PROJEKT WTRYSKIWACZA

Projekt wtryskiwacza składa się z dwóch podstawowych części: obliczeniowej [6, 7] oraz symulacyjnej, mającej na celu zbadanie charakterystyki przepływu benzyny.

3.1. OBLICZENIA PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW

Część obliczeniową rozpoczęto od wyznaczenia wydatku wtryskiwacza. W tym celu wykorzystano zależność:

i n N Q    8 , 0 5 , 0 1 (1) gdzie:

Q₁ – wydatek objętościowy wtryskiwacza [lbs/h], N – moc silnika [KM],

n_i – liczba wtryskiwaczy.

Po podstawieniu wymaganych zmiennych i zmianie jednostek otrzymano: 140

1

Q [ml/min]

Jak wspomniano, planowane jest zwiększenie ciśnienia w układzie paliwowym. Wartość, o jaką planowana jest zmiana, to 1 bar (14 psi). Operacja taka zwiększy róż-nicę ciśnień miedzy wtryskiwaczem a kolektorem dolotowym. Skutkować to będzie lepszym rozpyleniem mieszanki i krótszym czasem wtrysku, pozostawiając zapas wydatku nawet dla silnika doładowanego (co jest planowane w przyszłości). Spowo-duje również wzrost wydatku, który oszacować można wg wzoru:

192 1 2 1 2 Q P P Q   (2) gdzie:

P1 – planowane ciśnienie paliwa [psi], P₂ – dotychczasowe ciśnienie paliwa [psi].

Podstawiając wartości ciśnień (P1 = 64 psi, P2 = 50 psi), otrzymano: 158

2

Q [ml/min]

W przekonaniu autorów, wydatek Q2 jest w zupełności wystarczający do zasilania bolidu budowanego na zawody Formuła Student. W celu weryfikacji twierdzenia pla-nowane jest zbudowanie prototypu i przeprowadzenie badań.

Siłę bezwładności iglicy zapisać można zależnością: ) (t a m F_B  _i (3) gdzie: m_i – masa iglicy,

a(t)– chwilowe przyśpieszenie iglicy.

Wraz z iglicą przemieszcza się część sprężyny. Zgodnie z literaturą [6] należy przyjąć, że 1/3 masy sprężyny (ms) przemieszcza się podczas otwierania i zamykania wtryskiwacza. Uwzględniając powyższe otrzymano:

) ( ) 3 / 1 (m m a t F_B  _i _s  (3)

Wykorzystując prawo Faradaya [6], można wyznaczyć siłę działania cewki na iglicę: dx x dL I F_E ^{( )} 2 1 ₂  (4) gdzie:

FE – siła elektromagnetyczna pochodząca od cewki wtryskiwacza, I – natężenie prądu płynącego w cewce,

x – przemieszczenie iglicy, 2 2 I W L C – indukcyjność cewki, (5)

W_C – praca wykonana przez cewkę.

Ze wzoru (4) wynika, że indukcyjność cewki zależy od położenia iglicy wewnątrz cylindra. Niewielkie przemieszczenia iglicy (około 0,1 mm) powodują, że przebieg zmiany indukcyjności, spowodowany zmianą położenia iglicy, jest zbliżony do funk-cji liniowej. Istotnym natomiast jest fakt, iż indukcyjność zmienia się wraz z często-ścią pracy wtryskiwacza.

Indukcyjność cewki powietrznej jest trudna do wyznaczenia. Na jej wartość ma wpływ wiele czynników. Dlatego, konieczne jest jej wyznaczenie metodą doświad-czalną przy wykorzystaniu mostka RLC. Niestety, na obecnym etapie prac, bez

pro-193

totypu, nie jest to możliwe. W projekcie dobrano więc wstępnie cewkę, która zostanie przebadana, i w razie potrzeby zastąpiona inną. Dopiero wtedy możliwe będzie opra-cowanie symulacji działania wtryskiwacza.

Siłę pochodzącą od ciśnienia paliwa znajdującego się wewnątrz wtryskiwacza ob-liczyć można z wzoru:

A P

F_G ₁ (6)

gdzie:

G

F _{– siła pochodząca od ciśnienia paliwa,} A – pole powierzchni na które oddziałuje paliwo.

Tarcie pomiędzy iglicą a korpusem będzie w rzeczywistości tarciem pomiędzy czą-steczkami płynu, czyli tarciem wiskotycznym (rys. 6). Siła tarcia wiskotycznego za-leżna jest od prędkości i wyraża się je zależnością [6]:

N N T F v F dt dx F  _{( )} (7) gdzie:  – współczynnik tarcia, x – przemieszczenie iglicy,

F_N – siła z jaką dociskane są powierzchnie trące.

Rys. 6. Zależność wartości współczynnika tarcia od szybkości przemieszczania się par trących [6]

W praktyce siła ta jest bardzo mała i waha się w granicach kilku setnych Newtona [6].

