Hannu Palola SUZUKI HAYABUSAN MOOTTORIA KOSKEVAT TEOREETTISET TUTKIMUKSET SEN SOVELTUVUUDESTA JATKUVAN JA SEISOVAN MAILIN NOPEUSENNÄTYKSIIN SEKÄ SEN SÄÄTÖ MOOTTORIJARRUSSA
SUZUKI HAYABUSAN MOOTTORIA KOSKEVAT TEOREETTISET TUTKIMUKSET SEN SOVELTUVUUDESTA JATKUVAN JA SEISOVAN MAILIN NOPEUSENNÄTYKSIIN SEKÄ SEN SÄÄTÖ MOOTTORIJARRUSSA Hannu Palola Opinnäytetyö 8.5.0 Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Oulun seudun ammattikorkeakoulu
OULUN SEUDUN AMMATTIKORKEAKOULU TIIVISTELMÄ Koulutusohjelma Opinnäytetyö Sivuja + Liitteitä Kone- ja tuotantotekniikka Insinöörityö 6 + Suuntautumisvaihtoehto Aika Auto- ja kuljetustekniikka 0 Työn tilaaja Team force major/ OAMK Työn tekijä Hannu Palola Työn nimi Suzuki Hayabusan moottoria koskevat teoreettiset tutkimukset sen soveltuvuudesta jatkuvan ja seisovat mailin nopeusennätyksiin sekä sen säätö moottorijarrussa Avainsanat Ilokaasu, vesiruiskutus, Suzuki, Hayabusa Team force major on noin 0 hengen ryhmä, jonka tavoitteena on ajaa Suzuki Hayabusa -moottoripyörällä Suomen, jopa maailman nopeusennätyksiä. Tutkimuksessa selvitettiin käytettävän moottorin soveltuvuutta nopeusennätyksiin teoriassa ja moottorin tiedonkeruun sekä palamispainemittauksen avulla. Ongelmana teoriatutkimuksessa oli ilokaasun toimintaa palamisprosessissa koskevan lähdemateriaalin vähyys. Tutkimuksessa laskettiin teoreettisen työkierron tilasuureet neljässä eri pisteessä. Teoreettisten laskelmien perusteella havaittiin, ettei sylinterintäytös ole riittävä, jotta happea olisi tarpeeksi polttoainemäärään nähden ilman ilokaasua. Moottorin säätämisen tuloksena saatiin pyörästä 56 hv takapyörältä ilokaasua käytettäessä. Tavoitteena oli 70 hv takapyörältä, joten ei aivan saavutettu tavoitetta. Palamispaineanturin hajoamisen takia, ei voitu mitata palamispaineita ilokaasua käytettäessä. Saatiin mitattua palamispaineet kuitenkin ilman ilokaasua ajettaessa. Tästä mittauksesta saatuun kuvaajaan iteroitiin teoreettisesti laskettu painetilavuuskuvaaja. Havaittiin mitatun ja teoreettisen kuvaajan vastaavan toisiaan ilman ristiriitaisia lähtöarvoja.
SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ SISÄLTÖ JOHDANTO... 6 OTTOMOOTTORIN TEOREETTINEN TYÖKIERTO... 7. Tilapiste... 8. Tilapiste... 9. Tilapiste... 0.4 Tilapiste 4... VESIRUISKUTUKSEN VAIKUTUS OTTOMOOTTORIN PALAMISPROSESSISSA... 4 ILOKAASUN VAIKUTUS OTTOMOOTTORIN PALAMISPROSESSIIN... 4 5 PALAMISPAINEEN MITTAUS KISTLER-MITTAUSLAITTEISTOLLA... 6 5. Mittauslaitteisto... 6 5. Laskentamenetelmät... 8 5.. Paineen nollatason korjaus... 8 5.. Maksimisylinteripaineen määritys... 0 5.. Indikoidun keskipaineen laskenta... 0 5..4 Maksimipaineennousunopeuden laskenta... 5..5 Nakutuksen määritys... 5..6 Lämmön vapautumisasteen laskenta... 6 KÄYTETTÄVÄ MOOTTORI JA SEN SOVELTUVUUS KYSEISELLE TEHOVAATIMUKSELLE... 4 6. Moottorin perustiedot... 4 6. Tehollisen keskipaineen vaatimus moottorissa... 4 6. Moottorin teoreettinen työkierto ahtamattomana... 5 6.. Tilapiste... 5 6.. Tilapiste... 6 6.. Tilapiste... 6 6..4 Tilapiste 4... 8 6..5 Tulokset ja niiden analysointi... 9 6.4 Moottorin teoreettinen työkierto ahtamattomana ilokaasulla... 6.4. Tilapiste... 4 6.4. Tilapiste... 4 4
6.4. Tilapiste... 5 6.4.4 Tilapiste 4... 6 6.4.5 Ilokaasua käytettäessä saadut tulokset ja niiden analysointi... 6 6.5 Teoriatulosten analysointi... 9 7 MOOTTORIN SÄÄTÄMINEN JA MITTAUKSET MOOTTORILABORATORIOSSA... 4 8 SÄÄTÖ- JA TESTITULOKSIEN ANALYSOINTI SEKÄ VERTAILU TEORIATULOKSIIN... 44 8. Tulokset ahtamattomana... 44 8.. Tiedonkeruulta saadut tulokset... 44 8.. Polttoaineen ominaiskulutuksen määrittäminen... 45 8.. Tehollisen keskipaineen määritys saavutetusta kampiakselitehosta... 47 8..4 Laskennallinen ja mitattu työkierto... 47 8..5 Tulosten analysointi... 5 8. Tulokset käytettäessä ilokaasua... 55 8.. Polttoaineen ominaiskulutus... 56 8.. Pakokaasun lämpötilat... 56 9 YHTEENVETO... 58 LÄHTEET... 60 LIITTEET Liite. Mittaus- ja säätösuunnitelma 5
JOHDANTO Team force major on noin 0 hengen moottoripyöräilyä harrastava ryhmä. Se on erityisesti keskittynyt moottoripyörän virittämiseen. Pyöränä on Suzuki Hayabusa, jossa iskutilavuus on n. 568 cm. Tavoitteena pitkällä tähtäimellä ryhmällä on voittaa Suomen ja jopa maailman nopeusennätykset jatkuvalla ja seisovalla maililla. Tiimi antoi haasteen tutkia teoriassa, onko pyörästä mahdollista saada tarvittavia tehoja, jotta maailmanennätyksiin olisi mahdollista päästä. Tehovaatimuksen määrittää Matias Kajula (0) omassa ajotilapiirroksia koskevassa opinnäytetyössään. Teoriatutkimusten jälkeen moottori säädettiin OAMK:n moottorilaboratorion jarrupenkissä. Vapaan säätämisen mahdollistivat Motecin moottorinohjausjärjestelmä sekä tiedonkeruulaitteet, jotka Jari Aitta (0) suunnitteli ja toteutti omana opinnäytetyönään ko. moottoripyörään. Jotta pyörästä saadaan riittävästi tehoa, on käytettävä ilokaasua ja mahdollisesti myös vesiruiskutusta. Ilokaasun toiminnasta moottorin palamisprosessissa ei ole saatavilla kovin yksityiskohtiin menevää lähdemateriaalia oikeastaan ollenkaan. Toisaalta kuitenkin eri alan lähdekirjojen tietoja yhdistelemällä on mahdollista saada kuva ilokaasun ja polttoaineen reaktioista ja vaikutuksesta palamisprosessissa myös teoriatasolla. 6
OTTOMOOTTORIN TEOREETTINEN TYÖKIERTO 4-tahtisen ottomoottorin teoreettisen työkierron työtahti koostuu 4 eri tilapisteestä. Näiden tilapisteiden välissä on 4 eri vaihetta kuvan mukaan. p Q 4 Q V c V c +V i V KUVA. Teoreettisen työkierron tilapisteet Teoreettiseen kiertoprosessiin sovelletaan I-pääsääntöä kaavan mukaan. (.) dq = du + pdv KAAVA dq = kiertoprosessiin tuotu lämpöenergia du = kaasun sisäenergianmuutos p = kaasun paine dv = kaasun tilavuuden muutos Vaihe - on puristusvaihe, jossa imutahdin aikana sisään otettu seos puristuu suurempaan paineeseen ja lämpötilaan männän liikkuessa yläkuolokohtaan. Tästä vaiheesta käytetään nimitystä adiabaattinen tilanmuutos, jossa lämmönsiirtoa ei tapahdu ympäristön ja kiertoprosessin välillä. Tällöin 7
