Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 16, No. 4 009 SUPERCHRGING WITHOUT COMPRESSOR OF STEPLESS COMPRESSION COMBUSTION ENGINE Krzysztof Ciszek, ndrzej Kamierczak, Marcin Tkaczyk, Wojciech Zabocki Wroclaw University of Technology Department of Mechanical Engineering, Institute of Machine Design and Operation Lukasiewicza Str. 5, 50-371 Wroclaw, Poland tel:.+48 603 486 614 e-mail: andrzej.kazmierczak@pwr.wroc.pl wojciech.zablocki@pwr.wroc.pl bstract One of the main interests of constructors is an approach to the optimal load exchange process and consequently obtaining the maximal cylinder filling. iming at the cylinder s filling improvement caused rapid development of supercharging in all its transforms, more perfect and sophisticated. One of such approach is a dynamic supercharging commonly used in engines with fuel injection. In order to improve working parameters operating in precisely predetermined rotational speed the dynamic supercharger can be applied as a union with a turbo supercharger or as an independent system This objective is relatively easy to achieve for a single cylinder engine, however for a multi cylinder engines it appears to be more complicated. It has been determined that dynamical supercharging as opposed to turbo supercharging is proved economically and efficient engine response improvement procedure. The objective of presented paper is creating as well as calculating a stepless supercharging system of the resonance compression combustion engine used as a drive for motor cars Proposed system consists in the connection of the existing solution of the continuous change of the geometry system through the change of the length only resonance lines with the change of the volume of the resonance reservoir Keywords: transport, combustion engines, intake throttle, filling up BEZSPRRKOWE DODOWNIE BEZSTOPNIOWE SILNIK SPLINOWEGO O ZPONIE SMOCZYNNYM Streszczenie Jednym z najwaniejszych zagadnie konstrukcyjnych silników spalinowych jest zapewnienie optymalnego napenienia cylindra silnika spalinowego. Poprawa napenienia cylindra jest najczciej realizowana z wykorzystaniem rónych systemów doadowania, a najczciej w tym celu stosuje si turbodoadowanie w wszystkich jego odmianach. Jedn z odmian systemu doadowania jest doadowanie dynamiczne lub rezonansowe. W niniejszej pracy zaproponowano nowatorski projekt ukadu dolotowego, którego zadaniem jest poprawa napenienia silnika w szerokim zakresie prdkoci obrotowej. System ten jest relatywnie prosty w przypadku silnika jednocylindrowego, jednake w silniku wielocylindrowym jest bardziej skomplikowany. Doadowanie dynamiczne w wersji ograniczonej do okrelonego zakresu prdkoci obrotowej silnika jest obecnie szeroko stosowane w poczeniu z turbodoadowaniem. W pracy tej przedstawiono obliczenia bezstopniowego ukadu doadowania dynamicznego silnika o zaponie samoczynnym przeznaczonego do samochodu osobowego. Zaproponowany ukad polega na poczeniu istniejcego rozwizania pynnej zmiany geometrii ukadu poprzez zmian dugoci tylko przewodów rezonansowych ze zmian objtoci zbiornika rezonansowego Sowa kluczowe: transport, silnik spalinowy, doadowanie, napenienie cylindra 1. Wprowadzenie Denie do poprawy napenienia silnika spalinowego spowodowao szybki rozwój doadowania w jego rónych odmianach. Opatentowane w latach trzydziestych XX wieku przez pracowników Politechniki Lwowskiej Wiciskiego i Bujaka pod nazw metody Wi-Bu doadowanie dynamiczne,
