3D printing in racing engine development

1. Bevezetés

Ezen tanulmány célja, hogy bemutassa a SZEngine motorfejlesztő csapat legújabb EVO 6 kódnevű versenymotorját és a 3D nyomtatás fontosságát a versenymotor fejlesztésben. A dokumentáció bemutatja a Formula Student versenysorozatát is az olvasónak. Mindezeken felül kitér az egyhengeres Formula Student versenymotor szívórendszerének felépítésére és röviden jellemezi azt. Az eddigi konstrukció megismerésén túl szó esik még a motorblokkban helyet kapó láncfeszítőről is. A tanulmány ismerteti az adott konstrukció előnyeit, gyárttatási lehetőségeit és felhasználásának módjait a járműiparban.

1. • SZEngine motorfejlesztő csapat

Projektünket az Audi Hungaria Belső Égésű Motorok Tanszéke az Audi Hungaria motorfejlesztési részlegével közösen hívta életre 2008 év végén. Csapatunk a világon teljesen egyedülállóan egy versenymotort tervez, gyárt, illetve fejleszt a Formula Student versenysorozatban szereplő csapatok számára. A Formula Student egy különleges és egyedi verseny. A felsőoktatásban tanuló mérnökhallgatók feladata egy együléses versenyautó tervezése és megépítése, mellyel a versenypályán kell bizonyítaniuk rátermettségüket. A legtöbb csapat kereskedelmi forgalomból szerzi be motorjait, melyek csak komoly átalakítások után lesznek alkalmasak a versenyzésre. Ezzel szemben a mi csapatunk egy speciális, innovatív, kimondottan a versenysorozat szigorú szabályaihoz optimalizált motort fejleszt. Ezért a SZEngine egyedi módon kapcsolódik a sorozathoz.

A csapat életének első nagy mérföldköve a 2012-es novemberi motorbemutató volt, amire összeszereltük az első-generációs, saját fejlesztésű, egyedi, egyhengeres motorunkat, az EVO1-et. Később sikerült eggyel magasabb fokozatba lépnünk, így 2013 novemberében bemutattuk az EVO2-es motort a nagyközönség számára. A harmadik-generációs motorunkat kevesebb, mint egy év alatt sikerült megterveznünk. Az EVO3 motorbemutatója 2014 decemberében került megrendezésre. A korábbi évekhez képest ez másképp zajlott le, hiszen elértünk arra a szintre, hogy új fejlesztésű motorunk tesztautónkban gurulhatott a vendégek elé, ezzel hatalmas meglepetést okozva.

A motorbemutató után, a tavasz folyamán szüntelenül folytak a tesztelések görgős fékpadon és aszfalton is. Ezekből a tesztelésekből a tapasztalatokat felhasználva megkezdődött az EVO4 tervezése, majd pedig gyártása is. 2015 őszén összeszerelésre került, mely után megkezdődtek tesztjei saját fejlesztésű fékpadunkon. 2015 decemberében pedig a nagyközönségnek is bemutattuk, ahol ismét egy meglepetésünk volt a vendégek számára, hiszen már mérési eredményeink is voltak a legújabb motorunkról. Jelenleg a legfrissebb specifikáció az EVO6 kódnevet viseli, melynek műszaki paramétereit az 1. táblázat foglalja össze.

	Furat x löket: 95 mm x 76 mm
	Lökettérfogat: 538 ccm
	SOHC szelepvezérlés
	24,2 fokban döntött henger
	Integrált olajrendszer
	Kompresszió viszony: 15.5:1
	Nyomaték / teljesítmény: 55 Nm / 57 LE

1. táblázat: Az EVO6 műszaki paraméterei

Célunk a Formula Student versenysorozatra optimalizált motor fejlesztése, gyártása és biztosítása több csapat számára is. Ezzel egy időben folyamatos célunk olyan mérnök-, közgazdász-, illetve jogászhallgatók gyakorlatorientált képzésének biztosítása, akik az itt megszerzett tudással felvértezve hatalmas előnyre tehetnek szert a munka világában.

