YU — ISSN 0039-2480
S T R O J N I Š K I V E S T N I K
LETNIK 30 LJUBLJANA, APRIL— JUNIJ 1984 ŠTEVILKA 4— 6
U D K 621.434.13
Modelni preizkusi zamenjave delovnega medija
pri dvotaktnih motorjih z notranjo pripravo zmesi
MIRKO CUDINA
V delu je obravnavana zam enjava delovnega m edija pri d vo ta ktn e m O ttovem m o to rju z notranjo pripravo zm esi iz dveh plinastih m edijev. S teorijo podobnosti je izdelan m a tem a tičn i m odel in s p reizku si določena enačba za izračun kako vo st nega uspeha izpiranja in tvorbo zm esi. P reizkusi so opravljeni na m odelu valja z uporabo ka p ljev in a stih m edijev.
1. UVOD
G lavni problem p ri d v o ta k tn ih m o to rjih je za m en jav a delovnega m edija, ki potek a samo m ed delom giba bata.
U spešnost zam en jav e delovnega m ed ija je od visn a od sistem a za izpiranje. N aloga sistem a za iz p ira n je je, da v čim večji m eri o d stran i izpušne p lin e iz v a lja in n apolni v alj s čim večjo količino sveže zm esi ob n je n i p rim e rn i porabi. S istem i za izp ira n je d v o tak tn eg a m o to rja so se m ed razvojem razlikovali, v e n d a r nobeden ne izpolnjuje zadovo ljivo za sta v lje n e naloge. P ri d v o tak tn ih O ttovih m o to rjih z m ajh n im i delovnim i pro sto rn in am i se je do danes o h ra n il sistem z v zv ratn im izpiranjem s sim etričnim k rm iln im diagram om (sistem S ch n ü r te). S redstvo za izp ira n je je zmes goriva in zraka. P o m a n jk ljiv o st teg a sistem a je ta, da zaostaja del izpušnih plinov v valju, del sveže polnitve pa u h a ja v izpuh. Z aostali izpušni plini zm anjšujejo stopnjo po ln itv e valja, pobegli delež sveže zmesi p a zm an jšu je gospodarnost m o to rja in onesnažuje okolje (ogljikovodiki).
E n erg etsk a k riza in ekološke zahteve so še po u d a rile te p o m an jk ljiv o sti d v o tak tn eg a m otorja. Zato smo se odločili ra zisk ati drugo zam isel siste m a za izpiran je. Ta sestoji iz dveh ločenih siste m ov s po dvem a o d p rtin am a za čisti z rak in za bogato zmes (slika 1) [ 1].
O d p rtin i za čisti z ra k se k rm ilita sim etrično z gibom bata, d ru g i dve od p rtin i za bogato zmes go riv a in z ra k a pa nesim etrično z ro tirajo čim a za- sunom a, ki po končani g lavni fazi izp ira n ja odpre ta o d p rtin i za zmes, m edtem ko se ti o d p rtin i za p ira ta z gibom b a ta p ro ti zgornji m rtv i legi.
Po tej zasnovi potek a zam enjava delovnega m e d ija v dveh fazah. V p rv i fazi se izpirajo izpušni plini iz v a lja s čistim zrakom (od točke H do J na sliki 1 b). V dru g i fazi (od J do L) v te k a bogata zmes, ki še delom a izriv a izpušne pline in zrak iz p rv e faze izp ira n ja in h k ra ti tv o ri zmes za zgore v a n je (n o tra n ja p rip ra v a zmesi) iz vseh snovi v valju.