K. Ciszek,. Kamierczak, M. Tkaczyk, W. Zabocki miao poprawi napenienie przede wszystkim silników o zaponie samoczynnym [7]. Doadowanie dynamiczne mona stosowa w poczeniu z turbodoadowaniem lub do poprawy parametrów roboczych przy cile okrelonej prdkoci obrotowej silnika [7, 8]. Zadanie to jest wzgldnie proste do zrealizowania dla silnika jednocylindrowego, natomiast dla silników wielocylindrowych jest skomplikowane. Bezsprzecznie stwierdzono, e doadowanie dynamiczne jest ekonomicznie uzasadnionym i skutecznym sposobem poprawy elastycznoci silników, a co z tym si wie ekonomicznoci pracy [6]. W zwizku z tym celem prezentowanej pracy jest zaprojektowanie i wstpne obliczenia bezstopniowego ukadu doadowania rezonansowego silnika spalinowego o zaponie samoczynnym, stosowanego do napdu samochodów osobowych.. Doadowanie bezsprarkowe Doadowanie bezsprarkowe lub dynamiczne to takie wykorzystanie drga supa gazu w ukadzie dolotowym silnika, które prowadzi do zwikszenia gstoci wieego adunku doprowadzonego do cylindra. Pewne moliwoci ksztatowania procesów wymiany adunku w cylindrze, a szczególnie jego napenienia, le we waciwym wykorzystaniu zjawisk dynamicznych zachodzcych w przewodach dolotowych i wylotowych [6]. Praktyczna realizacja takiego postulatu sprowadza si do waciwego uksztatowania oraz doboru parametrów geometrycznych ukadu dolotowego i faz rozrzdu zapewniajcych maksymalne zwikszenie cinienia adunku w cylindrze w chwili zamknicia zaworu dolotowego. Doadowanie dynamiczne moe by przeprowadzone za pomoc tzw. doadowania pojedynczym przewodem dolotowym, lub doadowania rezonansowego. Doadowanie pojedynczym przewodem dolotowym polega na wykorzystaniu zjawisk dynamicznych w przewodach dolotowych oddzielnych dla kadego cylindra silnika. Metoda ta jest czsto wykorzystywana w silnikach wyczynowych, w silnikach uytkowych przewody te poczone s zazwyczaj zbiornikiem wyrównawczym, który jednak, ze wzgldu na du objto, nie ma istotnego wpywu na przebieg drga w ukadzie przewód dolotowy cylinder. Uzyskanie duej amplitudy pulsacji cinienia wymaga stosowania przewodów dolotowych o duej wartoci ilorazu l/ (l-dugo, -przekrój) co stwarza trudnoci w umieszczeniu ich w komorze silnika. Doadowanie rezonansowe uzyskuje si dziki zastosowaniu ukadu rezonansowego zoonego z pojedynczego przewodu o dugoci l i zbiornika o objtoci V R tworzcych tzw. rezonator Helmholtza. Przewody dolotowe czce zbiornik V R z poszczególnymi cylindrami s na tyle krótkie (mae wartoci l/), e nie zakócaj w istotny sposób przebiegu drga czynnika. Praktycznie przyjmuje si, e zmiany cinienia przed zaworem dolotowym odpowiadaj zmianom cinienia w zbiorniku V R (Rys. 1) Rys. 1. Schemat systemu doadowania rezonansowego [3] Fig. 1. Scheme of system of resonance charging [3] Rys.. Charakterystyka zewntrzna silnika 1,3 jtd multijet [5] Fig.. External character of engine 1.3 jtd multijet [5] 5
Supercharging without a Compressor of Stepless Compression Combustion Engine Istotnym ograniczeniem zastosowa tego systemu doadowania jest konieczno zapewnienia w przyblieniu staej prdkoci przepywu czynnika przez przewód rezonansowy Lr. W kadej chwili cyklu pracy silnika powinien by otwarty tylko jeden zawór dolotowy. Zmusza to do stosowania fazy dolotu w przyblieniu równej odstpowi midzy kolejnymi zaponami. Zastrzeenie to jest moliwe do spenienia w silniku czterosuwowym wówczas, gdy do jednego zbiornika rezonansowego przyczone s jednoczenie trzy cylindry. W