesalno/izpušni ventili se odpirajo glede na poloţaj gredi. Za usklajenost odpiranja z gredjo skrbita dva odmikača, ki sta pritrjena na gred, po njima pa drsi kovinska paličica, ki je preko vzvoda povezana na oba ventila (glej sliko 3-2). Oblika odmikača podaja reţim odpiranja sesalno/izpušnih ventilov. 16
Slika 3-2 : Skica predstavlja sistem reguliranje ventilov. Slika 3-3 : Pomoţna gred motorja z notranjim izgorevanjem z odmikačema. (http://www.engineman.co.uk/camshaft-to-fit-honda-gx240-gx270-175-481-p.asp) 3.4 Izvedba Glede na to, da se ventili odpirajo s silo, ki jo proizvede kombinacija vrtilnega momenta ter ekscentra, smo se odločili, da tudi mi uporabimo tak način pritiska. Odločili smo se izdelati zaporedno montiran odmikač, ki bo pritiskal na vzvod obeh ventilov - sesalnega ter izpušnega (glej sliko 3-4 zelena barva prestavlja ekscenter dekompresijskega sklopa). Odmikač-ekscenter se bo obračal s pomočjo pnevmatskega bata, ki je preko ročice montiran na gred ekscentra. Naš motor bo normalno deloval do trenutka, ko bomo dekompresor vklopili. V tem trenutku bo delovanje odmikača onemogočeno, oziroma bodo sesalno/izpušni ventili ţe v takšni legi, v katero jih bo ţelel odmikač potisniti (glej sliko 3-4). Prednost ekscentričnega sistema je močno zmanjšana minimalna potisna sila ter 17
predvsem enostavno tesnjenje takšnega sistema, v primerjavi z direktnim pritiskom bata. Slabost takega sistema je velika sila trenja, ki nastaja med ekscentrom ter vzvodom, vendar pa delovanje znotraj motorja omogoča razmeroma zadostno mazanje sistema. Slika 3-4 : Idejna zasnova dekompresorja 3.5 Izris in izdelava Načrtovanje dekompresorja je potekalo v programu AutoCad. Celoten čas sem risal ob motorju, kar je omogočalo sprotno dodelovanje sistema. Teţava takega sistema je, da ni samostojen, ampak se mora prilagajati napravi, na katero bo priključen oziroma montiran. Slednje nam je povzročalo precej teţav, saj imamo delovno prostornino omejeno, teţave nastajajo tudi pri fiksiranju, ker si novih prijemališč ne moremo privoščiti, ampak uporabimo dane. Tudi tesnjenje takega sistema je zapleteno, saj na motorju ne najdemo ravnih linij, ampak linije, ki omogočajo kompaktnost ter dobre hladilne lastnosti. Strojniški del dekompresorja je bil izdelan v strojniški delavnici Fakultete za strojništvo. Tako načrtovanje, kot izdelava je potekalo v treh delih (glej prilogo): 1.- ekscenter 2.- ohišje 3.- pomoţni deli 18
3.6 Pnevmatika Za obračanje ekscentra skrbi pnevmatski bat Uni air ASM-16-20Pa, ki je reguliran preko elektro-vodljivega ventila UNI AIR YMV-3218. Ventil se odpira s pomočjo elektromagneta UNI-AIR MS15-24 DC. Na ekscenter je montiran preko ročice dolţine 20mm. Uni Air ASM-16-20PA je pnevmatski bat z delovnim premerom 16mm, hodom 20mm v prvotno stanje pa se vrača z vzmetjo. (http://www.hypex.si/userfiles/file/katalogi/katalog_pneumatic_v2.pdf) Ventil UNI AIR YMV-3218 je 3/2 ventil, ki je v normalnem stanju izklopljen. (http://www.hypex.si/userfiles/file/katalogi/katalog_pneumatic_v2.pdf) UNI AIR MS 15-24 je elektromagnet, ki odpre ventil pri 24V napetosti na vhodu. (http://www.hypex.si/userfiles/file/katalogi/katalog_pneumatic_v2.pdf) Za pnevmatsko krmiljenje smo se odločili predvsem zaradi laţje izvedbe sistema. Pri dejanski izvedbi bi bilo potrebno pnevmatiko nadomestiti z razmeroma močnim servomotorjem. 3.6.1 Sila Sila na batu, ki je potrebna za zasuk ekscentra, ni konstantna ampak je odvisna od stanja odmikača, ki lahko občutno zmanjša silo pritiska. Če nekoliko poenostavljeno pogledamo na sistem, predvidimo, da med gibanjem pravzaprav ţe odmikač odpre ventil, naš ekscenter pa bi se moral le prosto zavrteti ter prestreči silo, ko odmikač popusti. Vendar pa natančen pogled v sistem pokaţe, da odpiramo vedno oba ventila, ki pa sta v proti-fazi. To pomeni, da je sila vedno enaka ali večja sili odpiranja enega ventila. Če še k temu prištejemo dejstvo, da bo v večini primerov dekompresor vklopljen pred zagonom motorja, je bilo potrebno dekompresor zasnovati tako, da lahko odpre oba ventila hkrati. 19
