A Magyar Tudományos Akadémia folyóirata. Alapítva: 1840
 

KEZDŐLAP    ARCHÍVUM    IMPRESSZUM    KERESÉS


 BELSŐÉGÉSŰ MOTOROK ÁRAMLÁSI ÉS ÉGÉSI SZIMULÁCIÓJA

X

Morauszki Tamás

PhD-hallgató, Széchenyi István Egyetem

Mándli Péter

egyetemi hallgató,Széchenyi István Egyetem

Horváth Zoltán

főiskolai tanár, tanszékvezető, Széchenyi István Egyetem • horvathz(kukac)sze.hu

 

1. Bevezetés: a súrlódási veszteségek
csökkentésének szerepe a motorfejlesztésben


Belsőégésű motorok fejlesztése során évtizedek óta fontos feladat a motor súrlódási veszteségének megállapítása és csökkentése. Különleges jelentőséget adnak ezen vizsgálatoknak a drasztikusan szigorodó károsanyag-kibocsátási normák: például 2012-re átlagosan 25%-kal kell a kibocsátott CO2-mennyiséget csökkenteni a 2007-es évi szinthez képest, és a 2014-re tervezett Euro–6-os szabvány bevezetése még ezen is jelentősen szigorít. Ezek és a vásárlói elvárások miatt szükséges a gépjárművek minél hatékonyabb üzemanyag-felhasználásának kutatása és azok alapján új konstrukciók kialakítása.

Ismert, hogy egy belsőégésű motor hajtotta jármű hatékonyságát csökkentő tényezők közül jelentős a motor súrlódási vesztesége, ami a jármű teljes veszteségeinek akár 10%-a is lehet. Ha ezt a mennyiséget felbontjuk, kiderül, hogy az égéstér érintkező alkatrészeinek, más néven a dugattyúcsoportnak: a dugattyú–dugattyúgyűrű–hengerfal-hármasnak tulajdonítható e veszteség fele. A motor, benne a dugattyúcsoport súrlódási veszteségeinek csökkentésére emiatt minden motorfejlesztő, cég és kutatóintézet egyaránt nagy gondot kell hogy fordítson. A Széchenyi István Egyetemen az Audi Hungária Belsőégésű Motorok Tanszék a dugattyúcsoport súrlódásának és kopásának méréses úton, a Matematika és Számítástudomány Tanszék a súrlódás számítógépes szimulációval való meghatározását kutatja. Utóbbi feladatra létrejött egy végeselemes szimuláción alapuló dinamikai modell, amely valódi 3D-mozgásokat szimulálva ad modellt a dugattyúcsoport súrlódási veszteségeinek meghatározására. A számítógépes modell fejlesztéséhez szükséges a geometriai adatok minél pontosabb figyelembevétele, mivel az égés közben felszabaduló hő hatására keletkező hőtágulás jelentős hatásokat hordoz, a dugattyú felülete és a hengerfal alakja például jelentős változásokat szenved, ami lényeges hatással van az érintkező súrlódó felületek nagyságára.

A dolgozat célja, hogy bemutassa azt a 3D áramlástani számítógépes szimulációs kutatást, amely a dugattyúcsoport égés hatásaként keletkező hőterhelését számítja ki.

Megjegyezzük, hogy az eredményeket a 3D véges elemes modellezés és számítás használja tovább az eszközök hőtágulásának számítására és a súrlódás pontosabb szimulációjára, de ez nem esik jelen cikk tárgykörébe.


