Dieselmoottorin venttiilikoneiston monikappalesimulointi

Abstract

Diplomityö käsittelee 4-tahtisen dieselmoottorin venttiilikoneiston konseptisuunnittelua ja monikappalesimulointiohjelmistojen hyödyntämistä suunnittelun tukena. Työssä käydään läpi venttiilikoneiston toimintaperiaate ja rooli polttomoottorin työkierrossa sekä selvitetään venttiilikoneistossa esiintyvien kuormitusten luonne ja alkuperä. Venttiilikoneiston rakenteesta esitellään uusi konseptimalli, jolla venttiilikoneiston suunnitteluun vaikuttavia tekijöitä havainnollistetaan. Venttiilikoneiston kuormitukset ovat lähtöisin suurelta osin komponenttien inertiasta ja tästä syystä venttiilikoneiston suunnittelusta tulee väistämättä iteratiivinen prosessi. Venttiilikoneiston suunnittelun alkuvaiheessa rakenteen dimensiot perustuvat tilarajoitteisiin ja sivistyneisiin arvioihin komponenttien mitoituksesta, sillä venttiilikoneistoa rasittavat kuormitukset saadaan selville vasta, kun koneiston komponenteille pystytään määrittämään massoja sekä niiden kiihtyvyyksiä. Tästä syystä monikappalesimulointi on varteenotettava apu venttiilikoneiston rakennetta suunniteltaessa. Monikappalesimulointiohjelmiston avulla voidaan muodostaa venttiilikoneistosta aluksi yksinkertaistettu malli, jonka avulla saadaan selvitettyä suuntaa antavat arvot koneiston komponenttien välisille vuorovaikutuksille. Yksinkertaisen monikappalesimulointimallin avulla iterointiprosessi saadaan käyntiin ja komponenttien dimensioiden muutosten vaikutus muihin komponentteihin ja esiintyviin kuormituksiin voidaan tarkastaa nopeasti. Iterointiprosessin edetessä simulointimallia voidaan tarkentaa ja lopullisena tavoitteena mallille saattaa olla jopa fyysisen testaamisen osittainen korvaaminen simuloinnilla. Diplomityössä rakennetaan sylinterikohtainen simulaatiomalli eräästä venttiilikoneistorakenteesta kahdella eri monikappalesimulointiohjelmistolla. Ohjelmistoja ja niiden tuottamia tuloksia vertaillaan keskenään. Simulointiohjelmistot ovat mallinnusperiaatteiltaan hyvin erilaiset, mutta ohjelmistojen antamien tulosten perusteella venttiilikoneiston rakenne saatiin mallinnettua molempiin ohjelmistoihin hyvällä menestyksellä. Simulointituloksissa havaitaan eroja, mutta niille on esitetty loogiset selitykset työn aikana. Tulosten todenmukaisuutta on vaikea arvioida, koska todellista venttiilikoneistoa ja siten mitään mittaustuloksia koneiston toiminnasta ei ole olemassa. Tämän työn puitteissa simulointimalleista saatiin toimivia, mutta tulosten tarkentamiseksi mallit vaativat jatkokehitystä nokkaprofiilien ja vaikeasti määritettävien parametrien, kuten kitkan osalta.