Silo bata, ki preko ročice zasuče ekscenter, je bilo vnaprej teţko izračunati, saj je skoraj nemogoče predvideti silo trenja, ki nastaja pri vrtenju ekscentra. Zato smo jo izračunali kasneje, na podlagi potrebnega tlaka za pogon dekompresorja. Iz sile smo izračunali še navor, ki je potreben za zasuk ekscentra. p = 600 kpa A=200,96 mm2 lr = 20 mm - Tlak, ki je potreben za zasuk ekscentra. - Delovna površina pnevmatskega bata. - Delovna ročica med batom in ekscentrom Izračun sile na batu: F = p * A = 600 000 N/m2 * 0,00020096 m2 = 120,6 N Izračun navora potrebnega za zasuk ekscentra: M = F * lr = 120,6 N * 0,020 m = 2,412 Nm Iz izračuna ugotovimo, da dekompresijski sklop premika razmeroma veliko silo in da je za premik ventilov potreben razmeroma velik navor na ekscentru (2,412 Nm). Pri vgradnji v lahko dostavno vozilo ne bomo imeli na razpolago pnevmatskega aktuatorja, ampak ga bo potrebno nadomestiti z električnim servo motorjem, ki bo seveda moral dosegati ta navor. 20
4 Regulacija dekompresijskega sklopa Za vodenje, regulacijo in simulacijo obremenitve smo uporabljali DSP-2 krmilnik. Ta krmilnikomogoča programiranje s pomočjo programskega paketa MATLAB/Simulink ter zanesljivo izvedbo regulacije sistema. Preko analognih in digitalnih vhodov nadzorujemo celoten sistem z vsemi veličinami. Preko analogno/digitalnih izhodov izvedemo krmiljenje celotnega hibridnega pogona. Dekompresor lahko v Simulink blokovni shemi poveţemo z ostalimi parametri ter spremenljivkami in tako doseţemo samostojno vklapljanje ter izklapljanje dekompresorja. Ker pa celotna regulacija še ni dokončana, smo dekompresor le ročno vklapljali, ne glede na stanje celotnega sistema. Uporabniški vmesnik (osebni računalnik) DSP-2 Kartica Krmilni sistem DO0 - enable AO0- kot odprtja goriva DO1 - enable A01 - referenčni tok(navor) AI3 dejanski navor ENC0 inkrementaln dajalnik DO3 - enable MOTOR NOTRANJIM IZGOREVANJEM ELEKTROMOTOR (Mavilor) DEKOMPRESOR Z Slika 4-1 : Shema priklopa sistema za testiranje dekompresijskega sklopa. Slika 4-1 prikazuje shemo povezav v Simulink-u, ter imena in naloge posameznih blokov, namenjenih za vodenje posameznih sklopov. Samo vklapljanje je realizirano s pomočjo digitalnega izhoda DO3, ki na izhod pošlje logično 1, ta pa preko releja preklopi iz 0 na 24V. Ko pride na elektromagnetni ventil 24V, se ta premakne in odpre pretok zraka ter omogoči zraku pretok v bat (6 bar). Zrak bat raztegne in obrne ročico ekscentra. Ob testiranju dekompresorja sem priklopil še elektromotor in bencinski motor ter za meritve navorov in hitrosti še merilec dejanskega navora ter inkrementalni dajalnik. 21
5 Povezava dekompresorja v celoten hibridni sistem 5.1 Montaža Montaţa dekompresijskega sklopa na hibridni pogon je zajemala štiri faze: TESNJENJE Ker sem posegal v notranjost motorja, je bilo potrebno zagotoviti dobro tesnost. Za tesnjenje gredi sem uporabil radialno gredno tesnilo (»semering«) velikosti 10/14/7 (notranji premer, zunanji premer, debelina). Za tesnjenje med motorjem in ohišjem smo uporabili ploščato tesnilo. FIKSIRANJE ELEMENTOV Vijačenje elementov dekompresijskega sklopa ter vseh podpornih elementov (ventil, regulator tlaka). NASTAVITEV DEKOMPRESORJA Pod nastavitve dekompresorja spadajo izbira idealnega tlaka ter natančna nastavitev globine pritiska ekscentra. Preglobok pritisk ekscentra bi lahko ventile potisnil do bata, kar bi pomenilo poškodbo motorja. Preplitev pritisk pa bi (je) pomenil premajhno dekompresijo in povečan hrup, saj se za vsak obrat na gredi izmenjata dekompresijski odmik ventilov ter odmik ventilov, ki jih povzroča odmikač. To pa povzroča velik hrup in večjo obrabo elementov. POVEZAVA REGULACIJE Sem spada priklop elektromagnetnega ventila na DSP-2 vodilo in povezava pnevmatike. 22