praktyce dopuszcza si stosowanie takiego ukadu dla cylindrów czterech, lecz skuteczno doadowania rezonansowego maleje. Ogólnie w doadowaniu rezonansowym wystpi duy wzrost wspóczynnika napenienia jedynie w pobliu prdkoci rezonansowej. Oba systemy doadowania dynamicznego mog by z powodzeniem stosowane w poczeniu z doadowaniem sprarkowym, które powoduje zwikszenie redniego cinienia panujcego w zbiorniku wyrównawczym. Ze wzgldu na mniejsz prac wymiany adunku bardziej przydatny jest system rezonansowy. Moliwe jest take kojarzenie doadowania rezonansowego z doadowaniem pojedynczym przewodem dolotowym w zoonych ukadach dolotowych, czsto o zmiennej geometrii (dugo i pole powierzchni przekroju kanaów dolotowych zmienne w czasie pracy silnika). 3. Projekt systemu doadowania silnika ZS 1,3 jtd multijet 3.1. Parametry konstrukcyjne silnika 1,3 multijet Przedmiotem opracowania jest projekt ukadu bezstopniowego doadowania rezonansowego do silnika 1,3 jtd multijet firm GM i FIT [1]. Przy czym nie wykonano zmian w obrbie ukadu rozrzdu, ksztatu kanaów sscych w gowicy cylindrów i innych parametrów, a w tym ukadu korbowo-tokowego wspomnianego silnika. Przeprowadzone obliczenia oparto o dane fabryczne silnika dostpnie w instrukcji serwisowej [5]. Na Rys. zamieszczono wykres charakterystyki zewntrznej momentu obrotowego i mocy silnika. 3.. Obliczenia ukadu rezonansowego Doadowanie dynamiczne silnika spalinowego mona uzyska w dwojaki sposób poprzez dobranie parametrów geometrycznych przewodu dolotowego do przyjtych faz rozrzdu lub faz rozrzdu do okrelonej geometrii przewodu dolotowego (zmiany faz s moliwe w niewielkim zakresie). W praktyce wystpuje zwykle konieczno dokonywania jednoczesnych zmian geometrii ukadu dolotowego i faz rozrzdu, lecz jak wspomniano wczeniej, tu zostanie przedstawione zagadnienie dobrania wielkoci geometrycznych ukadu dolotowego przy nie zmienionych fazach rozrzdu. Rzeczywiste kty dolotu (penego otwarcia zaworu dolotowego) mieszcz si pomidzy 110 a 150 OWK []. Na ich warto ma wpyw midzy innymi zarys krzywki (prdko otwierania i zamykania zaworu), prdko chwilowa toka w ruchu posuwistym jak i organizacja caego procesu wymiany adunku. Dla omawianego silnika z uwagi na zastosowanie turbodoadowania i do wczesnego zamknicia zaworu dolotowego do dalszych oblicze przyjto warto d = 10 OWK. Dla tak przyjtego parametru, czas rzeczywistego impulsu podcinienia t d w zalenoci od prdkoci obrotowej wyraa si wzorem (1): t d d 60 10 60 0 360n 360n n. (1) We wzorze (1) wielko t d jest w rzeczywistoci okresem drga czynnika wymuszajcego T d. Czstotliwo drga jest odwrotnie proporcjonalna do prdkoci obrotowej wau korbowego silnika. Czstotliwo drga wymuszajcych w zalenoci od prdkoci obrotowej wyraa si wzorem (): 53
K. Ciszek,. Kamierczak, M. Tkaczyk, W. Zabocki f 1 1 n T t 0. () d Projektowany ukad dolotowy skada si ze zbiornika rezonansowego poczonego z kanaem dolotowym w gowicy przewodami rezonansowymi. Dla takiego ukadu, zachodzi zaleno (): gdzie: - pole powierzchni przewodu rezonansowego, m, l - dugo przewodu rezonansowego, m, V - objto zbiornika rezonansowego, m, k - liczba falowa. Przyjmujc oznaczenie (4): V d l kl tgkl, (3) kl l, (4) gdzie - dugo fali stojcej ukadu rezonansowego, m. Podstawiajc (4) do (3) oraz zauwaywszy [6, 7], e dla maych któw wraenie tg mona przybliy zalenoci, otrzymuje si wzory na dugo fali oraz czstotliwo drga wasnych ukadu rezonansowego w zalenoci od wymiarów geometrycznych (5), (6): Vl f, (5) a Vl, (6) gdzie a - prdko dwiku w powietrzu (prdko przemieszczania si fali akustycznej), m/s. Przyrównujc wyraenia () oraz (6) otrzymuje si zaleno opisujc warunek wystpowania rezonansu w tak zaproponowanym ukadzie (7): a n lub n Vl 0 10. Vl a naliza równa (7) pozwala zauway, e dla pewnej staej wartoci prdkoci obrotowej n, iloraz /Vl jest równy wartoci staej. Zakadajc, e pole przekroju kanau jest stae, dla zachowania warunku rezonansu przy danej prdkoci obrotowej, warto iloczynu Vl musi by zachowana. Jednoczenie zmiana którego z tych parametrów pociga za sob zmian prdkoci obrotowej przy której wystpi rezonans. Zmiana ta moe dotyczy tylko objtoci komory rezonansowej, lub dugoci kanaów dolotowych. Moe równie dotyczy zmian obu tych parametrów jednoczenie. Dla wystpienia rezonansu przy maych prdkociach obrotowych, objto V i dugo l powinna ulec zwikszeniu, za przy duych prdkociach wartoci te relatywnie powinny male. W oparciu o wyej wymienione zaoenia zaproponowano ukad realizujcy pynn zmian zarówno dugoci przewodu dolotowego jak i objtoci komory rezonansowej. 3.3. Opis koncepcji ukadu bezstopniowego doadowania bezsprarkowego Schemat ideowy rozwizania umoliwiajcego jednoczesn zmian objtoci i dugoci ukadu rezonansowego przedstawiono na Rys. 3. W skad ukadu wchodzi nieruchomy element w ksztacie walca z krócem umoliwiajcym zamocowanie do gowicy cylindrów, oraz ruchomy bben umieszczony centrycznie wewntrz walca majcy moliwo obrotu w osi walca. W obrbie bbna znajduj si dwie przesony. Pierwsza przesona jest staa i zwizana z walcem zewntrznym, za druga ruchoma; zwizana z ruchomym bbnem. W pooeniu, jak na Rys. 3, (7) 54
Supercharging without a Compressor of Stepless Compression Combustion Engine ukad ma najmniejsz dugo przewodu rezonansowego praktycznie jest to dugo króca, oraz najmniejsz objto rezonansow. Objto t stanowi przestrze ograniczon dwiema przesonami sta i ruchom oraz paszczyzn bdc ¼ pobocznicy walca eliptycznego. Wzajemne przemieszczenie ktowe walca oraz bbna powoduje wyduanie si przewodu rezonansowego oraz wzrost objtoci komory wewntrznej. Rys. 3. Ukad dolotowy o zmiennej geometrii w pozycji wyjciowej i obrotu wzgldnego o okoo 5 0 Fig. 3. Intake system with changing of geometry in the first position and of relative rotation about 5 0 Na Rys. 3 przedstawiono równie ukad w pozycji prawie maksymalnej wielkoci objtoci zbiornika i dugoci kanaów dolotowych. Schematycznie zaznaczono wielko kta, o jaki nastpuje zwikszenie dugoci kanau dolotowego, pole zakreskowane to przyrost powierzchni, która w cisym zwizku z dugoci walca stanowi o przyrocie objtoci rezonansowej. W przedstawionym rozwizaniu bbna nie mona dalej obróci ze wzgldu na kolizj przeson ruchomej i staej, dlatego za punkt skrajny mona przyj kt obrotu 5. Rys. 3 przedstawia przekrój ukadu w osi przewodu dolotowego. Oczywicie ukad ten posiada jeszcze trzeci wymiar stanowicy o dugoci, a co za tym idzie objtoci zbiornika. Dopyw powietrza równie moliwy jest tylko od strony czoowej zbiornika. 