dq = 0 toisin sanoen kaasun sisäenergian muutos on yhtä suuri kuin kaasun paine kertaa tilavuuden muutos. Puristus tapahtuu adiabaattisesti mutta käytännössä polytrooppisesti, mikä johtuu lämpöhäviöistä. (, s. 6-65; 5.) Vaiheessa - seoksessa oleva lämpöenergia Q vapautuu nostaen painetta ja lämpötilaa tilavuuden ollessa vakio. Tätä vaihetta kutsutaan isokooriseksi tilanmuutokseksi. Tässä tilanmuutoksessa tilavuuden muutos dv=0, jolloin I-pääsäännön mukaan dq = du eli kiertoprosessiin tuotu lämpöenergia on yhtä suuri kuin kaasunsisäenergian muutos. (, s. 6-65;.) Tämän jälkeen vaiheessa - 4 adiabaattisessa paisunnassa kaasu luovuttaa työtä siten, että tilavuus sylinterissä kasvaa. Tällöin dq = 0 eli kaasun sisäenergian muutos on yhtä suuri kuin kaasun paine kertaa tilavuuden muutos. (, s. 6-65;.) Vaiheessa 4 - poistetaan lämpöenergia Q. Tämä vaihe on myös isokoorinen tilanmuutos, jolloin I-pääsäännön mukaan dq = du eli kiertoprosessista viety lämpöenergia on yhtä suuri kuin kaasunsisäenergian muutos. (, s. 6-65;.) Tilapisteiden - 4 paine, lämpötila ja tilavuus määritetään, jolloin saadaan käsitys palamisprosessin kulusta moottorissa.. Tilapiste Paine p tarkoittaa painetta sylinterissä puristustahdin alussa. Tämä paine määritetään yleensä joko ympäristössä vallitsevan ilmanpaineen avulla ottamalla huomioon imukanavassa tapahtuvat painehäviöt tai imusarjassa olevan paineanturin perusteella. Jos tiedetään ympäristössä vallitseva ilmanpaine p 0 ja imukanavan painehäviöt p h, voidaan paine p laskea kaavalla. p p0 ph = KAAVA Tilapisteen lämpötilaan T vaikuttavat mm. moottorin lämpötila ja imuilman lämpötila. Moottorista saatavan tehon maksimoimiseksi pyritään saamaan sylinteriin tuotavan imuilman lämpötila mahdollisimman matalaksi. Tällöin mitä kylmempää imuilma on, sitä tiheämpää se on, jolloin palamiseen tarvit- 8
tavaa ilmassa olevaa happea saadaan vastaavasti enemmän sylinteriin. Pakokaasuahtimilla varustetuissa moottoreissa käytetään yleisesti ahtimelta tulevan ahdetun ilman välijäähdytystä. Myös tehoa lisäävillä ilokaasu- ja vesiruiskutusjärjestelmillä saadaan imuilman lämpötilaa laskettua. Varsinkin ilokaasun vaikutus imuilman lämpötilaan on merkittävä. (, s. 00.) Kun tiedetään puristussuhde ε ja sylinterikohtainen iskutilavuus V i, voidaan kaavalla määrittää sylinterin puristustilavuus eli sylinteritilavuus, kun mäntä on yläkuolokohdassa. (, s..) V c Vi = KAAVA ε Tilavuus V on puristustilavuuden V Vc + V i =. V c ja iskutilavuuden V i summa eli. Tilapiste Paine tilapisteessä voidaan laskea kaavalla 4 (, s. 86). p γ ε p = KAAVA 4 γ = Adiabaattivakio, joka voidaan määrittää kaavalla 5 (4, s. 904). Cp γ = KAAVA 5 C v C p on kaasun ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa ja C v on kaasun ominaislämpökapasiteetti vakiotilavuudessa tietyssä lämpötilassa. Kuten edellä jo todettiin esim. puristus on adiabaattinen, mutta käytännössä polytrooppinen. Tällöin γ on polytrooppivakio, mikä on käytännössä pienempi tai yhtä suuri kuin vastaava adiabaattivakio. Polytrooppivakion suuruuteen vaikuttavat mm. moottorin pyörimisnopeus, lämpötila, puristussuhde ja sylinterin halkasija. Määrääviä tekijöitä ovat myös sylinterin seinämien ja palotilan lämmönsiirtokyky eli lämpöhäviöt sekä ohivuoto. (, s. 0.) 9
Vastaavasti lämpötila T tilapisteessä voidaan määrittää kaavalla 6 (, s. 87). T γ ε T = KAAVA 6 Tilavuus V on sama kuin puristustilavuus V c, jolloin se voidaan laskea kaavalla.. Tilapiste Lämpötila T voidaan laskea kaavalla 7, kun tiedetään lämpötila T ja lämpöenergian Q aiheuttama lämpötilanmuutos T (, s. 87). = T T KAAVA 7 T + Lämpötilan muutos T voidaan laskea kaavalla 8, jossa Q on nettolämpömäärä, C v on kaasun ominaislämpökapasiteetti vakiotilavuudessa ja on sylinterissä olevan seoksen massa (, s. 87). Q C m v seos m seos T = KAAVA 8 Kaasun omaislämpökapasiteetti vakiotilavuudessa voidaan määrittää kaavalla 9, kun R on kaasuvakio ja γ on polytrooppivakio (, s. 7). C v R = KAAVA 9 γ Kaasuvakio R voidaan määrittää kaasulle kaavalla 0, kun tiedetään kaasun moolimassa M ja moolinen kaasuvakio R on 8,4 kj/molk (, s. ). R R = KAAVA 0 M Nettolämpömäärä Q voidaan laskea kaavalla, kun tunnetaan bensiinistä saatava energiamäärä Q ja bensiinin palamisen hyötysuhde η c (, s. 89). Q = η Q KAAVA c 0
Vastaavasti bensiinin palamisen hyötysuhde määräytyy kaavalla (, s. 06). η (,608 + 4,6509λ ) c ηcmax,0764λ = KAAVA Bensiinistä saatava energia Q voidaan laskea kaavalla, kun bensiinin lämpöarvo h f on noin 4 MJ/kg. (, s. 80.) Q = m f h f KAAVA Bensiinin massa yhtä sylinteriä ja työkiertoa kohti voidaan määrittää kaavalla 4, kun tiedetään moottorin ominaiskulutus b, sylinteriluku i, tarvittava teho P e, moottorin pyörintänopeus n ja toimintatapakerroin j (, s. 89-90). m f ( g/kwh) Pe ( kw) j n( /min) i b = KAAVA 4 60min/h Sylinteriin otettava seos voi koostua esim. bensiinistä, ilmasta ja ilokaasusta. Jos seos koostuu pelkästään bensiinistä ja ilmasta, voidaan ilman massa määrittää kaavalla 5, kun tunnetaan ilmakerroin λ, bensiinin massa ja L 0 bensiinille on 4,7 kg/kg. (5, s. 80; 7, s. 4.) m a = λ L m KAAVA 5 0 f Paine p saadaan kaavalla 6, kun lämpötilat T ja T sekä paine p on selvitetty (, s. 87). p T = KAAVA 6 p T Tilavuus V on sama kuin tilavuus V..4 Tilapiste 4 Kun p V = nrt ja p4v4 = nrt4, siitä seuraa p V p V T p V = (, s. ). 4 4 4 4 4 γ => = = ε = ε λ T T4 T p V ε
Tällöin lämpötila T 4 saadaan kaavalla 7 (, s. 88). T γ 4 ε T = KAAVA 7 Poissonin lain mukaan p γ γ 4 p V = p4v4 => γ γ p V 4 V ε 4 γ V = = =. V Tällöin paine p 4 saadaan kaavalla 8 (, s. 88). p = KAAVA 8 ε 4 p γ Tilavuus V 4 on sama kuin tilavuus V.
VESIRUISKUTUKSEN VAIKUTUS OTTOMOOTTORIN PALAMISPROSESSISSA Vesiruiskutusta on käytetty ottomoottoreissa jo 900-luvun alkupuolella poistamaan nakuttavan palamisen riskiä. Nakutus tarkoittaa polttoaineseoksen syttymistä itsestään ennen ulkoisen kipinän aikaan saaman palamisrintaman saapumista. Tämä taas aiheuttaa suuria painehuippuja palamispaineeseen, mistä taas seuraa vaurioita esim. mäntään, männän renkaisiin, sylinterin seinämiin, männänvarteen ja venttiileihin aina sen mukaan, kuinka voimakkaita painevaihtelut ovat. (6, s. 65.) Männän puristaessa polttoaine-ilmaseosta, mukana oleva vesi höyrystyy lämpötilan ja paineen kasvun vaikutuksesta. Höyrystyessään vesi sitoo valtavasti lämpöenergiaa, jolloin puristusvaiheen loppulämpötila laskee ja näin estää polttoaineen itsesyttymisriskin. Itse palamisprosessiin vesi ei osallistu vaan toimii ikään kuin eristeenä estämällä lämpöenergian siirtymisen sylinteriseinämiin, jolloin se tavallaan muuntaa osan lämpöenergiasta paineenergiaksi. (7, s..) Kun vesi ruiskutetaan korkea paineisena jo imusarjaan, se aiheuttaa imuilman tiivistymisen ja lämpötilan alenemisen. Ilman tiivistyessä sitä saadaan enemmän sylinteritilavuutta kohti. Tällöin myös ruiskutettavaa polttoaine määrää voidaan kasvattaa, niin että polttoaine-ilmaseos pysyy optimaalisena. Tämä siis tarkoittaa sitä, että itse ns. työainetta saadaan palamistapahtumaan lisää, jolloin moottorista saatava energia kasvaa, toisin sanoen ulostuleva teho kasvaa. (6, s. 67.) Käytettäessä ilokaasua käytetään yleensä vesi-alkoholiseosta. Tällä ratkaisulla vältetään se riski, että vesi jäätyisi. Alkoholeilla on myös likipitäen samanlaiset lämmönsitomisominaisuudet kuin vedellä. (6, s. 70.)
