toen besloot de kapitein hun tweemaal 's weeks stokvisch te geven, waarmede zij echter niet tevreden waren, zoodat, nadat zij op den

In document SCHEPELINGEN AAN BOORD YAN HET KOOPVAARDIJSCHEP (pagina 105-108)

obrázek 35 - pohled na celkovou deformaci motoru vlivem montáže (mm)

Velmi d ležitý pro porovnávání a výzkum deformací válc je ur ení koeficient Fourierovy ady. Pro jednotlivé roviny ur ené k vyhodnocení deformace byly ode teny z výsledk FEM modelu výsledné posuvy inkriminovaných nod . Tyto výsledky byly dosazeny do vzorc 6,7,8 a 9 ur ených pro výpo et koeficient a výsledné funkce popisující vzniklou deformaci. V p íloze 6 jsou vid t tvary, hodnoty a nato ení deformací pro jednotlivé zkoumané hladiny a k nim jsou p azeny vypo tené hodnoty koeficient funkce (9).

V této kapitole jsou vyobrazeny výsledku FEM výpo tového modelu zatíženého p edp tím šroubových spoj p i samotné montáži. Celková deformace motoru je vid t na obrázku 35. Pohled na celkovou deformaci konstrukce válce dává obrázek 36. Zde je patrná ur itá nesymetrie vlivem velké tuhosti et zové šachty. Dále je z ejmá deformace poblíž hlavových šroub zejména v kontaktní ploše mezi blokem motoru a válce. Povahu deformace samotného vývrtu válce lze vid t na obrázku 37. Zde jsou zobrazeny elementy, které tvo í vnit ní plochu válce, lze tedy získat snadno ucelený pohled na tvar deformace. Pom rn dob e je zde vid t charakter deformace v oblasti ukotvení válce v bloku motoru a vliv hlavových šroub . Pro lepší vizualizaci jsou deformace na obrázcích 35,36 a 37 zna zv tšeny. Jiný pohled na deformovaný vývrt dává obrázek 38. Zde jsou do grafu v polárních sou adnicích vyneseny tvary deformací 0. a 1. ádu pro jednotlivé hladiny ur ené na obrázku 33. Jak již bylo vysv tleno, deformace 0. ádu ur uje prosté zv tšení polom ru a deformace 1. ádu ukazují zm nu polohy st edu vývrtu v daném sou adném systému. Na obrázku je vid t posunutí st edu vývrtu v ose X. Tento jev lze vysv tlit nap íklad deformací bloku motoru, p i níž dojde k ur itému posunu st edu vývrtu v i ploše, na kterou je aplikována okrajová podmínka UX = 0.

Dále je patrné postupné posouvání st edu na ose Y v závislosti na poloze roviny.

Tento graf tak dává pom rn dobrou p edstavu o celkové deformaci válce motoru, pro reálný provoz však tyto deformace nep edstavují problém.

obrázek 36 - celkový pohled na deformaci válce ( 200x zv tšená deformace)

Detailn ji lze deformaci vývrtu vid t na obrázku 39. Zde jsou profily vývrtu zp tn vypo tené z 2. až 8. ádu deformace. Hodnota t chto deformací má již vliv na schopnost pístních kroužk neztratit kontakt se st nou vývrtu.

Z grafu jsou patrné zv tšující se deformace v dolní ásti vývrtu. Viditelný je také vliv polohy hlavových šroub . Pohled na sou et deformací 2. až 8. ádu pro jednotlivé kontrolní roviny jsou vid t v P íloze 6.

obrázek 37 - celkový pohled na deformaci vývrtu ( 500x zv tšená deformace)

0. - 1. ád deformac e

obrázek 38 - tvar a velikost deformací 0. a 1. ádu v jednotlivých rovinách (mm)

2. - 8. ád deformac e

obrázek 39 - tvar a velikost deformací 2. až 8. ádu v jednotlivých rovinách (mm)

Na základ verifikovaného výpo tového modelu byly zjišt ny hodnoty a tvar deformací vývrtu a stanoveny koeficienty Fourierovy ady. Z výsledk je patrný vliv umíst ní hlavových šroub . To se projevuje zvýšenou hodnotou deformací 4. ádu prakticky ve všech rovinách. U dolních kontrolních rovin je dále patrný r st ovality resp. 2. ádu deformace. Amplituda 2. ádu pro rovinu 86mm dosahuje hodnoty R = 0,0084 mm.