3.4. Dobór podstawowych wymiarów ukadu W warunkach rzeczywistych ukad taki projektowany jest z uwzgldnieniem warunków zabudowy w konkretnym pojedzie. Praca niniejsza ma na celu przedstawienie koncepcji oraz moliwoci jej zastosowania w okrelonej jednostce napdowej w oderwaniu od konkretnego miejsca zabudowy. W zwizku z powyszym przy doborze parametrów geometrycznych nie bd brane pod uwag inne ograniczenia jak tylko te, które warunkuj uzyskanie efektu doadowania rezonansowego. Na podstawie równa (7) mona stwierdzi, e wystarczajcym jest przeanalizowanie warunku rezonansu w oparciu o iloczyn Vl, z uwagi na fakt, e warto parametru dla opisywanego przypadku jest staa i w oparciu o dane producenta [5] równa: = 0,001413 m. Ze wzgldu na prdko obrotow silnika równanie (7) mona zapisa w postaci (8): Vl n 10 a. (8) gdzie a - prdko dwiku w powietrzu = 393,7 m/s. Zakres dopuszczalnych prdkoci obrotowych dla silnika 1,3 multijet jest równy: 1000-5000 1/min. Doadowanie powinno wystpi w zakresie prdkoci obrotowych uytecznych. Mona wic przyj warunki skrajne dla doadowania w zakresie 1500-4500 1/min. Dla takich wartoci powinien by dobrany ukad rezonansowy. W zwizku z tym dla 1500 1/min wyraenie (8) przyjmuje warto (9): 0,001413 Vl 0,000890453 4 1500 m n 3,141500 10a 10373,9. (9) 55
K. Ciszek,. Kamierczak, M. Tkaczyk, W. Zabocki Dla 4500 1/min wyraenie (8) przyjmuje warto (10): 0,001413 Vl4500 000098939 n 3,14 4500 10 a 10 373,9 4 0, m. (10) Dalsze rozwaania wymagaj przyjcia wymiarów poprzecznych ukadu. Dobrano wymiary przedstawione na Rys. 4. Rys. 4. Podstawowe wymiary ukadu rezonansowego Fig. 4. Basic dimensions of resonance configuration Dla tak przyjtych wymiarów, okrelono dugo walca komory rezonansowej opierajc si na wyraeniu (11): Vl k p d l. (11) gdzie: p - pole powierzchni ¼ elipsy opartej na osiach r 1 i r ( r 1 = 0,05 m, r = 0,08 m), m, d - dugo walca komory rezonansowej, m, l - dugo kanau rezonansowego, m. Dla pooenia jak na Rys. 41 warto iloczynu Vl k musi spenia warunek brzegowy dla 4500 1/min (1): Vl k Vl 4500. (1) Std dugo walca komory rezonansowej jest równa (13): Vl p l 0,000098939 0,3150999 0,05 0,08 0,1 4 4500 d. (13) Do dalszych rozwaa przyjto d = 0,3 m. Dla tak dobranych wielkoci geometrycznych ukadu dolotowego naley sprawdzi warunek brzegowy Vl dla 1500 obr/min. Wykonano to w oparciu o wyprowadzone równanie uzaleniajce wielkoci Vl od kta obrotu bbna wzgldem nieruchomego walca (14): r d r 1 3 Vl V0 l0, (14) 360 360 gdzie: V 0 - objto pocztkowa komory rezonansowej, m 3, l 0 - dugo pocztkowa przewodu rezonansowego, m, r 1 - promie bbna ruchomego, m, r 3 - promierodka przekroju poprzecznego przewodu rezonansowego, m, d - dugo komory rezonansowej, m. Dla przyjtych wymiarów (Rys. 4) objto pocztkowa komory rezonansowej jest równa (15): V 0 r1 r 4 d, V0 0, 0010048m 3. (15) 56
Supercharging without a Compressor of Stepless Compression Combustion Engine Wartoci pozostaych wymiarów s nastpujce: l 0 = 0,1m, r 1 = 0,05m, r = 0,08m, r 3 = 0,065m, d = 0,3m. Po wyznaczeniu tych wielkoci obliczono warto parametru Vl w funkcji obrotu ruchomego bbna wzgldem walca, co przedstawia Tab. 1. Tab.1. Wartoci parametru Vl w funkcji kta obrotu bbna wzgldem walca kt [ 0 ] parametr Vl [m 4 ] 0 0,000098939 10 0,00011780 0 0,000138 30 0,000160199 40 0,000183734 50 0,0000886 60 0,00035475 70 0,0006368 80 0,00093445 90 0,00034766 100 0,000357644 110 0,0003908 10 0,0004807 130 0,0004656 140 0,00050479 150 0,000545393 160 0,000587615 170 0,000631394 180 0,00067673 190 0,0007363 00 0,00077074 10 0,0008081 0 0,000873646 30 0,00096769 40 0,000981448 50 0,001037685 Dla warunku brzegowego przy 1500 1/min parametr Vl przyjmowa powinien warto: 0,000890453m 4. Przy zaoonych wielkociach geometrycznych warto ta osigana jest przy kcie obrotu bbna nieco powyej 0 0, co wydaje si moliwym do realizacji w tak zaproponowanym ukadzie. Jednoczenie przy obrotach 4500 1/min zaleno jest speniona; Vl = 0,000098939m 4. Majc tabelaryczne dane funkcji Vl() mona przedstawi jej przebieg na wykresie na Rys. 5. 0,001 0,001 0,0008 parametr Vl [m3] 0,0006 0,0004 0,000 0 0 10 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 10 130 140 150 160 170 180 190 00 10 0 30 40 50 kt obrotu [stopnie] Rys. 5. Przebieg wartoci wyraenia Vl w funkcji kta obrotu bbna Fig. 5. The graph of value expressions Vl in function of angle of turn drum 57