4 ILOKAASUN VAIKUTUS OTTOMOOTTORIN PALA- MISPROSESSIIN Agan käyttöturvallisuustiedote kertoo ilokaasusta seuraavaa (8, s. ): olomuoto 0 C: kaasu väri: väritön kaasu haju: makeahko, mutta heikot varoitusominaisuudet korkeissa pitoisuuksissa molekyylipaino: 44 g/mol sulamispiste: 90,8 C kiehumispiste: 88,5 C kriittinen lämpötila: 6,4 C höyryn paine: 50,8 bar. Ilokaasun eli typpioksiduulin kemiallinen merkki on N O. Tästä havaitaan, että mooli ilokaasua sisältää kaksi typpiatomia ja yhden happiatomin. Ilokaasu ei pala, mutta suotuisissa olosuhteissa toimii hapettimena eli luovuttaa happea esim. ottomoottorin palamisprosessiin. (9, s. 6; 8, s. - 4.) Ottomoottorissa ilokaasu ruiskutetaan yleensä imusarjaan. Yleensä ottomoottorin teoreettisissa tutkimuksissa käytetään polttoaineena isooktaania C 8H8, joka vastaa ominaisuuksiltaan lähes käytettäviä hiilivetypolttoaineita. Käytettävät hiilivetypolttoaineet sisältävät todellisuudessa monenlaisia hiilivetyjä ja lisäaineita. (9, s..) David Vizard on kuvannut ilokaasun ja iso-oktaanin kokonaisreaktion seuraavasti: C + +. 8H8 5N O 8CO + 9H O 5N Jos tämä reaktio vastaavasti hajotetaan kahdeksi osareaktioksi, saadaan ilokaasun hajoamisreaktio ja sen jälkeen iso-oktaanin palamisreaktio eli reaktio vapautuvan hapen kanssa (0). 4
5N + O 5N,5O C8 H8 +,5O 8CO + 9H O Jotta ilokaasu muodostuu typestä ja hapesta, se tarvitsee lämpöenergiaa ja silloin se on eksoterminen reaktio. Yksi mooli ilokaasua tarvitsee muodostuakseen 8,5 kj lämpöenergiaa (, s. 40). Jos yksi mooli hajoaa, se vastaavasti luovuttaa 8,5 kj lämpöenergiaa, ja tällöin reaktio on endoterminen. Näin ollen edellä olevassa ilokaasun hajoamisreaktiossa vapautuu noin ( 5 8,5) kj 08kJ lämpöenergiaa. Vastaavasti iso-oktaanin palamisreaktio on endoterminen eli lämpöenergiaa vapauttava. Kun yksi mooli iso-oktaania palaa täydellisesti, vapautuu siitä noin 5 kj lämpöenergiaa (0). Ilokaasun molekyylimassa on 44,0 g/mol, ja se luovuttaa energiaa hajotessaan 8,5kJ/mol. Tällöin ilokaasu luovuttaa 8,5kJ/mol,85kJ/g energiaa. 44g/mol Normaali ilmanpaineessa ilokaasu hajoaa noin yli 575 o C : n lämpötilassa (8, s. ). Tästä voidaankin havaita ilokaasun hajoamisen tapahtuvan vasta sylinterissä palamisprosessin alkuvaiheessa. Tämä siis tarkoittaa sitä, että ilokaasun hajoamisreaktiosta vapautuva energia vaikuttaa myös omalta osaltaan hiilivedyn palamisreaktion kanssa saatavaan teholliseen työhön W e. 5
5 PALAMISPAINEEN MITTAUS KISTLER- MITTAUSLAITTEISTOLLA 5. Mittauslaitteisto Kistler (KiBox to go type 89A) mittauslaitteistolla mitataan mm. palamispaineita pietsosähköisellä paineanturilla, joka on sijoitettu erikoisvalmisteiseen sytytystulppaan ottomoottoreissa tai hehkutulpan paikalle dieselmoottoreissa kuvan mukaan. (, s. 5.) KUVA. Paineanturit (, s. 5) Mittauslaitteistoon kuuluu kuvan mukaan keskusyksikkö () ja pietsosähköiset paineanturit. Keskusyksikköön liitetään myös adapterin (5&6) avulla erillinen ulkoinen anturi kampiakselin päähän, josta saadaan moottorin pyörimisnopeustieto ja kampiakselin kiertymiskulma. Lisäksi voidaan myös käyttää hyväksi moottorissa mahdollisesti jo olevia antureita näiden tietojen saamiseksi. On lisäksi mahdollista kiinnittää eräänlaiset pihdit, jolloin voidaan seurata ruiskutussuuttimien antamaa signaalia ja sytytyssignaalia esim. kampiakselin kiertymiskulman suhteen. (, s..) 6
KUVA. Palamispaineen mittauslaitteisto (, s. ) KiBox keskusyksikköön liitetään Ethernet-kaapelilla tietokone, johon asennetaan valmistajan toteuttama ohjelmisto. Tällä ohjelmistolla hallitaan mittausta, ja sinne määritellään myös tarvittavat parametrit mittaustulosten analysointia ja laskentaa varten. Mitattavasta moottorista tarvitaan kuvan 4 mukaiset tiedot. Kenttiin syötetään mm. moottorin nimi, moottorityyppi, polttoaine, sylinteriluku, iskunpituus, sylinteriporauksen halkaisija, männän varren pituus, sytytysjärjestys, sytytysväli, puristukset sylintereittäin, kampiakselin pyörähdysakselin etäisyys sylinterin keskilinjasta ja männän tapin etäisyys sylinterin keskilinjasta. (4.) 7
KUVA 4. Moottorin tiedot mittauslaitteiston ohjelmistoon (4) Paineanturin suodatustaajuutta voidaan säätää 5-0 khz:iin (, s. ). Tällöin jos moottori pyörii esim. 9 500 kierrosta minuutissa, 5 khz:n näytteenottotaajuudella anturi mittaa painetta yhtä kampiakselin kierrosta kohti 5000 s kertaa. 9500 s 60 Suuremmilla taajuuksilla saadaan paineanturin kuvaajaan näkyviin mm. nakutus ja venttiilin aukeamis- sekä sulkemiskohdat. 5. Laskentamenetelmät Sylinterin palamispainemittauksen ja kampiakselin asentoa mittaavan anturin perusteella voi ohjelma laskea ja määrittää mm. paineen nollatason korjauksen, maksimisylinteripaineen, indikoidun keskipaineen, maksiminousun eli kulmakertoimen kuvaajalle, nakutuksen ja lämmön vapautumisasteen. 5.. Paineen nollatason korjaus Paineen nollatason korjaus tarvitaan, koska paineanturi ei kykene näyttämään absoluuttista painetta. Ohjelmassa nollatason korjaus voidaan tehdä 8
kolmella eri tavalla: termodynaamisesti, imuilman paineanturin avulla tai määrittämällä piste p,v -kuvaajasta, josta ohjelma ottaa arvon suoraan. Termodynaamisesti määritettävän korjauskertoimen laskentaa varten määritetään kuvan 5 osoittamalla tavalla ensimmäinen ja toinen referenssipiste sekä polytrooppiexponentti, joka voidaan määrittää esimerkiksi kaavan 5 avulla. Lisäksi määritellään referenssipisteiden ympärillä oleva alue, josta referenssipisteen keskiarvo lasketaan. (, s. 4.) KUVA 5. Arvojen syöttäminen paineen nollatason korjausta varten (, s. 4) Ohjelma laskee annettujen referenssipisteiden kohdalla paineen keskiarvon kyseiselle pisteelle kaavalla 9 annetun laskentaikkunan perusteella (, s. 7). p m pm ϕ = ϕ = ( ) + + mf p ϕ KAAVA 9 mf ϕ= ϕ mf = keskimääräinen paine o mf = laskentaikkuna ( ± x ca) ϕ = annettu referenssipiste tai 9
Kun molemmille referenssipisteille on saatu keskimääräiset painearvot, lasketaan tarvittava nollatason korjaus p n kaavalla 0 (, s. 7). p n V χ ( p p ) m m V = KAAVA 0 χ V V χ = polytrooppiexponentti V = sylinteritilavuus referenssipisteessä V = sylinteritilavuus referenssipisteessä Jos paineen nollatason korjaus määritellään imuilman paineanturin avulla, annetaan kampiakselin kiertymäkulmina asteluku, josta pisteestä anturin mittaama paine otetaan. Vastaavasti annetaan kampiakselin kiertymäkulmina asteluku, jos käytetään p,v -kuvaajasta otettua vakioarvoa. (, s. 4.) 5.. Maksimisylinteripaineen määritys Ohjelmaan annetaan ikkuna, josta se määrittää sylinterin maksimi palamispaineen. Ikkunan raja-arvot annetaan kampiakselin kiertymäkulmina siten, että silmin nähtävä huippupaine p,v -kuvaajassa jää tälle välille. (, s. 6.) 5.. Indikoidun keskipaineen laskenta Ohjelma laskee indikoidun keskipaineen indikoidun työn ja iskutilavuuden perusteella kaavalla 0. Indikoidun työn ohjelma laskee määrittelemällä p,v - kuvaajan sisälle jäävän pinta-alan ja integroimalla sen kaavan mukaan. (, s. 9.) pmi = pdv KAAVA V h Vh = iskutilavuus 0
