Budowa Kropelki

Studenci z różnych wydziałów Politechniki Warszawskiej połączyli siły w celu zaprojektowania oraz wykonania nowego silnika spalinowego do napędu pojazdu o minimalnym zużyciu paliwa „Kropelka”, startującego w corocznych zawodach Shell Eco-Marathon. Obecnie pracujący w Kropelce silnik to zmodyfikowana jednostka produkowana seryjnie. Fabryczne khttp://bcprojekt.pl/skap02/ryteria optymalizacyjne takich silników to niski koszt masowej produkcji, duża moc oraz odporność na złe warunki użytkowania (praca „na zimno”, paliwo o małej liczbie oktanowej itd.). Skutkiem tego jest wykonanie części w technologii odlewanej i w postaci nierozbieralnych zespołów, duże straty mechaniczne wynikające z pracy przy znacznych prędkościach obrotowych, nadmierne chłodzenie (powodujące straty ciepła) i spore luzy pomiędzy tłokiem a tuleją, utrudniające zatarcie tłoka.

Duża ilość takich problematycznych rozwiązań zadecydowała o potrzebie zaprojektowania od postaw nowego silnika, w którym moglibyśmy zminimalizować zużycie paliwa. Znajomość dokładnych parametrów stosowanego podczas zawodów paliwa oraz materiałów, z jakich powstaje nasz nowy silnik, pozwala nam na redukcję masy części oraz jednoczesne uzyskanie dużego stopnia sprężania w silniku. Paliwo, jakie zastosujemy- etanol, dopuszcza stopień sprężania nawet 12:1 (w obecnym silniku – 8:1), a jak wiadomo sprawność silnika spalinowego jest funkcją stopnia sprężania.

Jak wykazują badania, największą sprawność silnik uzyskuje podczas pracy przy tzw. mieszance ubogiej, czyli podczas spalania paliwa w dużej ilości powietrza. Zapłon takiej mieszanki jest jednak bardzo utrudniony. W tym celu projektujemy komorę spalania z miejscem na dwie świece zapłonowe. Dodatkowo, aby ograniczyć straty ciepła poprzez ścianki silnika, planujemy pokryć wnętrze komory spalania specjalnymi warstwami ceramicznymi.

Sprawność całkowita silnika jest iloczynem sprawności cieplnej oraz sprawności mechanicznej. Straty mechaniczne zachodzą tam, gdzie m. in. pojawia się nadmierne tarcie oraz bezwładność części o dużej masie. W naszym silniku zastosujemy łożyska toczne wału korbowego oraz ceramiczne łożyska w układzie rozrządu. Tak przygotowany silnik będzie jednocześnie wymagał smarowania olejem o bardzo małej lepkości, co również zmniejszy opory pracy.

Układu korbowy zyska specjalną geometrię: duży skok tłoka zmniejszy straty cieplne podczas spalania mieszanki, a długi korbowód zminimalizuje siły tarcia pomiędzy tłokiem a cylindrem. W układzie rozrządu zastosujemy pomysł sprawdzony w silnikach samochodowych (Mazda Xedos, Toyora Prius): późno zamykający się zawór dolotowy spowoduje zmniejszenie efektywnego stopnia sprężania do 12:1 (tak, aby uniknąć spalania stukowego) przy zachowaniu stopnia rozprężania 16:1. Taki zabieg pozwala na maksymalne wykorzystanie energii wydzielonej podczas spalania.

Wymiary główne silnika zostały wyznaczone za pomocą autorskiego zerowymiarowego modelu termodynamicznego. Obecnie prowadzimy badania optymalizacyjne nad poszczególnymi częściami. Podzespoły muszą być tak lekkie, jak tylko będzie to możliwe bez przekraczania granic wytrzymałości materiału, a w szczególności granicy zmęczeniowej. Silnik jako prototyp jest obliczany na 20 mln cykli, tzn. ok. 110 godzin pracy pod pełnym obciążeniem. Ta wartość pozwoli nam na bezpieczne dotarcie jednostki oraz na wielogodzinną regulację na przygotowanej w tym roku hamowni.

Jak dotąd poszczególne elementy silnika stały się przedmiotem dwóch prac inżynierskich oraz jednej pracy przejściowej magisterskiej. Do projektowania wykorzystujemy oprogramowanie napisane własnoręcznie, jak również dostępne na uczelni programy komercyjne. W pracach stale uczestniczy ośmioro studentów. Poza ogromnym znaczeniem dydaktycznym, ekonomicznym i naukowym, projekt silnika o minimalnym zużyciu paliwa jest dla nas ważny jeszcze z jednego powodu. W zawodach Eco-Marathon startuje co najmniej kilkanaście zagranicznych drużyn z własnymi silnikami, jednak w Polsce będziemy pierwsi!

Wakacje się skończyły, a prace nad silnikiem trwają. Staramy się jak najszybciej przeprowadzić wszystkie obliczenia, aby do końca grudnia przygotować kompletną dokumentację silnika i móc rozpocząć wykonywanie części. Przed wakacjami udało się ustalić główne wymiary silnika, sposób sterowania i zasilania paliwem, rozwiązanie układu rozrządu i rodzaj smarowania silnika.

Zapraszamy do lektury ...

Obliczyliśmy wytrzymałość łożysk tocznych, jakie zastosujemy w układzie korbowym. Ponadto wybraliśmy najkorzystniejsze materiały, z których powstanie nasz silnik. Teraz powoli dobiega końca optymalizacja głównych elementów za pomocą MES oraz modelowanie przebiegu procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze. To chyba dobry moment, żeby pokrótce opisać, kto z nas czym się zajmuje.