1. ábra: A SZEngine motorfejlesztő csapata

1. • Formula Student

A Formula Student (továbbiakban FS) egy világszerte megrendezésre kerülő egyetemi és főiskolai versenyautó építő verseny. Idéntől a járműkategóriák száma is bővült, mivel a belsőégésű motorral és az elektromosan hajtott versenyautók mellett megjelentek a „driverless” (autonóm) járművek is a versenyszámokban. 2010-től Magyarországon is rendeznek versenyeket, melyek 2010 és 2017 között Gönyűn kerültek megrendezésre, 2018-tól az FS East-nek a zalaegerszegi ZalaZone tesztpálya ad otthont. A zalaegerszegi tesztpálya teljesen egyedülálló, mivel a vezethetőségre és menetstabilitásra koncentráló hagyományos tesztpálya funkciók a jövő járműveire fókuszáló kutatás-fejlesztési infrastruktúra elemeivel együtt valósulnak meg. A tesztpálya egyedisége, hogy nemcsak a hagyományos járműdinamikai tesztek elvégzésére nyújt lehetőséget, hanem az autonóm (önvezető) járművek, továbbá az elektromos járművek validációs vizsgálatait is lehetővé teszi. A zalaegerszegi tesztpálya azzal a céllal készült, hogy hozzájáruljon a hazai járműipari kutatás-fejlesztés kapacitásának növeléséhez. 2018-tól egyesült ez az egyedülálló tesztpálya egy különleges versenysorozattal.

A versenysorozat célja, hogy a hallgatók az együléses versenyautó tervezése és gyártása alatt olyan ismereteket szerezzenek, melyek kamatoztathatók lesznek pályakezdőként. A szakmai és gyakorlati tudás elmélyítése mellett lehetőség van a kommunikációs és a problémamegoldó képességük (angolul ezek az ún. „soft skills”-ek) fejlesztésére. Ennek elsődleges oka, hogy a versenyhétvégéken nemcsak dinamikus versenyszámok szerepelnek, hanem statikusak is. Ezen versenyszámok jelentős részét teszik ki a végső pontozásnak, ahol többek között a jármű költségtervét, műszaki terveit és azok megvalósítását kell prezentálni (angolul: Cost Event, Engineering Event, Business Plan). Egy FS hétvége versenyszámait és azok részarányát és súlyozását a pontozásban a 2. ábra mutatja be.

2. ábra: Formula Student versenyek pontozása

A statikus versenyszámok mellett fontos szerepet kapnak az autó teljesítményét, kezelhetőségét és megbízhatóságát próbára tevő dinamikus versenyszámok is. Ide tartozik a gyorsulás (Acceleration), a „skid pad”, az „autocross”, a tüzelőanyag takarékosság (Fuel Economy) és a legnagyobb jelentőséggel bíró „endurance”. A „skid pad” versenyszám során a versenyautó kanyarsebessége kerül megmérettetésre egy nyolcas alakú pályán, míg az „autocross” versenyszámban egy kört kell megtenni minél gyorsabban a leendő „endurance” pályán. Az „endurance” versenyszámban a járműnek 22 kilométert kell megtennie úgy, hogy féltávon pilótát kell cserélni, továbbá a versenyautónak újra kell indulnia önerejéből. A körülmények komplexitását az is fokozza, hogy az átlag versenymotoroktól eltérően, ebben a versenysorozatban a tüzelőanyag-fogyasztás is górcső alá kerül.

Ebben a versenysorozatban szerepel a SZEngine motorfejlesztő csapata is, az Arrabona Racing Team járműépítő csapat kooperációjában. Idén a két csapat Magyarországon, Ausztriában és Németországban fog versenyezni.

1. • Formula Society of Automotive Engineers (FSAE) szabályzat

Mérnöki versenyről lévén szó, itt is megtalálható egy olyan komplex és átfogó versenyszabályzat, mely a versenyautó minden részegységét magába foglalja szabályosság és szabálytalanság tekintetében. Ennek ellenére fontos megjegyezni, hogy a szabályok elsődleges célja a hallgatók megóvása. A továbbiakban csak azok a fontos megkötések kerülnek megemlítésre, melyek kizárólag a versenymotorra és annak szívórendszerére vonatkoznak.

