Risto Egipti VÄLJALASKESÜSTEEMI PROJEKTEERIMINE ÜKSIKKORRAS VALMISTATUD SÕIDUKILE LÕPUTÖÖ Tallinn 2014
Risto Egipti VÄLJALASKESÜSTEEMI PROJEKTEERIMINE ÜKSIKKORRAS VALMISTATUD SÕIDUKILE LÕPUTÖÖ Transporditeaduskond Autotehnika eriala Tallinn 2014
SISUKORD 1. SISSEJUHATUS... 6 2. AUTOTÖÖSTUSES KASUTATAVAD KOLLEKTORID... 7 2.1. Lühiajalugu... 7 2.2. Erinevat tüüpi kollektorid... 8 2.2.1. Malmkollektor... 8 2.2.2. Keeviskollektor... 9 2.2.3. Kahepoolne keeviskollektor... 10 2.2.4. Topelt seinaga kollektor... 11 2.2.5. Kollektor ja katalüüsmuundur integreeritud... 12 2.2.6. Kollektor ja turbolaadur on integreeritud... 12 2.2.7. Kollektor ja plokikaan on integreeritud... 13 3. KOLLEKTORI PROJEKTEERIMISE ERINEVAD VÕIMALUSED VASTAVALT EESMÄRGILE... 14 3.1. Tööpõhimõte... 14 3.2. Inerts... 15 3.3. Astmeline primaarkanal... 17 3.4. Akustika... 19 4. KUUSK... 21 4.1. Baffle-type collector... 21 4.2. Merge collector... 22 4.3. Venturi merge collector... 23 3
5. SÜSTEEMIS KASUTATAVAD KOMPONENDID... 24 5.1. Katalüüsmuundur... 24 5.2. Metallelemendiga katalüüsmuundur... 24 5.3. Summutuselement... 26 6. VÄLJALASKEKOLLEKTORI ARVUTUSED... 29 6.1. Primaarkanal... 30 6.2. Sekundaarkanal... 32 6.3. Kogu väljalaskesüsteemi pikkus... 32 6.4. Summuti toru läbimõõt... 34 7. VIRTUAALSE MOOTORI KOOSTAMINE... 35 7.1. Lotus Engine Simulation komponentide selgitused... 35 7.2. Virtuaalne mootor... 37 8. KULUD... 40 9. ANALÜÜS... 41 KOKKUVÕTE... 44 SUMMARY... 45 VIIDATUD ALLIKAD... 47 Lisa 1. Mootori M50B25 andmed... 48 Lisa 2. CAD projekteeritud kuusk... 49 Lisa 3. CAD projekteeritud primaarkanalid ning kuused... 50 Lisa 4. Kuuse komponendid... 51 Lisa 5. Monteeritud kuused... 52 Lisa 6. Kuuse seest vaade... 53 Lisa 7. Kollektori flantsid... 54 Lisa 8. Primaarkanalite monteerimine... 55 Lisa 9. Monteeritud primaarkanalid... 56 Lisa 10. Primaarkanalid koos sekundaarkanalitega... 57 4
Lisa 11. Terviklik väljalaskesüsteem... 58 Lisa 12. Üksikkorras valmistatud sõiduk... 59 Lisa 13. Tehase poolt valmistatud väljalaskesüsteemi sobitamine... 60 Lisa 14. Virtuaalse mudeli väliskarakteristika võrreldes veojõustendi tulemusega... 61 5
1. SISSEJUHATUS Lõputöö eesmärgiks on projekteerida üksikkorras valmistatud sõidukile kogu väljalaskesüsteem ning optimeerida sellega vastavalt võimalustele mootori tööd valitud tööpiirkonnas. Eesmärk on tõsta valitud mootori(bmw M50B25) väändemomendi väärtuseid keskmistel ning madalatel mootoripööretel võrreldes tehaseandmetega. Autot hakatakse kasutama nii rajal, kui ka tänaval ning arvestades ka sõiduki massi on optimaalseim valik tõsta väändemomendi väärtuseid eelnimetatud pööretel. Jälgima peab ka seda, et mootori võimsus ja väändemoment ei langeks madalamatele väärtustele, kui on need tehase poolt projekteeritud ning valmistatud väljalaskesüsteemi kasutuse korral. Üldised kriteeriumid, mida peab konkreetse väljalaskesüsteemi projekteerimisel arvestama on järgmised: 1. Vaba ruum mootoriruumis- väljalaskekollektori disain. 2. Sõiduki pikkus- sellest sõltub kogu väljalaskesüsteemi pikkus ning kasutatavate komponentide valik. 3. Soovitud tulemus mootori väliskarakteristikas. Sõidukiks on kahekohaline kerg-kaaluline sportauto, mille ehitamise aluseks on võetud Lotus Seven. Sõidukile on tehtud mitmed modifikatsioonid šasiis, esi- ja tagasillas ning mootori ja ülekandesüsteemide valiku osas. Sõiduki konstrueerimisel on kasutatud mitmete masstootmises olevate sõidukite komponente, arvestades nende valikutes sõlmede funktsionaalsust. Auto ehitamisel tuleb suurt rõhku panna turvalisusele ja ohutusele ning üksikkorras valmistatud sõiduki nõuetele[12]. 6
2. AUTOTÖÖSTUSES KASUTATAVAD KOLLEKTORID 2.1. Lühiajalugu Autotööstuse algusaastatel kasutati mootoritel standardiks kujunenud malmkollektoreid. Ainult autospordis kasutati keeviskollektoreid, kus olid tähtsal koha mootori võimsus ja väändemoment. Keeviskollektor andis võimaluse kasutada igal väljalaskekanalil optimeeritud kollektori primaarkanalit ning see andis võimaluse muuta mootori väljundkarakteristikat. Kuna malmkollektor on kompaktne ning on valmistatud valutehnoloogia abil, siis sellisel süsteemil on piiratud võimalused mootori töö optimiseerimiseks. 1980-te keskpaigas kehtestati Euroopas seadused, mille eesmärk oli panna piirangud mootorite heitgaasidele. Selleks võeti kasutusele katalüüsmuundur. Seaduste karmistumine nõudis seda, et mootorid ja katalüüsmuundur pidid saavutama kiiremini töötemperatuuri. Üks võimalus oli vähendada kollektori termilist massi. Malmkollektori puhul on tavaliselt neljasilindrilisel mootoril kollektori mass neli kuni kaheksa kilogrammi ning seda on märkimisväärselt palju. Kui kollektori termiline mass on väike, siis väljalaskegaasdide kõrge temepratuur saavutaks kiiremini katalüüsmuunduri töötemperatuuri. Suure termilise massiga kollektor jahutab väljalaskegaasid maha ning katalüüsmuundur saavutab hiljem oma töötemperatuuri.[4.p.270] Teiseks võimaluseks oli tõsta väljalaskegaaside temperatuuri. 1980-te alguses mõõdeti ottomootori väljalaskegaaside temperatuuriks umbes 850 C ja 650 C diiselmootoril, tänaseks on need temperatuurid kasvanud vastavalt 1000 C ning 850 C. Suurt mõju avaldab kõrge väljalaskegaaside temperatuur eriti ottomootori kollektori materjali valiku osas. Varem kasutati kollektori materjaliks raua ja räni-molübdeeni sulamit. Materjal kannatas maksimaalselt 900 C. Kõrgema kvaliteediga malmi puhul, mis sisaldab 20% kuni 36% niklit on võimaline taluma kuni 1000 C. Kui soovitakse veel kõrgemat temperatuuri taluvust, siis tuleks kasutada nikli või koobalti sulameid.[4.p.271] Malmkollektori primaarkanalite paksus on üldjuhul 4-6 mm, võrreldes keeviskollektoriga 1-1.8 mm[4.p.271]. Malm ei ole väga vastupidav, kuna temperatuuride vahemikud, mida see materjal peab taluma, mõjutavad ajapikku metalli struktuuri. Kõrgetel temperatuuridel tekivad ajapikku 7
mikrostruktuuris muutused ning materjal ei ole enam piisavalt tugev - tekivad plastsed deformatsioonid. Kollektori jahtumisel tekivad mikromõrad ning ajapikku mõrad suurenevad ja süsteem hakkab lekkima. Uue materjali väljatöötamiseks tehti põhjalikud uuringud, eesmärk oli leida selline materjal, mis oleks vastupidavam ning taluks ekstreemset temperatuuri muutust. Üheks võimaluseks oli kasutada terasest lehtmetalli või terastoru[4.p.271]. Sellist lahendust võis pidada vastupidavaks, sest teras talub plastset deformatsiooni. Samuti hakati ka diiselmootorile paigaldama terasest valmistatud kollektoreid. Suur pluss oli ka terasest detailide kasutamisel see, et kogu sõiduki mass oli väiksem. Malmkollektorit kasutades oli plussiks selle kompaktsus, terasest valmistatud torukollektor nõuab aga mootoriruumis rohkem ruumi tänu optimiseeritud primaarkanalite pikkusele ja minimaalsetele painderaadiustele. Kollektori väga kõrge temperatuur võib kahjustada ligidal asuvaid teisi komponente. Kui temperatuur on üle 800 C, tuleb kasutada kuumakaitseplekki[4.p.271]. Valutehnoloogial põhineva madalsüsinikterasest valmistatud kollektorite puhul on võimalus kasutada topelt seinaga primaarkanaleid, kus on kahe seina vahel õhukiht või vesi, mis on ühendatud mootori jahutussüsteemiga. Eesmärgiga vähendada kollektori läheduses olevatele detailidele mõjuvat temperatuuri. Keeviskollektorit on võimalik katta keraamikaga või kasutada kollektoriteipi. 2.2. Erinevat tüüpi kollektorid 2.2.1. Malmkollektor Materjal: malm Seinapaksus: 7-8 mm kollektorid. Plussid: kompaktne; väga suur võimalus kasutada eirinevaid vorme või geomeetriaid; odav toota. Miinused: suur kaal; piiratud temperatuuritaluvusega, kui kasutada niklisulameid suurendamaks temperatuuritaluvust, tõstab tootmise hinda märgatavalt; pideva temperatuuri kõikumise tagajärjel tekivad mikropraod ning materjal ei ole pikas perspektiivis vastupidav; väga kõrge temperatuur detaili pinnal- vajab kuumust hoidvat kaitset; 8
