Belsőégésű motorok töltetcsere vezérlő szerkezeteiben lejátszódó súrlódási folyamatok elemzése Ph.D. értekezés tézisei Gál Péter Budapest / Győr 2005
Belsőégésű motorok töltetcsere vezérlő szerkezeteiben lejátszódó súrlódási folyamatok elemzése I. A Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedési Kar Doktori Tanács által jóváhagyott tématerv alapján végzett kutatások eredményeiről az értekezés fő fejezeteinek megfelelően készített tájékoztató 1. Az értekezés tárgya és előzményei A Földön üzemelő gépjárművek száma napjainkra megközelíti az egy milliárdot, az évenként gyártott gépkocsik darabszáma pedig meghaladja a 60 milliót. A világ járműparkja így joggal tekinthető a világ legnagyobb és leggyorsabban fejlődő energiafelhasználó- és egyidejűleg energia-szolgáltató szektorának is. Ugyanakkor a fejlődés hatásának megítélése során egyre nagyobb hangsúlyt kap a környezetvédelem és az energiafelhasználás szempontjából még "fenntartható fejlődés" kérdése is. Amíg a károsanyag-kibocsátás csökkentése vonatkozásában az autógyártók a törvényhozás által hozott emissziót korlátozó rendeletek által akarva-akaratlanul is kényszerpályára kényszerültek, addig a tüzelőanyag-fogyasztás csökkentése területén - legalább is Európában - a piaci szegmensek megtartására, ill. megszerzésére irányuló törekvések jelentették a motivációt. A japán Kyoto városban megtartott ENSZ klíma-konferencia szellemében az Európai Automobilgyártók Szövetsége (ACEA) vállalta, hogy az Európában gyártott gépjárművek flottafogyasztását 1995-től 2008-ig 140 g/km-es ekvivalens CO 2 kibocsátásnak megfelelő értékre csökkentik. 200 CO2 [g/km] 180 160 140 Otto Diesel Trend Cél 120 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Az eddig sikeres vállalás folytatása csak úgy lehetséges, ha a jövőben is sikerül a motor hatásfokát különböző innovatív technikák konzekvens alkalmazásával javítani. 1
2. Járműmotorok hatásfoka, a töltetcserét kiszolgáló berendezések hatása a motor tüzelőanyag-fogyasztására Az értekezés 2. fejezetében összefoglaltam az energiahasznosítás hatásfokával és a veszteségforrásokkal kapcsolatos alapfogalmakat és azokat a technikai lehetőségeket, melyekkel a belsőégésű motorok motorikus- és mechanikai hatásfokát javítani lehet. Számításokat végeztem annak kimutatására, mekkora lehetőségei és korlátai vannak a fogyasztás csökkentésének a mechanikai veszteségek konzekvens csökkentése révén. Az értekezés konkrét motorkonstrukciók és innovatív motortechnikák ismertetése alapján bizonyítja, hogy napjainkban a statikus szelepvezérlést felváltotta a változtatható paraméterű alrendszerek csoportja. A hatékony és a motor igényeit minden üzemállapotban kielégítő töltetcseréjét a változtatható paraméterű szelepvezérlés mellett a változtatható paraméterű feltöltő- és szívócsőrendszerek összehangolt működésével lehet biztosítani. A szelepvezérlés egykor szükséges privilégiuma megszűnt, ugyanakkor megmaradtak azok a hátrányok, amelyeket korábban a motorok teljesítménynövelése érdekében kompromiszszumként el kellett fogadni: a mechanikai veszteségek. Fordulatszám [ford/min] A szelepvezérlés által okozott mechanikai veszteségek a fogyasztás szempontjából fontos részterhelési üzemállapotban a veszteségek legnagyobb hányadát teszik ki. Az utóbbi években fokozott hangsúlyt kap a változtatható paraméterű szelepvezérlések fejlesztése. A vezérlés fázisszöge mellett a szelep-emelés mértékét is szabályozó rendszerek is megjelentek. Az értekezés egyrészt funkcionálisan értékeli az egyes berendezéseket, másrészt áttekinti a motorikus üzemre való hatásuk lehetőségeit. A legújabb fejlesztési koncepciók pl. közvetlen elektromechanikus szelepműködtetés- a fázisszög vonatkozásában korlátlan állítási lehetőséggel rendelkezik, de a szelepemelés változtatása (még?) nem megoldott és a működtetés energia-igénye nem kisebb, mint a korszerű hagyományos szelepvezérlések. 