BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING PÍST ČTYŘDOBÉHO VZNĚTOVÉHO MOTORU O VÝKONU 80 KW PISTON FOR 80KW 4-STROKE CI-ENGINE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE JAN VOSTREJŽ AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BRNO 2009 Ing. DAVID SVÍDA

2 Prohlášení Prohlašuji, že tuto bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně, pod vedením vedoucího bakalářské práce pana Ing. Davida Svídy a s použitím předepsané literatury. Poděkování Za účinnou podporu a obětavou pomoc, cenné připomínky a rady při zpracování bakalářské práce tímto děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Davidu Svídovi. Dále bych chtěl poděkovat svým rodičům za podporu při studiu na vysoké škole.

3 Anotace Tato bakalářská práce se zabývá návrhem pístu pro čtyřdobý vznětový motor o výkonu 80 kw. Cílem práce je stanovit hlavní rozměry motoru, pístu a klikového mechanismu a pevnostní kontrolou kritických průřezů pístu. Součástí této práce je i výkresová dokumentace pístu pro vznětový motor. Klíčová slova: píst, motor, klikový mechanismus, stírací kroužek, těsnící kroužek, namáhání. Annotation This bachelor thesis deals with a piston design for a four-stroke spark-ignition engine with the power of 80kW. The aim of this thesis is to determine main proportions of the engine, the piston, the crank mechanism and to perform a solidity check of the critical piston crosscuts. The thesis also contains a design documentation of the piston for the spark-ignition engine. Key words: piston, motor, crank mechanism, scraper ring, gasket, straining

4 Seznam použitých symbolů Úvod Pístní skupina čtyřdobých vznětových motorů Píst Základní rozdělení pístů pro vznětové motory Motory s přímým vstřikem paliva Tvary spalovacích prostor Motory komůrkové Chlazení pístu Způsoby chlazení pístu Chlazení dna pístu nástřikem oleje Chlazení pístu chladícím kanálem Pístní kroužky Vlastní návrh pístu Základní parametry Výpočet jednotlivých částí Výpočet zdvihového objemu jednoho válce Výpočet středního efektivního tlaku Výpočet objemového ( litrového ) výkonu Výpočet zdvihového poměru Výpočet střední pístové rychlosti Návrh hlavních rozměrů pístu Návrh výšky pístu Hp Návrh kompresní výšky pístu HK Návrh výšky pláště pístu Hpl Návrh výšky prvního můstku Hm Návrh výšky druhého můstku Hm Návrh vzdálenosti čel nálitků pro pístní čep HO Návrh tloušťky dna pístu δ Návrh průměru pístního čepu Dč Návrh průměru pístního čepu Hč Drážky pro pístní kroužky Radiální vůle pístního kroužku První pístní kroužek těsnící a radiální vůle prvního pístního kroužku Druhý pístní kroužek těsnící a radiální vůle druhého pístního kroužku Třetího pístní stíracího kroužku a radiální vůle třetího pístního kroužku Axiální vůle pístního kroužku Axiální vůle prvního těsnícího kroužku Axiální vůle prvního těsnícího kroužku Axiální vůle stíracího kroužku Drážka pro stírací pístní kroužek... 30

5 Tloušťka stěny pláště pístu Pojištění axiální polohy pístního čepu Pojišťovací kroužek Drážka pro pojišťovací kroužek Boční křivka pístu Základní rozměry klikového mechanismu Silový rozbor klikového mechanismu Maximální síla od tlaku plynu Fp,max Maximální setrvačná síla Fs,max Celková maximální síla Fc,max Maximální normálová síla Fn,max.( Fb,max) Pevnostní kontrola pístu Pevnostní kontrola dna pístu Maximální ohybový moment Moment odporu v ohybu (průřezový modul) Maximální ohybové napětí Nejslabší místo pláště pístu Namáhání tlakem Tahové napětí Měrný tlak na plášť pístu Můstek mezi prvním a druhým těsnícím kroužkem Ohybové napětí ve vetknutém můstku Smykové napětí Výsledné redukované napětí Závěr Seznam použité literatury Seznam příloh Přílohy... 47