suure termilise massit tõttu rohkem mürgiseid ühendeid väljalaskegaasides - kollektor jahutab gaasid maha ning see mõjutab katalüüsmuunduri töötemperatuuri saavutamist; suure termilise massi tõttu jahtub väga aeglaselt - kuumutab mootoriruumi ning teisi komponente; primaarkanalite pikkused on piiratud olenevalt tootmisvõimalustest.[4.p.272;273] Joonis 1. Autotööstuses kasutatav malmkollektor [4.p.272] 2.2.2. Keeviskollektor Materjal: teras, tüübid: 1.4301; 1.4828 ja 1.4841. Rauasulamid: 1.4509 või uuemad väljatöötatud sulamid, mis sisaldavad kuni 14% kroomi ning nioobiumit. Seinapaksus: 1,0-1,8 mm. Plussid: suuremad võimalused optimiseerida mootori tööd; väike mass; standartsed materjalid, mis on hästi kättesaadavad ning talub kõrgeid temperatuure; madala järelkuumutuse omadusega - väike termiline mass. Miinused: kõrge detaili temperatuur - nõuab kuumakaitset; 9
võrreldes malmkollektoriga on termiline mass väiksem, kuid pikemate primaarkanalite ning paksu seina( 2mm) kasutuse korral on termiline mass suur ja seetõttu tuleks kasutada veel õhema seinaga toru( 0,8mm- 1.0 mm); heli summutusvõime on väiksem; kõrgem tootmise hind.[4.p.273] Joonis 2. Autotööstuses kasutatav torukollektor [4.p.273] 2.2.3. Kahepoolne keeviskollektor Materjal: teras 1.4301, 1.4828 ja 1.4841 sulamid. Rauasulamid: 1.4509 või uuemad väljatöötatud sulamid, mis sisaldavad kuni 14% kroomi ning nioobiumit. Seinapaksus: 1,5-1,8 mm. Plussid: odav toota; väike mass; standartsed materjalid on hästi kättesaadavad, mis taluvad kõrget temperatuuri; madala järelkuumutuse omadusega - väike termiline mass. Miinused: saab projekteerida ainult väga lühikesed primaarkanalid ning geomeetria on projekteerimisel piiratud; väga pikad keevisõmblused, kuna tuleb keevitada kaks poolt kokku; kõrge detaili töötemperatuur - vajab kuumakaitset; heli summutusvõime on väga madal.[4.p.273;274] 10
Joonis 3. Autotööstuses kasutatav kahepoolne keeviskollektor [4.p.273] 2.2.4. Topelt seinaga kollektor Materjal: sisemise toru materjal: teras 1.4301, 1.4828 ja 1.4841 sulamid. Välimise seina materjal: teras1.4301; 1.4509 ja 1.4512 sulamid. Seina paksus: sisemise seina paksus 1,0 mm ja välimise seina paksus 1,5 mm. Plussid: väikse massiga ning kompaktne; kasutatakse standartseid materjale, mis on hästi kättesaadavad ja taluvad kõrgeid temperatuure; puudub detaili kõrge temperatuur ning seetõttu on võimalik teisi komponende paigutada kollektorile lähemale; madala järelkuumutuse omadusega; tänu õhuksesele sisemisele seinale on termiline mass väike ja seetõttu on väljalaskegaaside energiakadu väike ning katalüüsmuundur saavutab kiiresti oma töötemperatuuri; on võimalik projekteerida ka vesijahutusega süsteem; hea heli summutus võimega. Miinused: tootmine on kallis; primaarkanalite pikkused on väga piiratud.[4.p.274] 11
Joonis 4. Autotööstuses kasutatav topelt seinaga kollektor [4.p.274] Plussid: 2.2.5. Kollektor ja katalüüsmuundur integreeritud katalüüsmuundur saavutab kiiresti oma töötemperatuuri.[4.p.274] Joonis 5.Autotööstuses kasutatav intgreerritud komponentidega kollektor [4.p.274] Plussid: 2.2.6. Kollektor ja turbolaadur on integreeritud puuduvad flantisd - neil on oma termiline mass ning ühte detaili on lihtsam paigaldada, kui kaks süsteemi on intgreeritud. Miinused: Kogu süsteem tuleb välja vahetada, kui üks komponentidest amortiseerub.[4.p.275] 12
Joonis 6. Autotööstuses kasutatav kollektor, kus turbo ja kollektor on integreeritud [4.p.275] Plussid: 2.2.7. Kollektor ja plokikaan on integreeritud väike mass, sest detailid valmistatakse alumiiniumist; kompaktne; väike termiline mass. Miinused: Piiratud primaarkanalite pikkused - ei saa optimiseerida mootori tööd. Joonis 7. Autotööstuses kasutatav kollektor, kus plokikaan ja kollektor on integreeritud (Honda)[6] 13
3. KOLLEKTORI PROJEKTEERIMISE ERINEVAD VÕIMALUSED VASTAVALT EESMÄRGILE 3.1. Tööpõhimõte Kollektori eesmärk on ühendada kõikide silindrite väljalaskekanalid summuti toruga, et juhtida väljalaskegaasid läbi summutuselementide. Kollektori torud peaksid olema võimalikult suurte painutusraadiustega, sest väikeste painutusraadiustega torud takistavad gaaside voolavust ning tekitavad väljalaskesüsteemis vasturõhu, mis mõjutab oluliselt mootori tööd. Vahel on jaotatud reas asetsevate silindritega mootorite kollektori torud kahte gruppi, vastavalt tööjärjekorrale. R-4 mootori puhul on esimese ja kolmanda väljalaskekanal suunatud ühte kanalisse, teise ning neljanda väljalaskekanal teise kanalisse. Selline süsteem ei tekita kõrvalolevale väljalaskekanalisse olulist vasturõhku väljalaske klapi avanemise korral. Selline olukord mõjutab silindri täiteastet. R-6 mootori puhul, mida kasutatakse ka antud töös, jagatakse silindrid kahte gruppi samal eesmärgil järgmiselt: 1-3 silinder ja 4-6 silinder.[3.p.188]. Joonis 8. R-6 mootori kollektori konfiguratsioon [1.p.279] Autospordis kasutatakse üldjuhul võrdse pikkusega primaarkanaleid. Neil tingmustel on mootori kasutatav pöörete vahemik väga väike ning võrdse pikkusega kollektori kanalite kasutuse korral on silindrite täiteaste kindlal pöördevahemikul sarnane ning tulemuseks on suurem võimsus kitsal pöörete vahemikul. 14
Eri pikkusega primaarkanalite eesmärk on saavutada võimalikult sujuv väändemomendi kõver. Iga silindri täiteaste erineb kindlal pöördel teiste silindrite täiteastest. Selle tulemusena on ka iga silindri võimsus erinev mingil kindlal pöördel. Seda kasutatakse tavaliselt tänavasõiduautodel, et kiirendus oleks võimalikult sujuv. 