z dvofaznim sistem om izpiranja
a — r a z p o r e d p r e to č n ih o d p r tin b — k r m iln i d ia g ra m
1 — z r a k , 2 — z m e s, 3 — iz p u h , 4 — v s to p iz v p lin ja č a , n — n ič liš č n a č r ta
Z M L — z g o r n ja m r tv a le g a , SM L — s p o d n ja m r tv a le g a
Ta, razm erom a novi sistem za izpiranje dvo tak tn eg a m oto rja je tre b a optim irati, in sicer je tre b a o p tim irati tako obratovalne k ak o r geom etrij ske p aram etre. Za optim iranje poljubnega dejav n ik a m oram o d efin irati pokazatelje, s katerim i bomo vred n o tili uspeh sistem a za izpiranje s spre membo opazovanega p aram etra. V ta nam en upo rabljam o znana k arak terističn a števila, ki opisujejo učinkovitost sistem a za izpiranje. Med različnim i oblikam i teh števil sta najbolj zanim iva dva, in sicer:
— K akovostna sto p n ja izp iran ja da odgovor o stopnji čistosti v alja in je definirana, izraženo s prostorninam i, z epačbo
V 2 + V'3 V'2 + V'3
— Koeficient porabe sveže polnitve pove, ko likšna je poraba sveže polnitve, definiran pa je z enačbo
V2 + V3 V g + V"2 + Vb + /0,
P ri tem so: V \ — prostornina zaostalih izpušnih plinov v valju po končanem izpiranju, V'2 — pro stornina svežega zraka in V's ■— prostornina bogate zmesi, ki zaostane v valju po končanem procesu izpiranja, Vv — prostornina vseh plinov v valju po končanem izpiranju in V0 — prim erjaln a pro stornina (npr. delovna prostornina v alja V0 n a sli ki 1 b).
Na uspeh izpiranja vpliva več dejavnikov. Po leg geom etrije sistem a za izpiranje vplivajo še obratovalne razm ere, lastnosti m edijev in stanje okolice. Uspeh izpiranja je torej z vsemi tem i de javniki v neki funkcionalni zvezi, ki jo moramo še določiti.
2. IZPELJAVA MATEMATIČNEGA MODELA ZA DOLOČANJE UČINKA IZPIRANJA
IN TVORBO ZMESI
P ri optim iranju sistem a za izpiranje pri dvo tak tn ih m otorjih je smiselno izvajati preizkuse na m odelu m otorja. Dobljene rezultate potem prene semo na izvirno izvedbo in preizkusim o [2, 3].
Preizkusi na m odelu omogočajo preizkuse pri povečanem valju m otorja, lažje in natančnejše m erjenje opazovane veličine, vpogled v notranjost v alja m otorja, upočasnitev procesa itd.
U poraba modela vodi v teorijo podobnosti med modelom in izvirnikom. Podobnostna teorija izhaja iz načela, da sta model in izvirnik podobna le, če so vse veličine na modelu in izvirniku (hitrosti, poti, sile, tem p eratu re itd.) med seboj v nekem stalnem številčnem razm erju, ali z drugim i bese dami, če m ed njim a obstaja geom etrijska, m ehan sko, toplotna, kem ična itd. podobnost. P ri zam e njavi delovnega m edija p ri m otorjih z notranjim zgorevanjem prihajajo v poštev: geom etrijska, m e hanska in toplotna podobnost.
P ri izdelavi m atem atičnega modela za določanje uspeha izpiranja in tvorbe zmesi je bila uporab ljen a m etoda dim enzijske analize, in sicer s tv o r jenjem potenčnih produktov monomov [4, 5, 6].
Po tej m etodi smo iz n sprem enljivk, ki se po javljajo v procesu zam enjave delovnega medija, dobili po 77-teoremu ničto funkcijo brezdim enzij- skih skupin v obliki
$(Z7i, 772, lig, . . . , 77m) — 0 (3)
določeno s številom osnovnih enot, ki se pojavljajo v fizikalnem sistemu. V našem p rim eru so to dol žina, čas, m asa in tem peratura.