5.2 Povezava z ostalimi elementi hibridnega pogona Celotna regulacija sistema (nadzorni regulator) še ni izvedena, ampak je še v fazi načrtovanja. Zato sem s pomočjo blokovne sheme predstavil kako bo deloval naš hibridni pogon, ko bodo vse komponente in algoritmi tudi dejansko implementirani in povezani v celoto. Slika 5-1 : Blokovna shema delovanja hibridnega pogona 5.2.1 Opis delovanja celotnega sistema Uporabnik zaţene avtomobil. Sistem preveri ali baterije omogočajo voţnjo izključno z električnim pogonom, in če je temu tako, se bo najprej vklopil dekompresor, takoj zatem pa se bo vklopil električni motor in pognal avto iz mirovanja. ICE ostaja izklopljen, električni motor pa se napaja iz baterije. Tako ostaja dokler to dopuščajo baterije. Ko se zmogljivost baterij spusti pod kritično mejo, se dekompresor izklopi ter takoj zatem sledi vklop ICE. Ob vklopu ICE sistem poskuša obdrţati konstanten idealni navor, ki pri našem motorju znaša okoli 10 Nm. Tako ob minimalni obremenitvi sam sistem s svojim električnim motorjem, ki lahko deluje kot električni generator, obremeni sistem do te mere, da deluje bencinski motor v optimalnem reţimu. Generator sproti proizvaja energijo in polni baterije. Ob 23
prevelikem navoru (čez 10Nm) sistem vzporedno vklopi še elektromotor ter z njim dopolni potreben navor, ICE pa je znova idealno obremenjen. Čez vse reţime delovanja se ob zaviranju elektromotor vklopi v generatorskem načinu ter polni baterije. 24
6 Zaključek V okviru naloge je bil načrtovan in realiziran dekompresijski sklopa za hibridni pogon. Pri izrisovanju naprave sem imel nekaj teţav s prilagajanjem dekompresijskega sklopa motorju. Zato menim, da bi bilo pri podobnem načrtovanju smotrno imeti 3D model motorja uvoţen v modelarski program in v samem programu prilagajati izdelek motorju za katerega bo izdelan. S tako tehniko bi bil izris veliko hitrejši, izdelek pa bi bil mnogo bolj dovršen. Vendar vseeno menim, da so bili doseţeni vsi zastavljeni cilji in da smo delo na projektu opravili dosledno in zanesljivo. Avtomobilska industrija veliko denarja vlaga v razvoj hibridov. Vendar pa cena in zmogljivosti takšnih avtomobilov prepričajo le redko koga. Ceno hibridnih avtomobilov dvigujejo predvsem baterije, katerih zmogljivosti na ţalost še niso na zadovoljivi ravni. Vendar pa naj bi se to kmalu spremenilo. Osebno menim, da so vozila s hibridnim pogonom le prehodna faza med uporabo vozil z motorjei na notranje izgorevanje in popolnoma električnimi vozili. Vendar pa brez proizvodnje energije iz obnovljivih virov tudi električni avtomobili ne omogočajo ekološko osveščene voţnje. Če k temu dodamo še proizvodnjo in razgradnjo baterij, je lahko naravi povzročena škoda še večja kot pri uporabi vozil s klasičnimi motorji na notranje izgorevanje. Na podlagi študija literature o hibridnih pogonih lahko rečem, da so me prepričali le blagi hibridi. Ti imajo vozne in ostale lastnosti podobne klasičnim avtomobilom ter hkrati omogočajo koriščenje zavorne energije. Popolni hibridi zelo povečajo teţo ter ceno avtomobila, poraba pa se ne zmanjša bistveno. Zelo uporabni so za mestno voţnjo, ker pa prihajam iz podeţelja, mi osebno ne bi omogočili prihranka denarja oziroma okoljsko osveščene voţnje. 25