3.2. Inerts Väljalaskegaasidel on energia, mida saab kasutada mootori efektiivsuse tõstmiseks. Väljalaske takti ajal surutakse gaasid silindrist välja ning kui klapp sulgub, jätkavad gaasid liikumist, tekitades enda järele hõrenduse. Hõrendust saab kasutada gaaside efektiivsemaks emmaldamiseks silindrist. Kui mootori pöörded tõusevad, siis efektiivne nn gaaside imemise aeg silindrist väheneb. Kui kollektoris on 1,5 bar-i gaaside poolt tekitatud ülerõhku või 0 bar-i, isegi -0,3 bar-i alarõhku, siis on arusaadav, millises olukorras on gaaside voolavusele mõjuv takistus väiksem. Seepärast kasutatakse kalkuleeritud torusid autospordis või mootori efektiivsuse tõstmiseks. Kogu idee seisneb selles, et silindrite väljalaskegaasid ei takistaks teiste silindrite gaaside voolavust. Autospordis kasutati algusaastatel iga silindril ainult inviduaalset primaarkanalit. Kuid tänaseks on kindlaks tehtud, et enamus juhtudel on kasulikum ühendada primaarkanalid kokku ning ühendada need ühe või kahe toruga. Selline muudatus aitab tõsta mootori võimsust suuremas ulatuses, kui võrrelda üksikute kanalitega, siis on võimsus koondunud ühte kitsasse pöörete vahemikku. Neljasilindriliste mootoritel on kollektori projekteerimisel kaks põhisüsteemi. Esimene võimalus on kasutada süsteemi 4-1 (vt Joonis 9.), kus neli primaarkanalit on ühendatud kohe summuti toruga. Selline süsteem annab suurema mootori võimsuse kõrgematel pööretel. Sellel variandil on ka omad negatiivsed küljed - suur mass, nõuab palju ruumi mootoriruumis; võimsuse kasv on väikses pöördevahemikus. Teine variant on kasutada 4-2-1 (vt Joonis 10.) süsteemi, kus primaarkanalid on koondatud vastavalt kahte sekundaarkanalisse ning need omakorda ühendatud ühe summuti toruga. Selle kasutuse eesmärk on tõsta võimsust mootori keskmistel pööretel, kuid peab arvestama seda, et mootori võimsus kõrgetel pööretel langeb. Võrreldes 4-1 süsteemiga on langus umbes 5-7%.[1.p.278] 15
Joonis 9. Kollektori 4-1 konfiguratsioon [1.p.277] Joonis 10. Kollektori 4-2-1 konfiguratsioon [1.p.277] Nelja silindrilisel Austin- tüüpi (vt Joonis 11.)( kahe kõrvuti oleva silindri väljalaskekanalid on koondatud ühte väljalaskekanalisse. See annab võimaluse hoida ruumi kokku väiksema kollektori arvelt, sest on vaja ainult kolm primaarkanalit) mootoril on veel kaks võimalust kollektori projekteerimisel. Esimene võimalus on kasutada primaarkanaleid peaaegu ühepikkustena ning teine variant on ühendada üksikud silindrid omavahel ning kaks keskmist silindrit, kus on väljalaskekanalid omavahel ühendatud, kasutada ühte pikka primaarkanalit. Pika primaarkanali eesmärk on tõsta gaaside voolavus kiirust ning hoida gaasi pulsside sagedust võrdsena äärmiste silindritega.[1.p.278] Joonis 11. Austin tüüpi R-4 mootori kollektori konfiguratsioon [1.p.278] 16
Joonis 12. Austin tüüpi, R-4 mootori kollektori konfiguratsioon, ühe pika primaarkanaliga [1.p.278] 3.3. Astmeline primaarkanal Üheks võimaluseks on veel parendada kollektoris gaaside voolavust, kui kasutada astmelist primaarkanalit. Primaarkanal on jaotatud kaheks, kus teises kanali osas kasutatakse suurema läbimõõduga toru. Kui vaadelda kahe-taktilise mootori kollektorit( mootorrattad), siis kasutatakse neil primaarkanalis paisukambrit. Selle eesmärk on tõsta mootori töö efektiivsust ja suurendada gaaside voolavust. Kui kamber on sujuva koonilise vormiga, siis gaaside voolavusele mõjuv takistus ja turbulentisde teke on minimaalne. Eelmainitu on ka astmelise primaarkanali põhimõtteks. Joonis 13. Astmelised primaarkanalid [9] Sellise primaarkanali astmete omavahelise kauguse ja ka läbimõõdu arvutamiseks ei ole valemit, vaid seda tuleb katsetada veojõustendis, kuidas astmed mootori väljundkarakteristikat mõjutavad. 17
Selline variant ei pruugi töötada kõikidel mootoritel ning seepärast tuleb tõsiselt kaaluda, kas on mõttekas sellele aega ja raha kulutada. Üldjuhul, kui primaarkanal ei ole väga pikk( alla 800 mm), siis võiks alustada testimist nii, et tõsta primaarkanali esimese astme toru läbimõõtu umbes 3 mm võrra. Pikema primaarkanali puhul võiks alustada 6-st mm. Esimese astme kaugus plokikaanest võiks olla umbes 250-350 mm. Kui kasutatakse alguses kohe suuremat primaarkanali läbimõõtu, saavutamaks suuremat võimsust suurematel pööretel, siis tuleks valida astme kauguseks 350 mm. Vastasel korral on märgatav võimsuse kadu madalamatel pööretel.[1.p.289] Teise astme kauguse määramiseks võib kasutada järgmist korrutist: 0,2 primaarkanali pikkus. Sellist korrutist saab kasutada lühema primaarkanali korral( alla 800 mm) ning kaugust tuleb arvestada primaar- ja sekundaarkanali ühenduskohast väljalaske kanali poole. Kui kasutatakse pikemat primaarkanalit( üle 800 mm), siis tuleks korrutada läbi primaari pikkus 0,25-ga. Kui soovitakse tulemuseks rohkem võimsust madalamatel pööretel, siis tuleks astet viia väljalaske kanalile lähemale ning kui soovitakse võimsust lisada kõrgematel pööretel, siis viia astet kaugemale. Alltoodud graafikul ( vt Joonis 13) on väliskarakteristika võrdlus ilma astmelise primaarkanalita ning astmelise kanaliga.[1.p.289] Võimsus (hp) 300 250 200 150 100 50 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Moment (Nm) astmeliste primaarkanalitega tavaliste primaarkanalitega 0 0 5500 6000 6500 6750 7000 7250 7500 7750 8000 8250 Mootori pöörded (p/min) 8500 8750 9000 Joonis 14. Testid astmelise ja tavalise primaarkanaliga[1.p.288] 18
Esimene test on tehtud 2" primaarkanali läbimõõdu ning 4-1 skeemiga kollektoriga. Teine katse on sooritatud astmeliste primaarkanalitega. Trakti algus on läbimõõduga 1,875" ning teisel astmel kasutatakse läbimõõtu 2,5". Teises katses kasutatakse ka 3 pikemaid primaarkanaleid võrreldes esimese katsega. Lisaks teises katses on optimiseeritud nukvõlli asendit väntvõlli suhtes, et saavutada maksimaalne gaaside eemaldumise efekt põlemiskambrist.[1.p.288] 3.4. Akustika Gaasid liiguvad klapi avanemisel väljalaskekanalis umbes 60-100 m/s [ 1.p.281], kuid see oleneb mootorist. Gaaside kiiruse arvutamiseks väljalaske süsteemis on valem( vt valem 1)[ 5.p.272 ]. Lisaks gaaside voolavuse kiirusele peab arvestama ka heli liikumise kiirust väljalaskegaasides. Looduses, kuivas õhus, temperatuuril 20 C ja merepinnal on heli kiirus ligikaudu 343 m/s.[8] Kui arvestada keskmiseks gaaside temepratuuriks 400 C ning suuremat niiskuse taset süsteemis, siis on heli kiirus antud olukorras tunduvalt suurem. Heli kiiruse arvutamiseks väljalaskesüsteemis on välja töötatud valem(vt valem 2). Kasutades heli kiirust, mis on standard tingimustel 330 m/s on arvutustulemus 400 C juures 518 m/s. Heli laine tekitab alati ka rõhu laine. Kui vaadelda helilainet sinusoidina( vt Joonis 15.), siis positiivse laine haripunktis on õhu molekulid kokku surutud, mis tekitab kõrgrõhu ning negatiivse laine haripunktis on õhu molekulid laiali hajutatud ja tekib madal rõhk. Rõhu laine peegeldub ühenduskohalt, milleks on primaarkanali lõpp ning sekundaarkanali algus(järsk pindala muutus) tagasi väljalaske klapini ning soodustab järgmise pulsi eemaldumist[7.p.13]. Igas kanalis peegelduvad pulsid eraldi ning seepärast peavad primaar-, sekundaarkanal ning summutitoru pikkused olema omavahelises sõltuvuses, soodustamaks gaaside eemaldumist. Joonis 15. Heli- ja rõhulaine omavaheline sõltuvus [10] 19
Väljalaske gaaside keskmine kiirus V g [m/s]. = 30000, (1) kus S[mm] - kolvikäik; N[p/min] - mootori pöörded; D[mm] - kolvi läbimõõt; d[mm] - väljalaske kanali läbimõõt; 30000 - konstant. Heli kiiruse arvutamise seos soovitud temperatuuril C [m/s] =, kus C 1 [K] - heli kiirus temperatuuril T 1 ; C 2 [K] - heli kiirus temperatuuril T 2. (2) Arvutamisel tuleb arvestada, et T 1 on standard tingimustel 0+273 K. 20