6 Seznam použitých symbolů a cs D d1 d2 Dč dd1 dd4 DI DII DIII dn dp2 dp3 DR dr e FC,max Fm Fn,max Fp,max Fs, max h1 Hk Hm1 Hm2 Ho Hp Hpl i k Loj Lpl Mo, max mp1 mx n pe Pe Pl [m.s-1] [N] [N] šířka pístního kroužku střední pístová rychlost vrtání válce motoru vnější průměr pístního kroužku vnitřní průměr pístního kroužku průměr pístního čepu průměr pístního čepu průměr drážky pro pojistný kroužek průměr pístu po korekci ovality v místě 1 průměr pístu po korekci ovality v místě 2 průměr pístu po korekci ovality v místě 3 průměr drážky pro pístní kroužek šířka pojistného kroužku průměr pojistného kroužku vnější průměr pístního kroužku v zamontovaném stavu vnitřní průměr pístního kroužku v zamontovaném stavu šířka drážky pro pojistný kroužek výsledná síla působící na píst ve směru osy pístu výsledný silový účinek na můstek mezi 1. a 2. pístním kroužkem [N] maximální velikost normálové síly [N] maximální síla tlaku plynů [N] maximální setrvačná síla výška pístního kroužku kompresní výška pístu výška prvního můstku výška druhého můstku vzdálenost mezi nálitky pro pístní čep výška pístu výška pláště pístu [-] počet válců [-] zdvihový poměr délka ojnice nosná délka pláště pístu [Nm] maximální ohybový moment vůle pojistného kroužku [kg] hmotnost koruny pístu nad řezem x - x -1 [min ] jmenovité otáčky motoru [Pa] střední efektivní rychlost [W] výkon motoru -1 [kw.l ] litrový výkon motoru 7

7 pmax ppl r rk S S1 Sp Vm Vz Wo Z [Pa] [Pa] [mm2] [m3] [m3] [m3] maximální tlak působící na dno pístu měrný tlak na plášť pístu poloměr vetknutí (podepření) desky poloměr klikového hřídele průřez v místě vetknutí vůle pístního kroužku radiální vůle pístního kroužku zdvihový objem motoru zdvihový objem jednoho válce moment odporu v pohybu zdvih pístu α [ ] úhel nato čení klikového hřídele β [ ] úhel svírající osu pístu s osou ojnice δ tloušťka dna pístu δmin minimální tloušťka stěn pístu λ [-] ojniční poměr σo, max [Pa] maximální ohybový moment σred [Pa] výsledné redukované napětí σt [Pa] dovolené tahové napětí σtl, max [Pa] maximální tlaková síla od tlaku plynů τ [Pa] smykové napětí τm [-] ωmax taktnost motoru -1 [min ] maximální otáčky motoru 8

8 1.Úvod První vznětový motor byl vynalezen německým vynálezcem Rudolfem Dieslem, při pokusu o praktické uskutečnění ideálního Carnotova oběhu. Tento motor má ze všech doposud realizovaných tepelných motorů nejvyšší tepelnou účinnost. V roce 1892 získal na tento vznětový motor patent. Motor prokázal vysokou ekonomičnost, ale pro značné rozměry, hmotnost a složitost vysokotlakého kompresoru, který byl u prvních Dieslových motorů použit k dopravě paliva do válce v proudu stlačeného vzduchu, byly tyto motory používány, jako motory stabilní nebo motory lodní. Teprve náhradou kompresoru vstřikovacím čerpadlem umožnila zmenšení rozměrů a snížení celkové hmotnosti motoru tak, aby byl použitelný i ve vozidlech. Roku 1910 vyřešil James Kechnie, problém přímého vstřiku paliva do válce motoru. Vznětový motor dále zdokonalil americký vynálezce Charles F. Kettering. Motor pracuje tak, že do spalovacího prostoru se nejprve nasává vzduch (sání) při tlaku 0,08-0,085 MPa. Po uzavření sacího ventilu se nasátý vzduch stlačuje (komprimuje), píst se pohybuje směrem k horní úvrati, jeho teplota roste na C a tlak stoupá na cca 3 až 4 MPa (při kompresním poměru okolo 1 14 až 20, tohoto poměru se docílí tím, že zdvih pístu je větší než jeho průměr, to znamená, že vznětové motory jsou vždy tzv. nadčtvercové ). Před horní úvratí je tryskou do válce vstříknuta čerpadlem pod tlakem (10 20 MPa, při použití Common rail nebo PD (Pumpe Düse) MPa) přesně odměřená dávka paliva (obvykle nafta, či stlačený zemní plyn), která je jemně rozprášena. Palivo začne hořet samovznícením ve vzduchu ohřátém kompresí. Tlak ve spalovací prostoru stoupne na 5-8 MPa, teplota dosáhne C. Ve fázi expanze je pak vzniklý tlak převeden na mechanickou práci. V poslední fázi (výfuk) se otevírá výfukový ventil a spaliny jsou vytlačeny do výfuku. Protože píst vznětového motoru je namáhán jak mechanicky tak i tepelně je jeho návrh a výpočet značně komplikovaný. Všechny výpočty jsou pouze návrhové a zjednodušené. Skutečné hodnoty by bylo třeba ověřit např. softwarově nebo experimentálně. 9

