Úvod
Simulace byly prováděny na zjednodušených modelech motorů, ale tak, aby byly zachovány důležité parametry, které mají největší vliv na produkci vibrací. Hlavní komponenty v simulacích jsou založeny na skutečných částech použitých ve funkčním vzorku. Z videí je zřejmé, že jednotlivé díly jako hlavy, válce, ojnice a písty jsou ve všech simulacích totožné a mají stejné rozměry a hmotnost jako skutečné díly. Rotory generátoru jsou dvou velikostí. Ve většině případů se používá pouze jeden větší generátor. V případě použití dvou menších generátorů má každý generátor poloviční výkon.
Mezi jednotlivými simulacemi jsou samozřejmě rozdíly, například ve specifickém vyvážení klikové hřídele v Range Extenderu. Všechny díly, které nemají téměř žádný vliv na vyvážení a vibrace motoru, jsou buď zjednodušeny, nebo vynechány (například stator generátoru), aby byl simulovaný problém lépe vidět.
Důležité rozdíly jsou podrobněji popsány v každé simulaci. Celý 3D model je následně umístěn na pevný stojan. Stojan je spojen s klikovou skříní motoru ve čtyřech bodech pomocí pružných spojů. V simulacích jsou použity vinuté pružiny, aby byly zachovány stupně volnosti a model se mohl pohybovat podle výsledných sil. Všechny pružiny a jejich tlumicí účinky a další parametry jsou ve všech simulacích shodné.
Nakonec byly na model aplikovány okrajové podmínky. Brzdný moment generátoru a proměnná tlaková síla působící na píst tak aby bylo možné simulovat reálné chování motoru.
Základní parametry modelu:
- Vrtání a zdvih: 58.0 x 57.9 mm
- Simulované otáčky: 2000-2500 ot/min
Okrajové podmínky:
Brzdný moment generátoru má konstantní velikost a simuluje výkon odebíraný generátorem. U většího generátoru je moment okolo 38 Nm. U menšho generátoru je moment okolo 19 Nm.
Tlaková síla působící na píst a hlavu motoru je definovaná tlakem ve válci který je zobrazen na grafu Cylinder pressure.
V případě simulací s chybovým stavem s vynecháním zážehu na jednom válci je moment generátoru snížen.
Brzdný moment generátoru je u simulací bez vlivu tlakových sil na píst roven nule. Písty negenerují žádný výkon.
Motor typu Boxer
Pro jednoduchost jsme v této simulaci dvouválcového motoru typu boxer jsme nepoužili vyvažovací hřídele pro kompenzaci momentu od setrvačných sil posuvných hmot v rovině procházející oběma osami válců. Vliv tohoto momentu na vznik vibrací je v porovnání s vlivem spalovacího cyklu velmi malý.
V prvním videu níže ze simulace motorgenerátoru ‚Boxer Engine – bez zapalování‘ je ukázán chod motoru bez komprese a spalovacích tlaků ve válcích. Důležité je podotknout, že motor je schválně namodelován s velkou osovou vzdáleností válců, aby bylo lépe patrné jak malý vliv na vznik vibraci tento posun má. Je vidět, že je motor dobře vyvážený i v případě takto nevhodné konstrukce.
V druhém videu simulace motorgenerátoru „Boxer Engine – with ignition“ je zobrazena simulace chodu motoru s kompresními i spalovacími tlaky ve válcích dle výše uvedeného grafu Cylinder pressure. Je zřetelně vidět, jak dochází ke kmitání motoru v rytmu zážehů ve válcích. Tlaková síla na píst je zobrazena červeným vektorem. Je tedy zřejmé, že dominantní vibrace způsobuje spalovací proces ve válcích motoru. To je ostatně problém každého uspořádání motorgenerátoru, kdy je rotor generátoru umístěn přímo na klikové hřídeli obvyklého provedení spalovacího motoru.