4. KUUSK Antud töös mõeldakse kuuse all väljalaskesüsteemi osa, mis ühendab primaarkanalid sekundaarkanaliga ning sekundaarkanalid summuti toruga. Ingliskeelne vaste on sellele sõnale collector ning järgnevates alapealkirjades kasutatakse ingliskeelseid vasteid, sest nendele nimetustele ei ole eestikeelseid tähendusi. Sellel osal on oma mõju momendikõverale. Selle disainimisele on mõtekas suurt rõhku panna ainult sel juhul, kui tahetakse tõesti vabalt hingava mootori väljalaskesüsteemist maksimum võtta. Kuuski on erinevaid variante, vastavalt tema mõjule. Olenemata millist varianti kasutada, parendab see momendi väärtust enne maksmumväärtust. Selle katsetamine ja erinevate variantide proovimine, kuidas mõjutatakse momendikõverat nõuab väga palju aega. 4.1. Baffle-type collector Sellist tüüpi kuuske kasutatakse tavalistel tänavasõiduautodel, kuid vahel ka võidusõiduautodel, millel kasutatakse siiski originaal nukkvõlle. Sellise kuuse puhul lõppevad primaar- või sekundaarkanalid järsult ehk kanali lõpp on teljega 90 -se nurga all ning on ühendatud koonilise kambriga[1.p.291]. Kamber on ühendatud kas sekundaarkanali või summutitoruga. Kui väljalaskegaasi pulss jõuab järsult lõppeva primaarkanali lõppu, siis peegeldub sealt vastassuunaline alarõhulaine väljalaskeklapini ning soodustab väljalaskegaaside eemaldumist. Lisaks gaaside eemaldamisele soodustab ka uue ning värske kütuse ja õhu segu pealevoolu. Olenevalt mootori pööretest, võib tekkida läbipuhke ajal selline olukord, kus tõmmatakse hõrendusega osa värskest kütusesegust väljalaskesüsteemi. Selline olukord tähendab seda, et põlemiskabrisse jääb minimaalselt põlemisjärgseid gaase. Sellel variandil on ka negatiivne pool. Mingitel mootoripööretel satub ülerõhulaine just enne väljalasketakti klapini ning see takistab gaaside väljavoolu põlemiskambrist. Selline olukord põhjustab olulise võimsuse languse. 21
Üldjuhul peaks arvestama kuuse valmistamisel seda, et ahanemisel oleks nurk 7 või 8. See oleneb ka mootorist, osa mootarid töötavad paremini kas 9 või isegi 10 - se nurgaga. Alla 7 -se nurgaga ei tööta kuusk hästi, sest liigselt suur ruumala põhjustab gaaside voolamisel turbulentse, mis on voolamisel takistuseks.[1.p. 291] Joonis 16. Baffle-type collector [1.p.291] 4.2. Merge collector Sellist tüüpi kuuske kasutatakse rohkem võidusõidumootoritel, millel kasutatakse suurema läbipuhke aja ja klapi avatuse kestusega nukkvõlle. Sellise kuuse puhul ei lõppe primaarkanalid järsult 90 -se nurga all võrreldes keskteljega vaid kanali lõpp on suunatud sekundaarkanalisse või sumuti torusse[1.p.292]. Siin on tähits sujuv üleminek. Eesmärk on tagada võimalikult sujuv voolavus ning seda saab kasutada kitsal pöörete vahemikul. Seepärast peab kindlalt teadma, kus ning millistel tingimustel hakatakse autot kasutama, et võimalikult hea tulemus saavutada. Sellise kuuse õiget valikut saab määrata üldjuhul ainult katsetades erinevaid dimensioone. Kuigi katsetamise alguseks võiks võtta ahanemise nurgaks 10. Kui kasutatakse väga kõrgeid mootori pöördeid, siis võiks proovida alustada 12 -se ahanemise nurgaga.[1.p.292] Joonis 17. Merge collector [1.p.292] 22
4.3. Venturi merge collector See tüüp sarnaneb eelnimetatud kuusele. Primaarkanalid ühendatakse samamoodi nagu eelnimetatud kuusel kuid kasutatakse koonilist vahetoru ühendamaks summutitoruga. Kui tüüpilisel võidusõidumootoril kasutatakse merge-style kuuske 4-1 või 6-1 skeemiga, siis näiteks primaarkanalid on läbimõõduga 2" ja summuti toru 2,5". Venturi merge kuusel kasutatakse 2" läbimõõduga primaarkanaleid ja 3" või isegi 3,5" summuti toru. Sellise läbimõõduga kasutatakse enamasti V6 ja V8 tüüpi mootoritel.[1, 293] Joonis 18. Venturi merge collector [1.p.293] Koonilise vahetoru eesmärk on suurendada gaaside voolavuse kiirust ning laiendada mootori pöörete vahemikku, mil toimub gaaside nn välja imemise efekt. Primaarkanalid võiksid koonduda 10 -se nurga all ning koonilise vahetoru suurenemise nurk võiks testimise algul olla 8. See koonuse nurk ei pruugi olla ideaalne, kuid alguseks sobilik. Tavaliselt kujuneb sobilikuks nurgaks 7 kuni 10 ja jällegi toimiv nurk leitakse testimise käigus. Üheks reegilks on veel, et koonilise toru väiksem läbimõõt tuleks valida 0,5 tolli suurem, kui on primaarkanali läbimõõt. Kui võetakse primaalkanali läbimõõduks 1,5 tolli, siis koonuse algus peaks olema 2 tolli.[1.p.293] 23
5. SÜSTEEMIS KASUTATAVAD KOMPONENDID 5.1. Katalüüsmuundur Katalüüsmuunduri eesmärgisk on vähenada väljalaskegaasides olevaid keskkonnale ohtlike mürgiste gaaside kogust. Muunduri kärje koostises kastutatakse väärismetalle, mis reageerivad väljalaskegaasides olevate keemiliste ühenditega ( NO x - lämmastikuühendid, CO- vingugaas, HCsüsivesinik) ning lagundavad antud ained osadeks. Seejärel tekivad uued ained, milleks on (N 2 lämmastik, CO 2 süsihappegaas, H 2 O- vesi). Katalüüsmuunduri töötemperartuur on umbes 500 C- 600 C. Alla eelnimetatud temperatuuri keemilised reaktsioonid ei toimu. Katalüüsmuundur peab vastu pidama temperatuuridele 400 C-800 C. Kui temperatuur ulatub juba 1000 C, siis tekivad kärjes kahjustused, juhul kui temperatuur peaks tõusma kuni 1400 C, siis sulab kärg täielikult ning see tekitab gaaside voolavusele suure takistuse.[5.p.698] 5.2. Metallelemendiga katalüüsmuundur Metallelemendiga katalüüsmuunduri element koosneb õhkusestest lainelistest ja tasapinnalistetst metall-lehtedest( vt Joonis 18). Erineva profiiliga lehed on paigutadtud vaheldusmisi, et tekitada gaase läbivad nn kanalid läbi katalüüsmuunduri. Metall-lehtede paksus on 0,04-0,05 mm ja on paigutatud kas spiraalselt või S tüüpi konfiguratsioonis( vt Joonis 19). Üldjuhul on katalüüsmuunudris kaks kärgelementi ning nende kahe kärje vahel on väga väike vahe. Kahe elemendi eesmärgiks on parendada väljalaskegaaside segunemist katalüüsmuunduris ning esimene kärgelement tekitab laminaarse gaaside voolavuse, mis parandab gaaside voolavust teises elemendis. See suurendab keemiliste protsesside efektiivsust ning tulemuseks on vähem keskkonnale ohtlike mürgisei gaase.[5.p.702] Kärgelement on sipraalse või S vormiga seepärast, et suurendada elemendi tugevust temperatuuride põhjustavate paisumistele ning kahanemistele, vibratsioonile ja põrutustele. Tasapinnalise ja lainelise lehe kontaktpinnad on ühendatud spetsiaalse kõrg-temperatuurilise jootmistehnikaga, et saavutada maksimaalselt tugev ühendus tuhandete kanalite vahel. 24
Metallelement on kaetud poorse metalliga, milleks on Al 2 O 3 ning mis ei reageeri väärismetallidega nagu plaatina (Pt) ja roodium (Rh).[5.p.702] Joonis 19. Metallelemendiga katalüüsmuunduri ehitus[5.p.703] Metallkärjega katalüüsmuunduril on võimalik kasutada umbes 15% suurem ristlõikepindalaga kanaleid, võrreldes keraamilise elemendiga kärjel[5.p.702]. See tagab väiksema takistuse gaaside voolavusele ja tekitab tunduvalt väiksema vasturõhu süsteemis. Katalüüsmuunuri läbilaskevõimet või kärje tihedust hinnatakse kanalite arvu ühe ruut-tolli või ruutsentimeetri kohta. Antud töös kasutatakse süsteemis metallelemendiga kärge, millel on 200 kanalit ühe ruut-tolli kohta. Kui võrrelda tänavasõiduautode kärje tihedust, siis see on üldjuhul 500 knalit ruut-tolli kohta. See tähendab seda, et kanalite vahelisi seinu on rohkem ning kui arvutada kokku nende kõikide ristlõike pindala, siis on see tunduvalt suurem kui 200 kanaliga kärjel. Selle põhjal saab järeldada, et töös kasutatav katalüüsmuunur on tunduvalt suurema läbilaskevõimega ja tekitab voolavusele väiksemat takistust. Joonis 20. Metallelemendiga katalüüsmuunduri S tüüpi konfiguratsioon[5.p.703] 25