9 2. Pístní skupina čtyřdobých vznětových motorů Pístní skupina obsahuje píst s těsnícími a stíracími kroužky, pístním čepem a pojistkami. Na jednotlivé prvky pístní skupiny, ale i jako na celek jsou kladeny následující požadavky : zabezpečení přenosu síly od tlaku plynů na ojnici, zachycení boční síly vyvolané klikovým mechanizmem a její přenos na stěnu válce, utěsnění spalovacího prostoru tak, aby byl omezen únik spalin do klikové skříně motoru a průnik motorového oleje do spalovacího prostoru, zabezpečení odvodu tepla ze dna pístu do chlazených stěn spalovacího prostoru, u dvoudobých motorů řídí rozvodové orgány pro výměnu náplně Píst Základní rozdělení pístů pro vznětové motory Vznětové motory se v současné době dělí na dva základní typy a to na vznětové motory s přímým vstřikem a na vznětové motory komůrkové. V posledních letech se u vznětových motorů nejvíce používají přeplňované motory s přímým vstřikem paliva se čtyř ventilovou technikou a OHC nebo DOHC rozvody. Obr. 1 znázorňuje rozdělení a používání jednotlivých motorů v roce Obr. 1 Motory osobních automobilů vyráběné v roce 2003 [1] Z obr. 2 je vidět, že největší zastoupení mají čtyřválcové řadové motory. Ve větším počtu se používají šestiválcové vidlicové motory. 10

10 Obr. 2 Počet válců zážehových motorů s vícebodovým vstřikem [2] Motory s přímým vstřikem paliva Nazývají se také motory s neděleným spalovacím prostorem se vyznačují tím, že jej tvoří ucelený spalovací prostor vytvořený ve dnu pístu, viz obr. 3 a 4. Palivo je vstřikováno přímo do válce motoru do objemu této komůrky, které po vznícení poměrně prudce shoří. Vyznačují se nižší měrnou efektivní spotřebou paliva, tedy ekonomičtějším provozem a snadnějším spouštěním motoru za nízkých teplot. Používají se pro pohon nákladních automobilů, autobusů, traktorů, stavební a zemědělské mechanizace. U nepřeplňovaných motorů s přímým vstřikem paliva je nevýhodou nižší dosažitelná hodnota středního efektivního tlaku. Je to dáno tím, že pro co nejdokonalejší spálení je nutno spalovat palivo s větším přebytkem vzduchu, takže vzdušný součinitel se při maximální vstřikované dávce paliva pohybuje v rozmezí od 1.3 do 2. Obr. 3 Nedělený spalovací prostor motoru s přímým vstřikem paliva [1] Obr. 4 Nedělený spalovací prostor " M působ" tvorby směsi [1] 11