Řadový dvouválec
U simulace motorgenerátoru s použitím řadového dvouválce je posun pracovních cyklů mezi válci o 360°. V tomto modelu je použita jedna vyvažovací hřídel pro vyvážení první harmonické složky posuvných sil. Vyvážení bylo provedeno dle standardního postupu. V tomto modelu by bylo možno použít i dvě nebo čtyři vyvažovací hřídele pro lepší kompenzaci 1. a popřípadě i 2. harmonické složky setrvačných sil. Na výsledné vibrace, které jsou způsobeny zejména spalovacím procesem, nemá větší počet vyvažovacích hřídelí podstatný vliv. V praxi je řešení s jednou vyvažovací hřídelí nejběžnější.
Ve videu simulace motorgenerátoru „Parallel Twin Engine“ je zobrazena simulace chodu motoru s kompresními i spalovacími tlaky ve válcích dle výše uvedeného grafu Cylinder pressure. Podobně jako u předchozí varianty s boxerem je vidět jak dochází ke kmitání motoru v rytmu zážehů ve válcích. Tlaková síla na píst je taktéž zobrazena červenými vektory.
Range Extender
V následující části jsou prezentované simulace našeho patentovaného řešení motorgenerátoru, a to v několika provedeních, a doplněné o několik příkladů různých typů poruchových stavů.
Range Extender se setrvačníkem
Jako základ jsme použili provedení Range Extendru s jedním generátorem a setrvačníkem. Toto provedení se nejvíce podobá předešlým modelům a využívá stejný generátor.
V následujících dvou videích range extenderu je zobrazena simulace chodu motoru bez kompresních a spalovacích tlaků ve válcích, a také varianta simulace chodu motoru s kompresními a spalovacími tlaky ve válcích podobně jako u předchozích simulací u motorgenerátoru s boxerem. Tlaková síla na píst je též zobrazena červeným vektorem. Na obou videích je zřetelně vidět, že nedochází k žádnému kmitání motorgenerátoru ani při působení tlakových sil. Tato dokonalá eliminace je dosažena díky symetrickému provedení motoru, jeho vyvážení, a zejména shodnému momentu setrvačnosti obou klikových sestav a jejich vzájemné synchronizaci.
Ozubená kola u tohoto provedení range extenderu přenášejí část výkonu z hřídele se setrvačníkem na hřídel s generátorem. Přenášený moment je ale poměrně malý, úměrný efektivnímu přenášenému výkonu. Špičkové velikosti momentu, způsobené zážehem ve válcích, jsou pohlceny zrychlením setrvačníku a shodným zrychlením rotoru generátoru.
Range Extender se dvěma generátory
Range Extendr s dvěma generátory se liší od předešlého řešení Range Extendru tím, že je velký generátor a setrvačník nahrazen dvěma menšími generátory.
V následujících dvou videích simulací tohoto provedení range extenderu je zobrazena simulace chodu motoru bez a také s kompresními i spalovacími tlaky ve válcích. Videa jsou podobná jako u předchozí simulace s jedním generátorem a jedním setrvačníkem. Tato videa také potvrzují předpokládanou dokonalou eliminaci vibrací.
Toto provedení má oproti předchozí variantě range extenderu příznivější zatížení synchronizačních ozubených kol. Jejich zatížení se blíží nule, a proto jsou i mechanické ztráty v převodu zanedbatelné. Zároveň je to také nejvýhodnější řešeni z hlediska celkové hmotnosti soustrojí, protože odpadá potřeba hmotného setrvačníku.
Simulace poruchového provozu Range Extender
(vynechávání zapalování na jednom válci)
Další simulace se týkají, již výše uvedených variant našeho patentovaného řešení motorgenerátoru v poruchovém stavu.
V následujících dvou videích simulací obou variant range extenderu je zobrazena simulace chodu motoru pro případ výpadku komprese i zapalování na jednom válci. Tlaková síla na píst je aplikována pouze na jeden válec a opět zobrazena červeným vektorem.