K. Ciszek,. Kamierczak, M. Tkaczyk, W. Zabocki Funkcja przedstawiona na Rys. 5 nie jest liniowa, zatem zaleno obrotu bbna od prdkoci obrotowej wau korbowego równie nie jest lini prost. Przy ewentualnej próbie realnego zastosowania tego rozwizania istnieje konieczno wyprowadzenia szczegóowej zalenoci kta wychylenia bbna od prdkoci silnika. Opierajc si na zalenociach: (7) oraz (15), mona zapisa (16): 10 r d 1 V 0 l 360 n. (16) 0 r3 360 Rozwizujc równanie (4) wzgldem n (prdko obrotowa) mona otrzyma wyej wspomnian zaleno kta wychylenia bbna od prdkoci obrotowej silnika. Na tej podstawie jest moliwy do sporzdzenia algorytm sterowania ukadem dolotowym o zmiennej geometrii. 4. Wnioski - We wspóczesnych jednostkach napdowych stosowanie ukadów dolotowych z wykorzystaniem zjawisk bezwadnociowych czy rezonansowych stao si regu. rgumentem przemawiajcym za stosowaniem tych metod zwikszania napenienia cylindra s przede wszystkim: may stopie skomplikowania konstrukcji, moliwo wprowadzenia ukadu do dowolnej jednostki napdowej, a rozwój technologii przetwarzania tworzyw sztucznych umoliwi niemale dowolne ksztatowanie elementów, a w tym podzespoów ukadów dolotowych silników spalinowych. - W pracy zosta zaproponowany ukad bdcy rozwiniciem powszechnie stosowanych koncepcji, a ide jego byo poczenie istniejcego rozwizania pynnej zmiany geometrii ukadu poprzez zmian dugoci tylko przewodów rezonansowych z pomysem autorów o jednoczesnej zmianie objtoci zbiornika rezonansowego. - W gównej mierze niewtpliw zalet takiego ukadu jest moliwo bezstopniowego dopasowania ukadu do aktualnej prdkoci obrotowej silnika. Poprawa jego stopnia napenienia moe zatem wystpi w caym moliwym zakresie prdkoci obrotowych. - Stopie poprawy napenienia a co za tym idzie zwikszenia momentu obrotowego i mocy nie jest niestety w prosty sposób atwy do okrelenia. Tak jak precyzyjne zestrojenie ukadu rezonansowego jest moliwe tylko podczas bada hamownianych, tak i ocena stopnia poprawy jego parametrów roboczych wymaga tego rodzaju prób. Dla konstrukcji istniejcych mona zaoy, e przy poprawnym dobraniu parametrów ukadu moemy spodziewa si przyrostu momentu obrotowego i mocy na poziomie 10%. Literatura [1] Ciszek, K., Projekt ukadu bezstopniowego doadowania rezonansowego do silnika 1,3 multijet, Praca Dyplomowa, Wydzia Mechaniczny, Politechnika Wrocawska, Wrocaw 006. [] Kowalewicz,., Doadowanie silników spalinowych, PR, Radom 1998. [3] Kowalewicz,., Systemy spalania szybkoobrotowych silników spalinowych, WK, Warszawa 1990. [4] Lachowicz, M., Projekt systemu turbodoadowania dla silnika o zaponie iskrowym przeznaczonego do samochodu osobowego, Praca Dyplomowa, Wydzia Mechaniczny, Politechnika Wrocawska, Wrocaw 00. [5] Materiay serwisowe, Fiat uto Poland. [6] Mysowski, J., Doadowanie bezsprarkowe silników z zaponem samoczynnym, WNT, Warszawa 1995. [7] Mysowski, J., Doadowanie silników, WK, Warszawa 00. [8] Wisocki, K., Systemy doadowania szybkoobrotowych silników spalinowych, WK, Warszawa 1991. 58