11 Tvary spalovacích prostor Tvar spalovací komory pro vznětové motory s přímým vstřikem paliva obr. 5, je u jednotlivých výrobců velmi rozdílný. Obecně nelze říct, že některý z tvarů příčného průřezu komory je lepší než druhý, nebo, že určitý tvar je optimální. Výhodnost tvarového řešení spalovací komory je možno posoudit pouze na konkrétním motoru na základě měření indikovaných, nebo efektivních parametrů a posouzení obsahu škodlivých emisí ve výfukových plynech. Obr. 5 Spalovací komory vznětových motorů s přímým vstřikem paliva [3] Motory komůrkové Nebo také s dělenými spalovacími prostory, jsou tvořeny dvěma samostatnými objemy. U děleného spalovacího prostoru se palivo vstřikuje do zvláštní komůrky, která je zpravidla vytvořena v hlavě válce motoru. Tato komůrka je spojena s druhou částí spalovacího prostoru vytvořenou ve dnu pístu motoru jedním, nebo více kanálky malého průměru. Tyto motory jsou také nazývány motory s nepřímým vstřikem paliva. Průběh spalování je u komůrkových motorů následující. Palivo se vstřikuje do komůrky, kde se ve styku s horkými stěnami a kompresí rozžhaveným vzduchem odpařuje. Promíchává se s rozvířeným vzduchem a po vznícení se částečně spaluje. V komůrce prudce vzrůstá teplota i tlak. Hořící směs proudí velkou rychlostí spojovacím kanálkem (kanálky) do druhé části spalovacího prostoru ve dně pístu, kde nespálené palivo za přebytku vzduchu shoří.v současné době se používají dva typy komůrek: - komůrka vírová: obr. 6 Pozice 1 označuje žhavící svíčku, 2 vstřikovač, 3 vírová komůrka vytvořená v hlavě válce, 4 dno komůrky se spojovacím kanálkem, 5 druhá část spalovacího prostoru vytvořená ve dnu pístu. Má pro vírovou komůrku charakteristický tvar brýlí. Objem vírové komůrky v hlavě válce tvoří 50 až 80% celého objemu kompresního prostoru. - komůrka tlaková: obr. 7 Pozice 1 označuje žhavící svíčku, 2 vstřikovač, 3 vlastní tlakovou komůrku opatřenou na spodní straně výtokovými otvůrky, kterými proudí spaliny a nespálené palivo do druhé části spalovacího prostoru 4 vytvořeného ve dnu pístu, jehož tvar (vybrání) usměrňují vytékající plyny z jednotlivých otvůrků do prostoru nad pístem. Objem tlakové komůrky tvoří 20 až 50% kompresního prostoru. 12

12 Obr. 6 Dělený spalovací prostor s vírovou komůrkou [1] Obr. 7 Dělený spalovací prostor s tlakovou komůrkou [1] 2.2. Chlazení pístu Písty všech současných motorů jsou vyráběny z hliníkových slitin. Maximální povrchová teplota pístů z hliníkové slitiny by neměla překročit u běžných litých pístů hodnotu cca 320 C, kdy již dochází k výraznému poklesu pevn osti hliníkových slitin. U pístů kovaných je tento pokles pevnosti poněkud nižší.v důsledku přímého kontaktu se spalinami je nejvíce tepelně namáháno dno pístu, horní můstek a obzvláště pak přechodové hrany mezi dnem pístu a horním můstkem.překročí-li teplota v drážce prvního pístního kroužku 240 C je nutno zabezpečit její snížení. Další zvětšení výšky horního můstku je nepřijatelné, protože se současně zvyšuje i škodlivý objem nad pístem v horní úvrati, což vede ke snížení ekonomičnosti provozu a nárůstu obsahu zbytkových uhlovodíků ve výfukových plynech motoru. Další z možností je chlazení pístu. V současné době se používá prakticky u všech přeplňovaných motorů a to jak zážehových, tak i vznětových a je použito i u některých značně zatížených motorů nepřeplňovaných Způsoby chlazení pístu Chlazení dna pístu nástřikem oleje Tento způsob chlazení se používá u motorů, které jsou méně zatěžovány. Jedná se o nejjednodušší způsob chlazení pístu. Při použití tohoto způsobu se teplota v drážce prvního těsnícího kroužku sníží cca o 20 C. Nást řik dna je zobrazen na Obr