5..4 Maksimipaineennousunopeuden laskenta Ohjelma laskee maksimipaineennousunopeuden p,v -kuvaajasta kaavan ja kuvan 6 mukaan sylinteripaineen muutos jaettuna vastaavalla kampiakselin kiertymiskulman muutoksella (, s. 8). dp max p = max ϕ ( ϕ ) p( ϕ ) i+ i+ ϕ i i KAAVA KUVA 6. Paineennousunopeuden laskenta Ohjelmaan määritellään laskentaikkuna, miltä väliltä ohjelma määrittää maksiminousun. Tyypillinen laskentaikkuna on 60º:sta 60º:een kampiakselin kiertymiskulmana yläkuolokohdasta. 5..5 Nakutuksen määritys Ohjelmaan annetaan kuvan 7 mukaan laskentaikkunat molemmille puolille maksimipainetta, jolta alueelta nakutustaajuus määritellään. Lisäksi määritellään nakutus tekijä, joka on yleensä,0. Ohjelma laskee nakutussuhteen,
joka on värähtelyjen suhde ennen ja jälkeen maksimipaineen. Nakutustekijällä annetaan siis raja-arvo. Jos nakutussuhde on tätä raja-arvoa suurempi, katsotaan se nakutukseksi. Viimeisenä annetaan jaksojen lukumäärä, josta ohjelma määrittää nakutustaajuuden eli prosenttiosuuden siitä, kuinka monessa työkierrossa esiintyy nakutusta 00 työkiertoa kohden. (, s. 0.) KUVA 7. Nakutuksen määritysparametrit (, s. 0) 5..6 Lämmön vapautumisasteen laskenta Lämmön vapautumisaste kertoo, kuinka monta prosenttia lämpöenergiasta on vapautunut ja kuinka paljon on lämpöenergian vapautumisnopeus kampiakselinkiertymiskulmaa kohti tietyllä kampiakselin kiertymiskulmalla kuvan 8 mukaan (, s. 8).
KUVA 8. Lämpöenergian vapautuminen (, s. 8) Lämmön vapautumisasteen ohjelma määrittää kaavalla (, s. 8). dqh dϕ dq h dϕ ( ϕ ) i ( ϕ i ) = χ = pi dv( ϕ) + χ Vi χ lämmönvapautumisaste χ = polytrooppieksponentti V = sylinteritilavuus p = sylinteripaine ϕ = kampiakselin kiertymiskulma ( p p ) ( p p ) i+ i+ i i KAAVA
6 KÄYTETTÄVÄ MOOTTORI JA SEN SOVELTUVUUS KYSEISELLE TEHOVAATIMUKSELLE Tutkitaan moottorin soveltuvuutta kyseiselle tehovaatimukselle teoreettisen työkierron avulla. 6. Moottorin perustiedot Taulukossa on moottorin perustiedot. TAULUKKO. Moottorin perustiedot Moottorin perustiedot Tyyppi Ottomoottori Sylinteriluku 4 Toimintatapa 4-tahtinen Iskutilavuus 568 cm³ Puristussuhde,: Sylinteriporauksen halkaisija 85 mm Iskunpituus 69,08 mm 6. Tehollisen keskipaineen vaatimus moottorissa Tehon tarve takapyörältä on noin 70 hv(7, kw) (5). Jos ketjuvälityksen, vaihteiston ja kytkimen yhteen laskettu hyötysuhde olisi noin 90 %, niin kampiakselilta saatava teho P e Pp 7,kW = = 04,kW. η 0,9 Tarvittava tehollinen keskipaine saadaan kampiakselitehon kaavasta 4 (, s. 77). P e n = pe Vi KAAVA 4 j pe = tehollinen keskipaine Vi = iskutilavuus 4
n = moottorin pyörintänopeus j = toimintatapakerroin Kun kampiakselilta saatava teho n = 9500 rpm, niin tehollinen keskipaine P e = 04,kW moottorin kierroksilla p e P = V e i j n 04, 0 W = 450590,8Pa 4,5bar. 6 9500 568 0 m s 60 Basshuysenin teoksen mukaan moottoripyöristä saatava tehollinen keskipaine olisi maksimissaan bar. Toisaalta esim. formuloista ja pakokaasuahtimilla varustetuista autoistakin voidaan saada 6-7 bar:n tehollisia keskipaineita. Tämän perusteella siis moottorin mekaaninen kestävyys joutuu todellakin koetukselle. Täytyy muistaa, että esim. formulan moottorin täytyy kuitenkin kestää vähintään yhden kisan ajan ja samoin myös tavallisten moottoripyörien tulisi kestää normaalin käyttöiän. Toisaalta 4-tahtisista ottomoottoreista on otettu jopa 0 baarin tehollisia keskipaineita ilman moottorin välitöntä rikkoontumista. (6, s..) 6. Moottorin teoreettinen työkierto ahtamattomana Lasketaan seuraavaksi moottorin teoreettisen työkierron tilapisteet - 4, kun ei käytetä ilokaasua eikä muita ahtamismenetelmiä. 6.. Tilapiste Kun paine p 0 imukotelossa on noin (0,+,5) kpa = 0,8 kpa ja painehäviöt ovat noin kpa, paine p saadaan kaavalla. p = p0 ph = 0,8kPa kpa = 0,8kPa Lämpötilaan T vaikuttavat mm. moottorin lämpötila ja imuilman lämpötila. Jos moottorin lämpötila on noin 90 C ja imuilman l ämpötila noin 0 C, olisi lämpötila sylinterissä noin 50 C. 5
o Tällöin lämpötila = (7, + 50)K =,K (50 C). T Kun puristussuhde ε =, ja iskutilavuus i = 9cm, niin puristustilavuus V c saadaan kaavalla. 568cm V = 4 V c Vi 9cm = = ε, 4,69cm Tällöin tilavuus V = cm = Vc + Vi = (4,69 + 9)cm 46,69. 6.. Tilapiste Vesijäähdytteiselle 4-tahtiottomoottorille polytrooppivakio γ on alueella,0 -,5. Koska moottorin pyörimisnopeuden ja puristussuhteen kasvaessa myös polytrooppivakion arvoγ kasvaa, valitaan vakion arvoksi,5. Tällöin paine p voidaan laskea kaavalla 4.,5 p =, 0,8 kpa 0,8 kpa Lämpötila tilapisteessä voidaan vastaavasti laskea kaavalla 6. T =,,5, K 777,9 K (504,7 o C) Tilavuus V on sama kuin puristustilavuus V c ja se on laskettu edellä. V = = Vc 4,69 cm 6.. Tilapiste Moottoripyörästä on saatu 5 hevosvoimaa eli 47,9 kw tehoa takapyörältä 9500 moottorin kierroksilla. Jos arvioidaan ketjun, vaihteiston ja kytkimen tehohäviöiksi n. 0%, saadaan moottoritehoksi noin 75,4 kw. 4-tahtisille moottoripyörille annetaan ominaiskulutukseksi 50-70 g/kwh (5, s. 45). 6
Koska moottorista otetaan huipputehoa, oletetaan ominaiskulutuksen olevan korkeahko. Valitaan ominaiskulutukseksi 0 g/kwh. Koska vaadittava teho on 04, kw, polttoaineen massavirraksi saadaan mf = 0g/kWh 04,kW = 940g/h = 6,0g/s. Kun moottorin pyörimisnopeus n = 9500r/min ja 4-tahtisen moottorin työsykli kestää kaksi kampiakselin kierrosta, toisin sanoen toimintatapakerroin j on, voidaan sylinterikohtainen työsykliin kuluva bensiinin massa kaavalla 4. m f määrittää m f 0g/kWh 04,kW = 0,087g 60min/h 9500 min 4 Kun bensiinin lämpöarvo h f on noin 4 MJ/kg (5, s. 80), polttoaineesta saatava energia voidaan laskea kaavalla. Q = 0,087 0 Kg 4MJ/Kg = 0,0056 MJ =,56 kj Bensiinin palamisen hyötysuhde voidaan vastaavasti määrittää kaavalla, kun ajetaan ilmakertoimella λ = 0,86ja palamisen maksimihyötysuhde η max on tyypillisesti 0,9 normaalille auton moottorille, joka ottaa kierroksia maksimissaan noin 7000 (, s. 06). Koska tutkittava moottori yltää maksimissaan noin 000 kierrokseen minuutissa, arvioidaan palamisen maksimihyötysuhteeksi noin 0,75. c η c = 0,75 (,608 + 4,6509 0,86,0764 0,86 ) 0,64 Tällöin nettolämpömäärä Q saadaan kaavalla. Q = 0,64,56kJ,86kJ Jos ajetaan ilmakertoimella λ = 0,86, jolloin saadaan likimäärin maksimi teho ja bensiini moottorille L 0 = 4,7 Kg/Kg (5, s. 80), voidaan tarvittava ilmamassa laskea kaavalla 5. 7