2. Áramlási és égési szimulációk
a hőterhelés meghatározásához


A súrlódást számos tényező befolyásolja: az érintett alkatrészek geometriája, a felületi érdességi tulajdonságok, kenőolaj jellemzői, terhelés, fordulatszám stb. A modern motorok további optimalizálása így rendkívül összetett feladat, ami aprólékos munkát és párhuzamosan több fizikai jelenség figyelembevételét követeli meg. A fejlesztés lehetőségének vizsgálatakor szóba jöhető módszereink: tapasztalat, mérés és szimuláció. A tapasztalati értékek és tudás alapján ma már szinte lehetetlen jelentős javulást elérni. Súrlódás mérése a motorban kétféleképpen lehetséges: a könnyebben kivitelezhető, ám pontatlan és nem minden részletre kiterjedő hidegjáratás, vagy a még kísérleti stádiumban levő melegjáratásos súrlódásmérés segítségével.

E két, kevéssé célravezető módszer mellett mára a rohamosan fejlődő számítástudomány lehetővé teszi az egyre komplexebb szimulációs modellek használatát, így lesznek a fejlesztési célok eléréséhez egyre inkább nélkülözhetetlenek a szimulációs elemzések a motorfejlesztés terén is. Ráadásul e szimulációk költséghatékonyan és gyorsan adnak megbízható eredményeket. Távol vagyunk azonban még attól, hogy tipikus mérnöki alkalmazások során a rendszer minden jellemző peremfeltételét megadva egyetlen modell segítségével az összes fontos fizikai mennyiségre értékelhető eredményeket kapjunk.

Az égéstér és dugattyúcsoport vizsgálata során ezért komplex részmodellek láncolata segítségével haladunk. Célunk a rendszer dinamikai és súrlódási tulajdonságainak minél pontosabb meghatározása, majd a rendszer optimálása. Ehhez végeselemes dinamikai modell felépítésére van szükség, ami mikrométeres pontossággal veszi figyelembe a geometria jellemzőit, és így a valós gyűrű- és dugattyúmozgást adja meg. Ekkor egy összetett, sebességfüggő súrlódási modell segítségével lehetséges a veszteségek meghatározása.

Előzetes hőtani vizsgálataink azonban az alkatrészek hideg és üzemi hőmérsékletű állapotai közötti jelentős különbségekre hívják fel figyelmünket: az alkatrészek hőtágulása különös figyelmet érdemel, mivel a különböző anyagú (például vas-alumínium) kontaktpárok esetén a felmelegített darabok alakja és viselkedése is eltér a hideg állapottól.

E hatások figyelembevétele miatt hőtani szimulációk előzik meg a dinamikai és súrlódási vizsgálatokat. A hőtani vizsgálatok peremfeltételeinek megadásához viszont szükséges az egyes alkatrészek hőterhelésének meghatározása, ami az égéstérben zajló áramlástani és égési folyamatok vizsgálatát követeli meg.

Látható, hogy pontos eredmények eléréséhez több tudományterület, több szimulációs megoldó együttműködésére van szükség. Jelen esetben az Ansys Fluent szoftver szolgál a dugattyúcsoport levegőtereinek áramlási és égési folyamatai modellezésének és szimulációs vizsgálatának alapjául. Az így biztosított fali peremfeltételeket később az Abaqus végeselemes megoldó hőtani, dinamikai és súrlódási modelljeiben fogjuk felhasználni.

Megjegyezzük: a szimuláció során a fizikai változók – tömeg, lendület és energia – sűrűségének időbeli változását számoljuk az áramlási tartomány kis részekre („cellákra”) osztása („hálózás”) után: minden cellában az ott jól közelítő átlagos értéket számolja a szoftver a változóknak megfelelő megmaradási törvényekből, s az ebből rekonstruált pontosabb közelítések adják a szimuláció eredményét.

2.1 Áramlási modell • Közvetlen célunk egy, a belső égésű motor áramlási állapotait időfüggően meghatározó, égési számítást is tartalmazó modell felépítése. Áramló anyagunk egy összenyomható ideális levegőből és üzemanyagból álló keverék lesz, ami a szimuláció végére égéstermékké alakul a kémiai reakcióknak köszönhetően. Az égéstérbe a szívócsövön jutó levegő nagy sebessége miatt mindenképpen szükséges a turbulencia modellezése az áramlási szimuláció során.