5.3. Deformace vývrtu válce vlivem teplotní roztažnosti materiál a nehomogenního teplotního pole

Tyto deformace vznikají ze dvou hlavních p in a to bu vlivem použití materiál o r zném koeficientu délkové roztažnosti v jedné a té samé konstrukci, nebo vlivem r zného rozložení teplot po konstrukci motoru. U spalovacího motoru je toto dáno samotným principem spalovacího procesu a vým ny nápln válce. Touto problematikou u motoru JAWA 889 se zabývá následující kapitola.

První ást je v nována m ení. Na konkrétním motoru bylo provedeno sou asné m ení teplotního pole motoru dv ma r znými metodami a vysokotlaké indikace ve vybraném režimu. N které výsledky t chto m ení jsou dále použity pro ur ení okrajových podmínek následných výpo , jiné pak pro kone nou verifikaci výpo tového FEM modelu teplotního pole. Tímto zp sobem je do jisté míry zaru eno, že výpo tový model se nebude nijak

významn odchylovat od reálného motoru. Jak je patrné z obrázku 15, motor v reálném provozu pracuje p i r zných otá kách, bylo tudíž nutné ur it režim, i kterém bylo m ení provedeno. Pro tento p ípad byly zvoleny otá ky motoru 10000 1/min. Dle obrázku 16 má motor p i t chto otá kách nejvyšší výkon a lze tak p edpokládat velké teplotní namáhání jednotlivých ástí motoru a zárove jde o režim, který se za provozu b žn vyskytuje.

Další ást této kapitoly se zam uje na ur ení zbylých okrajových podmínek výpo tového FEM modelu teplotního pole. Tyto vstupní hodnoty byly získány pomocí výpo v programu GT-Power. Jde hlavn o ur ení pr hu teplot a koeficientu p estupu tepla ve válci. Jako vstupní hodnoty do výpo tu posloužily výsledky provedených teplotních m ení a výsledek byl verifikován výsledky provedené indikace motoru ve stejném provozním režimu.

Jelikož FEM výpo et deformací vlivem r zného rozložení teplot byl proveden v zásad ve dvou krocích, je další ást v nována popisu t chto dvou výpo tových model . V prvním p ípad se jedná o výpo ty teplotního pole a následuje popis modelu strukturálního, pomocí kterého jsou již ur eny konkrétní hodnoty deformací.

Kapitola je uzav ena výsledky teplotního pole motoru, jeho srovnáním s m ením a výsledky konkrétních deformací.

5.3.1. ení teplotního pole motoru 5.3.1.1. ení pomocí termo lánk

Pro správné stanovení okrajových podmínek výpo je d ležité získat reálné hodnoty teplot zkoumaného motoru. Jednou z možností je nap . montáž termo lánk do vytipovaných míst a provést m ení v ur itém provozním režimu motoru. Pro tento p ípad byl ur en režim plného zatížení a otá ek motoru 10000 1/min. M ení bylo provedeno pomocí termo lánk typu K s frekvencí m ení 10Hz. Pohled na polohu umíst ní jednotlivých termo lánk je patrný z obrázku 17. Ozna ení jednotlivých termo lánk bylo dodrženo shodné s m eními provedenými v [10]. Termo lánky byly p ipevn ny tak, aby m ená hodnota odpovídala povrchové teplot dílu v daném míst . Pro zlepšení hodnoty koeficientu p estupu tepla z dílu do termo lánku bylo použito teplovodivé pasty OMEGATHERM 201 vyrobené firmou OMEGA.

K získání hodnot bylo využito m ícího za ízení NI 6218 a programového prost edí Labview. Zkoumaný motor byl poté zatížen na brzdovém stanovišti Powertester 1PT 150 A od firmy Jaroš. Aby byla zajišt na co nejlepší shoda provozních podmínek pro všechna další m ení, byla sou asn provedena i ostatní pot ebná m ení. O nich však pojednávají další kapitoly

Hodnoty nam ené na reálném motoru jsou vid t na obrázcích 40 až 43.

