Obrázek 60: Úpravy hlavy pro iteraci 3
7.6 Výsledky simulace modelu s novou hlavou (3. varianta) Hlava
Obrázek 62: Rozložení teplot na sedlech ventilů a na díře pro svíčku (3. varianta)
Maximální teplota se vyskytuje jako u všech variant na můstku mezi výfukovými ventily.
Její hodnota klesla proti 2. variantě na 265 °C, což je o zhruba 2,5 °C méně. U sedel ventilů se maximální teplota zmenšila na 264,3 °C. Největší rozdíl u sedel se naopak zvětšil a je největší ze všech variant. Jeho hodnota je 72,1 °C.
Obrázek 63: Rozložení rychlosti a teploty vzduchu (varianta 3) Obrázek 61: Rozložení teplot na hlavě (varianta 3)
3
2 1
4 5
Tabulka 15: Změny vybraných parametrů v okolí sedel výfukových ventilů oproti 2. iteraci
Oblast 1 Oblast 2 Oblast 3 Oblast 4 Oblast 5
Rychlost vzduchu ↑ ↓ ↑ ↓ ↓
Teplota vzduchu Velmi podobná ↑ ↑ ↑ ↓
Teplota stěny ↓ ↓ ↓ ↑ ↓
Teplota na sedle ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
Válec
Hodnota maximální teploty se zmenšila oproti původní variantě z 217 na 213 °C, což je nejnižší z nových variant. Největší rozdíl teplot je opět na 1. hladině. Jeho hodnota je 46,3 °C a je nejnižší ze všech variant. Nejnižší rozdíl je pak v hladině poslední a má hodnotu 19,1 °C, kde je naopak nejvyšší ze všech.
7.7 Porovnání všech variant
Následující tabulka srovnává všechny varianty z hledisek maximální teploty na hlavě válce a válce samotného, největšího rozdílu teplot na sedlech ventilů, obvodu závitu pro svíčku a na vložce válce. Zeleně označené hodnoty znamenají nejnižší hodnoty ze všech variant. Červené pak nejvyšší.
Obrázek 64: Rozložení teplot na válci (varianta 3)
Tabulka 16: Srovnání vypočítaných variant
Pův. varianta 1. varianta 2. varianta 3. varianta
Maximální teplota hlavy [°C] 240 269 267 265,16
Největší rozdíl teplot na sedlech [°C] 71,79 69,38 66,22 72,1 Největší rozdíl teplot na svíčce [°C] 31,89 40,3 38,16 38,1
Maximální teplota válce [°C] 202 216,7 217,4 213
Největší rozdíl teplot na vložce válce v HÚ
[°C] 49,2 49,7 51,91 46,3
Z tabulky 16 vidíme, že nejnižší z maximálních teplot hlavy je na původní hlavě.
Hodnoty nejvyšších teplot leží ve všech variantách na můstku mezi výfukovými sedly.
V původní variantě je tato oblast chlazena olejem přes stěnu, která má poměrně velikou tloušťku. Toto je vidět na obrázku 65, kde plochy označené hnědou barvou jsou smáčeny olejem a plochy světle šedé jsou ofukovány proudem vzduchu. V novém řešení bylo snahou ofukovat plochy co nejblíže k můstku. Na obrázku 66 je vidět řešení pro variantu 3. Plochy jsou označeny stejnými barvami. Rozdíl maximálních teplot mezi variantami je 25-29 °C, kde nejnižší hodnoty měla varianta 3. Z výsledků tedy plyne, že i přes velkou tloušťku stěny v původní variantě je chlazení olejem účinnější.
Obrázek 65: Původní varianta
Obrázek 66: Varianta 3
Nejlepší rozložení teplot po obvodu sedel bylo ve 2. variantě. Následující grafy porovnávají všechny 4 konstrukce v místě levého sedla (vlevo) a pravého sedla ve 3.
hladině.
Obrázek 67: Rozložení teplot na sedlech výfukových ventilů u všech variant
Celkově jsou teploty na sedlech původní varianty nejnižší. Důvod je popsán na předchozí straně. Rozdíly mezi původní hlavou a novými hlavami jsou ve stejných úhlech od 12 do 42 °C. V původní variantě jsou nejnižší teploty na levém sedle v blízkosti místa, kde olej stéká do šachty rozvodů a toto místo je intenzivně chlazeno olejem. Největší rozdíl teplot mezi původní variantou a novými variantami je na úhlu 108° u levého a 144° u pravého sedla. Nové varianty mají hodně podobné teploty, kde největší rozdíl byl 8°C. Nacházel se v 216° na levém sedle. Rozdíl byl dán vytvořením přepažením mezi výfukovými kanály a šachtou pro rozvody, kde díky kondukci a oleji, který chladí šachtu s rozvody se toto místo více ochladilo. Díky tomu je zde také největší rozdíl teplot mezi všemi variantami. Průměrně má varianta 3 nejnižší teploty kolem sedel. Rozdíly teplot mezi variantou 1 a 2, kde došlo k prožebrování kolem vnějšku spalovacího prostoru a použití deflektoru jsou od -1,3 do 2,5 °C. Záporné hodnoty znamenají zhoršení oproti 1. variantě. Tato hodnota je poměrně malá a je nejspíše dána tím, že žebra, nejsou dostatečně velká pro znatelný rozdíl a deflektorem, který přivádí málo vzduchu k sedlům výfukových ventilů.