2.1.1 Motormodell és geometria • Konkrét megvalósított modellünk egy négyütemű, kétliteres, soros négyhengeres, szívó benzinmotor egy hengerét tartalmazza, azaz a következő alkatrészek által határolt légteret használjuk: szívócső és kipufogócső, velük együtt 2–2 szívó- és

 

 

kipufogószelep és az égéstér határfelületei (dugattyú felső felülete, hengerfal, hengerfej egyes felületei).

Az általunk beállított fordulatszám 2000 1/s. Motorunk furata: 90 mm, lökete: 80 mm. Számításunk időtartama: 1 ciklus, vagyis 720° főtengely-szögelfordulás.

2.1.2 Mozgó peremek • A ciklus során lezajló események behatárolják a diszkretizált modell szerkezetét: az áramlási tartomány mérete és alakja folyamatosan változik, tehát a klasszikus módon hálózott áramlási modell nem megfelelő. Ezért bonyolult előkészítés során összetett, dinamikusan változó háló készült, mely időlépésenként változó térfogati felbontást biztosít.

Természetesen nem minden perem mozog a modellben. A dugattyú és szelepek viszont előre meghatározott, precízen összehangolt mozgást végeznek, amit a forgattyús hajtómű méretei, szelepnyitási görbék és a fordulatszám paraméterei irányítanak. Ezek a motor terhelésétől is függhetnek.

A teljes modellben három típusú térfogati hálót különböztethetünk meg:

• rögzített részek (például a kipufogócső nagy része), melyek nem változnak, és nem mozognak;

• mozgó, de alakjukat nem változtató részek (például szelepszárak mellett);

• deformálódó részek (például szelepek körül): cellák készítése és törlése szükséges (újrahálózás vagy rétegelés segítségével).

2.1.3 Szívás • A számítás kezdetén a dugattyú a felső holtpontban van és a szívó-ütem kezdődik: a szívószelepek nyitnak a szelepnyitási görbének megfelelően. A dugattyú lefelé indul, és a kialakult vákuum miatt a szívócsövön levegő áramlik az égéstérbe. A szívócső elején a levegő szabadon tud áramolni, ami egy szívómotor működésének felel meg. Érdekes lenne feltöltött motorok vizsgálata is, ez esetben a bemeneti peremen a feltöltőnek köszönhetően túlnyomással számolhatnánk. A dugattyú tetejének tányérszerű kiképzése segít az örvénylő áramlás kialakításában, ami később a keverékképződés hatásfokát javítja. Szimulációs szempontból kihívás a szelepek melletti nagy sebességű áramlás miatti instabilitás kezelése.

2.1.4 Sűrítés és munkaütem • 190° fokos elfordulás után a szívószelepek zárnak. A következő két ütem (sűrítés és munka) során levegő nem lép az égéstérbe, és nem is távozik onnan. A levegőáramlást ekkor a dugattyú mozgása és a befecskendezési, keveredési-égési folyamatok befolyásolják. Sűrítés során a térfogat csökkenése, a nagymértékű kompresszió miatt bekövetkezik a levegő sűrűségének és hőmérsékletének növekedése, előkészítve az elegyet a gyújtásra.

2.1.5 Kipufogás • A kitolási ütemben a kipufogógáz a nyitott kipufogószelepen és kipufogócsövön át a szabadba távozik. Végül ennek az ütemnek a végén véget érnek az előírt események. Természetesen kivitelezhető itt a következő ciklussal való folytatás is, ennek azonban ismét jelentős erőforrásigényére hívnánk fel a figyelmet.

2.2 Égés • Az égés modellezéséhez az Ansys Fluent beépített modelljét használtuk. Ennek alkalmazásakor nagy kihívás volt a szükséges paraméterek meghatározása.

Amint egy égésmodellt is beépítünk az áramlási modellbe, az időintervallumot újabb eseményekkel oszthatjuk: a sűrítési ütembe való befecskendezés kezdete és vége.