A szabályzat előírja, hogy minden belsőégésű motornak négyüteműnek kell lennie, továbbá annak maximális hengerűrtartalma 710 köbcentiméter lehet. Ez a számérték a SZEngine csapat versenymotorjában az idei löketnövelés után 536 köbcentiméterre ugrott. A teljesítmény korlátozására a versenyalkotók megkövetelik egy szűkítő beépítését a szívórendszerbe, melynek nagysága attól függ, hogy az adott csapat a versenymotor üzemeltetése során 100-as oktánszámú benzint vagy etanolt (E85) használ. Benzin használata esetén 20 milliméteres átmérőjű szűkítőt kell beépíteni, míg etanol esetén 19 milliméterest. A SZEngine motorfejlesztő csapat az EVO6 kódnevű versenymotorját etanollal (E85-tel) működteti. Ezen a szűkítőn kell áthaladnia a teljes beszívott légmennyiségnek, valamint a szívórendszer elemeinek sorrendjét is előírja a szabályzat. A szívórendszer helyes sorrendje szívómotor esetén: fojtószelep – szűkítő – belsőégésű motor. A szívórendszer sorrendbeli felépítése a 3. ábra látható.

3. ábra: Szívórendszer szerkezeti felépítése

Két fontos szabály megemlítésre került már a szívórendszerrel kapcsolatban (a szűkítő beépítésének szükségessége, illetve a szabályzat által előírt szerkezeti felépítés követése), de fontos kritérium, hogy a szabályzat alapján behatárolt felületekbe el kell férnie a szívórendszernek. Ez a határfelület nem más, mint a négy kerék külső pereme, illetve a bukócső felső része által behatárolt gúla. A szívórendszer összes részegységét a képzeletbeli gúla határain belül kell lehelyezni. Ezt a határfelületeket a 4. ábra szemlélteti.

4. ábra: A versenyszabályzat által meghatározott határfelületek

Ez a három legfontosabb szabály, mely nagyban befolyásolja a szívórendszer tervezését, de meg kell említeni, hogy ez a szabálylista kitér a szívórendszer legyártására és a motorra való helyezésének részleteire is.

2. Az EVO6 szívórendszere

A szívórendszer feladata mind a gépjárművek, mind a versenymotorok esetében a levegő eljuttatása a hengerhez, valamint többhengeres motorok esetén annak elosztása a hengerek között. A szívórendszer feladata továbbá a beszívott levegő tisztítása, mennyiségének mérése és a külső keverékképzés esetén a levegő és a tüzelőanyag homogén keverékének előállítása. Az ideális szívórendszer növeli a hengerbe juttatott oxigén mennyiségét, a beáramlási sebesség vagy a levegő sűrűségének növelésével.

Egy FS motor esetében a szívórendszernek a szűkítő okozta levegőmennyiség-csökkenést a lehető legjobb hatásfokon kell pótolni. Ezt az áramlásban kialakuló turbulenciák, valamint további szűkítések minimalizálásával lehet elérni. Az áramlástanilag optimális szívórendszer ellenállása, vagyis annak áramlási vesztesége a lehető legalacsonyabb. Ez a veszteség nyomásesést idéz elő, amelynek minimalizálásával a motor töltetcsere-vesztesége kisebb lesz, valamint a töltési fok és a fajlagos tüzelőanyag fogyasztás is javulni fog. A pozitív áramlástani tulajdonságok mellett egy FS motoron elhelyezett szívórendszerrel szemben további elvárások is megfogalmazódnak. Meg kell felelnie a szabályzatban előírtaknak, valamint törekedni kell a lehető legkevesebb súlybevitelre. Az EVO6 szívórendszerét az 5. ábra mutatja be.

5. ábra: EVO6 szívórendszer

A szívórendszer egységeinek gyártása során a csapat a 3D nyomtatással kapcsolatban szponzori támogatást vett igénybe, valamint Arrabona Racing Team-es segítséggel elkészítette a karbonszövetből álló laminált változatot is. A 3D nyomtatott szívórendszer minden esetben a tesztautón történő tesztelések és a fékpadi mérések során volt használandó, mivel a versenyeken a versenyautóra a laminált szívórendszer került. A 3D nyomtatott szívórendszer alkalmazási területe miatt elengedhetetlen, hogy szerelhető legyen, erre a tervezés során kellett figyelmet fordítani. Ezzel szemben a laminált szívórendszer a tömegoptimalizáció miatt ragasztással készült el, hogy a csavarok tömege is megspórolható legyen, de emiatt a csapat elvesztette a szerelés lehetőségét.