m a = ( 0,86 4,7 0,087) g,045g Tällöin saadaan bensiinin ja ilman seoksen massa. mseos = ma + m f =,045g + 0,087g =, 77g Kun R=0,870 kj/kgk (, s. ) ja polytrooppivakio γ on,5, kaasun ominaislämpökapasiteetti saadaan kaavalla 9. 0,870 kj/kgk C v = = 0,8 kj/kgk.,5 Edellä laskettujen arvojen perusteella voidaan määrittää lämpötilanmuutos T kaavalla 8.,86 kj T = 47,K 0,8 kj/kgk,77 0 Kg Lämpötila T kaavalla 7. T = 777,9K + 47,K = 50 K (976,8 o C) Paine p kaavalla 6. p 50K = 0,8kPa 59,4 kpa. 777,9K 6..4 Tilapiste 4 Kun tiedetään puristussuhde ε, polytrooppivakio γ ja paine tilapisteessä, voidaan paine p 4 laskea kaavalla 8. = 59,4 kpa 45,kPa., p4,5 kun vastaavasti tiedetään lämpötila tilapisteessä, saadaan lämpötila T 4 kaavalla 7. 8
T 4 =,,5 50K 50,K (077, o C) 6..5 Tulokset ja niiden analysointi Taulukossa on edellä lasketut tulokset taulukoituna. TAULUKKO. Laskennalliset tulokset. Lämpötila Paine Tilavuus Tilapiste o T =, K (50 C) p = 0,8kPa V = 46,69 Tilapiste o T 777,9 K (504,7 C) p 0,8 kpa V = Vc = Tilapiste o T 50 K (976,8 C) p 59,4kPa V = V = Tilapiste 4 o T 4 50,K (077, C) p 4 45,kPa V = V = cm 4,69 cm 4,69cm 4 46,69cm Laskuissa välituloksena saatiin palamisilman massaksi sylinteriä kohti,045 g. Kaavalla 5 voidaan määrittää ilmantiheys ρ 0, kun tiedetään vallitseva paine p ja lämpötila T( o C ) (7, s. 07). 48 p(bar) ρ0 Kg/m 7, + T( C) = KAAVA 5 o Lasketaan ilmantiheys tilapisteessä kaavalla 5. ρ 48,08 = 7, + 50 0 Kg/m,096 Kg/m 096g/m,045g Tällöin ilman vaatima tilavuus Vilma = 0,00095m = 0,95l. 096g/m Tilapisteessä sylinteritilavuus on noin 0,47 litraa, joten havaitaan, ettei kyseisillä parametreillä saada sylinteriin tarpeeksi ilmaa. Lasketaan seuraavaksi, paljonko lämpötilan T pitäisi olla, että sylinteriin saataisiin tarpeeksi ilmaa. Sylinteriin tulee ilman lisäksi bensiini, joka vie tilavuuden V b. Tällöin mf 0,087g 4 Vb = =,0 0 dm = ρ 750g/dm b 0,0ml. 9
Havaitaan, että bensiinin viemä tilavuus on vähäinen, joten sitä ei tarvitse ottaa huomioon. Lasketaan tarvittava ilmantiheys ρ a. ρ a m,045 0 a = = 6 V 46,69 0 Kg m,449kg/m Kaavan 5 perusteella voidaan määrittää lämpötila T. Tällöin lämpötila 48 p(bar) o 48,08 o o T = 7, C 7, C 8,5 C ρ = a,449. Havaitaan, ettei tällaista lämpötilaa voida saavuttaa. Ilmassa on noin,6 massaprosenttia happea, jolloin tarvittava hapen määrä =,045g 0,6 0,47g. m happi Lasketaan hapen osuus ilokaasusta N O massaprosentteina. Jos ilokaasua on mooli eli 44 grammaa, niin happea on silloin 6 grammaa ja typpeä 8 grammaa (7, s. 84-85). Tällöin happea on ilokaasussa m(o) m(o) + m(n ) = 6g ( 6 + 8) 00% 6,4 g massaprosenttia. Normaali-ilmanpaineessa,0 bar ja ilokaasun kiehumispisteessä 88 C ilokaasun tiheys on,6 g/dm. Kaasumaisena lämpötilassa 5 C sen tiheys on,87 g/dm. (8.) Imusarjaan ruiskutettu kaasuuntunut ilokaasu sekoittuu ilman ja bensiinin kanssa, jolloin oletetaan seoksen lämpötilan olevan noin 80 C ja tiheyden noin,5 g/dm. Happea on näin ollen,5g/dm 0,64 0,89g/dm. Jos kaikki happi otetaan palamisprosessiin ilokaasusta, tällöin 0
m 0,47g V = ρ 0,89g/l happi ilokaasu = = 0,06ml 0,6cm. Havaitaan, että tämä ilokaasumäärä mahtuu sylinteriin, koska tilavuus V =. 46,69cm Taulukosta myös havaitaan, että tilapisteen lämpötila T on 504,7 C. Kun bensiini syttyy itsestään palamaan yli 400 C:n lämpötilassa aina oktaaniluvun mukaisesti, voidaan havaitaan nakutusriskin olevan suuri (5, s. 80). 6.4 Moottorin teoreettinen työkierto ahtamattomana ilokaasulla Jos palamisprosessissa käytetään ilokaasua, se muuttaa ratkaisevasti tilapisteen lämpötilaa T. Kuten kuvasta 9 havaitaan, ilokaasun vapautuessa ilmanpaineeseen lämpötila laskee n. 88 C:een. Kut en edellä jo arvioitiin, oletetaan seoksen lämpötilan T olevan noin 80 C. KUVA 9. Ilokaasun lämpötila eri paineissa. (8)
Lasketaan ilman tiheys kaavalla 5. ρ ilma 48,08 = Kg/m 7, 80,84 Kg/m 84g/m Aikaisemmin polttoaineen ominaiskulutuksen arvioitiin olevan 0 g/kwh. Kuten edellä myös jo todettiin, käytettäessä ilokaasua sen hajotessa vapautuu lämpöenergiaa. Jos oletetaan, että vapautuva lämpöenergia voidaan hyödyntää palamisprosessissa, polttoaineen ominaiskulutusta voidaan laskea. Lasketaan ominaiskulutus arvoon 70 g/kwh. Kun vaadittava teho on 04, kw, polttoaineen massavirraksi saadaan mf = 70g/kWh 04,kW = 84g/h =,8g/s. Kun käytämme 000cc:n suuttimia eli maksimivirtaus on 000 ml/min, 750g/min 000ml/min = 750g/min = =,5g/s suutinta kohti. Polttoaineen koko- 60s/min naismassavirta on,8 g/s, tällöin polttoaineen massavirta suutinta kohti on,8g/s 5,7g/s 5,7g/s ja pulssisuhteeksi saadaan 00% 45,6%. Tä- 4,5g/s män perusteella todetaan, että suuttimet on mitoitettu oikein. Kun moottorin pyörimisnopeus n = 9500r/min ja 4-tahtisen moottorin työsykli kestää kaksi kampiakselin kierrosta, toisin sanoen toimintatapakerroin j on, voidaan sylinterikohtainen työsykliin kuluva bensiinin massa kaavalla 4. m f määrittää m f 70g/kWh 04,kW = 0,070g 60min/h 9500 min 4 Kun ajetaan ilmakertoimella λ = 0,86, jolloin saadaan likimain maksimiteho ja bensiinimoottorille L 0 = 4,7 Kg/Kg (6, s. 80), voidaan sylinterikohtainen tarvittava ilmamassa laskea kaavalla 4, jos kaikki happi otetaan ilmasta. m a = ( 0,86 4,7 0,070) g 0,90g
Tällöin tarvittava hapen massa on 0,6 = 0,90g 0,6 0,5g. m a Määritetään tämän tarvittavan hapen massan perusteella, paljonko tarvitaan ilmaa ja ilokaasua, jotta saadaan tarpeeksi happea sylinteritäytökseen. Kun hapen tiheys ilmassaρ hilm = = 84g/m 0,6 4,8g/m 0,48g/l ja hapen tiheys ilokaasussa ρ hilo =,5g/l 0,64 = 0,89g/l, saadaan yhtälöpari y y = V = V ilma ilma ρ hilm + V + V ilokaasu ilokaasu ρ hilo = V V = m bensiini happi. Alempi yhtälö y = Vilma = ( V Vbensiini ) Vilokaasu sijoitetaan y ylempään yhtälöön y, jolloin [( V Vbensiini ) Vilokaasu ] ρ hilm + Vilokaasu ρ hilo = m happi ( V Vbensiini ) ρhilm Vilokaasu ρhilm + Vilokaasu ρhilo = mhappi V ilokaasu ( ρhilo ρhilm ) = m happi ( V Vbensiini ) ρhilm V ilokaasu = m happi ( V Vbensiini ) ( ρ ρ ) hilo hilm ρ hilm ( 0,48 0,0000) ( 0,89 0,48) 0,5 0,48 V ilokaasu = 0,087l = 8,7ml. Tällöin yhtälöstä y saadaan [( 0,4449 0,0000) 0,087] l 0,407l 40,7ml V ilma = =. Ilokaasua käytettäessä bensiinin palamisen lisäksi myös ilokaasu luovuttaa hajotessaan,85 kj/g lämpöenergiaa. Kun ilokaasua on 8,7 ml ja sen tiheys tilapisteessä on,5 g/l. Tällöin ilokaasu luovuttaa 0,087l,5g/l,85kJ/g 0,48kJ lämpöenergiaa.