13 Obr. 8 Nástřik dna pístu [3] Chlazení pístu chladícím kanálem Používá se u více zatěžovaných motorů, například u přeplňovaných motorů turbodmychadly. Kanál je vytvořen v hlavě pístu, do kterých je přiváděn tlakoví olej za pomoci vstřikovače. Chlazení chladícím kanálem snižuje teplotu v první drážce pro těsnící kroužek asi o 40 C. Chlazení za pomoci chladícího kanálu je vidět na Obr. 9. Obr. 9 Chladící kanál v hlavě pístu [3] Na obr. 10 je znázorněno rozložení teplot na jednotlivých částech pístu a porovnání uvedených způsobů chlazení. 14

14 Obr. 10 Rozložení teplot na dně a plášti pístu [1] 2.3. Pístní kroužky Pístní kroužky se dnes zpravidla používají tři (dva těsnící a jeden stírací). První dva kroužky mají za úkol těsnit píst ve válci proti pronikání plynů pod i nad píst, třetí kroužek zajišťuje stírání přebytečného oleje a udržuje optimální mazací vrstvu. Nejvíce namáhaným kroužkem je kroužek první. Jeho úkolem kromě těsnění pístu je odvod tepla ze dna pístu do stěny válce. Všechny kroužky odvedou z pístu 60 80% tepla, zbytek se odvede stěnami a umělým chlazením ostřikem spodní části dna pístu olejem nebo chladícím kanálem. První kroužek odvede až 80% tepla připadající na kroužky, poslední kroužek odvádí již zanedbatelné množství. Vyrábí se z litiny nebo oceli. Pro zvýšení životnosti se styčná plocha kroužku s válcem opatřuje vrstvou tvrdochromu a nebo molybdenu. Tvrdochrom a litina se jako třecí dvojice při dobrém mazání vyznačují nepatrným opotřebením. Pístní kroužky jsou při provozu motoru namáhány setrvačnými silami, silami od tlaku plynů a třením o stěnu válce motoru. Tyto síly jsou časově proměnné a působí na kroužek, který je ohřátý na poměrně vysokou teplotu, jednak průtokem tepla z pístu, jednak teplem vyvolaným třením o stěnu válce. První kroužek má často prostý obdélníkový průřez, nebo se vyrábí tzv. minutový (se zkosením 0,75 ) a sty čná plocha se pokovuje. Tloušťka kroužku nesmí být nadměrná, zvětšují se třecí ztráty (musí mít větší přítlak) a kroužek se za provozu špatně přizpůsobuje tvaru válce. Tlustý kroužek je těžší a více vytlouká drážky. Protože se špatně přizpůsobuje změnám pohybu, dochází často k jeho rozkmitávání, čemuž napomáhá také působení tlaků plynů z obou stran kroužku. 15

15 Druhý kroužek může mít tvar přizpůsobený specifické funkci, pokud chceme dosáhnout kombinované funkce těsnící a stírací, použijeme kroužek s osazením nebo zkosený. Osazený kroužek má na spodní hraně ve styku s válcem zápich, jehož ostrá hrana napomáhá stírání oleje při pohybu pístu k DÚ. Kroužek zkosený má styčnou plochu s válcem zkosenou pod úhlem 15, 30 nebo 2 p ři pohybu pístu k HÚ kroužek jakoby nabíhá na olejovou vrstvu a při opačném pohybu ostrá spodní hrana přebytečný olej stírá ke spodní straně válce. Třetí stírací kroužek má pouze jednu funkci, a to stírat přebytečný olej a udržovat optimální mazací vrstvu oleje na stěnách válce. Protože se válec maže odspodu ostřikem, musí kroužek odvádět celkem velké množství oleje a tak je jeho konstrukce odlišná od prvních dvou. Kroužek má celkově dvojnásobnou šířku. Tvar kroužku je složitý, obdélníkový průřez má ve styčné ploše uprostřed zápich a v něm několik otvorů pro odvod oleje přes stěnu pístu zpět. Okraje kroužku ve stykové ploše s válcem mají tedy celkovou skutečnou tloušťku zhruba stejnou jako první dva kroužky. Tyto plochy se zkosí pod úhlem cca 4 5 (nebo ) bu ď na vnějších hranách, nebo vždy na straně ke dnu pístu. Aby se dosáhlo co nejlepšího přítlaku tohoto kroužku, opatřuje se tzv. expandérem, což bývá dlouhá válcová pružina o malém průměru (asi 2,5 mm), která se umístí mezi vnitřní stěnu drážky a kroužek. Tyto kroužky se skládají ze tří částí, expandéru a dvou stíracích kroužků. Na obr. 11 a 12 jsou znázorněny používané typy těsnících a stěracích kroužků. Obr. 11 Typy těsnících kroužků [4] 16