3. A szelepvezérlő berendezések fejlesztési tendenciái Az elmúlt 10 esztendő fejlesztéseinek középpontjában a szelepvezérlés mechanikai mechanikai veszteségeinek csökkentése, az élettartam növelése és gazdaságos gyártástechnológiák alkalmazása állt. 2
Ennek 4 fő iránya rajzolódik ki: A berendezést alkotó elemek tömegének csökkentése A csúszó-gördülő mozgásátvitel helyett görgős elemek alkalmazása Alternatív szerkezeti anyagok és felületkezelési technológiák Funkcionális modulokból összeállított, úgynevezett szerelt vezérműtengelyek alkalmazása 4. A szelepvezérlés tribológiája A súrlódási veszteségeket csak a tribológia mint tudományterület legújabb eredményeinek konzekvens alkalmazásával lehet tudatosan csökkenteni. A szelepvezérlés szerkezeti elemeinek együttműködése során kialakuló kenésállapotokat a hidrodinamikai- és az elaszto-hidrodinamikai kenéselméleti ismeretek felhasználásával lehet elemezni. A fejezetben áttekintem az EHD kenéselmélet legfontosabb alapjait és Dowson, Higginson valamint Toyoda nevéhez fűződő, a kenésállapotot jellemző legfontosabb paraméterek (h és h 0 ) meghatározásához szükséges számítási eszköztárat, és annak alkalmazhatóságát konkrét vezérlések adataival számolt paraméterek és irodalmi adatok összehasonlításával. Egyenként és részleteiben is áttekintettem és elemeztem a szelepvezérlésen belül együttműködő alkatrészek határfelületein lejátszódó súrlódási folyamatokat. A kritikusnak és a súrlódási veszteségek nagysága tekintetében relevánsnak tekinthető vezérlő-bütyök és szelepemelő határfelületén lejátszódó folyamatokat döntően befolyásolják az együttműködő alkatrészek makro- és mikro-geometriája, valamint a szerkezeti anyagok szilárdsági jellemzői.. Ezek kombinációjával lehet egy adott szelepvezérlés működése közben ébredő terhelő erők által okozott felületi igénybevétel mértékét a kívánt élettartamnak még megfelelő szinten tartani. Az értekezés a bütyök-szelepemelő példáján keresztül áttekinti az együttműködő alkatrészek között fellépő szekunder mozgás jelentőségét és hatásmechanizmusát 5-6. Kutatási program - A szelepvezérlés tribológiai jellemzőinek mérése A szelepvezérlésben ébredő súrlódási veszteségek integráló mutatója a berendezés hajtásához szükséges, tehát a veszteségeket fedező hajtónyomaték mérése. Különféle konstrukciójú, a hengerfejbe integrált szelepvezérlés tribológiai minősítésére a Széchenyi István Egyetem Közúti- és Vasúti Járművek Tanszékén egy erre a célra tervezett vizsgálóberendezést helyeztünk üzembe. A berendezés szabályozott fűtő/hűtőkörrel rendelkezik, melynek segítségével a vizsgált hengerfej hőmérséklet szintje állandó értéken tartható. 3