Za popolno podobnost modela in izvirnika mo rajo biti vrednosti vseh brezdim enzijskih skupin v enačbi (3) enake na m odelu in izvirniku. P ri več jem številu m odelnih zakonov (v našem prim eru 41) in p ri preizkusih n a povečanem m odelu popol na podobnost — iz praktičn ih in teoretičnih raz logov — ni mogoča.
Zaradi tega smo prisiljeni upoštevati načela p ri bližne podobnosti. To pomeni, da veličin, ki nim ajo bistvenega vpliva na dogajanje v procesu, ne opa zujemo. V našem p rim eru v času zam enjave delov nega m edija lahko zanem arim o naslednje vplive
[7 , 8 ] :
— vpliv sprem em be tem p eratu re (zaradi k ra t kega časa, ki je na voljo),
— vpliv stisljivosti m edija (pri vrednostih Mac- hovega števila Ma < 0,4),
— vpliv viskoznega tre n ja (pri vrednosti Rey- noldsovega števila Re > 104),
— vpliv sile teže (pri zaprtih sistem ih in k adar Frondovo število F r -> 00).
S tem i poenostavitvam i dobimo poenostavljeno enačbo, ki jo lahko izrazimo eksplicitno za kako vostni izkoristek izpiranja v obliki enačbe
Va — $
dpa ei es
dp3 p2 P2, (4)
Ta enačba ni definirana, definiram o jo tako, da iz členov v oklepaju tvorim o potenčne produkte monomov
= co n st. (5)
\A p3J \ Q 2 / \p2/
k jer so »const« — konstanta, ki je močno odvisna od oblike sistema, neodvisna pa je od njegove ve likosti, Sr2 — Strouhalovo število za zrak za izpira nje (Sr2 = l/(io2 d t2), w 2 — hitrost, d t2 — čas odpr tja odprtin za zrak in J — dvojna dolžina giba bata), Zpa/zlp2 — razm erje tlakov bogate zmesi in čistega zraka za izpiranje, pi/p2 — razm erje gostot izpušnih plinov in zraka za izpiranje in qs/q2 — razm erje gostot bogate zmesi in zraka za izpiranje. Eksponenti a, ß, y in d so konstante, ki jih določimo s preizkusi n a modelu, in to tako, da sprem injam o vedno samo osnovo iskanega eksponenta, m edtem ko osnovne drugih obdržimo konstantne.
3. DOLOČANJE VPLIVA POSAMEZNIH MODELNIH ZAKONOV
P ri tem je 77 — brezdim enzijska skupina, tvor- jena iz p rodukta in kvocienta dim enzijskih spre m enljivk in konstant. Število teh skupin je določe no s številom sprem enljivk n m inus število p rim ar nih enot p (m — n — p). Število prim arnih enot je
Sl. 2. P reizku sn a p o sta ja s h itrotekočo fotokam ero
P reizkusna postaja je zasnovana tako, da omo goča en v rtlja j m otorja in se b a t giblje samo na višini izpušne odprtine (kot najvišji m ed o d p rtin a mi). Model v alja m otorja je izdelan iz prozornega poliakrilnega stekla (»pleksi«) v povečanem m erilu (10 : 6), k a r omogoča opazovanje pretočnih razm er v notran jo sti valja. P reizkusna p ostaja omogoča sprem injanje vseh vplivnih fak to rje v tako za opti m iran je obratovalnih kak o r geom etrijskih p a ra m etrov. N aprava je p rim ern a za preizkušanje tu d i drugih sistemov za izpiranje.
Z zanem arjanjem vpliva tem p eratu re in stislji- vosti m edija so u stv arjen e razm ere za uporabo k ap- ljevinastih medijev.
P ri preizkusu so uporabljene naslednje k ap lje vine: destilirana voda, alkohol, eikloheksan in te- trakloretilen. K apljevina-izpušni plini je p red p re izkusom neobarvana, kapljev in a-zrak za izpiranje je obarvana rum eno, k e r prvi v tek a v valj in k ap- ljevina-bogata zmes je obarvana z modro barvo.