Z obrázk jsou patrné zna rozdílné teploty hlavy v oblasti kolem výfukového kanálu T1 a sacího kanálu T9. Dále je zde vid t vliv ochlazovacího ú inku paliva a to hlavn na teplotách válce T2 a T3. Tyto teploty p i p echodu na plné zatížení klesly. Pro lepší vizualizaci je v každém grafu zobrazena i teplota ve výfukovém potrubí.

Z graf je také patrné asové omezení doby testu. Toto je ovlivn no povahou konstrukce motoru. Ten je prioritn konstruován na vysoké zatížení po velice krátkou dobu. Z tohoto d vodu je m ení provedeno jen do doby kdy se hodnoty termo lánk za ínají ustalovat. Takovýto stav podstatn více odpovídá realit než dlouhotrvající plné zatížení, u kterého navíc hrozí poškození motoru.

Další hodnota, která byla m ena b hem testu je teplota nasávaného vzduchu, která byla zárove i teplotou okolí. V tomto p ípad byla teplota Tokoli = 29°C.

pr h teplot T1,T2,T3, T4

60

teplota povrchu ( °C )

200

teplota povrchu ( °C )

200

obrázek 41 - pr h teplot termo lánk T5,T6,T7 a T8 b hem testu ( strana primárního p evodu ) plné zatížení

plné zatížení

pr h teplot T9, T10, T11, T12

teplota povrchu ( °C )

200

teplota povrchu ( °C )

200

obrázek 43 - pr h teploty oleje b hem testu

5.3.1.2. ení pomocí termokamery

Druhý zp sob, který byl použit pro ur ení rozložení teplot po zkoumaném motoru je využití termokamery. Termokamera umož uje zobrazení celého teplotního pole a p azení teplot jednotlivým ástem motoru ve stanovený okamžik.

Pro získání teplotního pole bylo použito termokamery FLIR P65.

Umíst ní kamery bylo 1,4 m od provozovaného motoru a teplota okolí Tokoli = 29°C. Pohled z kamery na fotografovaný objekt je vid t na obrázku 44.

Pro zvýšení p esnosti m ení byl zkoumaný motor ošet en nást ikem

plné zatížení

plné zatížení

Okamžik použití termokamery +

indikace

hodnotu emisivity po celém povrchu zkoumaných ástí. V tomto p ípad hodnota iní 0,96. Nást ik hlavy, válce a ásti bloku motoru je patrný z obrázku 44.

Na obrázku 44 (vpravo) je vid t snímek zkoumaného motoru po ízený termokamerou. P i samotném snímání byly nastaveny 3 body, které sloužily jako kontrolní. Ty jsou na snímku ozna eny k ížky. Jejich hodnoty jsou pak zobrazeny v pravé ásti snímku. Pro lepší vizualizaci a ur ení teplot konkrétních míst lze dále použít program FLIR REPORTER dodávaný jako sou ást termokamery. Tento program p evede snímek do námi ur eného barevného spektra a dokáže ur it hodnotu teploty vybraných míst. Výsledek tohoto p evodu je vid t na obrázku 45. Na základ nam ených hodnot je zvoleno teplotní spektrum 40 – 180°C. Hodnoty menší než 40°C resp. vyšší než 180°C jsou zobrazovány mod e resp. erven . Syt ervenou a modrou barvou tedy nelze brát jako pln korektní. Dále jsou na obrázku vyzna eny zhruba místa, která odpovídají poloze umíst ní termo lánk popsaných výše. Konkrétn SP1 T8, SP2 T1, SP3 T9, SP4 T7 a SP5 T6. Konkrétní hodnoty nam ené termokamerou a jejich srovnání s p edešlou metodou jsou v tabulce 3. Nejv tší odchylky je dosaženo v míst termo lánku T9 a to tak, že hodnota zjišt ná pomocí termokamery je o 16,6% vyšší než hodnota nam ené pomocí termo lánku.