5.3. Summutuselement Summutuselemendid Reaktiivelemendid ( akustilise energia tagasipeegeldamine kanali ristlõikepinna muutumisel) Hajutuselemendid ( akustilise energia hajutamine soojuseks) Paisukamber Haruresonaator Helmholzi resonaator Heli absorbeerivad materjalid Perforeeritud elemendid Joonis 21. Summutuselementide jagunemine [7.p.16] Antud väljalaskesüsteemis kasutatakse summutuselemendina hajutuselementi, mis koosneb perforeeritud torust ning heli absorbeerivast materjalist, milleks on tulekindel vill. Absorbeeriva või hajutava meetodi kasutamise põhimõte on selles, et helilained summutatakse heli neelavasse materjali. See suudab summutada peaaegu kõiki sagedusi kuid efektiivsem on see meetod kõrgemate sageduste summutamisel ( vt Joonis 21.) Joonis 22. Peforeeritud elemendi summutusvõime [2.p.631] Summutuselemendis kasutatav vill peab olema tulekindel, enamasti kasutatakse klaasvilla, mineraalset villa või kivivilla. Need materjalid on pehmed ja venivad. Helilaine impulsid panevad materjali kiud liikuma, muutes heli mehaaniliseks vibratsiooniks ja soojuseks. Madala sagedusega 26
heli paneb kogu absorbeeriva materjali võnkuma. Kõrgsagedusega heli paneb aga materjali kiud võnkuma, seepärast on summutusvõime kõrgsagedustel efektiivsem.[2.p.629] Heli summutusvõime tõstmiseks tuleb kas pikendada elemendi pikkust (L) või suurendada siseneva toru (A1) ja elemendi välise läbimõõdu (A2) suhet. Mida suurem on elementide suhtarv, seda suurem on summutusvõime( vt valem 3). Joonis 23. Perforeeritud elemendi dimensioonid[14] =, (3) Projekteeritaval süsteemil kasutatakse Magnaflow toodangut, mille siseneva toru läbimõõt (A1) on 61,25 mm, elemendi väline läbimõõt (A2) 147 mm ja pikkus (L) on 661,5 mm. Eelmainitud toode on turul saada olevatest elementidest füüsiliselt kõige suurem, mis on vajaliku siseneva toru läbimõõduga.. Kuna üheks oluliseks osaks on süsteemil ka müratase, siis on võetud kasutusel kõige suurem otse-läbi element. Otse-läbi element seepärast, et hoida süteemis tekkivat vasturõhku võimalikult madalana. See element koosnebki elementi otse läbivast perforeeritud torust, seda ümbritsevast kivivillast ja roostevabast terasest välisest kestast. Toru perforeerimisel on kasutatud pressimise meetodit( vt Joonis 23.) Joonis 24. Perforatsiooni meetod [2.p.632] 27
Perforeeritud toru ümbritseb roostevabast terasest tihe, kiuline sõrestik, mis peab vastu pidama suurtele temperatuuridele. See suurendab summutusvõimet, pikendab kivivilla eluiga ja hoiab ära gaaside poolt villa eemaldumise elemendist. Üheks miinuseks ongi sellist tüüpi elementidel see, et absorbeeriv materjal ei pea elemendis kaua vastu. Projekteeritval süsteemil saab kasutada ainult ühte elementi, sest piirangud panevad sõiduki pikkus ja süsteemi asetus. Element tuleb paigutada sõiduki küljele kuna seal on ainuke vaba ruum. Kõige õigem valik on kasutada ümara profiiliga elementi, kuna laius on tähtis. Süsteemi komponendid ei tohi sõiduki gabariitidest välja ulatuda. 28
6. VÄLJALASKEKOLLEKTORI ARVUTUSED Torude valikus on välja kujunenud põhlised teooriad, kuidas mingisuguse väärtuse muutmine mõjutab gaaside voolavust ning mootori tööd. Toru läbimõõt määrab ära gaaside üldise voolavuse kiiruse. Mida suurem on primaarkanali, sekundaarkanali ja summuti toru läbimõõt, seda aeglasem on gaaside voolavuse kiirus. Kui vähendada antud kanalite diameetrit, siis gaaside voolavuse kiirus suureneb. Samas mõjutab voolavuse kiirust temperatuur ning niiskuse tase gaasis. Tavaliselt saavutavad mootorid maksimum väändemomendi gaaside voolavuse kiirusel umbes 75 m/s[1.p.281]. Toru läbimõõdust sõltub, millisel mootori pöördel on maksimum väändemoment ja maksimum võimsus. Kui suurendatakse toru läbimõõtu, ilmneb ka väändemomendi ja võimsuse maksimumväärtus kõrgematel mootori pööretel. Primaar kui ka sekundaar kanalite pikkus mõjutab väliskarakteristikat maksimumväärtuste ligidal. Kui pikendada antud kanaleid, siis on võimalik tõsta võimsust ja väändemomenti madalatel ja keskmistel pööretel kuid, peab arvestama sellega, et kõrgetel pööretel võimsus langeb. Kui antud kanaleid lühendada on tulemuseks suurem võimsus ja väändemoment kõrgetel pööretel ning langus keskmistel pööretel. Erinevused võivad ka ilmneda maksimumväärtustes ning nende asukoht vastavalt möötori pööretele.[1.p.281] Tegelikult ei ole täpset ning kindlat ja õiget valemit, kuidas arvutada ideaalne väljalaskesüsteem, sest see sõltub hetkelistest tingimustest ning ümbritsevast keskkonnast. Kindlam ja täpsem variant on tehes katseid veojõustendis, proovida erinevaid variante ning analüüsida muudetud parameetritest tingitud tulemusi. Viimane variant nõuab aga palju aega ning suuri kulutusi. Torude läbimõõtude valikus peab kindlasti arvestama ka turul vabalt saadaolevate torude läbimõõtu. 29
Joonis 25. Kanalite pikkuse ja läbimõõdu mõju väliskarakteristikale[1.p.282] 6.1. Primaarkanal Antud valemid on lihtsustatud kujul. Käsiraamatu autor on ise need valemid kogemuste põhjal välja töötanud ning kasutajatele lihtsustatud kujul välja toonud. Autori päritolu tõttu kasutatakse valemites inglise mõõtühikuid. Primaarkanali pikkus P[tolli][1.p.283]: = 850 3, (4) kus rpm[p/min] - mootori pööreded, millistel pööretel soovitakse mootori tööd optimeerida; ED[ ] - mootori töötakt väntvõlli suhtes, r-4 mootoril 180, antud mootoril 120 + väljalaskeklapi avanemine enne ASS( vt Lisa 1); 850 - konstant; 3 - konstant. = 850 (120 + 35 ) 4200 3 = 28,369" 720,57 ( ) (4) 30
Primaarkanali pikkus sisaldab ka väljalaske kanali pikkust. Sellega eksitakse ning kollektori valmistamisel ei lahutata tulemusest VL kanali pikkust maha ja primaarkanalid tehakse enda teadmata pikemad. Antud mootoril on väljalaske kanal ligikaudu 75 mm pikk, siis = 720,57 75 645,5 ( ) (5) Primaarkanali siseläbimõõt ID[tolli][1.p.284]: = ( + 3) 25 2,1, (6) kus cc[cm 3 ] - silindri maht; P[tolli] - primaarkanali pikkus; 25 - konstant; 2,1 - konstant. = 415,7 2,1 1,53" (28,369 + 3) 25 (6) Primaarkanali toru läbimõõduks tuleb võtta 1,5" välisläbimõõduga saadaolev toru ning mille sisediameeter on ~1,4". 31
6.2. Sekundaarkanal Sekundaarkanali läbimõõt IDS[tolli][1.p.284]: = 2 0,98, (7) kus ID[tolli] - primaarkanali läbimõõt; 0,98 - konstant. = 1,4 2 0,98 1,9" (7) Kasutada tuleb toru, mille välisläbimõõt on 2". 6.3. Kogu väljalaskesüsteemi pikkus Kogu süsteemi pikkus L avaldub valemiga (8), [m] [5.p.277] = 0,012, (8) kus θ t [ ] C[m/s] N[p/min] - crankshaft angular displacement; - heli kiirus väljalaskegaasides; - väntvõlli pöörlemise kiirus. 32