Az EVO6 szívórendszerének részegységei

Az áramlást követve az első építőelem a légszűrő, amely, mint már említésre került, légtisztítás céljából van felszerelve. A következő elem a fojtószelep, amely szabályozza a levegő beáramlását a szívórendszerbe. A szabályzatban előírt szűkítőt egy konfúzor és egy diffúzor fogja közre, amelyek a leválások elkerülése érdekében kerültek beépítésre. Ezen három elem egyben alkotja a szűkítő részt. A szívórendszer fő építőeleme a levegőtartály (másnéven airbox vagy plenum), mely összeköti a szűkítő részt a szívócsővel. Ebben az optimálisabb áramlás elérése érdekében elhelyezkedik egy levegő-tölcsér, amely már a szívócsővel van összeköttetésben. A hengerfejet a szívórendszer többi részével a szívócső köti össze, ez a rendszer utolsó eleme, amin a levegő áthalad az égéstér felé haladva.

1. 1. • Légszűrő

A légszűrő feladata a motorba esetlegesen bekerülő szennyeződések szűrése. Az optimális légszűrő ezen feladat elvégzése mellett a lehető legkevesebb fojtást viszi a rendszerbe. A választás az EVO6-nál a Stage6 dupla rétegű sport légszűrőre esett, mivel a termékeik között található olyan, aminek az átmérője illeszkedik a levegőtölcsér peremére. A Stage6 légszűrő alapanyaga egy speciálisan kifejlesztett poliuretán hab, ami a két egymást átfedő különböző szivacsréteg miatt jó levegőáteresztő képességgel és magas szűrő hatásfokkal rendelkezik. Ennek a megoldásnak köszönhetően a szűrő teljesítménye és élettartalma is jobb, mint a hagyományos papíré. A Stage6 sport légszűrő a 6. ábraán látható.

6. ábra: Stage6 dupla rétegű sport légszűrő

 

1. 1. • Fojtószelep

7. ábra: Az EVO6 fojtószelepe

Otto motoroknál a fojtószelep az az alkatrész, amely a gázpedállal összeköttetésben van, és annak használatával van kontrollálva. A gázpedál lenyomásával a fojtószelep nyit, ami több levegő, és így több mennyiségű üzemanyag bejuttatását segíti elő a szívórendszerbe, majd az égéstérbe. A fojtószelep és a gázpedál közötti összeköttetés történhet bowden segítségével, vagy elektronikus úton. Az ideális elhelyezés a fojtószelep szempontjából a szívótorok előtt lenne, ugyanis ez esetben az áramlási veszteségek és a gázreakció is a legminimálisabb. Az FS szabályzat azonban előírja a szűkítő beépítését a fojtószelep és a motor közé, így ez a kialakítás nem használható. Az EVO6 fojtószelepét a mutatja be.

1. 1. • Szűkítő

A szívórendszer szabályzat szerinti legfontosabb eleme a bevezetésben említett szűkítő, melynek nagysága függ a használt tüzelőanyagtól. A szűkítő az airbox és a fojtószelep között helyezkedik el. Fontos megemlíteni a szűkítő előtti, illetve az utáni átmérő változást. Ahhoz, hogy az áramlásban ne keletkezzenek leválások, és a veszteségek a lehető legalacsonyabbak legyenek, a szűkítő átmérőjére való szűkülés foka nem haladhatja meg a 10-11 fokot. Az ez alatti értékek a konfúzoroknál a legideálisabbak. Hasonló mondható el a szűkítőt követő átmérő tágulásáról is, itt a 7-8 fokos tágulás kedvező. Ezek az értékek az optimális diffúzorok kapcsán kerülnek megemlítésre a szakirodalomban.

Az említett értékeknél az áramlásban nem keletkeznek leválások, így elméleti szinten veszteségek sem lépnek fel. Fontos azonban megemlíteni, hogy az értékek betartása mellett a kellően sima, egyenletes felület kialakítása elengedhetetlen a leválás elkerüléséhez, erre a gyártásnál kell kellően nagy figyelmet fordítani. A szűkítő teljes hosszának kialakítása, valamint az átmérői igazodtak a szívórendszer egyéb elemeihez. Ez által a konfúzor nagyobb átmérője ugyanakkora, mint a fojtószelep átmérője, valamint a hossz úgy lett kialakítva, hogy a szívórendszer könnyedén rögzíthető lehessen a menet közben magas torlónyomással rendelkező részhez, az autó legtetejéhez.