Porovnání rozložení teplot na obvodu závitu pro svíčku na spalovacím prostoru je vidět níže. Z obrázku je patrné, že celkově nejnižší hodnoty jsou na původní hlavě, která má i nejlepší rozložení teplot. Nejhorší je pak ve variantě 1. Mezi variantou původní a první je odchylka teplot od 27 do 39 °C. Mezi novými konstrukcemi jsou celkově nejnižší hodnoty na variantě 3. Rozdíly mezi sebou mají poměrně malé, do 3,5 °C. U všech variant leží nejvyšší teploty u můstku výfukových sedel a nejnižší
kolem sacích sedel. Je to dáno kondukcí, kde u sání jsou nízké teploty díky ochlazování nasávané směsi a u výfuku díky výfukovým plynům.
Obrázek 68: Rozložení teplot na svíčce u všech variant
Přestože válec nebyl upraven, tak se teploty hlavy odrazily i na něm. Nejnižší teploty válce byly tedy v původní variantě. Maximální hodnota byla 202 °C. Hodnoty nejvyšších teplot si byly u ostatních variant velmi podobné, od 213 do 217,4 °C.
Následující grafy zobrazují teploty po obvodu vložky na horní a dolní úvratí u všech variant.
Na obrázku 69 vlevo je vidět tendence teplot, kde nejvyšší teploty u všech variant jsou u strany výfuku, kde je znatelná kondukce ze strany hlavy. Nejnižších hodnot v HÚ válec dosahuje mezi 120° a 150°, kde působí chlazení oleje v šachtě rozvodů a dále také nízká teplota partie hlavy kolem sání. V DÚ je tendence rozdílná. Nejnižších teplot
T[°C]
T[°C]
Obrázek 69: Porovnání teplot na stěně válce v HÚ (vlevo) a v DÚ
dosahuje válec na 0°, kde je přímo vystaven proudu vzduchu a také zde kondenzuje palivo. Nejvyšší teploty jsou na 240°, kde není válec ofukován přímým proudem vzduchu ani ho nechladí olej v šachtě rozvodů. Dále je také vidět, že se již v dolní úvrati tolik neprojevuje úprava hlavy a rozdíly mezi teplotami jsou do 5 °C.
Z výše uvedených hledisek je vidět, že došlo ke zlepšení oproti původní hlavě u varianty 2, kde se podařilo snížit nerovnoměrnost teplot na sedle o 5,5 °C. Ve variantě 3 se zlepšilo rozložení teplot na válci v HÚ. Další výhodou nových konstrukcí je to, že olej není vystaven tak vysokým teplotám v místě hlavy, jako je tomu ve variantě původní, kde může docházet k jeho degradaci. Největším problémem u nových variant je příliš vysoká teplota na můstku, která přesahuje hodnotu 265 °C.
Tato teplota je vyšší než hranice teplot pro hlavy vyráběné z hliníkových slitin (250°C).
Z výše uvedených důvodů se tedy jeví jako nejlepší původní varianta.
8. Závěr
vzduchového chlazení pro zadaný motor, kterým je motor JAWA 889. Tento motor je pohonnou jednotkou pro plochodrážní motocykly. V prvním kroku optimalizace byla navržena nová hlava válce motoru. V původní variantě je místo kolem můstku výfukových sedel chlazeno přes poměrně silnou stěnu olejem, který stéká od rozvodů do rozvodové šachty a tím je olej teplotně namáhán. Nová varianta byla zkonstruována tak, aby vzduch, který proudí kolem motoru při jízdě, byl usměrňován co nejblíže k můstku mezi sedly výfukových ventilů. Řešení bylo navrženo s ohledem na to, aby se zachoval co největší počet původních dílů. V dalším kroku byl sestaven termodynamický model motoru pomocí programu Ricardo Wave, kde byly provedeny výpočty důležitých parametrů, které byly použity jako okrajové podmínky pro simulaci chlazení. Nástrojem pro simulaci chlazení byl program pro výpočty proudění Autodesk CFdesign, kam byl vložen zjednodušený model motoru, kde byl brán zřetel na jeho zástavbu v motocyklu. Jako okrajové podmínky uvnitř motoru byly použity okrajové podmínky třetího řádu, tedy součinitel přestupu tepla 𝛼 a teplota okolí. Tyto hodnoty byly zjištěny výpočtem a z použité literatury. Z vnějšku pak byla dána okrajová podmínka rychlosti vzduchu v místě vstupu do okolního prostředí. Výsledky výpočtů původní varianty byly porovnány s naměřenými hodnotami, kde výsledky naměřených hodnot