Enne kui arvutada kogu teoreetiline väljalaskesüsteemi pikkus on vaja arvutada heli kiirus umbes 800 C väljalaskegaasides. Oletades, et nii primaarkanalites kui ka sekundaarkanalites hoitakse sellist temperatuuri. Konkreetsel kollektoril kasutatakse gaaside temeratuuri võimalikult kõrgel hoidmiseks kollektoriteipi, et saavutada gaaside võimalikult kiire voolavus. Heli kiirus 800 C juures avaldub järgmiselt( vt valem 2): = 330 = 273 + 800 273 + 0 = 3,9304 = 1,98 (9) = 330 1,98~ 654 ( / ) Kogu väljalaskesüsteemi teoreetiline pikkus L ( vt valem 8) [m]: 120 654 = 0,012 4200 = 78480 ~ 1557,2 ( 50,4 ) 1,6 ( ) (10) Sõiduki kogu süsteemi pikkusele panevad väga suured piirangud auto üldised gabariidid,vaba ruum mootoriruumis, müratase ning väljalaskegaaside piirnormid. Nimetatud projektil ei ole võimalik nii lühikest süsteemi kasutada, kuna müratase oleks liiga suur ning gaaside piirnormid oleks tunduvalt üle normi. Pikkusest tingitud piirangutest tuleb valida sekundaarkanalite pikkus vastavalt vabale ruumile. Sellises olukorras tuli sekundaarkanalite pikkuseks valida 486 mm. Siinkohal tuleb mainida jällegi, et kanalite pikkusele tuleb sisse arvestada ka kuuse pikkus, mis ühendab kolm primaarkanalit üheks sekundaarkanaliks. kuusk Joonis 26. Sekundaarkanali ja kuuse sõltuvus[1.p.277] 33
6.4. Summuti toru läbimõõt Juhul, kui süsteemis ei kasutata ühtegi heli summutavat elementi ega muud vasturõhku tekitavat komponenti, näiteks katalüüsmuundurit, vaid ainult otse läbi toru, siis saab kasutada järgmist valemit(11) toru läbimõõdu ID3 arvutamiseks. [1.p.296] 3 = 2 ( + 3) 25 2, (11) kus ID3[tolli] - summuti toru läbimõõt ; cc[cm 3 ] - ühe silindri ruumala; P[tolli] - primaarkanali läbimõõt; 25 - konstant. 3 = 415,7 2 2 = 1,060 2 2,06" (28,369 + 3) 25 Saadud väärtus on toru sisemine läbimõõt ning on arvestatud ilma heli summutavate komponentideta. Kuna sõidukil hakatakse kasutama summutuselementi kui ka katalüüsmuundurit, siis optimaalsem valik on valida toru, mille väline läbimõõt on 2,5 tolli, et vähendada tekkivat vasturõhku. Alltoodud tabelis on ka välja toodud vastavalt mootori võimsusele summuti toru läbimõõt. Summuti toru väline läbimõõt hp (tolli) 80-120 1 7/8 110-140 2 130-150 2 1/8 140-185 2 1/4 180-220 2 1/2 210-265 2 3/4 250-320 3 280-360 3 1/2 400-500 4 480-630 4 1/2 580-750 5 (11) Joonis 27. Vastavalt võimsusele summutitoru väline läbimõõt[1.p. 296] 34
7. VIRTUAALSE MOOTORI KOOSTAMINE Porjektil kastutatava mootori M50B25 virtuaalse simulatsiooni koostamiseks kasutatakse programmi nimega Lotus Engine Simulation versiooni 5.06. Simulatsiooni eesmärgiks on simuleerida kaks erinevat väljalaskesüsteemi samale mootorile ning võrrelda nende tulemusi ja teha seejäerel järeldused nende erinevuste kohta. Simulatsiooni koostamisel tuleb suurt tähelepanu pöörata sellele, et kõik sisestatud parameetrid oleksid õiged reaalse mootoriga, vastasel juhul on lõpptulemuse ja tegeliku tulemuse erinevus suur. Juhul kui mõni väärtus jääb tundmatuks, siis tuleks valida default käsk. Simulatsiooni tulemust ei saa võtta 100% tõena, sest reaalset keskkonda on väga raske simuleerida. 7.1. Lotus Engine Simulation komponentide selgitused Virtuaalse mootori mudeli koostamise lihtsustamiseks on mitmed mootori komponendid toodud ühe ikooni alla. Näiteks silindri ikooni all tuleb sisestada väntmehanismi parameetrid, kolvi läbimõõt, kolvikäik, süüte järjekord, kepsu pikkus jne. Järgnevalt on välja toodud mudeli komponentide seletused. Silinder - siin tuleb sisestada kolvi läbimõõt (mm), kolvikäik (mm), silindri ruumala (l), kepsu pikkus (mm), surveaste, põlemiskambri maht (l), süütejärjekord. 35
Nukkvõl l- sisse- ja väljalaske klapi avamise ja sulgumise kraadid (kraadi), väntvõlli kraadid, kui kaua on klapp maksimaalselt avatud(dwell angle)(kraadi), klapitõus(mm). Sisse - ja väljalaske klapid- klappide arv silindri kohta (tk), klapipesa läbimõõt (mm), Sisselaske plenum - ruumala (l), ümbritsev temperatuur ( C). Drosselklapp - drosseli tüüp, ava läbimõõt (mm), drosseli võlli läbimõõt (mm), klapi asend (kraadi). Õhufilter/sisselasketrakti algus Katalüüsmuundur - välised dimensioonid (mm), kärje tihedus (ava ruuttolli kohta), korpuse ja kärje materjal, kärje seina paksus (mm). Väljalaske trakti lõpp 36
7.2. Virtuaalne mootor Joonis 28. Tehase poolt projekteeritud väljalaskesüsteemiga mudel Originaal väljalaskesüsteemiga mudel. Mudelil kasutatakse kahte katalüüsmuundurit ja kahte summuti toru, nagu seda on ka tehase poolt valmistatud väljalaskesüsteemil. Joonis 29. Projekteeritud uue väljalaskesüsteemiga mudel 37
Väliselt sarnane eelmise mudeliga, kuid väljalaskesüsteemi parameetrid on muudetud ning kasutatakse ühte katalüüsmuundurit ja summuti toru. Mudelitel ei ole väljalaskesüsteem täielikult välja projekteeritud kuna programm arvutaks lõpptulemust väga kaua. Kui lisada summutuselemendid, siis need tõstaksid vasturõhku ja mõjutaksid kogu mootori pööretevahemikku. Täpne võimsuse või väändemomendi suurusjärk ei olegi simulatsiooni eesmärk, see erinekski reaalse tulemusega, sest nagu eelpool on mainitud, et reaalse keskkonna tingimusi on väga raske virtuaalselt simuleerida. Simulatsiooni eesmärk on näha muutusi parameetrite muutmisel ja võrrelda tehase ja arvutatud süsteemi väliskarakteristikat. 140 250 120 200 100 Võimsus (kw) 80 60 40 150 100 Moment (Nm) projekteeritud süsteem originaal süsteem 20 50 0 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 Mootori pöörded (p/min) Joonis 30. Simulatsiooni tulemused Graafikul on näha simuleeritud arvutatud ja tehase poolt valmistatud süsteemide erinevused. Arvutamise resulutsiooniks on võetud 500 rpm, sest ka resulutsioon mõjutab väga palju arvutamisele kuluvat aega. Hetekel on sobilik kasutada sellist resulutsiooni, sest muutused on väga selgelt eristatavad. Kui kasutaks arvutamisel suuremat resulutsiooni, siis oleksid väljundkõverad sujuvamate tõusude ja langustega. 38
Simulatsiooni graafikul on näha, et töö eesmärk on saavutatud. Momendi ja võimsuse tõus keskmistel pööretel on hästi märgav. Positiivne on veel see, et võimsus ja moment ei lange madalamatele väärtustele, kui seda on tehase süsteemiga. Lisaks on ka mootori efektiivsus suurem kõrgematel pööretel, alates 5500 p/min kuni 6500 p/min. 140,00 250,00 120,00 200,00 100,00 Võimsus (kw) 80,00 60,00 150,00 100,00 Moment (Nm) Projekteeritud süsteem Originaal süsteem 40,00 20,00 50,00 0,00 0,00 1700 2000 2300 2600 2900 3200 3500 3800 4100 4400 4700 5000 5300 5600 5900 6200 Mootori pöörded (p/min) Joonis 31. Veojõustendis testitud tulemused Siin graafikul on tehtud reaalsed tõmbed veojõustendil nii tehase süsteemiga kui ka projekteeritud süsteemiga. Graafikul on võimsus ja moment mõõdetud rattast. Eelmise simulatsiooni graafikul on tulemused läbi korrutatud koeftisendiga 0,85, et saaks ligilähedased tulemused reaalselt mõõdetud tulemustega. 39