16 Obr. 12 Typy stěracích kroužků [4] 17

17 3. Vlastní návrh pístu 3.1. Základní parametry Na návrh pístu vznětového motoru o výkonu 80 kw byly v této bakalářské práci použity parametry motoru koncernu PSA a to vznětový čtyřválec 1.6 HDi 16V DV6 TED4 (obr. 13). Motor je vybaven šestnácti ventily a dvěma vačkovým hřídeli DOHC. Disponuje systémem přímého vysokotlakého vstřikování paliva typu Common Rail Bosch druhé generace, který mu umožňuje dosáhnout nízké spotřeby paliva a tím i škodlivých emisí. Je vybaven turbokompresorem s proměnnou geometrií lopatek Garrett (GT 15) a mezichladičem stlačeného vzduchu na vstupu. Blok válců a skříň vík ložisek klikového hřídele mají u tohoto motoru konstrukci z hliníkové slitiny s vložkami a ložisky vkládanými při odlévání. Parametry motoru: Zdvihový objem: cm3 Nejvyšší výkon: 80 kw při 4000 ot/min Nejvyšší točivý moment: 240/260 N.m při 1750 ot/min Počet válců: 4 Počet ventilu na válec: 4 Vrtání : 75mm Zdvih : 88,3mm Kompresní poměr : 17,6:1 Exhalační norma : Euro IV Obr. 13 Motor 1.6 HDi 16V DV6 TED4 a jeho momentová a výkonová charakteristika [5] 18

18 3.2. Výpočet jednotlivých částí Známé hodnoty: Výkon motoru: Pe = 80 kw Počet válců: i = 4 Taktnost motoru: τm = 0,5 τ = 0,5 odpovídá čtyřdobému motoru Jmenovité otáčky: n = 4000 ot/min Vrtání: D = 75 mm Zdvih: Z = 88,3 mm Zdvihový objem motoru: Vm = 1560 cm Výpočet zdvihového objemu jednoho válce Vm i 1560 VZ = = VZ = 390 cm 3 VZ = (1) VZ = 3, m Výpočet středního efektivního tlaku pe = 60 Pe VZ n i τ = 1, , ,5 p e = 1, Pa pe = (2) p e = 1,54 MPa Výpočet objemového ( litrového ) výkonu P1 = Pe 1000 VZ i P1 = = , (3) P1 = W dm 3 P1 = 51,282 kw dm 3 19

19 Výpočet zdvihového poměru Z D 88.3 k= = 1,18 75 k = 1,18 k= (4) Výpočet střední pístové rychlosti cs = 2 Z n = 11,77 60 c S = 11,77 m s 1 c S = 2 0,883 (5) Všechny vypočtené hodnoty jsou porovnány s tab.1 udávající rozmezí, ve kterých by se měly vypočtené parametry pohybovat. Tab. 1 Porovnání charakteristických parametrů vznětových motorů [2] Podle tab. 1 bylo provedeno srovnání. Všechny vypočtené hodnoty spadají do intervalů uvedených v této tabulce. 20

20 3.3. Návrh hlavních rozměrů pístu Při návrhu pístu vycházíme z již dříve prověřených a osvědčených konstrukcí. Pro návrh jsou rozměry vyjádřeny ve vztahu k vrtání válce D. Vyjádření vztahů je buď tabulkové, nebo grafické, zde je použito grafické určování jednotlivých rozměrů. Hlavní rozměry pístu jsou uvedeny na obr. 14. Výhodou grafického zpracování je skutečnost, že zohledňuje rozměrové meze ve vazbě na změnu základního rozměru, tj. velikost vrtání válce D. Obr.14 Hlavní rozměry pístu [2] 21

21 Návrh výšky pístu Hp Obr. 15 Výška pístu Hp v závislosti na vrtání válce D [2] Podle obr. 15 voleno Hp = 71 mm Návrh kompresní výšky pístu HK Obr. 16 Výška pístu HK v závislosti na vrtání válce D [2] Podle obr. 16 voleno HK = 48 mm 22