A szabályozható fordulatszámú hajtómotor és a vezérműtengely közé épített dinamikus nyomatékmérő nagy pontosságú mérést biztosít. Az értekezés 2 jellegzetes hengerfejen végzett mérések eredményeit mutatja be és elemzi. A mérések alapján megállapítható, hogy a szelepvezérlések működéséhez a fordulatszám függvényében változó értékű optimális üzemi hőmérséklet tartozik. 18,0 Hajtómyomaték M [Nm] 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 500 ford/min 1000 ford/min 1500 ford/min 2000 ford/min 2500 ford/min 6,0 4,0 70 80 90 100 110 120 130 Olajhőmérséklet T oil [ o C] 120 Opt. hőmérséklet [ 0 C] 110 100 90 80 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 fordulatszám [ford/min] Ilyen jellegű mérések a termomenedzsment rendszerek vezérlési paramétereinek meghatározásához a jövőben elengedhetetlenül szükségessé válnak. 4
A vizsgálóberendezés segítségével a rendszer egyes elemei által okozott veszteségek is meghatározhatók. 7 Nyomaték [Nm] 6 5 4 3 2 n = 1500 ford/min T = 80 ºC 1 0 A B C D E F G H I A kikapcsolásos módszerrel felvett értékek fontos információkat tartalmaznak a hengerfej-konstrukciók, és ezen belül különféle hajtás változatok, vagy pld. fázisszögállító berendezések tervezéséhez, illetve beépítéséhez. A vezérlő-bütyökkel együttműködő szelepemelő anyagának változtatásával a szerkezeti anyagok súrlódásra gyakorolt hatását is vizsgáltam. Különösen az alternatív szerkezeti anyagok (pl. szilíciumnitrid) és felületkezelési technológiák (nitrogén-ion implantációs eljárással kezelt felület) alkalmazásával kaptam kedvező eredményeket. Eltérés %-ban 4 0-4 -8-12 0 1000 2000 3000 Fordulatszám [ford/min] B C D A különféle anyagpárosításokkel elért nyomatékcsökkenés az eredeti kivitelhez képest %-ban kifejezve B acél, ion-implantált C alumíniumoxid D - szilíciumnitrid 5
A rugóerő- és a tömeg változtatásával végzett mérések a rugóerő egyértelmű prioritását bizonyították: 4,0 M [Nm] 3,0 2,0 1,0 0,0 i i l i d d d eredeti csökkentett tömeg csökkentett tömeg és illesztett rugóerő 7. Számítások a hajtónyomatékot befolyásoló paraméterek feltárására A tömegerő-, a rugóerő és a bütyök fő paraméterei befolyásolják a berendezés mechanikai veszteségeit. Ennek közelítő modellezésére egy számítási programot dolgoztam ki. A program segítségével az egyes variációk hajtási nyomatéka számítható és összehasonlítható. Példaként a tömegek redukciója révén elérhető veszteségcsökkenés mértékét mutatom be. A számítás során a redukált tömegeket fokozatosan 10 százalékos mértékben csökkentve számítottam a hozzátartozó hajtási nyomaték értékeket. 0,7 0,6 M [Nm] 0,5 0,4 0,3 0,2 A m=100% A m= 90 % A m= 80% A m= 70 % 0,1 0 0 1000 2000 3000 4000 fordulatszám [ford/min] A kapott negatív eredményt a szeleprugó karakterisztikájának megváltoztatásával pozitív irányba lehet átfordítani és jelentős veszteségcsökkenést lehet elérni. 6
0,7 0,6 M [Nm] 0,5 0,4 0,3 0,2 A m=100% A m= 90 % A m= 80% A m= 70 % 0,1 0 0 1000 2000 3000 4000 fordulatszám [ford/min] A veszteségek csökkentése szempontjából döntő jelentőségű, hogy a szeleprugó karakterisztikáját (rugó merevség, előfeszítés mértéke) milyen mértékben sikerül a tényleges tömegerő-diagramhoz statikusan, vagy akár a fordulatszám függvényében illeszteni. A vezérlő-bütyök alapkör átmérő- és a fejkör átmérő értéke a gyorsulás értékeken keresztül jelentős mértékben befolyásolja a veszteségek nagyságát. Az optimumot a változó felületi állapotokkal összhangban kell megállapítani. A 7. fejezetben egy konkrét motor paramétereit alapul véve kiszámoltam és diagramban ábrázoltam a mechanikai veszteségek tüzelőanyag-fogyasztásra gyakorolt hatását. Már a különböző veszteségi értékekhez tartozó terhelési jelleggörbék is azt igazolják, hogy a kisebb w e terhelések felé a fogyasztásban tapasztalt eltérések növekednek.. b [g/kwh] 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 