Motorsimulering i Fedem

Abstract

Masteroppgaven er skrevet på NTNU, Institutt for produktutvikling og materialer, våren 2010 og handler om hvordan man kan simulere en motormodell i Fedem. Delene i modellen består av standardkomponenter som veivaksel, staker og stempler. Modellen er deretter satt sammen i Fedem for å se hvilke krefter lagrene blir utsatt for under forskjellige driftsforhold.

Avhandlingen beskriver ulike metoder for å lage en trykkurve som brukes som input til reguleringssystemet som styrer kraften til motoren. En forbrenningskurve vil forandre seg avhengig av effekten motoren avgir. Grunnlaget for forbrenningskurven er basert på målinger fra en Rover K16 motor utført ved Oxford Brookes University. Den beste metoden for å lage en enkel trykkurve er å benytte seg av termodynamikken og energiomsetningen som beskriver trykket inni motoren.

Lagerbelastningene fra Fedem er sammenlignet med utregninger utført i Matlab ved forskjellige lasttilfeller, ved lave turtall samsvarer resultatene fra Fedem og Matlab godt. Ved høyere turtall divergerer kreftene. Dette kan skyldes at Fedem beregner kreftene dynamisk og treghetskrefter vil bidra til mer. Kreftene hentet fra Matlab er basert på statiske beregninger og tar ikke hensyn til ekstra krefter som oppstår grunnet treghetskrefter.

Når hastigheten til motoren øker må antall inkrementer økes i simuleringen, dette er for å få en mer riktig beregning av krefter. Sammenligner man kreftene ved en fordobling av antall inkrementer ved samme turtall og belasting får man bedre resultater. Vil det ikke påvirke avviket mellom kreftene regnet ut i Matlab kontra resultater fra Fedem. Antall inkrementer er i hovedsak styrt av turtallet til motoren og når solveren avslutter simuleringen.

Det er også beregnet kapasitet på lagrene i motoren og stivheten som oppstår i lagrene grunnet oljesmøring. Dempning og stivhet er ikke- lineær i et oljesmurt lager. Sammenligner man resultatene i lagre med og uten stivhet og dempning er forskjellene i kreftene marginale.

Fedem kan godt brukes til å beregne kreftene som oppstår i lagrene til en motor, men ved høye turtall er resultatene usikre. Det er ikke nødvendig å simulere motormodellen med stivhet og dempning i lagre siden det ikke påvirker lagerkreftene nevneverdig.

Vedlagt ligger det Matlab skript som beregner trykkurver samt andre verdier brukt i avhandlingen. Skriptet som lager kraftkurven kan brukes direkte i reguleringssystemet til Fedem.

This master thesis is written at NTNU, department of engineering design and materials, spring 2010; concern how to simulate an engine model in Fedem. The engine parts in the model consist of standard components like, crankshaft, rods and pistons. The model is assembled in Fedem to see what kind of forces the bearings are exposed to under different loads.

This thesis describes different methods on how to make a pressure curve that can be used as an input to regulate the system that controls the forces on the motor. A combustion curve will change due to the mechanical output of the engine. The combustion curve is created on measurements from Oxford Brookes University on a Rover K16 engine. The simplest method to make a combustion curve is to use thermodynamic and the transmission of energy that describe the pressure inside the engine.

The results from Fedem are compared to calculations performed in Matlab at different loads; on low rotational speed the results are quite accurate. On higher revolutions the forces will deviate more. The cause can be that Fedem calculates the forces dynamically and the inertia effect will contribute with extra forces. The forces calculated form Matlab is based on static forces and will not include forces from inertia.

When the rotational speed increases on the engine, the increments in Fedem have to be increased as well, in order to get more accuracy in the simulation. If we compare the forces with a redoubling in increments at the same rotational speed, and the same load, the forces will be more correct. But it will not influence the deviation from forces in Matlab and the results from Fedem. The number of increments are govern when the solver abort the simulation.

The capacity of the engine bearings is also calculated addition to the stiffness due to oil lubrication. Damping and stiffness is non-linear in an oil lubricated bearing. The forces on the bearings with or without stiffness and damping do not differ considerably.

Fedem can be used to calculate the forces acting on the bearings on the engine, but with high rotational speed the results can be inaccurate. It is not necessary to describe stiffness and damping in the engine model as the resulting force is largely unaffected.

In the enclosed appendix there are Matlab scripts who calculate the pressure curve and others parameters used in this thesis. The script which makes the force curve can be used directly in the regulating system in Fedem.