Po opravljenem preizkusu odvzamemo vzorce zmesi iz v alja in iz izpuha in opravim o analizo vsebine v alja in izpuha s spektralnim fotom etrom z m erjenjem ekstinkcije obarvanih m edijev.
Ekstinkcijo m erim o p ri valovni dolžini, p ri k a te ri je konstanta ekstinkcije standardnega b arvila največja. V rednosti izm erjenih ekstinkcij p re rač u namo v prostornine ustrezne snovi in nato po enač bi (1) izračunam o izkoristek izpiran ja rjs.
P ri preizkušanju določimo n ajp rej vrednost eksponenta a,k e r je vrednost S trouhalovega števila najteže obdržati konstantno. V rednosti drugih brez- dim enzijskih skupin iz enačbe (5) obdržimo kon
stantne. V rednost S trouhalovega števila sp rem in ja mo s sprem em bo v rtiln e hitrosti, tlak o v preizkus nega m edija in vrsto preizkusnega m edija. Z re- gresijsko analizo določimo v rednost eksponenta a.
V rednost eksponenta ß določimo s sprem em bo razm erja razlik tlak o v zrak a za izpiran je in bogate zmesi, v rtiln e h itro sti in v rste preizkusnega m edija ob upoštevanju vrednosti eksponenta a iz p re jšn jih preizkusov.
Podobno določimo v rednosti eksponentov y in <5. Po končanih preizkusih dobimo končno obliko eksperim entalne enačbe v obliki
»7»- » » s t . s « w 4 ,,r ‘. ( s r ”
\Ap2/ \£>2/ \Q2/ (6)
Sl. 3. Prva faza izpiranja — pogled od strani
RG — k o t ro č ič n e g re d i
RG: 55° pred SML 50° pred SML 35° pred SML 25° p red SML
Sl. 4. Prva faza izpiranja — pogled od zgoraj
R G — k o t r o č ič n e g re d i
10° po SML
I o>
S
T
R
O
JN
IŠ
K
I
VEST
NIK.
L
JU
B
L
JA
N
A
198
4/4
-RG: 180° (SML) 25° po SML 35° po SML 45° po SML 56° po SML
Sl. 5. Druga faza izpiranja — pogled od strani
RG — k o t ro č ič n e g re d i
RG: 180° (SML) 25° po SML 35° po SML 45° po SML 56° po SML
Sl. 6. Druga faza izpiranja — pogled od spredaj
RG — k o t r o č ič n e g re d i
S
T
R
O
JN
IŠ
K
I
VEST
NIK,
L
JU
B
L
JA
N
A
19
84
/4
-Sl. 7. Tvorba zmesi za zgorevanje (notranja priprava zmesi) v času kom presije
S
T
R
O
JN
IŠ
K
I
VESTNIK,
L
JU
B
L
JA
N
A
1
9
8
4
/4
—
Proces zam enjave delovnega m edija je posnet s hitrotekočo fotokam ero s hitrostjo 1000 slik v se kundi. Na slikah 3 in 4 je prikazana p rv a faza izpiran ja s čistim zrakom, in sicer značilni prim er k ratk eg a stika, ki se pojavi pri nizkem tla k u zraka za izpiranje. Značilnost tega pojava je, da zaostane velik del izpušnih plinov v valju, m edtem ko velik delež svežega zraka uide v k ra tk e m stiku v izpuh. Na slikah 5 in 6 je prikazan proces vpihovanja bo gate zmesi v valj v dru g i fazi izpiran ja iz dveh stran i (od spredaj in od strani). Na sliki 7 je p ri kazan proces tvorbe zmesi po končanem procesu zam enjave delovnega m edija v času kom presije. Na posnetku od I do X n a sliki 7 je razvidna rotacija vpihane bogate zmesi in njeno m ešanje z vsebino valja. V sebina v alja se prem eša in hom ogenizira že po en k ratn i rotaciji zmesi.