1. 1. • Airbox

Kezdetben a motorok a környezetből közvetlenül szívták el a levegőt minden egyes hengerhez. A mai modern motorok már egy tartályba szívják a levegőt, amely azt tovább tereli az egyes hengerek felé. Ez a tartály az airbox, amely a 60-as években jelent meg versenysportokban és a mai napig fontos építőeleme például a Formula 3 szívórendszereinek. Az airbox célja, hogy teret biztosítson a töltőlevegőnek, ahol az le tud lassulni. Ennek következtében a levegő sűrűsége megnő, amely a motor jobb volumetrikus hatásfokához vezet. Mindemellett segít elszigetelni a szívócsövekből érkező nyomáshullámokat, ami egy kívánatosabb, simább áramláshoz vezet a szűkítőnél. A tartály lelassítja a levegőt, aminek kinetikus energiája átalakul, és növeli a statikus nyomást az airboxban. Ha a levegőt összenyomhatatlannak tekintjük, és felhasználjuk a Bernoulli-egyenletet, ez könnyen kiszámítható, és az is láthatóvá válik, hogy a nyomás a levegő lelassulása miatt növekedik meg. A tartály elég széles térfogat méretek között effektív lehet, de általánosságban elmondható, hogy az airbox térfogatát alulról az elérhető töltési fok, felülről pedig a gázreakció határolja.

A térfogat helyes megválasztása nagy kihatással van a szívórendszer és a motor működésére. A szakirodalom alapján, növelve az airbox méretét az elérhető teljesítmény is emelkedni fog. Ezen megfontolásból idén mind az airbox geometriája, mind az airbox térfogata megváltozott. Térfogatnövelés történt tavalyhoz képest, mivel a levegőtároló plenum 5 literesre duzzadt. Emiatt viszont módosítani kellett a geometrián, hogy a szívórendszer beférjen a szabályzat által meghatározott határfelületekbe. A tesztek alapján világossá vált, hogy az airbox térfogatának növelésével növelni lehet a motor teljesítményét.

A minél nagyobb térfogat megválasztása ellen azonban több érv is felmerült. A jelentős méretnöveléssel az elhelyezhetőség is nagyban bonyolódna, azonban ennél sokkal fontosabb tényező a gázreakció kérdésköre. A méret növelése nagy hatással van az autó reakciójára gázadás szempontjából. Mivel a fojtószelep az airbox és a szűkítő előtt, a szívórendszer legelején helyezkedik el, így a szűkítő okozta kedvezőtlen hatás itt is érvényesül. Minél nagyobb a térfogat, annál lassabban fog változni a nyomás, és így az áramlás is, tekintve a fojtószelep állását. Egy versenyautóban, ahol a motor terhelése nagyon gyorsan változik, ez nem elfogadható. A Formula Student versenypályák általában technikásak, tele kanyarokkal, ami indokolja a sok és gyors terhelésváltozást. A motor gázreakciójának nagy növekedése sok nehézséget okozhat a pilótának, és értékes másodpercekbe kerülhet a versenyen. A felsorolt tényezők miatt az airbox térfogata meghatározásánál kompromisszumra volt szükség, hogy mérete elegendő legyen a henger ellátásához, de ne legyen túl nagy a fojtószelep reakció szempontjából. A 7. ábra szemlélteti az EVO6 airboxának geometriáját, mely tömítőhornyot, merevítő bordákat és a szerelhetőség szempontjából nélkülözhetetlen csavarfuratokat is tartalmaz.

7. ábra: 3D nyomtatott airbox

1. 1. • Szívócső

A levegőtartályt a motorral összekötő elem a szívócső (angolul: Intake Runner). Ezen szívócső szempontjából fontos volt meghatározni a paramétereket, hogy a tervezési folyamat folytatódni tudjon. Az átmérő, illetve a hossz behatárolása volt különösen fontos, hiszen ezek kihatnak a motor viselkedésére, valamint a szívórendszer térbeli elhelyezkedésre. Általánosságban elmondható, hogy hosszabb és szűkebb szívócsövek alsó fordulatszám tartományba való optimalizálásra kedvezőek. Ennek oka, hogy a hosszabb csőben kialakuló nyomáslengéseknek alacsonyabb a frekvenciája, így optimalizálva azokat a hosszabb időt igénybe vevő szelepnyitásra. A szűkebb keresztmetszetű cső a beáramló levegő sebességét növeli, elősegítve a henger töltését és a homogénebb töltet létrehozását. Ugyancsak elmondható, hogy a felsőbb fordulatszámokra a rövidebb és nagyobb átmérőjű szívócsövek optimálisak. A rövidebb csőhossz jóvoltából a nyomáshullámok frekvenciája magasabb, és a nagyobb átmérő kevesebb szűkítést fejt ki a magas fordulatszámokon kialakuló legintenzívebb levegőáramra.