be (we= 100%) A B C D E bi ( wm= 0) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 w e [kj/dm 3 ] A: w m = 95 % B: w m = 90 % C: w m = 85 % D: w m = 80 % E: w m = 75 % be csökkenés [%] be csökkenés [%] 40 E 35 D 30 A: wm= 95% 25 C B: wm= 90% C: wm= 85% 20 D: wm= 80% B E: wm = 75% 15 10 A 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 16 14 12 10 8 6 4 2 w e [kj/dm 3 ] n = 3000 f/p w m 100%-ról 95%-ra w m 95%-ról 90%-ra w m 90%-ról 85%-ra w m 85%-ról 80%-ra w m 80%-ról 75%-ra 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 we [kj/dm 3 ] 7
A tendencia számszerűsítésére a motor fogyasztási kagylódiagramjából kiindulva különböző fordulatszámokra kiszámoltam és egy diagramban ábrázolva bemutatom, hogy az 5%-os lépcsőkben csökkentett mechanikai veszteségek által előidézett fogyasztás javulás mértéke százalékosan hogyan változik a motor terhelése függvényében. A különböző fordulatszámokra elvégzett számítások alapján az az általánosítható megállapítás tehető, hogy a veszteség-csökkentés éppen a járműüzem szempontjából legfontosabb részterhelési tartományban okoz nagyobb tüzelőanyag-megtakarítást. II. A program tudományos eredményei alapján megfogalmazott tézisek: 1. A kutatási program keretében kialakított vizsgálóberendezés és a kifejlesztett mérési módszerek lehetővé teszik a szelepvezérlő berendezések motortól független, de a motorikus hőmérsékletviszonyokat jól leképző vizsgálatát és tribológiai minősítését. A vizsgálatok során bizonyítást nyert a szelepvezérlő berendezések hőmérséklet-érzékenysége. Minden berendezésre meghatározható egy a fordulatszámtól is függő optimális hőmérséklet. T opt a legkisebb fordulatszámon meghatározott értékről (90 0 C ) a maximális fordulatszámig folyamatosan növekszik. (108 0 C ) Az értekezésben értelmezett hőmérséklet érzékenység (M max M min )/ T is a kis fordulatszámokon a legnagyobb. Ebből az következik, hogy a termomenedzsment rendszerek küszöbön álló bevezetéséhez a hengerfejek üzemi hőmérsékletét a minimális tüzelőanyag fogyasztás érdekében a részterhelésre jellemző kis fordulatszámokon kimért hőmérséklet optimumra kell beállítani. 2. A szelepvezérlések kialakítása mellett a súrlódási és az ezzel összefüggő élettartam paraméterek nem csak a fellépő terhelések nagyságától függenek, hanem az EHD tartományban bekövetkező rugalmas alakváltozás következtében hangsúlyozott mértékben az anyagpárosítástól is. A jövőben valószínűleg nagyobb teret nyerő alternatív szerkezeti anyagok alkalmazása a szelepvezérlésen belül súrlódó elemként is aktuálissá válik. A próbapadi vizsgálatok során kapott eredmények alapján az elempárok tribológiai jellemzői üzemi körülmények között minősíthetők. Az egyes szerkezeti anyagok hővezető képességének az EHD-feltételek mellett fokozott jelentősége van. A nitrogén-ion implantálással kezelt felületű alkatrészekkel kapott kedvező eredmények azt igazolják, hogy a jövőben fokozott mértékben kell a fejlesztőknek az alternatív technológiák adaptálásával a szelepvezérlés területén is foglalkozni 8