22 Návrh výšky pláště pístu Hpl Obr. 17 Výška pláště pístu Hpl v závislosti na vrtání válce D [2] Podle obr. 17 voleno Hpl = 42 mm Návrh výšky prvního můstku Hm1 Obr. 18 Výška prvního můstku Hm1 v závislosti na vrtání válce D [2] Podle obr. 18 voleno Hm1 = 12 mm 23

23 Návrh výšky druhého můstku Hm2 Obr. 19 Výška druhého můstku Hm2 v závislosti na vrtání válce D [2] Podle obr. 19 voleno Hm2 = 4,2 mm Návrh vzdálenosti čel nálitků pro pístní čep HO Obr. 20 Vzdálenosti čel nálitků HO v závislosti na vrtání válce D [2] Podle obr. 20 voleno HO = 30 mm 24

24 Zbylé rozměry, zakótované na obr. 14 tj. tloušťka dna pístu δ, průměr pístního čepu Dč a vzdálenost pojistných kroužků pro pístní čep Hč jsou voleny podle tab. 2. Tab. 2 Doporučené meze charakteristických rozměrů pístu čtyřdobých motorů. [2] Návrh tloušťky dna pístu δ Podle tab. 2 voleno δ = 9 mm Tloušťka dna je volena o 2,5 mm větší, z důvodu velkého namáhání ohybovým napětím a doporučených 7-10% vrtání válce D posléze nevyhovovalo kontrole na maximální ohybové napětí Návrh průměru pístního čepu Dč Podle tab. 2 voleno Dč = 26 mm Návrh průměru pístního čepu Hč Podle tab. 2 voleno Hč = 63 mm 25

25 3.4. Drážky pro pístní kroužky V současné době se u pístů pro vznětové motory používají výhradně tři pístní kroužky, dva těsnící a jeden stírací. Pro uložení kroužku a jeho správnou funkci po dobu životnosti motoru je velmi důležitá správná velikost radiální a axiální vůle kroužku v drážce Radiální vůle pístního kroužku Tato vůle (obr.21) nesmí být příliš veliká protože se jedná o ztrátový objem do kterého se v průběhu komprese stlačuje vzduch a v průběhu hoření a expanze jsou do tohoto objemu vtlačovány částice nespáleného paliva a spaliny, což zákonitě zvyšuje množství škodlivin ve spalinách motoru. Pístní kroužek nesmí při vymezení vůle mezi pístem a stěnou válce dosednout vnitřní stranou na dno drážky v pístu. Obr. 21 Radiální vůle pístního kroužku [2] Vnitřní poloměry r by neměly být menší než 0,3 mm. V literatuře bývá vůle Sp doporučována v rozmezí 0,6 až 0,8 mm První pístní kroužek těsnící a radiální vůle prvního pístního kroužku První pístní kroužek je volen kroužek pravoúhlý (s válcovou těsnící plochou). Rozměry kroužku jsou voleny dle normy DIN

26 Obr. 22 První těsnící pístní kroužek [7] Rozměry pístního kroužku dle obr. 22: d1 = 75mm d 2 = d R = 68,7 mm a = 3,15+ 00,,10 20 mm h1 = 1,5 00,, mm S1 = 0,30+ 0, 2 mm Radiální vůle prvního pístního kroužku je volena Sp = 0,8 mm Průměr drážky pro první pístní kroužek d N = D 2 (a + S p ) d N = 75 2 (3,15 + 0,8) = 67,1 (6) d N = 67,1mm Druhý pístní kroužek těsnící a radiální vůle druhého pístního kroužku Druhý pístní kroužek je volen kroužek minutový. Rozměry kroužku jsou voleny dle normy DIN Obr. 23 Druhý těsnící pístní kroužek [8] 27