8. ábra: 3D nyomtatott szívócső

A szívócső gyártatása során a legfontosabb paraméterek a hossz és a szívótölcsér alakja volt. A motor helyes hangolása során (magas, illetve alacsony fordulatszámon is megfelelő nyomatékkal rendelkezzen) arra a megállapításra jutott a csapat, hogy a 230 milliméter hosszú szívócső optimális az EVO6 számára. A szakirodalom szerint a szívótölcsér alakja azért fontos, mert akkor a legjobb a szívási hatásfok, ha a tölcsér geometriája három sugárból van leképezve. Ezen szempontokat figyelembe véve lettek gyártatásra küldve a szívócsövek, megfelelő számban. A 3D nyomtatott szívócső került a laminált és a 3D nyomtatott szívórendszerbe egyaránt.

1. 1. • Segédberendezések

A motor megfelelő működéséhez a motorvezérlőnek állandó kapcsolatban kell lennie pár, a szívórendszerben elhelyezett szenzorral. Ezek jeleit felhasználva a motorvezérlő képes korrigálni a motor vezérlésén, így optimalizálva azt a körülményekhez. Az egyik szenzor a fojtószelep pozíciójáról ad jelet. Ezt a jelet, valamint a fordulatszám értékét felhasználva tudja a vezérlő meghatározni a pillanatnyi pozíciót az előre felírt befecskendezési, előgyújtási, illetve korrekciós térképeken. Egy másik szívórendszerben lévő, az airboxban elhelyezett szenzor a levegő hőmérsékletét jelzi. A mért érték alapján a vezérlő az előgyújtás értékét változtatja. A versenyek főleg nyáron zajlanak, így könnyedén előfordulhat magas levegő hőmérséklet, amely az előgyújtás értékének csökkentése nélkül kopogásos égéshez vezethet. A szenzorokon kívül a szívórendszer, pontosabban az airbox, összeköttetésben van egy nyomásszabályzóval. A szívórendszerben előforduló nyomásváltozások így hatással vannak a nyomásszabályzó membránjára, aminek segítségével a szabályzó az üzemanyagnyomást változtatja. Ezt a megoldást használva az üzemanyagrendszer közvetlen összeköttetésbe kerül a szívórendszerrel, amely a membránnak köszönhetően szinte késedelemmentesnek mondható. Az üzemanyag befecskendezésére a csapat a KTM által gyártott 450SXF motor injektorát felhasználta fel, mellyel a nyitott szelepekre és szeleptányérokra történik a befecskendezés.

3. Elkészült szívórendszer
   

• 3D nyomtatott szívórendszer összeszerelése

Miután bemutatásra és gyártásra kerültek az EVO6 szívórendszerének részegységei, elkezdődött a 3D nyomtatott szívórendszer összeszerelése. Ezen folyamat során több, mint 50 darab M5x10-es belső kulcsnyílású csavar és tömítőpaszta biztosította, hogy a versenymotor ne szívjon „fals” levegőt, mely a levegő-tüzelőanyag arányra lenne kedvezőtlen hatással.

9. ábra: Kész 3D nyomtatott szívórendszer az EVO6 versenymotorhoz

A szerelés/szerelhetőség mellett a csapat nagy gondot fordított a 3D nyomtatott szívórendszer festésére és dizájnjára is. A szívórendszert a csapat a műhelyében fújta piros és ezüst színűre. Mindkét festéket több rétegben vitték fel, majd lakk réteg is került a 3D nyomtatott alkatrészekre. Mind a festék, mind a lakk üzemanyagálló tulajdonsággal rendelkezik, melynek szerepe a szívócsövön található injektor le- és felszerelése során kap jelentőséget.

Miután elkészült, a csapat saját fejlesztésű motortesztpadján, az EVO6-s motor applikációs tesztjein került használatra a darab. Ezen teszteket sikeresen elvégezte a csapat, majd behelyezték a motort a tesztautóba, ahol folytatódtak a tesztek.