3. Szakirodalmi elemzések és saját tapasztalataim alapján arra a felismerésre jutottam, hogy a szelepvezérlő berendezésekre nem lehet egy egységes és teljes körű, matematikailag is kezelhető tribológiai modellt megalkotni, amelyben a tribológiai operátorokat (súrlódási ellenállás, kopás) befolyásoló valamennyi jellemzőt és paramétert figyelembe lehet venni. Ezért olyan függvénykapcsolatokban határoztam meg összefüggéseket, amelyek erős befolyással vannak a szelepvezérlő rendszer mechanikai veszteségeivel ekvivalens hajtási nyomaték-szükségletére. A vizsgált szelepvezérlés konstrukciós és üzemi paramétereinek figyelembevételével elvégzett számítások eredményeképpen kapott hajtásnyomaték karakterisztikák jellegükben és abszolút érékben is jó korrelációt mutatnak a vizsgálóberendezésen kimért jelleggörbékkel. A vizsgált szelepműködtető modul számítással meghatározott és a mért berendezés nyomatéka közötti különbség az egész működési tartományban 5% alatt van. 4. Az elért pontossággal az alkalmazott módszer alkalmasnak minősíthető fontos konstrukciós paraméterek veszteségre gyakorolt hatásának vizsgálatára és a kapott eredmények alapján hasznosítható általános következtetések megtételére. A matematikailag jól kezelhető úgynevezett harmonikus bütyökprofil geometriai paramétereinek módosításával végrehajtott veszteségszámítások eredményei alapján bizonyítható, hogy a szelepvezérlés töltetcsere szempontjából releváns paramétereinek (bütyökszög, szelep maximális nyitása) állandó értéken tartása mellett a bütyök alapkör- és fejkör méretének változtatásával a veszteségek nagysága befolyásolható. Az alapkör sugár értékét R 0 =20 mm-ről 16 mm-re csökkentve a számítással meghatározott veszteség értéke a kis fordulatszám értékeknél átlagosan milliméterenként 3-3 %-kal, míg a maximális fordulatszámon 10-10 %-kal csökkent. A fejkör sugár értékét R2=2 mm-ről 7 mm felé fokozatosan növelve veszteségcsökkenés jelentkezik, nevezetesen a kis fordulatszámokon lépésenként számított 3-3 százalékos, a maximális fordulatszámon pedig 7-7 százalékos javulással. Az úgynevezett kombinált optimum, tehát a legkedvezőbb alapkör- és fejkör értékekkel végzett számítás a bázis bütyökprofilhoz képest a kis fordulatszám értékeken 17%-os a maximális fordulatszámon pedig már 44%-os veszteségcsökkenést mutat. A fenti eredmények alapján megállapítható, hogy a vezérlőbütykök tervezésének komplex eszköztárát ajánlatos az értekezésben megvizsgált paraméterek hatásának figyelembe vételével bővíteni. 9
A vezérlő bütyök által mozgatott tömegek nagysága A vizsgálóberendezésen bemért szelepvezérlés valamennyi kinematikai és dinamikai paraméterének figyelembevételével végzett számításokkal megvizsgáltam a mozgó tömegek csökkentésének a veszteségekre gyakorolt hatását. A számítások eredménye megerősítette a próbapadi vizsgálatokon is kapott meglepő tapasztalatot, hogy a tömegek csökkentése önmagában nem eredményez veszteségcsökkenést, sőt a nagyobb fordulatszámok felé haladva a súrlódási veszteség növekedése figyelhető meg. Csak a rugóerő megváltozott tömegerőkhöz történő illesztése hozott pozitív változást. A tömegek 10, 20 és 30 %-os csökkentésével kapott eredmények a kis fordulatszámokon lépésenként 12-12, a maximális fordulatszámon 13-13 %-os veszteségcsökkenést mutatnak. A számítások során egyértelműen megmutatkozott a szeleprugó optimális illesztésének prioritása. Ennek alapján indokoltnak látom a változtatható paraméterű szelepvezérlő rendszerek meglévő funkciót (bütyök fázisszög, bütyök emelés) a rugó-előfeszítés üzem közbeni módosítását lehetővé tevő modullal kibővíteni. Az ezt az eljárást szimuláló számítások a tüzelőanyag-fogyasztás szempontjából releváns tartományban kereken 50 %-os veszteségcsökkenés érhető el a szeleprugó-előfeszítettségének csökkentésével. 