Oletetaan, että seos koostuu ilmasta, ilokaasusta ja bensiinistä. Tällöin m. seos = m ilma + m ilokaasu + m f = ( 0,407,84) g + ( 0,087,5) g + 0,070g 0,885g Lasketaan adiabaattivakion arvo ilokaasulle kaavalla 4, kun tiedetään, että ilokaasulle C p = 0,08kJ/molK ja C v = 0,09 kj/molk lämpötilassa 5 ºC (8). γ = 0,08 kj/molk 0,09 kj/molk, Ilmalle vastaavasti adiabaattivakio on,4. Käytännön mittaukset ovat osoittaneet, että polytrooppivakio on pienempi kuin adiabaattivakio. Lisäksi tiedetään, että jos moottorin kierrokset kasvavat, myös polytrooppivakion arvo kasvaa. Polttoaine-ilmaseoksisissa moottoreissa käytetään polytrooppivakiona,-,5:tä. (, s. 0.) Koska edellä käytettiin polytrooppivakiona,5, käytetään nyt arvona,. Tällöin oletetaan mukana olevan ilokaasun hieman laskevan sitä. Lasketaan seuraavaksi tilapisteet - 4 käytettäessä ilokaasua. 6.4. Tilapiste Lämpötila T on 80 ºC. T = (7, 80)K = 9,K( 80ºC) Paineen p arvioidaan olevan samantasoinen kuin ilman ilokaasua ajettaessa. p = 0,8kPa (,08bar) Tilavuus V = cm = Vc + Vi = (4,69 + 9)cm 46,69. 6.4. Tilapiste Kun puristussuhde ε =, ja polytrooppivakio γ =,, saadaan paine p kaavalla 4. 4
p =, 0,8kPa, 795,kPa (7,95bar) Vastaavasti lämpötila T kaavalla 6, kun lämpötila T = 9,K. T =,, o 9, K 4,K (58, C) Tilavuus V = cm = Vc 4,69. 6.4. Tilapiste Lasketaan polttoaineesta saatava energia kaavalla. Qb = 0,070 0 Kg 4MJ/Kg = 0,000 MJ =,0 kj Bensiinin palamisen hyötysuhde voidaan vastaavasti määrittää kaavalla, kun ajetaan ilmakertoimella 0,86 ja oletetaan palamisen hyötysuhteen hieman nousevan ilokaasun johdosta, jolloin käytetään arvoa 0,8. η c = 0,80 (,608 + 4,6509 0,86,0764 0,86 ) 0,685 Ilokaasusta ja polttoaineesta saadaan yhteensä energiamäärä Q. Q = Qb + Qilokaasu =,0kJ + 0,48kJ =,448kJ Tällöin nettolämpömäärä Q saadaan kaavalla. Q = ηc Q = 0,685,448kJ,6 kj Koska seoksesta suurin osa on ilmaa, käytetään sille laskettua kaasuvakiota. Ilmalle kaasuvakio R=0,870 kj/kgk (, s. ) ja polytrooppivakio γ on,, tällöin kaasun ominaislämpökapasiteetti saadaan kaavalla 9. 0,870 kj/kgk C v = = 0,8969 kj/kgk., 5
Kun polttoaineesta saatava nettolämpömäärä Q =,6 kj ja m seos = 0,885 0 Kg, voidaan määrittää lämpötilan muutos T kaavalla 8.,6 kj T = 975, K 0,8969 kj/kgk 0,885 0 Kg Tällöin lämpötila T kaavalla 7. T = 4,K + 975,K = 406,4 K (, o C) Kun tiedetään lämpötilat T ja T sekä paine p, saadaan paine p laskettua kaavalla 5. p 406,4K = 795,kPa 077,kPa (0,8bar) 4,K Tilavuus V = = Vc 4,69cm 6.4.4 Tilapiste 4 Lämpötila T 4 saadaan kaavalla 7 lämpötilan T perusteella. T 4 =,,5 406,4K = 45, K (4 o C) Paine saadaan vastaavasti kaavalla 8. 4 = 077, kpa 745,7 kpa (7,46bar), p,5 Tilavuus V = 4 = V 46,69cm 6.4.5 Ilokaasua käytettäessä saadut tulokset ja niiden analysointi Taulukossa on edellä lasketut arvot eri tilapisteissä taulukoituna. 6
TAULUKKO. Laskennalliset tulokset tilapisteissä käytettäessä ilokaasua Lämpötila Paine Tilavuus Tilapiste T = 9,K( 80º C) p =,08bar V = 46,69 Tilapiste o T 4,K (58, C) p 7,95bar V = Tilapiste o T 406,4 K (, C) p 0,8bar V = 4,69 Tilapiste 4 o T 4 45, K (4 C) p 4 7,46bar cm 4,69cm cm V 4 = 46,69cm Taulukon perusteella voidaan muodostaa kuvan 0 mukainen painetilavuus kuvaaja sylinterissä vallitsevasta paineesta tilavuuden funktiona. KUVA 0. Sylinterin työtahdin painetilavuus kuvaaja Sylinterin tekemä työ W ind, voidaan laskea kaavalla 6 (4, s. 64). W ind = W W KAAVA 6 + W + W 4 + 4 Sylinterin luovuttama tai ottama työ eri tilapisteiden välillä lasketaan kaavalla 7 (4, s. 69). mseos R W = T KAAVA 7 γ Lasketaan puristustyö kaavalla. W mseos R 0,885 0 Kg 0,87kJ/KgK = γ,5 W ja W4 sylinteri ei ota eikä luovuta työtä. ( T T ) = ( 9, 4,) K 0,78kJ Vaiheissa 7
Tällöin W 0 W = 4 =. Lasketaan sylinterin luovuttama työ kaavalla 7, jossa R = R ex = 0,9kJ/KgK eli hieman suurempi kuin paisuntavaiheen kaasuvakio R (). mseos R ex 0,885 0 Kg 0,9kJ/KgK W 4 = 4 γ,5 Lasketaan indikoitu työ kaavalla 7. ( T T ) = ( 406,4 45,) K,4756kJ W ind = 0,78kJ + 0 +,4756kJ + 0 =,08kJ Vastaavasti indikoitu paine p i voidaan määrittää kaavalla 8.(6, s. 47.) W i p i = KAAVA 8 Vi Tällöin W V,08kJ = 6 9 0 m ind pi = i,5kpa Kun tehollinen keskipaine p e = 450,6kPa, painehäviöt p = p p =,5kPa 450,6kPa 87,9kPa. loss i e = Nämä painehäviöt koostuvat kitka- ja kaasunvaihtohäviöistä. Moottorin mekaaninen hyötysuhde voidaan määrittää kaavalla 9, kun tiedetään kampiakselitehosta laskettu tehollinen keskipaine p e ja indikoitu työtahdin tehollinen keskipaine p i (, s. 7). p e η m = KAAVA 9 pi Lasketaan mekaaninen hyötysuhde kaavalla 9. η m = 4,5bar,bar 0,78 8
6.5 Teoriatulosten analysointi Verrattaessa taulukon arvoja taulukon arvoihin havaitaan lämpötilatasojen laskeneen tilapisteessä ja. Vastaavasti paineet tilapisteessä ja 4 ovat kasvaneet huomattavasti. Varsinkin tilapisteen paine on noussut noin 00 baaria ylöspäin. Polttoaineen ominaiskulutus käytettäessä ilokaasua on mitoitettu minimiin, koska ilokaasun hajotessa sen luovuttama energia on otettu huomioon tehollisena energiana. Lisäksi tällä polttoaineen ominaiskulutuksella polttoaineen ja hapen suhde on saatu säilytettyä, ilokaasun käytöstä huolimatta, oikeana. Ilokaasun kulutus suhteessa saavutettavaan tehon lisäykseen on saatu valmistajan ilmoittamalle tasolle. Ilokaasun määrä sylinterissä pitäisi olla vähintään 8,7 ml ja ilokaasun tiheydeksi arvioitiin edellä,5 g/l. Tällöin voidaan määrittää, mikä on ilokaasun kulutus työkiertoa kohden. m ilokaasu = ρ V ilokaasu =,5g/l 0,087l 0,88g Jos moottori pyörii maksimiteholla 9500 kierrosta minuutissa ja yksi työkierto on kampiakselin kierrosta, niin työkiertoja sylinteriä kohti tulee 9500 min = 4750 79,7. min s Näiden tietojen perusteella voidaan määrittää, mikä on ilokaasun tarvittava massavirta. m& ilokaasu = n työkierto m ilokaasu 4 = 79,7 0,88g 4 s 59,5 g s Ilokaasujärjestelmien kauppiaat myyvät ilokaasusuuttimia pääsääntöisesti niiden tuottaman tehon lisäyksen mukaan. Langfieldin teoksessa annetaan esim. 50 hevosvoimaa tehoa lisäävälle suuttimelle 750 psi:n ilokaasun paineella massavirraksi 7,848 lb/min (9, s. 4). 9