 

1. • Szívórendszer használata/ tesztelése

With the completion of the 3D printed intake system, it was used for the first time in the application tests of the EVO6 engine on the engine test bench developed by the SZEngine team. After these tests were successfully completed by the team, the engine was placed in the test car, where the engine-related tests continued. After the successful tests in the test car, the production of the laminated intake system began, in which the intake pipe was still a 3D printed element. While the production of the carbon intake system was taking place, the tests continued with the Arrabona Racing Team racing car, in which the 3D printed intake system was still installed. With the completion of the laminated suction system, the part made with lamination was inserted instead of the printed suction system. During one of the tests, due to an electrical fault, the fuel burned back, which caused an explosion in the airbox, thus also damaging the intake pipe produced by printing. The damaged elements are shown in Figure 10. Damaged intake pipe and airbox.

At that time, the printed intake system was returned to the racing car. With the races approaching, there was little time left to get a carbon intake system back into the car. The supporter of the SZEngine team, Varinex Informatikai Zrt., provided enormous help in this, and with its flexibility and quick support, it produced the new intake pipes in a very short time. In this way, the laminated intake system could be completed again before the competitions. After the races, the 3D printed intake system is further used on the engine test bench and in the test car, where it is used for additional engine runs.

Figure 10. Damaged intake pipe and airbox

4. Chain tensioner

As mentioned in the introduction, the other main topic of the study, besides the intake system, is the chain tensioner. The role of the chain tensioner in the engine is to tension the timing chain and guide it. One of the most important changes to this year’s engine is the stroke increase, which aims to increase the performance of the EVO6, thereby increasing the stroke from 72 mm to 76 mm. None of the commercially available timing chains were suitable for matching the stroke increase, as only longer or shorter chains are available from the manufacturers. The solution that arose was the purchase of a longer timing chain, from which the desired timing chain length could have been achieved except for the chain link. However, the idea is not feasible, because the chain links can only be removed in pairs, so it is not possible to produce the required length.

After examining the possibilities, the team decided to redesign the chain tensioner by using a factory timing chain. Due to the complex geometry and uniqueness of the part, the possibility of 3D printing was discussed first, as this process allows for production with low material input and high precision. The supporter of the SZEngine team, Varinex Informatikai Zrt., helped in the production. The chain tensioner and the parts of the intake system described above were made with SLS technology, with a layer thickness of 100 microns. The raw material of the new parts is PA2200 polyamide powder, which can sustain up to 160°C. 3D printed chain tensioners are illustrated in Figure 11.

Figure 11. The finished 3D printed chain tensioner and an element of the suction system

 

Operating conditions

During the operation of the engine, various forces and thermal effects are applied to the components that control the charge exchange. It is no different with the chain tensioner. The EVO6 racing engine delivers its maximum power at 8,000 rpm, where the chain tensioner is most exposed to friction and thermal stress. During a long load, the temperature of the oil can reach up to 140°C, but this value can climb even higher at full load.

1. • Using the chain tensioner

The parts currently have 20-22 operating hours, most of which were spent on the brake bench. In addition to dynamometer measurements, it performed well in car tests, which is why it was installed in the FS East competition held in Hungary. The component does have wear, which can also be seen in Figure 12, but the signs of wear are mostly found in the upper part of the chain tensioner. This part of the chain tensioner meets the timing chain first, where the greatest force is applied and where the greatest friction occurs. The seemingly few operating hours are not so few for an engine optimized for Formula Student racing. Slight wear during operating hours is not considered abnormal, so they can be used in further tests or even competitions.

Figure 12. Possible wear and tear due to use

5. Summary

In this technical documentation, the history and present of the SZEngine engine development team was presented, and then the study presented the Formula Student racing series. He also detailed the competition numbers and the competition rules for the internal combustion engine and intake system. After that, the reader was able to familiarize himself with the intake system of SZEngine’s latest specification EVO6 racing engine and its individual components. Regarding the components, we talked about production/manufacturing, assembly/installability, and how the final design of the completely 3D printed intake system, which the team uses on its own test car and on the brake bench, got its final design. Chapter 4 also discussed the engineering problem caused by the stroke increase, which entailed changing the length of the timing chain and designing a new chain tensioner.

6. Thank you

At the end of our work and with the racing season approaching, he would like to thank all the sponsors of the SZEngine engine development team, who helped the team to test its racing engine at the Formula Student races this year, among which it will participate in Hungary, Austria and Germany this year.

Since the central topic of this study was the intake system and the chain tensioner made with 3D printing, we would like to say a special thank you to the engineers and employees of Varinex Informatikai Zrt. chain tensioner became necessary. Thank you for the fast, precise and high-quality work, for which we can count on them even in unexpected situations, as well as for the persistent support!