5. A szelepvezérlő berendezések veszteségei a teljes motor mechanikai hatásfokát befolyásolják. Annak megállapítása érdekében, hogy a vizsgált berendezéseken kimutatott potenciális veszteségcsökkentésnek milyen mértékű hatása van egy-egy motor tüzelőanyag fogyasztására, értékelési módszert dolgoztam ki. Ismert tény, hogy a belsőégésű motorok fogyasztása jelentős mértékben függ a motor terhelésétől, tehát az adott fordulatszámon leadott effektív teljesítménytől. Mivel a szelepvezérlés mechanikai vesztesége gyakorlatilag független a motor terhelésétől, ezért megvizsgáltam, hogy egy adott abszolút értékű veszteségcsökkenés a motor terhelés különböző értékeinél mekkora fogyasztáscsökkenést eredményez. Megállapítható, hogy a. a részterhelések felé haladva a realizálható tüzelőanyag-megtakarítás mértéke növekszik. b. a fogyasztásjavulás mértéke függ a motor kiindulási mechanikai állapotától. Rosszabb mechanikai hatásfokú motor esetében nagyobb mértékű fogyasztáscsökkenés érhető el, mint egy már kiforrott konstrukció esetében. 10
A számítások alapján a példának vett motor MVEG menetciklus átlagos üzempontjára elvégzett számítás eredményeképpen a változtatható szeleprugó előfeszítéssel kereken 10%-os, tehát igen jelentős fogyasztáscsökkenés lenne realizálható. A szerzőnek a témában megjelent publikációi 1. Gál, P. Belsőégésű motorok változtatható paraméterű szelepvezérlése 20 év Győrben Jubileumi Tudományos Konferencia, Győr, 1995 október 24-26 (Antal Attila társszerző) 2. Gál, P. Belsőégésű motorok korszerű töltésvezérlő szerkezetének tribológiai viszonyai Üzemanyag - kenőanyag - konstrukció környezet konferencia Keszthely, 1996 (Antal Attila társszerző) 3. Gál, P. Változtatható paraméterű szelepvezérlés vizsgálata MICRO CAD 2002 Nemzetközi Tudományos Konferencia Miskolc, 2002 4. Gál P, Development of variable parmeter valve timing and tribologie test Autóbusz Szakértői Tanácskozás Keszthely 2002 5. Gál, P. Konstruktive Entwicklung und Funktionsprüfung einer variablen Ventilsteuerung AMMA 2002 Kolozsvár, nemzetközi gépjárműtechnikai konferencia 6. Gál, P. Mechanikus működtetésű töltetcsere-vezérlés állító berendezés tervezése és funkcionális vizsgálata. OGÉT konferencia 2001, Kolozsvár 2001. 7. Gál, P. Korszerű szelepvezérlés súrlódási viszonyai. OGÉT konferencia 2002 Székelyudvarhely 11
8. Gál, P. Tribológia Járműtribológia c. könyv Szerkesztő és társszerző (Társszerzők: Valasek, I. Auer J, Gyerő Z., Hancsók J. ). Tribotechnika Kft. Budapest 2003. 9. Gál, P. Development of variable-parameter valve timing and tribologic test 20th DANUBIA-ADRIA SYMPOSIUM Experimental Methods in Solid Mechanics, Győr, 2003 10. Gál, P. Dugattyús belsőégésű motorok tribológiai elemzése Üzemanyag - Kenőanyag - Konstrukció - Környezet konferencia Keszthely, 2003 (Társszerző: Dr. Valasek I.) 11. Gál, P. A mechanikai veszteségek csökkentésének lehetőségei és korlátai járműmotorokban, különös tekintettel a szelepvezérlésre OGÉT konferencia 2004 Csíksomlyó Antal A. 12. Gál, P. Möglichkeiten und Grenzen der Verbrauchsreduzierung durch tribologische Massahmen, insbesondere bei den Ventiltrieben modernen PKW-Motoren International Conference of Mechanisms and Mechanical Transmissions MTM 2004, Kolozsvár 13. Gál, P. A mechanikai veszteségek csökkentésének lehetőségei és korlátai járműmotorokban, különös tekintettel a szelepvezérlésre 30 év Győrben Jubileumi Tudományos Konferencia, 2004 14. Gál, P. Súrlódásszegény szelepvezérlések tervezésének új szempontjai OGÉT Konferencia 2005 április 28 május 1. Szatmárnémeti Győr, 2004.04.10.... Gál Péter 12