vyšly nižší. Simulovány byly postupně 3 nové varianty, které se následně porovnávaly z hledisek maximální teploty na hlavě válce, rovnoměrnosti rozložení teplot na sedlech výfukových ventilů a na obvodu závitu pro zapalovací svíčku. Dále pak byly porovnávány maximální teploty na válci a rovnoměrnost rozložení teplot na vložce válce. Nejnižší hodnoty maximálních teplot na hlavě byly na původní variantě, kde byla tato hodnota 240 °C. Nejlepší rozložení teplot kolem sedel bylo na variantě 2, kde hodnota rozdílu se zlepšila ze 71,8 °C u původní varianty na 66,2 °C. Z hlediska rozložení teplot kolem zapalovací svíčky je nejlepší původní varianta, kde maximálnírozdíl byl 31,9 °C. Stejně tak maximální teploty na válci vyšly nejmenší na původní variantě. Rozložení teplot na válci vyšlo nejlépe ve variantě 3. Z výsledků tedy plyne, že pro chlazení můstků mezi sedly výfukových ventilů je účinnější chlazení z původní varianty, tedy olejem než vzduchem. Pro další snížení a zrovnoměrnění teplot na hlavě válce by tedy bylo dobré upravit konstrukci tak, aby kritická místa byla chlazena olejem na úkor snížení přístupu vzduchu a velkého tepelného zatížení oleje. Z teplotního hlediska je nejlepší varianta původní. Je to dáno nejnižší maximální teplotou, nejrovnoměrnější teplotou kolem svíčky a nejnižší maximální teplotou válce. U válce motoru se optimalizace neuskutečnila, jelikož na něm nebyly nalezeny žádné problémy s teplotami.
Seznam použité literatury
:[1] PÍŠTĚK, Václav a Josef ŠTĚTINA. Výpočetní metody ve stavbě spalovacích motorů: Určeno pro posl. fak. strojní. 1. vyd. Brno: VUT, 1991, 129 s. Učební texty vysokých škol. ISBN 80-214-0368-3.
[2] KOŽOUŠEK, Josef. Výpočet a konstrukce spalovacích motorů I. 1. vyd. Praha:
SNTL, 1978, 367 s. Řada strojírenské literatury.
[3] KOŽOUŠEK, Josef. Výpočet a konstrukce spalovacích motorů II: Vysokoškolská příručka pro vysoké školy technické. 1. vyd. Praha: SNTL-Nakladatelství technické literatury, 1983, 483 s., příl.
[4] MACKERLE, Julius. Vzduchem chlazené vozidlové motory: Určeno konstruktérům, technikům a dorostu s vyšším odborným školním vzděláním. 1. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1955, 425 s. Řada strojnické literatury.
[5] JANALÍK, Jaroslav. Obtékání a odpor těles. 1. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita, 2008, 1 CD-ROM. ISBN 978-80-248-1911-2
[6] HEYWOOD, J. B., Internal combustion engine fundamentals, McGraw/Hill Inc., 1988
[7] ZOMBIE DRIVE MOTO [online]. Dostupné z: http://moto.zombdrive.com/image-makeType/496-kawasaki-speedway-2.jpg.html
[8] Přednáška 9 z předmětu Pohonné jednotky 2. SCHOLZ, Celestýn. KVM TUL [online]. Dostupné z: http://www.kvm.tul.cz/getFile/id:2416
[9] LAHNER, Jan a Miloslav STRAKA. Motocykly z Divišova: historie značek ESO a JAWA. Vyd. 1. Praha: Moto Public, 2011, 211 s. ISBN 978-80-904221-6-2
[10] Internetové stránky JAWA [online]. ,. Dostupné z: www.jawa.cz
[11] WAVE 8.4 Help System
[12] RYCHTÁŘ, Václav. VÁLCOVÁ JEDNOTKA MOTORU PŘI EXTRÉMNÍCH ZATÍŽENÍCH. Liberec, 2013. Doktorská disertační práce. Technická Univerzita Liberec. Školitel prof. Ing. Scholz Celestýn, Ph.D.
[13] PARATWAR, Amit V. a D.B HULWAN. Surface Temperature Prediction and Thermal Analysis of Cylinder Head in Diesel Engine. International Journal of
Engineering Research and Applications (IJERA). 2013, Jul-Aug 2013(Vol. 3, 4), 892-902. ISSN 2248-9622.
[14] Help AUTODESK SIMULATION CFD
[15] HENGEVELD, Jan, Cees SCHENK a Kjeld AABO. THE ROLE OF
TEMPERATURE AND PRESSURE IN THE WEAR PROCESSES IN LOW SPEED DIESEL ENGINES. Shell Global Solutions International B.V.
P
PRESNOST ODLITKU DLE CSN 01 4470.3 OSTRE HRANY ODJEHLIT
Rozmery vyfukovych kanálu dle puvodního provedeni Rozmery sacích kanálu dle puvodního provedeni
Rozmery spalovaciho prostoru dle puvodniho provedeni