obrázek 44 - motor na brzdovém stanovišti z pohledu termokamery ( vlevo ), snímek po ízený termokamerou ( vpravo )

obrázek 45 - snímek termokamery p evedený do spektra 40 - 180°C

umíst ní termo lánek termokamera odchylka

- °C °C %

T1 143 137 -4.2

T2 107.5 -

-T3 90 -

-T4 92.5 -

-T5 120 -

-T6 113 106.8 -5.5

T7 100 105 5.0

T8 89 99.3 11.6

T9 83 96.8 16.6

T10 101.5 -

-T11 95 -

-T12 84.5 -

-tabulka 3 - -tabulka nam ených hodnot teploty pro motor JAWA 889

5.3.2. Indikace tlaku ve válci zkoumaného motoru

Pro ur ení správných okrajových podmínek výpo tového teplotního FEM modelu bylo nutné provést indikaci zkoumaného motoru. K tomu ú elu byl uzp sobený motor, jehož parametry jsou popsány výše. Motor byl osazen sníma em AVL GH 15D s citlivostí 19,03 pC/bar a rozsahem 250 baru. Pro ur ení polohy klikového h ídele bylo použito sníma e BOSCH 030.907.601.D a kotou e umíst ného na klikovém h ídeli s d lením 36 zubu. Pro sb r dat bylo

prob hlo ve stejném moment , jako m ení teplotního pole pomocí termokamery popsané výše (viz obrázek 43). Tím je zajišt na korektnost následných vzájemných porovnání.

Pro porovnání výsledk výpo tu a m ení bylo nutné získat hodnoty pr rného cyklu ze stejného okamžiku, v kterém prob hla výše uvedená ení. Z nam eného souboru hodnot bylo tedy vybráno 10 po sob jdoucích cykl z tohoto krátkého asového úseku. Na obrázku 46 je vid t p-V diagram vytvo ený z tohoto záznamu. Hodnota tlaku PCYL pro pr rný cyklus v závislosti na pooto ení klikového h ídele je pak vid t na obrázku 47. Bohatost sm si b hem testu byla = 0,80. Teplota nasávaného vzduchu byla brána totožná s teplotou okolí, tzn. Tokoli = 29°C a atmosférický tlak byl patm = 98,4

obrázek 46 - p-V diagram motoru JAWA 889, 10 cykl , n = 10000 1/min, full load

0

5.3.3. Výpo tový model GT-Power a jeho verifikace

Pro správné stanovení okrajových podmínek FEM model pot ebných pro výpo et teplotního pole motoru, bylo nutné získat hodnoty, které nebylo možné získat m ením, ale jsou pro správnost výpo tu nepostradatelné jako pr h teploty ve válci a koeficient p estupu tepla z nápln válce do st n v závislosti na poloze pístu resp. pooto ení klikového h ídele. K tomuto ú elu byl sestaven výpo tový model v programu GT-Power. Schéma výpo tového modelu je v p íloze 4.

Základní parametry výpo tového modelu jsou:

zdvihový objem VZ 500 ccm

vrtání válce D 90 mm

zdvih pístu ZP 78,6 mm

délka ojnice LOJ 163 mm posunutí osy válce 0 mm vyosení pístního epu 0 mm

kompresní pom r 14,5

Použitý konkrétní profil va kového h ídele .04 . asování je patrné z obrázku 48 a odpovídá nastavení, které udává výrobce [32].

obrázek 48 - asování motoru JAWA 889 použité ve výpo tovém modelu

Palivo metanol Výh evnost paliva Hu 20,0 MJ/kg

Wiebeho zákon ho ení CA50 = 7°KH, CA10-90 = 30°KH, exp = 2 Model p estupu tepla Woschni

Vstupní teploty pro výpo et modelu byly stanoveny dle p edchozích ení nebo dle [10] a jsou tyto:

Teplota spalovacího prostoru v hlav Thlava 250°C

Teplota st edu pístu Tpist 350°C

Teplota válce Tvalec 100°C

Jelikož jsou v této práci deformace zkoumány p i otá kách motoru 10000 1/min, bylo p i nastavení výpo tového modelu dbáno p edevším na co nejlepší nastavení práv t chto otá ek. Na obrázku 49 je vid t do jaké míry souhlasí výpo et ob hu s nam enými hodnotami reálného motoru. Lze íci, že pro tento režim je dosažená shoda dostate ná. Rozdíl nam ené a vypo tené hodnoty výkonu iní 0,6 kW, p emž hodnota nam ená je nižší. V oblastech pod 8000 1/min je výpo et podstatn optimisti jší než m ení. Jelikož provozní oblast motoru se pohybuje nad touto oblastí, kde už je shoda dostate ná, je možné považovat výpo tový model za dostate p esný.