8. KULUD Detail Kogus Hind (eur) Teraspoogen 42,4x2,6 mm 30 tk 29,88 Õmbluseta toru 42,4x2,6 mm 4,8 m 23,89 Kollektori flants 6 tk 55 Teraspoogen tsink 50,8 mm 4 tk 23,04 Vl Kollektori tihend 3 tk 11,52 V-band klamber 2,5" 2 tk 63 Kollektori kuumateip Cool It ThermoTec 2 tk 140 Toruklamber 50-55 mm 2 tk 3,74 Teraspoogen 2,5" roostevaba 2 tk 16 Katalüüsmuundur Magnaflow 59955 1 tk 99 Resonaator Magnaflow 12640 1 tk 82 Summuti kinnituspuksid 2 tk 7 Kollektori kinnituspoldid 24 tk 16 Originaal väljalaskesüsteem (kasutatud) 1 tk 70 Transport testimisele 60 Valmistamine 5 eur/h 40 h 200 Projekteerimine, info hankimine 10 eur/h 160 h 1600 Kokku 2500,07 Joonis 32. Kulud Ülaltoodud tabelis on märgitud matriaalsed kulud kui ka tööle kulutatud aeg. Süsteemi valmistamise tunni hinnaks on võetud 5 eurot ning projekteerimise, info hankimise, arvutamise ja virtuaalse testimise tunni hinnaks 10 eurot. Kulutatud aeg on võetud umbkaudne, sest tegelikult kulunud aja arvestamiseks ei ole täpset arvestust peetud. Kuludesse tuleks ideaalis arvestada ka kulutatud elekter( valgustus, elektrilised tööriistad) ja ruumi rent. Keevitusega kaasnevad kulutused: keevitustraat, kaitsegaas CO 2, isikukaitsevahendid. Kui lisada eelnimetatud kulutused, tõuseks kogu maksumus veelgi. Materiaalsed kulud on arvestatud koos käibemaksuga 20%. 40
9. ANALÜÜS Projekteeritud süsteemi efektiivsust ja mootori töö optimiseerimist soovitud tööpiirgonnas saab analüüsida veojõustendi katsete tulemuste põhjal. Graafikul on välja toodud tõmbed originaal väljalaskesüsteemiga ja projekteeritud süsteemiga. Mõlemal tõmbel on kasutatud sama oktaaniarvuga 98 mootoribensiini ning kasutatud originaal mootori juhtarvutit ning seadistust. 140,00 250,00 120,00 200,00 100,00 Võimsus (kw) 80,00 60,00 150,00 100,00 Moment (Nm) Projekteeritud süsteem Originaal süsteem 40,00 20,00 50,00 0,00 0,00 1700 2000 2300 2600 2900 3200 3500 3800 4100 4400 4700 5000 5300 5600 5900 6200 Mootori pöörded (p/min) Joonis 33. Veojõustendis testitud tulemused Väljalaskesüsteemi arvutamisel on võetud aluseks, et mootor saavutaks maksimaalse momendi väärtuse pööretel 4200. See tähendab seda, et selle saavutamiseks tuleb kasutada väiksema läbimõõduga primaarkanalit, kui tehase poolt valmistatud kollektoril. Kusjuures tuleb arvestada veel seda, et primaarkanali ristlõike pindala ei oleks oluliselt väiksem, kui on väljalaskekanali ristlõikepindala. Siin tuleb arvestada just ristlõikepindala, kuna kanali profiil ei ole oluline. Kanali profiil võib olla ka ellips, see ei muuda gaaside voolavust. Kui kasutada väljalaske kanalist 41
väiksema läbimõõduga primaarkanalit, siis see hakkab takistama gaaside voolamist ning tekitab vasturõhu kõikides kanalites. Originaal kollektoril kasutatakse primaarkanalit läbimõõduga(ümara profiiliga kanal) 37,89 mm ning uuel kollektoril 35,1mm. Väljalaskekanal plokikaanes on ellipsi profiiliga ning kui arvutada selle ristlõikepindala ning ning asendada see samaväärse ringi profiili ristlõikepindalaga, siis tuleks kanali läbimõõduks 35,5 mm. Projekteeritud ja tehase primaarkanalite läbimõõtude erinevus on seega 2,79 mm. Graafikult on näha, et momendi maksimumväärtus saavutatakse ikkagi 4700 pöörde juures, nii on kirjas ka sõiduki tehaseandmetes. Sellest võib järeldada, et 2,79 mm läbimõõdu vähendamist ei ole piisav momendi piikväärtuse nihutamiseks madalamatele pööretele. Kui vähendada rohkem kanali läbimõõtu, hakkaks see suure tõenäosusega langetama mootori jõudlust. Samuti kanalite pikkuse arvutamisel on arvestatud seda, et tulemuseks oleks suurem väändemoment madalamatel ja keskmistel pööretel. Kanalite pikkusega pannaksegi paika momendi ja võimsuse väärtuste kasv soovitud pöörete vahemikul. Kui läbimõõduga kontrollime piikväärtuse asukohta, siis pikkusega efektiivsuse tõstmist piikväärtuse ligidal olevatel pööretel. Graafikult lugedes on näha, et momendi kasv algab 2500 pöördelt kuni 4200 pöördeni ja 5100 kuni 6400 pöördeni. Keskmiselt on kogu mootori pöörete vahemikus momendi kasv 1,6% ja võimsuse kasv 2,3%. Madalamatel pööretel on näha, et pikemad primaarkanalid täidavad oma eesmärki. Võimsuse kasvust kõrgematel pööretel võime järeldada, et kogu väljalaskesüsteem hea läbilaskevõimega ning suudab hingata ka kõrgetel pööretel. Primaar- ja sekundaarkanalid on kaetud kollektoriteibiga, et hoida gaaside temperatuuri võimalikult kõrgena, sest mida kuumemad on gaasid, seda suurem on nende voolamiskiirus. Võimsuse kasv on tingitud sellest, et eelnimetatud pöörete vahemikel on silindri täiteaste suurem. Ehk neil pööretel on erinevate kanalite gaaside omavalheline sõltuvus kõige efektiivsem. Eelmise silindri väljalaske gaasid aitavad inertsiga täita järgmist silindrit läbipuhke ajal värske õhu ja kütuse seguga. Katalüüsmuunduri ja resonaatori valik on samuti õnnestunud. Väliskarakteristikast võib järeldada, et antud komponendid ei tekita süsteemis olulist vasturõhku. Katalüüsmuunduris tekkivad turbulentsid aeglustavad gaaside voolamiskiirust ning ka resonaatoris perforeeritud toru tekitab turbulentse. Siiski tekitavad need vähem takistust kui originaalist kasutatavad komponendid. Katalüüsmuundur on sobilik 1995 ja varem toodetud sõidukitele ning nendele kehtestatud 42
heitgaaside normidele. Sõidukil kasutatav mootor on toodetud 1989 aastal. Konkreetse süsteemiga ei ole olnud võimalust testida heitgaasides olevate mürgiste ainete sisaldust. Lambda andur on paigutatud katalüüsmuunduri korpuse külge. Kohta, kus sekundaarkanalid ühinevad. Asukoha pani paika see, et seal kohas on kõikide silindrite väljalaskegaaside ühinemise koht ning juhtarvutile saadakse kõige täpsem info just sealt. Oluline oleks mõõta ära süsteemi müratase. Praeguse süsteemi korral on valitud küll kõige efektiivsema müra summutusvõime ja gaaside läbilaskevõimega summutuselement. Elemendi maksimaalse summutusvõime määramisel on silmas peetud kahte tähtsat parameetrit. Element peab olema võimalikult pikk ning siseneva toru ja korpuse läbimõõdu erinevus peab olema võimalikult suur Sõiduki pikkusest tingituna ei saa mitut summutuselementi kasutada. Eesti vabariigi seaduses on kehtestatud järgmine seadus: Alates 1 oktoobrist 1989 kuni 30 septembrini 1996 esmakasutusele võetud auto sõidumüratase lisa 7 tabelis 19 esitatud piirväärtused. Antud tabelis on kirjas, et M1 kategooria sõidukil, mis on kuni 9 istekohaga, sealhulgas juhiiste, tohib olla mootori mürataseme piirväärtus 77dB.[11] 43