4. SKLEP
Preizkusi na m odelu v alja in uporaba kapljevi- nastih preizkusnih m edijèv im ajo v prim erjav i s preizkusi na izvirnem m otorju vrsto prednosti. Poleg bistvene upočasnitve procesa, vpogleda v no tra n jo st valja, natančnega m erje n ja pretočnih ko ličin in koncentracij vsebine v a lja in izpuha je optim iranje geom etrijskih in obratovalnih p aram et rov n a m odelu veliko lažje, h itre jše in včasih ce nejše. Modelni preizkusi omogočajo poleg količin skega tu d i kakovostno vrednotenje procesa zam e njave delovnega m edija (s snem anjem procesa). Re zultate, ki jih na ta k način dobimo, lahko z uspe hom prenesem o na izvirnik.
LITERATURA
[1] Pavletič R.: Two Stroke Gasoline Engine Having Small Toxic Emissions, SAE Technical Paper. Seriös. Congress and Exposition Cobo Hall, Detroit 1979.
[2] Kruglov M. G., Kozlov I. P.: Issledovanie gazo-obmena v dvuhtaktnom dvigatelje na modeli in na dvigatelje. »Vestnik mašinostroenie« Mašgiz 1961, No.
11.
[3] Dedeoglu N.: Modelluntersuchungen zur Spü lung und Gemischbildung in einem Verbrennungsmo tor. Dissertation, ETH Zürich 1968.
[4] Langhaar H. L.: Dimensional Analysis and The ory of Models. John Wiley & Sons Ine. New York, Lon don, Chapran & Hall Limited.
[5] Matz W. : Anwendung des Ähnlichkeitsgrundsat zes in der Verfahrenstechnik. Springer-Verlag, Berlin
1954.
[6] Johnstone R. R., Thring M. W.: Pilot Plants, Models and Scale-up Methods in Chemical Engineering. Mc Graw-Hill Book Company Ine. New York, Toron to, London 1957.
[7] Cudina M.: Modelna ispitivanja ispiranja kod dvotaktnog motora. Saopštenje III, NMV ’83 Kraguje vac 1981.
[8] Ćudina M.: Zamenjava delovnega medija pri dvotaktnih Ottovih motorjih z notranjo pripravo zmesi iz dveh plinastih medijev. Disertacija, Ljubljana 1983.
A v to r je v n a s lo v : d r. m r . M irk o C u d in a , v iš ji p r e d a v a te lj F a k u l t e t a z a s tr o jn iš tv o v L ju b lja n i
U D K 539.374
Rezultati postopka robnih elementov v ravninski plastomehaniki
IZTOK POTRČ — ANDRO ALUJEVIČ
Po aplikacijah m etode robnih elem entov za linearne problem e elastom ehanike smo prešli na obdelavo nelinearnih problem ov v plastom ehaniki. Na osnovi že po dane teorije robnih elem entov plastom ehanike (S V 29, 4—6/83) smo s program om B E P L A S izvedli ko n kretn e izračune na V A X stroju RCU v Mariboru. Priloženi so neka teri rezultati posam eznih fa z plastifikacije, npr. upogibna stena z izrezom ter zob evolventnega ozobja.
1. UVOD
P rogram BEPLAS [1] je napisan za analizo ela- sto-plastičnih problem ov. U pošteva tako ra v n in sko napetostno k ak o r tu d i ravninsko deform acij sko stanje. Mejo tečenja določamo s H uber-M ise- sovim kriterijem . P rogram omogoča izbiro ta n - gentnega m odula plastifikacije, tako da lahko obravnavam o bodisi idealno plastičnost ali pa u trje v a n je oz. m ehčanje m ateriala. U porabljeni so robni elem enti s po dvem a vozloma, vključeni pa so tudi elem enti ničelne dolžine, k a r omogoča bolj