7,848lb/min = 7,484lb/min 0,454 Kg/lb,56Kg/min 59,g/s Tehovaatimus moottorille on siis 70 hevosvoimaa takapyörältä, mikä on 407 hevosvoimaa kampiakselilla 0 prosentin voimansiirtohäviöillä. Pyörästä on saatu noin 40 hevosvoimaa takapyörältä, mikä merkitsee 64 hevosvoimaa kampiakselilla. Tällöin ilokaasulla täytyy saada (407-64) hv=4 hevosvoimaa. Tällöin siis tarvitaan juuri tämä suutin, jota käyttäen saadaan 50 hevosvoimaa lisää. Kuten edellä jo laskettiin, 50 hv:n suutin tuottaa 59, g/s ilokaasua, ja teoriatulosten perusteella tarvitaan ilokaasua 59,5 g/s. Massavirrat ovat siis hyvin lähellä toisiaan. Nakutusriski on näillä parametreilla olemassa, mikä johtuu hapen määrän äkillisestä lisääntymisestä ilokaasun hajottua vajaassa 600 C:ssa. Tähän ei ole tarkempaa teoriatietoa käytettävissä, mutta jos moottorin säätövaiheessa nakutusta ilmenee, voidaan avuksi ottaa imusarjaan ruiskutettava vesi. Vedellä on voimakas kyky sitoa lämpöenergiaa höyrystyessään, jolloin palamistapahtumaa saadaan hallittua sylinterissä paremmin (6, s. 66). Tilapisteen 4 lämpötila on kriittisellä tasolla, mitä täytyy säätövaiheessa seurata tarkasti. Lämpötilaraja pakosarjassa on 900 C, jonka yli ei saisi mennä. Teoriatulosten perusteella tilapisteen neljä lämpötila olisi noin 4 C. Tämä tilanne on sylinterissä pakoventtiilin avautumisajankohdassa. Pakolämpöanturit sijaitsevat pakosarjan alkupäässä, joten lämpöenergiaa kerkiää johtua rakenteisiin ennen antureita. Tällöin pakolämmöt voisivat olla anturilla noin 800-900 C. 40
7 MOOTTORIN SÄÄTÄMINEN JA MITTAUKSET MOOTTORILABORATORIOSSA Moottorin mittaus- ja säätösuunnitelma on liitteenä ja moottori säädettiin sen suunnitelman mukaan. Säätötyön pohjana käytettiin Suzuki Hayabusan vakiomallin seos- ja sytytyskarttaa. Seos- ja sytytyskarttojen määrittelyjoukkona oli moottorin pyörimisnopeus ja kuormitus 0-00 %. Kun aloitettiin säätötyön, otettiin koko sytytyskartalta sytytysennakkoa pois, jotta pystyttiin olemaan varmoja, ettei nakutusta esiinny. Tässä vaiheessa ei ollut vielä moottorin nakutustaajuutta selvillä. Aluksi ajettiin moottorin pyörimisnopeudella 0-7 000 kierrosta minuutissa kuormituksen ollessa 0-50 %. Säätö tapahtui asettamalla moottorijarruun esim. moottorin pyörimisnopeudeksi 000 kierrosta minuutissa, jolloin moottori ei pyöri kuin maksimissaan tämän verran. Kaasua lisättäessä siis moottorin kuormitustaso vain kasvaa. Säädettiin tiedonkeruun perusteella seoskarttaa ajon aikana sekä ajon jälkeen seos- ja sytytyskarttaa. Seoskartan säädössä suuttimien aukioloaikaa muutettiin, kunnes saatiin kartalla tiettyyn pisteeseen haluttu seos. Kun matalammat kuormitustasot saatiin ajettua, siirryttiin kuormitustasoille 50-00 %. Kuitenkin maksimissaan moottorin pyörimisnopeus oli 7 000 kierrosta minuutissa. Tämän jälkeen vaihdettiin 98-oktaaninen polttoaine nakutusherkempään 95-oktaaniseen polttoaineeseen. Tällä polttoaineella haettiin nakutustaajuus moottorin pyörimisnopeudella 6 000 kierrosta minuutissa ja 00 % kuormituksella todella suurella sytytysennakolla, jolloin saatiin moottori nakuttamaan. Moottorin kylkeen asennettu herkkä mikrofoni tallensi tietokoneelle moottorin äänet, joista pystyttiin erottamaan nakutusäänen taajuus. Nakutustaajuus oli 0 khz. Tämän jälkeen tarkistettiin nakutus taajuus vielä moottorin pyörintänopeudella 5 000 kierrosta minuutissa. Tämän jälkeen asetettiin nakutuskontrollin parametrit ja vaihdettiin polttoaine takaisin 98-oktaaniseen. 4
Kun nakutuskontrolli saatiin toimintaan, siirryttiin ns. ramppiajoihin. Tällöin moottorijarruun on asetettu ohjelma, joka nostaa moottorin kierrosnopeutta esim.,4 sekunnissa 000 kierrosta minuutissa. Aluksi ajettiin eri kuormituksilla seoskarttaa kohdilleen. Tämän jälkeen ajettiin sytytyskarttaa kohdilleen seuraamalla nakutusta ajon aikana sekä sen jälkeen tiedonkeruulta. Seuraavaksi kytkettiin palamispaineanturi 4. sylinteriin. Tämän jälkeen ajettiin muutama veto tehonmittausrampilla ja vaihdettiin polttoaine 98- oktaanisesta polttoaineesta VP 09 kisapolttoaineeseen. Lisäksi havaittiin tiedonkeruusta, ettei polttoaineen paine pumpulta pysy vakiona. Vaihdettiin polttoaineen paineensäädin toiseen ja säädettiin paineet 4 baariin, minkä jälkeen paineet pysyivät vakiona. Seuraavaksi korjattiin seos- ja sytytyskartta tälle polttoaineen paineelle sekä polttoaineelle. Nyt pystyttiin käyttämään myös palamispaineanturin antamia tietoja hyväksi esim. sytytyksen ajoituksen säädössä maksimi palamispaineen sijainnin ja nakutuksen perusteella. Tämän jälkeen säädettiin ruiskutuksen ajoitus kohdalleen. Moottorin ohjaimelle määritetään ruiskutuksen lopetus hetki ennen yläkuolokohtaa. Lopetus hetki säädettiin siten, että mitä suurempi pyörintänopeus, sitä aikaisemmin ruiskutus lopetetaan. Moottorin ohjaimelle annettiin siis suihkutuksen lopetus hetki kammenkulma-asteina. Seuraavaksi testattiin imu- ja pakoventtiilien ajoitusta muutamalla eri asemalla. Lopulta päädyttiin tuloksiin, että imunokan aukiolon keskikohta on 06 astetta jälkeen yläkuolokohdan ja pakonokan 09 astetta ennen yläkuolokohtaa. Tämän jälkeen suoritettiin mittaukset moottorijarrun inertian määritystä varten. Mittaukset suoritettiin staattisina 5 000, 7 000 ja 9 000 moottorinpyörimisnopeuksilla 50 %:n kuormituksella sekä tehonmittausrampilla. Inertiaksi saatiin 8,6 nm. Inertian määrityksen jälkeen otettiin ilokaasu käyttöön. Sitä annettiin pyörimisnopeudella 7 000 kierrosta minuutissa ja sitä suuremmilla pyörimisnopeuksilla. Aluksi lähdettiin pienillä ilokaasuvirtauksilla liikkeelle. Tästä siirryt- 4