Łukasz Szczypiń przeprowadził udaną optymalizację kształtu korbowodu. Obecnie pracuje nad tłokiem i sworzniem korbowym. Dzięki Jego pracy udało się zredukować masę korbowodu ze 100 do 60 gramów! Poza tym Łukasz obliczył zmęczeniowe współczynniki bezpieczeństwa dla stali, z której będą wykonane elementy układu korbowego.

Maciek Krulak zajmuje się wyrównoważeniem oraz optymalizacją wytrzymałościową wału korbowego. To trudne zadanie, ponieważ każda zmiana kształtu i wymiarów wału zmienia również masy konieczne do wyrównoważenia. Siły działające na wał korbowy są złożone i w czasie cyklu pracy ulegają znacznym zmianom.

Piotr Matyjaszkiewicz wykonał do tej pory wiele bardzo potrzebnych czynności praktycznych, jak przygotowanie modeli elementów układu rozrządu czy pomiar sztywności sprężyn zaworowych. Za punkt odniesienia dla nowo powstających krzywek posłużą te z silnika GX35. Piotrek podjął się dokonania pomiarów zarysu krzywek w laboratorium Instytutu Technik Wytwarzania PW.

Kumar Arnavdeep modeluje przebieg procesu spalania w silniku za pomocą metod numerycznej mechaniki płynów (CFD). Wyniki symulacji posłużą Kumarowi do opracowania kształtu komory spalania.

Przedmiotem prac Karola Włodarczyka jest tuleja cylindrowa, jej optymalna grubość, sposób uszczelnienia oraz odkształcenia, jakim tuleja ulega podczas pracy.

Piszący te słowa Jan Zowczak koordynuje projekt i jednocześnie pracuje nad układem rozrządu. W ciągu wakacji opracowałem program komputerowy projektujący zarys krzywki na podstawie zadanych wzniosów, prędkości i przyspieszeń w określonych punktach krzywki. Zarys krzywki jest aproksymowany jako szereg Fouriera, po czym dyskretyzowany i w łatwy sposób może zostać przeniesiony do programu modelującego pracę układów wieloczłonowych



W najbliższym czasie zajmiemy się udoskonaleniem oraz dostosowaniem układu napędowego Kropelki do nowego silnika. Prace będą odbywać się równolegle na poziomie praktycznym (zwiększenie sprawności przekładni zabudowanej w piaście tylnego koła), jak i obliczeniowym (dobranie cieńszego łańcucha napędowego i odpowiedniego sprzęgła oraz projekt zabudowania silnika w układzie napędowym).

W krótkiej notatce nie sposób ująć całego zakresu wykonanych dotąd prac, jak również ilości zadań, które są jeszcze przed nami. Jednak widząc, jak przebiegają pracę, można z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że na zawody Shell Eco-marathon 2013 Kropelka wystartuje z nowym, prototypowym silnikiem!

Garść wiadomości oraz rendery prosto od zespołu konstruującego nowy silnik spalinowy do Kropelki:

Projekt zdecydowanie posuwa się do przodu! W ubiegłych tygodniach byliśmy zajęci obliczeniami i projektowaniem koła zamachowego oraz układu dolotowego. Ostatecznie ustaliliśmy geometrię rozrządu i kształt komory spalania, a także pomyślnie rozwiązaliśmy wiele napotkanych problemów.

Trwają prace nad szczegółami wału korbowego i geometrią krzywek. Równolegle wykonujemy symulacje CFD przepływu czynnika roboczego przez silnik i procesu spalania. Szczegóły już niebawem!

Piasta: niedawno zakończył się etap projektowania nowej piasty tylnego koła. Piasta jest elementem który przenosi moment na koła. Do wykonania piasty zostanie wykorzystana stal oraz stop aluminium PA6. Piasta będzie łożyskowana za pomocą ceramicznych łożysk wahliwych. Obecnie przygotowywane są rysunki wykonawcze części.

Hamulce: praca nad układem hamulcowym polega na zaprojektowaniu tarczy oraz opracowaniu kompatybilnego układu zaciskowego. Równolegle powstająca piasta jest zależna od tarcz wymiarami, dlatego to właśnie one poszły na pierwszy ogień. Zostały zaprojektowane przez Grześka, Marka i Pawła. Następnie, po obliczeniach wytrzymałościowych oraz poprawkach wykonanych przez Marka, szkice oddano do wycięcia laserem. Pomiarów gotowych elementów dokonał dr Zawora, co pozwoliło na dobranie odpowiedniego pasowania piasty. Układ zaciskowy będący w końcowej fazie projektowania przez Pawła, opierać się będzie na gotowych elementach – szczękach i klockach hamulcowych. Części zostaną zaadaptowane na potrzeby „Kropelki” tak, by spełnić wymagania regulaminu przy zachowaniu minimalnej wagi.

Elektronika: nowa elektronika ma służyć m.in. do zmiany biegów, zbierania danych z różnych czujników, sterowania przepustnicą. Nowa architektura systemu przewiduje wiele urządzeń, sterowanych mikrokontrolerami z serii STM32 Cortex M3. Urządzenia będą wykonywać wyspecjalizowane zadania i informować się wzajemnie o swoim działaniu.

Układ przeniesienia napędu: nowy układ zapewni minimalne straty w czasie rozpędzania pojazdu, a w fazie swobodnego toczenia całkowicie wyeliminuje opory związane z napędem. Zmiana biegów odbywa się za pomocą dwóch sprzęgieł elektromagnetycznych, a dodatkowe, trzecie sprzęgło rozłącza układ przeniesienia napędu tuż przy tylnym kole. Całość zostanie wykonana z lekkich materiałów takich jak stopy aluminium czy włókno węglowe. Projekt jest na etapie wykonywania rysunków wykonawczych i zamawiania części.