obrázek 49 - srovnání vypo tených a nam ených hodnot výkonu a krouticího momentu

Oblast výpo tu deformací

Dalším parametrem, v kterém je d ležitá dostate ná shoda výpo tu a ení, je pr h tlaku ve válci PCYL. Shoda tohoto parametru je d ležitá nejen pro výpo et okrajových podmínek teplotního pole motoru, ale i pro pozd jší výpo ty deformací vývrtu válce. Shoda vypo teného a nam eného pr rného pr hu PCYL je vid t na obrázku 50. P i porovnání obou pr je vid t pouze drobná odchylka v oblasti po átku ho ení a pak v oblasti otevírání výfukových ventil . Jelikož jsou dále deformace zkoumány pouze v režimu 10000 1/min, srovnání v jiných režimech zde není prezentováno.

Dalšími parametry, kv li kterým byl výpo et proveden, jsou pr h teploty nápln válce TCYL a koeficient p estupu tepla mezi st nou a náplní válce

CYL. Tyto hodnoty jsou vid t na obrázku 51.

obrázek 50 - porovnání pr hu PCYL vypo teného a pr rného nam eného cyklu pro režim n=10000 1/min, full load

obrázek 51 - pr h teploty nápln válce a koeficientu p estupu tepla pro motor JAWA 889 pro režim

Další hodnoty d ležité pro ur ení okrajových podmínek FEM modelu je teoretické množství tepla odvedené do jednotlivých komponent a výkon t ecích ztrát. Tyto hodnoty pro režim n = 10000 1/min jsou uvedeny v tabulce 4.

výkon odvedený z nápln válce do hlavy motoru ( mimo ventil ) Phlava 1.7 kW

výkon odvedený z nápln válce do pístu Ppis t 2.58 kW

výkon odvedený z nápln válce do ventil Pventil 1.37 kW

celkový výkon t ecích ztrát Pztrat -5.49 kW

hmotnost paliva ur eného pro 1 cykl mpalcykl 122 mg

tabulka 4 - dopl ující hodnoty výkon pro motor JAWA 889, n = 10000 1/min, full load

5.3.4. FEM výpo et teplotního pole

5.3.4.1. Parametry výpo tového modelu a stanovení okrajových podmínek

Jakýkoliv FEM výpo et teplotních deformací je nutné prakticky rozd lit do dvou rozdílných úloh. První je výpo et rozložení teplot po inkriminované sou ásti. Poté následuje import výsledk teplotního výpo tu do strukturálního modelu, kde je vložen jako podmínka pro výpo et již konkrétních deformací.

Pro oba typy model je proto nutné použít rozdílné typy element . Jako základ pro tvorbu sít bylo využito stejného modelu jako pro strukturální modely, viz obrázek 24. Sí modelu byla vytvo ena z element SOLID 90 a pro kontaktní plochy element CONTA 174 a TARGE170.

Materiálové vlastnosti použité v modelu dle [5] jsou:

Slitina hliníku (hlava, válec, ob poloviny bloku) Al = 170 W.m-1.K-1

Dále bylo nutné u výpo tového modelu ur it okrajové podmínky. U tepelných výpo se mohou v zásad objevit 4 druhy okrajových podmínek.

Tyto jsou pom rn detailn popsány v [6].

I. typ

V tomto p ípad je ur itému objemu, povrchu, k ivce i bodu p edepsána konkrétní teplota. Podmínka je to velmi silná. V praxi se asto nepoužívá, ale lze

jí p edepsat nap íklad do míst kde je zaru ena vysoká hodnota koeficientu estupu tepla. Obecn lze tuto podmínku popsat vzorcem (9).