tiin koko ajan suurempiin ilokaasumääriin ja samalla säädettiin ilokaasun seos- ja sytytyksenkompensointikarttoja kohdilleen sekä seurattiin nakutusta. Suuremmille kierrosnopeus- ja kuormitustasoille noustessa havaittiin neljännen sylinterin sytytyksessä katkoksia. Samassa sylinterissä oli palamispaineanturi, ja tämä anturi sisältää sytytystulpan. Havaittiin katkoksien johtuvan palamispaineanturissa olevasta sytytystulpasta. Jouduttiin ottamaan palamispaineanturin pois, jotta pystyttiin jatkamaan moottorin säätämistä. Ilokaasulla päästiin tehoihin 56 hevosvoimaa takapyörältä. Tämän jälkeen loppui tälle työlle varattu aika moottorilaboratoriossa. Tällöin myös liitteessä olevat erikseen suoritettavat staattiset mittaukset jäivät suorittamatta. Samoin vesiruiskutusta ei päästy testaamaan. 4
8 SÄÄTÖ- JA TESTITULOKSIEN ANALYSOINTI SEKÄ VERTAILU TEORIATULOKSIIN 8. Tulokset ahtamattomana 8.. Tiedonkeruulta saadut tulokset Taulukossa 4 on esitetty palamispainemittauslaitteistosta ja motecin tiedonkeruulaitteilta saadut tulokset. Mittaukset on suoritettu dynaamista mittaus ramppia käyttäen moottorijarrulla. Tehoarvossa on huomioitu dynaamisen mittaustavan ja moottorijarrun aiheuttama inertia. Dynaamisen mittaustavan vuoksi esimerkiksi pakolämmöt hitaiden pakolämpöantureiden vuoksi eivät vastaa staattisen mittauksen tuloksia. 44
TAULUKKO 4. Tiedonkeruun tulokset Tiedonkeruulta poimittuja tietoja maksimitehon hetkellä ahtamattomana Teho takahaarukan akselilla 66, kw Moottorin pyörintänopeus 9964 RPM Työtahdin keskipaine 4,4 Bar Työkierron keskipaine,7 Bar Kaasunvaihtotahdin keskipaine 0,7 Bar Sylinterin maksimipaine 0 Bar Maksimipaineen paikka jälkeen YKK Polttoaine VP 09 Polttoaineen paloaika 4 Palamisen alku (5% palanut) 5 ennen YKK Moottorilaboratorion kosteus 6,80 % Moottorilaboratorion paine 99,7 kpa Moottorilaboratorion lämpötila,8 C Imuilman lämpötila 7,5 C Sylinteri pakolämpötila 6,7 C Sylinteri pakolämpötila 77 C Sylinteri pakolämpötila 686 C Sylinteri 4 pakolämpötila 70 C Lambda 0,867 Fuel inj. Duty 6,50 % Fuel inj. Timing 09 jälkeen YKK 8.. Polttoaineen ominaiskulutuksen määrittäminen Määritetään polttoaineen ominaiskulutus polttoaineen suihkutussuuttimen pulssisuhteesta, joka on ollut 6,5 %. Suuttimet virtaavat 000 ml/min baarin paineella. Tällöin voidaan määrittää kulunut polttoaineen massa. m & = l 750 g = 750g/min =,5 g min l s Lasketaan työkierron kesto, kun moottori pyörii 9 964 kierrosta minuutissa. j t työkierto = = s 0,004s n 9964 60 j = toimintapakerroin n = moottorin pyörimisnopeus 45
Tällöin voidaan laskea työkiertoa ja sylinteriä kohti tarvittava polttoaineen massa. m f 6,5 6,5 = t työkierto m& = 0,004s,5g/s 0,0549g 00 00 Koko moottori ottaa tällöin työkiertoa kohti m f 4 = 0,0549g 4 = 0,97g polttoainetta. Koska suuttimesta tuleva massavirta ei ole suuttimen aukioloajan alussa ja lopussa maksimivirtauksen tasolla kuvan mukaan, arvioidaan todellisen massavirran olevan 80 % teoreettisesta. KUVA. Suihkutussuuttimen aukeaminen ja polttoaineen massavirta Edellisten perusteella voidaan määrittää moottorin kuluttama massavirta. m& moottori 4 m = t f työkierto 0,97g 0,8 = 0,8 4,6g/s 0,004s Kun tiedetään saavutettu teho takapyörältä, ja arvioidaan voimansiirtohäviöiden olevan 5 %, voidaan määrittää moottorin ominaiskulutus kyseisessä pisteessä. 46
m moottori 4,6g/s 600s/h Q = & = 00,g/kWh P 66,kW η 0,95 Havaitaan ominaiskulutuksen olevan kohtuullinen, kun yleensä 4-tahtisissa moottoripyörissä se on 70-50 g/kwh (5, s. 45). 8.. Tehollisen keskipaineen määritys saavutetusta kampiakselitehosta Lasketaan kampiakseliteho 5 %:n voimansiirtohäviöillä. P e = P takapyörä η = 66,kW 0,95 75,kW Kun kokonaisiskutilavuus on 568 cm, moottorin pyörimisnopeus 9 964 /min ja toimintatapa kerroin j=, voidaan tehollinen keskipaine määrittää kaavasta 8. p e P = V e i j n 75, 0 W = 4489,6 Pa,4 bar 6 9964 568 0 m s 60 Havaitaan, että tehollinen keskipaine on korkea moottoripyörän moottorille laskettuna. 8..4 Laskennallinen ja mitattu työkierto Kuvassa on esitetty mitattu työkierto ja mitattuun työkiertoon iteroitu laskennallinen työkierto. Seuraavaksi on esitetty parametrit ja laskut, millä ko. teoreettiseen työkierto on toteutettu. 47
KUVA. Mitattu ja laskennallinen p,v -kuvaaja Tilapiste Arvioidaan tilapisteen lämpötilaksi imuilman lämpötila korotettuna kymmenellä asteella. Tällöin lämpötila on 7,5 C. T = (7, + 7,5)K = 00,7K(7,5º C) Paineeksi tilapisteessä arvioidaan moottorilaboratorion paine 99,7 kpa. p = 99,7 kpa Tilapiste Polytrooppivakioksi saatiin,8 puristusvaiheeseen. Tällöin teoreettinen kuvaaja myötäilee mitattua kuvaajaa parhaiten. 48
Kun puristussuhde ε =, ja polytrooppivakio γ =,8, saadaan paine p kaavalla 4.,8 p =, 99,7 kpa 8,5kPa (,8bar) Vastaavasti saadaan lämpötila T kaavalla 6, kun lämpötila T = 00,K. T =,,8 00,K 779,K (506 o C) Tilapiste Kun bensiinin lämpöarvo h f on noin 4 MJ/kg ja edellä on laskettu työkierrolle sylinteriä kohti kuluva polttoainemäärä energia voidaan laskea kaavalla. Q = 0,0549 0 Kg 0,8 4MJ/Kg = 0,00890 MJ =,89 kj m f, niin polttoaineesta saatava Bensiinin palamisen hyötysuhde määritetään vastaavasti kaavalla, kun ajetaan ilmakertoimella 0,867 ja palamisen maksimihyötysuhteena η cmax käytetään 0,56:tta. η c = 0,56 (,608 + 4,6509 0,867,0764 0,867 ) 0,48 Tällöin nettolämpömäärä Q saadaan kaavalla. Q = 0,48,89kJ 0,9kJ Kun ajetaan ilmakertoimella λ = 0,867, voidaan tarvittava ilmamassa laskea kaavalla 5. m a = ( 0,867 4,7 ( 0,0549 0,8) ) g 0,560g Tällöin saadaan bensiinin ja ilman seoksen massa. ( 0,0549 0,8) g 0,609g mseos = ma + mf = 0,560g + = 49
Kun R=0,870 kj/kgk (, s. ) ja polytrooppivakio γ on,8, kaasun ominaislämpökapasiteetti saadaan kaavalla 9. 0,870 kj/kgk C v = = 0,755 kj/kgk. (,8 ) Edellä laskettujen arvojen perusteella voidaan määrittää lämpötilan muutos T kaavalla 8. 0,9 kj T = 00,6 K 0,755 kj/kgk 0,609 0 Kg Lämpötila T kaavalla 7. T = 779,K + 00,6 K = 780,9 K (507,6 o C) Paine p kaavalla 6. p 780,9K = 8,5kPa 56,6 kpa (,6bar). 779,K Tilapiste 4 Paisuntavaiheen polytrooppivakioksi valittiin,9. Tällöin lämpötila T 4 saadaan kaavalla 7 lämpötilan T perusteella. T 4 =,,9 780,9 K = 045,0 K (77,8 o C) Paine saadaan vastaavasti kaavalla 8. 4 = 56,6 kpa 47,0 kpa (,47bar), p,9 Indikoitu keskipaine laskennallisesta p.v -kuvaajasta ja kitkahäviöt Lasketaan puristustyö kaavalla 7. 50