Felső holtpont előtt 5°-kal megtörténik a gyújtás, melyet a rendszerbe a gyertya helyén bevezetett 0,1 J energia jelez, ami elég a keverék meggyújtásához.
Üzemanyagnak indolene-t választottunk, ami szabványosított üzemanyag, és nem tartalmaz adalékokat, ezért ideális vizsgálatokhoz. Moláris tömege megegyezik az oktánéval.

A szimulációs szoftver számolja a lángfront lamináris és turbulens sebességét, az exoterm folyamatból felszabaduló energia mennyiségét. Az áramlási tartomány peremein a hőmérséklet és a hőátadási tényező is meghatározásra kerül, ez a további számítások alapjául szolgálhat.

2.3 A szimuláció eredményei

2.3.1 Futási jellemzők • A szimuláció komplexitása miatt jelentős gépigényű, ezért a modell finomságának megválasztásánál kompromisszumra van szükség: a hálóméretet 850 000 tetraéder és hexaéder elemen belül kellett tartani. Így 16 magon, kb. 100 GB felhasznált memória segítségével mintegy 34 óra alatt lefut egy ciklus. Az eredményfájlok jelentős helyigényűek, kb. 200 GB adattal számolhatunk.

A háló finomítása pontosabb eredményekhez vezethetne. Például ha határrétegeket készítenénk a falak mentén, akkor a fali sebesség-gradiens és turbulenciajelenségek felismerhetőbbek lennének, ezzel javítva az eredmények minőségét. A futásidő miatt korlátozottak a finomítási lehetőségek.

2.3.2 Számítási eredmények • Időfüggő számítást végeztünk, ezért a hőmérséklet, nyomás, üzemanyag koncentrációjának időbeli lefutását is követni tudjuk. Számítási eredményeink szerint a középnyomás tetőpontja kb. 32 bar, ami összhangban van az elméletből várt adatokkal.


3. Összefoglalás


A kifejlesztett szimulációs modell az égéstérben lezajló áramlási és égési folyamatok számítására szolgál. Eredményeink önmagukban is érdekes információval szolgálnak, ezenkívül peremfeltételként (fali hőmérsékletek és hőátadási tényezők formájában) átvihetőek és felhasználhatóak a határoló alkatrészek véges elemes hőtani és hőtágulási elemzéseihez.
Az ilyen módon számolt felmelegített alkatrészek dinamikai és súrlódási szimulációkban való felhasználása jelentős lépés lehet a motor súrlódási veszteségeinek előrejelzésében és hosszabb távon hatékony optimalizálási módszerrel szolgálhat.
 



Kulcsszavak: számítógépes áramlástan (CFD), számítógépes szimulációk, belsőégésű motorok, égés
 


 

IRODALOM

Ansys Fluent: WEBCÍM >

Heywood, J. B. (1988): Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill,.

Hohler Zs. – Morauszki T. – Dreyer, M. R. (2011): Hőterjedés és hőtágulás szimulációja a motorblokkban. In: Csibi V.-J. (szerk.): OGÉT 2011 – a XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó Konferencia Kiadványa. Csíksomlyó, 2011. 04. 28–2011. 05. 01. Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság

Tóth A. – Morauszki T. – Dreyer, M. R. (2011): Áramlás és hőátadás szimulációja az égéstérben. n: Csibi V.-J. (szerk.): OGÉT 2011 – a XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó Konferencia Kiadványa. Csíksomlyó, 2011. 04. 28–2011. 05. 01. Erdélyi Magyar Műszaki Tud. Társaság

Morauszki T. – Mándli P. – Horváth Z. – Dreyer, M. R. (2011): Simulation of Fluid Flow, Combustion and Heat Transfer Process in Internal Combustion Engines. Hungarian Journal of Industrial Chem.. 39, 1, 27–31. •  WEBCÍM >