. konst T

Tx (9)

II. typ

Podmínku druhého typu lze zapsat pomocí vzorce (10). Tato podmínka vyjad uje hustotu tepelného toku q. Lze jí použít v místech kde je známa hodnota sdíleného tepla. Omezení této podmínky spo ívá v tom, že nem že být zadána u výpo tového modelu samostatn . Vždy musí být ve struktu e modelu zadána ješt další podmínka jiného ádu. Jako další využití této okrajové podmínky lze uvést p íklad izolované st ny, kde nedochází k žádnému sdílení tepla. V tomto p ípad je podmínka zapsána dle vzorce (11).

x

q MAT T (10)

0

q (11)

III. typ

V praxi nej ast ji používanou okrajovou podmínkou je ur ení teploty okolí stanovené plochy TO a ur ení koeficientu p estupu tepla . Tuto podmínku lze jednoduše popsat rovnicí ( 12 ). Jedná se o rovnováhu tepla p ivedeného a odvedeného z ur ité plochy. Tato podmínka se nejvíce p ibližuje reálnému stavu v praktických aplikacích. Nevýhodou je složité a mnohdy nep esné ur ení koeficientu .

Ob as se také vyskytuje okrajová podmínka ur ená rovností hustot tepelných tok . Rovnice lze napsat pomocí (13). V p ípad rovnosti hodnot tepelných vodivostí MAT1a MAT2 lze tuto podmínku napsat ve tvaru (14). Tuto podmínku lze využít u styku dvou tuhých prost edí s dokonalým stykem.

V takovémto p ípad lze tvrdit, že teplo p ivedené z jednoho t lesa do sty né plochy je z této plochy odvedené druhým t lesem.

x

2

1 T

T (14)

U tohoto konkrétního výpo tového modelu byly okrajové podmínky stanoveny níže popsaným zp sobem.

Na plochu zobrazenou na obrázku 52 (ozna ena modrou barvou) je edepsána okrajová podmínka prvního ádu a to T = 100°C. To odpovídá nam ené hodnot teploty oleje b hem testu.

Na v tšinu ploch výpo tového modelu jsou aplikovány okrajové podmínky t etího typu. Jejich rozložení je patrné z obrázk 52 a 53. Zde jsou barevn odlišeny jednotlivé plochy s r znými hodnotami. Konkrétní hodnoty jsou pak shrnuty v tabulce 5.

obrázek 52 - zobrazení okrajových podmínek výpo tového modelu

obrázek 53 - okrajové podmínky výpo tového modelu hlavy

tabulka 5 - hodnoty zvolených okrajových podmínek pro výpo tový model

Parametry koeficientu p estupu tepla pro vn jší povrch, kde dochází ke sdílení tepla se vzduchem, byly zvoleny dle [7]. Hodnota koeficientu pro plochy smá ené olejem a sací a výfukový kanál byla zvolena dle [14]. Hodnoty teploty a koeficientu p estupu tepla pro spalovací prostor vychází z p edešlého výpo tu parametr ob hu motoru a jsou stanoveny tak, aby celkové sd lené teplo bylo totožné. Obdobn je p istoupeno i k teplu odvedenému ventily. Zde jsou nastaveny parametry okrajových podmínek tak, že veškeré teplo sd lené mezi talí kem ventilu a náplní válce se odvede do sedla ventilu. Jedná se o zjednodušený p edpoklad. Ve skute nosti se také ást tepla odvede d íkem ventilu do vodítka.

Zvláštní pozornost byla v nována stanovení koeficientu p estupu tepla na st válce. Schéma stanovení koeficientu je vid t na obrázku 54. Celkové teplo bylo pak stanoveno dle vzorce (15).

obrázek 54 - schéma jednotlivých zdroj tepla sd leného povrchem vývrtu válce

vapval

Q

fval tepelný výkon odpovídající výkonu t ecích ztrát [ W ]

vapval

Q

odvedený tepelný výkon vlivem odpa ování paliva ze st ny

Q

odvedený tepelný výkon vlivem odpa ování paliva ze st ny

In document SCHEPELINGEN AAN BOORD YAN HET KOOPVAARDIJSCHEP (pagina 105-108)

Outline

GERELATEERDE DOCUMENTEN