KOKKUVÕTE Käesoleva töö ülesanne oli projekteerida üksikkorras valmistatud sõidukile väljalaskesüsteem, mis vastaks nõutud tingimustele. Põhilised kriteeriumid, mida pidi järgima olid: vaba ruum( väga piiratud), mootori töö efektiivsuse tõstmine valitud tööpiirkondades, müratase ning mürgiste gaaside vähendamine. Eesmärkide saavutamiseks oli vaja tutvuda erinevate võimalustega, milliseid erinevaid süsteeme kasutatakse tänavasõiduautodel, milliseid võidusõiduautodel ning kuidas väljalaskesüsteemid üldse töötavad. Kuidas on võimalik tõsta mootori efektiivsust ning millised parameetrid seda oluliselt mõjutavad. Esiteks tuli teha kõige optimaalsem valik, milliseid konfiguratsioone kasutada kollektori valmistamisel. Kollektori ühendusflantsid väljalaskekanaliga valiti igale primaarkanalile inviduaalne flants, ennetamaks ühe pika flantsi termilist deformeerumist. Kollektori jagunemise skeemina kasutati 6-2-1konfiguratsiooni, sest eesmärgiks oli tõsta mootori efektiivsust madalamatel ja keskmistel pööretel. Järgmine etapp oli simuleerida virtuaalset mootori mudelit ning sinna projekteerida erinevad väljalaskesüsteemid ja analüüsida nende erinevusi. Põhimõte oli kontrollida arvutustulemusi, kas saadud väärtused rahuldavad soovitud tulemust või mitte. Viimaseks ning ka tähtsamaks etapiks võiks lugeda reaalset testimist veojõustendis. Testid teostati Tallinna Tehnikakõrgkooli veojõustendis Superflow Autodyn 883 AWD[13]. Selle eesmärk oli kontrollida teooriat, süsteemi projekteerimisel kasutatud valikuid ja virtuaalse simulatsiooni tulemusi. Veojõustendi tulemusgraafikutelt on näha, et soovitud tulemus on saavutatud. Kui soovitakse mõnele sõidukile efektiivseimat väljalaskesüsteemi, siis saavutatakse see ikkagi ainult testimise käigus. Teoorias on põhitõed välja toodud, kuid igale mootoritüübile võivad need einevalt mõjuda. Samuti tuleb väga suurt rõhku panna pisidetailidele. Kindlasti peab alguses olema ka kindel visioon, mis eesmärgil mootorit või sõidukit kasutatakse. 44
SUMMARY Final thesis subject is Exhaust System Design for a Custom Car. In the course of the thesis an exhaust system was designed for the custom car and the engine s performance was optimised. As the vehicle will be used both on the street and on the track, the optimum choice is to better the engine s capacity at low and medium revolutions. It is also important, that the engine s power and moment do not fall to lower values than those for systems made in the factory. The main criteria, which had to be followed, were: free space (very limited), raising the efficiency of the engine, the level of noise and the content of toxic substances in exhaust fumes. In order to achieve the aims set, information has to be gathered, theories studied and different possible solutions had to be analysed. As the goal was to optimise the engine s performance at medium and low revolutions, the collector configuration was chosen as 6-2-1. The BMW R-6 M50B25 engine is used for the vehicle. Dimensions for all channels are calculated according to the formula set out in the handbook. Generally the channel s dimensions affect the external characteristics as follows: the diameter of the runner sets the moment s peak value s location at the desired engine revolutions, the length of the runner is used to affect the values of the moment near the peak value. A resonator is used as a muffling element in the system. The element consists of an internal pipe perforated directly through; it is surrounded by a rock wool and stainless steel case. The muffling capacity of the resonator is set by the physical size. The particular element is more effective at muffling high frequency sound. In order to reduce elements harmful to the environment contained in exhaust fumes, a catalytic converter is used, which has a spiral profile and a metal honeycomb. In comparison to a ceramic honeycomb it is more durable and thanks to larger openings it creates less backpressure in the system. Low backpressure is important for increasing the efficiency of the engine. In order to check the calculations and to analyse the effect of the catalytic converter, a virtual model of the engine was created using the Lotus Engine Simulation software. The purpose of the 45
simulation was to analyse the differences of the engineered and original exhaust system. The comparison of the simulations showed the attainment of the aims. As the last phase both systems had to be tested in reality on a chassis dynamometer. The tests were carried out in the same conditions with different systems. The real result confirmed the results of the simulation, which is the increase of the moment and power at medium and high revolutions. The increase of the engine s efficiency at higher revolutions is due to a shorter system and lower backpressure. On average the power increased by 2,3% and the moment by 1,6%. The price of the whole system came to about 2500 euros. The amount includes material expenses and time spent working. The price per hour of simple labour is set at 5 euros, on which 40 hours were spent and the price per hour of engineering is set at 10 euros, on which 160 hours were spent. It can be deduced from the results of the economic analysis that the given task is very expensive. The goals set have been achieved but due to the lack of opportunity the levels of exhaust fumes and noise have not been tested. 46
VIIDATUD ALLIKAD [1] A. Graham Bell, 3-rd edition, Four-Stroke Performance Tuning, 2006, p. 471. [2] Heinz Heisler, second edition, Vehicle And Engine Technology, 1999, p. 767. [3] M.J. Nunney, fourt edition, Light And Heavy vehicle technology, 2007, p. 661. [4] Richard van Basshuysen, Fred Schäfer, Internal Combustion Engine Handbook, 2002, p.815. [5] Heinz Heisler. Advanced Engine Technology, 1995, p. 794. [6] www.hondanews.com, Honda Media Newsroom, [Võrgumaterjal]. Available: http://www.hondanews.com/channels/honda-automobiles-accord/archive/2008/photos/2-4- liter-i-vtec-4-cylinder-engine-integrated-exhaust-manifold?page=4. [Kasutatud 26. Aprill, 2014] [7] Dr. H. Rämmal, Sisse- ja väljalaskesüsteem, loengukonspekt pdf, 2012, p. 25. [8] www.wikipedia.org, Speed of sound, [Võrgumaterjal]. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/speed_of_sound. [Kasutatud 28. Aprill, 2014] [9] www.mycomputerninja.com, D-Series header comparison, [Võrgumaterjal]. Available: http://mycomputerninja.com/~jon/hondainfo/d-header/. [Kasutatud 10. Mai, 2014] [10] www.hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, Transwerse waves, [Võrgumaterjal]. Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/tralon.html. [Kasutatud 12. Mai, 2014] [11] www.riigiteataja.ee, Riigi Teataja, [Võrgumaterjal]. Available: https://www.riigiteataja.ee/akt/599101. [Kasutatud 14. Mai, 2014] [12] www.mnt.ee, Maanteeamet, [Võrgumaterjal]. Available: http://www.mnt.ee/index.php?id=10623. [Kasutatud 10, Mai. 2014] [13] wwwold.tktk.ee, Spetsifikatsioon, [Võrgumaterjal]. Available: http://wwwold.tktk.ee/?id=1850. [Kasutatud 10. Mai, 2014] [14] Autori fotode erakogu 47
Lisa 1. Mootori M50B25 andmed Mootori tüüp Neljataktiline, rida-6 Mootori kubatuur 2 494 cm 3 Mootori võimsus 141 kw/ 5900 pöördel Mootori väändemoment 245 Nm/ 4700 pöördel Kolvi läbimõõt 84 mm Kolvikäik 75 mm Kepsu pikkus 135 mm Surveaste 10.0:1 Väljalaskekanali pikkus ~ 75 mm Väljalaskeklapi pesa läbimõõt 24,4 mm VL klappide arv sil. kohta 2 Sisselaske kanali pikkus ~ 80 mm Sisselaskeklapi pesa läbimõõt 28 mm SL klappide arv sil. kohta 2 48
Lisa 2. CAD projekteeritud kuusk 49
Lisa 3. CAD projekteeritud primaarkanalid ning kuused 50
Lisa 4. Kuuse komponendid 51
Lisa 5. Monteeritud kuused 52
Lisa 6. Kuuse seest vaade 53
Lisa 7. Kollektori flantsid 54
Lisa 8. Primaarkanalite monteerimine 55
Lisa 9. Monteeritud primaarkanalid 56
Lisa 10. Primaarkanalid koos sekundaarkanalitega 57
Lisa 11. Terviklik väljalaskesüsteem 58
Lisa 12. Üksikkorras valmistatud sõiduk 59
Lisa 13. Tehase poolt valmistatud väljalaskesüsteemi sobitamine 60