7 Literatura 1. M. Španer, Hibridni pogonski agregat za lahka vozila, Zbornik sedemnajste mednarodne Elektrotehniške in računalniške konference ERK 2008, 2008, zv. B, pp. 195-198. 2. Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi: Modern Electric Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles, Taylor and Francis Group, LLC, ZDA 2010. 3. DSP2 User s Manual, 2001 University of Maribor, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Institute of Robotics, spletna stran, http://www.ro.feri.uni-mb.si/projekti/dsp2/documentation/dsp2_users_manual.pdf Zadnjič dostopano 6.7.2011. 4. Motor Honda GX160 spletna stran: http://www.honda-engines.com/engines/gx160.htm Zadnjič dostopano 6.7.2011. 5. Hibridna vozila, wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/hybrid_electric_vehicle Zadnjič dostopano 6.7.2011. 6. Lohner-Porsche hibrid: http://en.wikipedia.org/wiki/lohner-porsche_mixte_hybrid Zadnjič dostopano 6.7.2011. 7. Test Toyota Prius: http://www.avtovizije.com/testi/toyota/2963-toyota-prius-executive-18-naviipa.html Zadnjič dostopano 6.7.2011. 8. 4-taktni motor: http://en.wikipedia.org/wiki/four-stroke_engine Zadnjič dostopano 6.7.2011. 9. Pnevmatika : http://www.hypex.si/sl/index/article?path=/catalogs Zadnjič dostopano 6.7.2011. 26
8 Priloge 8.1 Kazalo Slik Slika 2-1 : Konstrukcijska shema paralelnega hibrida... 5 Slika 2-2 : Konstrukcijska shema serijskega hibrida... 5 Slika 2-3 : Konstrukcijska shema serijsko paralelnega hibrida... 5 Slika 3-1 : Štirje takti bencinskega motorja (VIR:http://en.wikipedia.org/wiki/Four-stroke_engine)... 8 Slika 3-2 : Skica predstavlja sistem reguliranje ventilov.... 17 Slika 3-3 : Pomožna gred motorja z notranjim izgorevanjem z odmikačema.... 17 Slika 3-4 : Idejna zasnova dekompresorja... 18 Slika 4-1 : Shema priklopa sistema za testiranje dekompresijskega sklopa.... 21 Slika 5-1 : Blokovna shema delovanja hibridnega pogona... 23 8.2 Kazalo grafov Graf 3-1 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev z vžigalno svečko pri 500 rpm.... 10 Graf 3-2 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev brez vžigalne svečke pri 500 rpm.... 10 Graf 3-3 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev z vžigalno svečko pri 1000 rpm.... 11 Graf 3-4 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev brez vžigalne svečke pri 1000 rpm.... 11 Graf 3-5 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev z vžigalno svečko pri 1500 rpm.... 12 Graf 3-6 : Časovni potek frekvence in navora. Meritev brez vžigalne svečke pri 1500 rpm.... 12 Graf 3-7 : Meritev pri 500 rpm. Prikazan je navor na elektromotorju pred in po vklopu dekompresorja.... 13 Graf 3-8 : Meritev pri 1000 rpm. Prikazan je navor na elektromotorju pred in po vklopu dekompresorja.... 14 Graf 3-9 : Meritev pri 1500 rpm. Prikazan je navor na elektromotorju pred in po vklopu dekompresorja.... 14 27
8.3 Izrisi elementov dekompresijskega sklopa 8.3.1 IZRIS CELOTNEGA SISTEMA Načrt 1 : Izris celotnega dekompresijskega sistema. 28
8.3.2 EKSCENTER Načrt 2 : Načrt ekscentra. Izdelan iz jekla. 29
8.3.3 OHIŠJE Načrt 3 : Načrt ohišja. Izdelan iz aluminija. 30
8.3.4 POMOŢNI ELEMENTI Načrt 4 : Načrt vijaka (nosilec bata). Izdelan iz jekla. Načrt 5 : Načrt gredi dekompresorja. Izdelan iz jekla. Načrt 6 : Načrt pogonske ročice dekompresorja. Izdelana iz aluminija. 31
Načrt 7 : Načrt podaljška bata. Izdelan iz aluminija. 8.4 Naslov študenta Rok Jene, Kaplja vas 6, 8295 Trţišče. e-mail: Ajdpamet@gmail.com 8.5 Kratek življenjepis Rojen: 21.11.1988 v Novem mestu Šolanje: Osnovna šola: Osnovna šola Trţišče, 1995-2003 Srednja šola: Tehniška Gimnazija, Šolski center Novo mesto, 2003-2007 32
33
34
35