Siłę nacisku sprężyny zapisać można wzorem: x k F_S   (8) gdzie: Fs – siła sprężyny, k – sztywność sprężyny.

194

Prawidłowo dobrana sztywność sprężyny powinna zapewniać siłę nie mniejszą niż suma siły bezwładności iglicy i siły tarcia pomiędzy iglicą a korpusem, i nie większą niż suma siły bezwładności iglicy, siły tarcia pomiędzy iglicą a korpusem, siły wyni-kającej z działania ciśnienia paliwa i siły generowanej przez cewkę. Warunek można zapisać: E S T G S T G F F F F F F F       (9)

Równanie ruchu iglicy wtryskiwacza oprzeć można na równaniu równowagi sił działających na nią, a mianowicie:

Z T B G S E F F F F F F      (10)

Na podstawie równania (10) opracowana zostanie symulacja działania wtryskiwa-cza. Dzięki niej możliwe będzie oszacowanie czasu otwierania i zamykania.

3.2. SYMULACJA PRZEPŁYWU

Jednym z najistotniejszych części wtryskiwacza jest iglica, wokół której płynie pa-liwo. Pozwala to na utrzymanie stałego ciśnienia wewnątrz wtryskiwacza, a dodatko-wo palidodatko-wo jest ogrzewane przez cewkę (rys. 7). Skutkuje to jego lepszym odparowa-niem wewnątrz kolektora dolotowego. Docelowo iglica ma być wykonana z dwóch części: dolna część z lekkiego materiału nie ferromagnetycznego (dzięki czemu zmniejszy się masa, a tym samym bezwładność iglicy), górna – z materiału ferroma-gnetycznego (rys. 8).

Rys. 7. Wnętrze projektowanego wtryskiwacza. Od lewej: cylinder, iglica, sprężyna, cewka, złącze zasilające

195

Rys. 8. Iglica wtryskiwacza

Charakterystyka przepływu czynnika przez wtryskiwacz jest bardzo istotna. Nie mogą występować nadmierne zaburzenia przepływu, gdyż wpływają one niekorzystnie na pro-ces wtrysku. Symulacja wykonana w środowisku Solid Works Flow Simulation (rys. 9) pokazuje, że osiągnięto pożądany efekt spadku ciśnienia na końcu iglicy. Uzyskano tym samym szybsze i lepsze odparowanie mieszanki dla zakresu otwarcia 0.1 mm.

Rys. 9. Symulacja przepływu benzyny przez wtryskiwacz dla ciśnienia w listwie wynoszącym 4,5 bar

196

4. WNIOSKI

Wtryskiwacz zbudowany do bolidu Formuły Student (rys. 10) będzie istotnym elementem przychylnej oceny sędziów w trakcie zawodów, gdyż jak dotąd żaden ze-spół nie podjął się wykonania własnego wtryskiwacza. Są to cenne punktu pod kątem konkurencji Design.

Rys. 10. Projektowany wtryskiwacz, dedykowany do bolidu FSAE

Przyjęte założenia konstrukcyjne pozwolą lepiej zrozumieć złożoną fizykę pracy układu zasilania silników spalinowych, oraz dobrać właściwą charakterystykę pracy w pożądanych warunkach, jakie stwarza inny rodzaj aut sportowych. Konfiguracja pod kątem maksymalnego wykorzystania spalanej mieszanki i poprawienie sprawności sil-nika pomoże w zdobywaniu wyższych ocen w rywalizacji z pozostałymi zespołami z całego świata, jak też w ocenie zużycia paliwa. Minimalne koszty wykonania są kolej-ną zaletą w konkurencji Business Plan. Projekt będzie rozwijany do momentu wykona-nia auta CMS-04, co jest planowane na rok 2017.

LITERATURA

[1] BOSCH, Czujniki w pojazdach samochodowych, WKiŁ, Warszawa 2002. [2] BOSCH, Sterowanie silników o zapłonie iskrowym, WKiŁ, Warszawa 2002.

197 [3] KNEBA Z., MARKOWSKI S., Zasilanie i sterowanie silników, WKiŁ, Warszawa 2004.

[4] KASEDORF J., Układy wtryskowe i katalizatory, WKiŁ, Warszawa 1996.

[5] WENDEKER M., JAKLIŃSKI P., CZARNIGOWSKI J., Badania strategii sterowania wtryskiem

benzyny, Silniki spalinowe, 2001, nr 3–4, 21–29.

[6] BORAWSKI A., SIEMIENIAKO F., Model matematyczny pracy wtryskiwacza LPG, Pneumatyka, 2011, nr 2, 52–55.

[7] RAHMAN M.F., CHEUNG N.C., LIM K.W., Modeling of a Non Linear Solenoid Actuator for

Operation as a Proportional Actuator, University of New South Wales, Sydney 2008.

pojazdy bezzałogowe, pojazd autonomiczny, pozycjonowanie, lokalizacja, nawigacja, sterowanie, komunikacja z otoczeniem

Zbigniew ŻELAZNY* Tomasz GODLEWSKI*