Na obou videích je parné, že nedochází ke kmitání motorgenerátoru. Tyto simulace demonstrují nulové vibrací i v poruchovém stavu chodu motoru.
Porucha zapalování neovlivňuje rovnováhu setrvačných sil. Díky synchronizaci otáčení klikových hřídelů jsou úhlová zrychlení těchto hřídelů stejná. Díky shodnému momentu setrvačnosti na obou klikových sestavách jsou všechny momenty vznikající působením úhlových zrychlení zcela kompenzovány.
Synchronizační ozubená kola budou při poruchovém stavu range extenderu výrazně více zatížena. Musí přenášet moment potřebný k urychlování klikové hřídele u válce, kde došlo k výpadku zážehu.
Simulace poruchového provozu Range Extender (porušení pravidla stejného momentu setrvačnosti na obou klikových sestavách)
Konfigurace tohoto range extendru neodpovídá našemu patentovému řešení. Jeho zahrnuti je zde záměrné, protože jasněji demonstruje základní principy našeho bez vibračního designu.
Simulace je totožná s výše uvedenou variantou prodlužovače dosahu s jedním generátorem a setrvačníkem, zásadní rozdíl je v tom, že setrvačník je odstraněn. Tím se poruší stav, kdy obě klikové sestavy mají stejný moment setrvačnosti.
Na prvním videu ze simulace motor-generátor s jedním generátorem a bez setrvačníku je vidět, že motor běží bez komprese a spalovacích tlaků ve válcích. Díky symetrii a synchronizaci pohybu klikových hřídelí jsou všechny setrvačné síly zcela kompenzovány. Na tomto videu je jasně vidět, že oscilace jsou velmi malé.
Na druhém videu simulace je zobrazena simulace chodu motoru s kompresními i spalovacími tlaky ve válcích dle výše uvedeného grafu Cylinder pressure. Je zřetelně vidět že motor kmitá v rytmu zážehů ve válcích. Tlakové síly na píst jsou opět znázorněny červenými vektory. Je tedy zřejmé, že dominantní vibrace způsobuje spalovací proces ve válcích motoru. Je to důsledek rozdílného momentu setrvačnosti mezi klikovou hřídelí s rotorem generátoru a druhou klikovou hřídelí.
Porovnání různých variant motorgenerátorů
Následující video je kompilací předchozích simulačních videí, takže můžete vidět rozdíly mezi různými typy motorgenerátorů a jejich vibracemi ve standardním provozním režimu.
Závěr
Z uvedených simulací je zřejmé, že varianty motorgenerátoru dle našeho patentovaného řešení mají vibrace, které se ideálně blíží k nule. V reálném provedení je třeba dodržet stejné velikosti a hmotnosti posuvných součástí a stejnou velikost momentu setrvačnosti na obou klikových sestavách. Také je nutné co nejlépe vyvážit rotační hmoty. Konstrukce musí mít také dostatečně tuhé spojení mezi klikou a generátorem a také setrvačníkem, aby nedošlo k torzním rezonancím.
Ze simulací motorgenerátorů s klasickými motory s jednou klikovou hřídelí je zřejmé, že největší vliv na vibrace mají zážehy ve válcích.
Je známo, že u motorgenerátorů s jednou klikovým hřídelem mohou být vibrace způsobené úhlovým zrychlením kompenzovány použitím převodu mezi klikovou hřídelí a generátorem, který mění smysl otáčení generátoru oproti klikové hřídeli motoru. Tento převod musí být velmi tuhý a dostatečně dimenzovaný, aby snesl velké okamžité točivé momenty při zážehu ve válcích. To je z hlediska hmotnosti řešení, mechanických ztrát a dalších vlastností méně výhodné ve srovnání s tím jak je tento problém ideálně vyřešen v našem provedení motorgenerátoru.