27 Rozměry druhého kroužku dle obr. 23: d 1 = 75 mm d 2 = d R = 68,7 mm a = 3, ,,10 25 mm h1 = 2 00,, mm S1 = 0,30+ 0, 2 mm Radiální vůle prvního pístního kroužku je volena Sp = 0,8 mm Průměr drážky pro první pístní kroužek d N = D 2 (a + S p ) d N = 75 2 (3,15 + 0,6 ) = 67,1 (7) d N = 67,1 mm Třetího pístní stíracího kroužku a radiální vůle třetího pístního kroužku Třetí pístní kroužek je volen kroužek s výřezy, střechovitě zkosen se šroubovým expandérem. Rozměry kroužku jsou voleny dle normy DIN Obr. 24 Stírací pístní kroužek [9] Rozměry stíracího kroužku dle obr. 23: d 1 = 75 mm d 2 = d R = 68,7 mm a = 3, ,,10 20 mm h1 = 5 00,, mm S1 = 0, , 25 mm počet drážek 8 Radiální vůle stíracího kroužku je volena Sp = 0,8 mm 28

28 Průměr drážky pro stírací kroužek d N = D 2 (a + S p ) d N = 75 2 (3,15 + 0,6 ) = 67,1 (8) d N = 67,1 mm Axiální vůle pístního kroužku Při návrhu musíme zohlednit to, že během provozu bude docházet ke karbonizaci a karbon se bude usazovat v drážkách pro pístní kroužky, které musí zůstat funkční. Proto u prvního pístního kroužku, kde v důsledku vysokých teplot je nebezpečí vzniku karbonové vrstvy značné, jsou axiální vůle větší než u druhého pístního kroužku. Obr. 25 Příklad tolerančního pole a axiální vůle pístního kroužku [2] Axiální vůle prvního těsnícího kroužku Dle normy DIN je: - drážka pro pístní kroužek: 1,5 ++00,, mm - šířka pístního kroužku: 1,5 00,, mm - maximální vůle kroužku v drážce: - 0,062 mm minimální vůle kroužku v drážce: - 0,045 mm Axiální vůle prvního těsnícího kroužku Dle normy DIN je: - drážka pro pístní kroužek: ,, mm - šířka pístního kroužku: 2 00,, mm - maximální vůle kroužku v drážce: - 0,062 mm minimální vůle kroužku v drážce: - 0,045 mm 29

29 Axiální vůle stíracího kroužku Dle normy DIN je: - drážka pro pístní kroužek: ,, mm - šířka pístního kroužku: 5 00,, mm - maximální vůle kroužku v drážce: - 0,062 mm minimální vůle kroužku v drážce: - 0,045 mm Drážka pro stírací pístní kroužek Drážky pro stírací pístní kroužky jsou širší než drážky těsnících pístních kroužků. Součástí jejich konstrukce jsou i průřezy pro odvod setřeného oleje. Běžně postačují otvory v drážce pro stírací pístní kroužek, jejichž rozměr je asi o 1mm menší než je šířka drážky. Viz řešení a) na obr. 26. U motorů, které vykazují větší spotřebu oleje se pro snížení této spotřeby osvědčilo řešení b). Obr. 26 Otvory pro odvod oleje z drážky stíracího kroužku [2] Tloušťka stěny pláště pístu Pro dosažení dobrého vedení pístu ve válci motoru nesmí překročit měrný tlak mezi pláštěm pístu a stěnou válce hodnotu 0,6 až 1,4 MPa. Současně je však nutno zabezpečit dostatečnou tuhost nosného pláště pístu. Tloušťka stěny by měla být minimálně u naftových motorů 0,03*D. δ min = 0,03 D δ min = 0,03 75 = 2,25 δ min 2,25 mm (9) 30

30 Pojištění axiální polohy pístního čepu Pojištění axiální polohy pístního čepu je zajištěno pojišťovacími kroužky. Tyto kroužky jako i drážky pro kroužky jsou voleny podle normy DIN Obr. 27 Pojišťovací kroužek a drážka pro pojišťovací kroužek [10] Pojišťovací kroužek d p 3 = 29,4 0+1, 0 mm d p 2 = 1,5 0 0,04 mm m p1 = 0,7 2,0 mm Drážka pro pojišťovací kroužek d d 1 = 26 mm d d 4 = 27,7 0+0, 21 mm e = 1,6 0+0,1 mm Boční křivka pístu Působením vzniklého tepla při provedení pracovního cyklu způsobuje zahřívání pístu a tím tepelnou dilataci. Protože je píst vyroben tak, že nemá všude konstantní množství hmoty, roztahují se jednotlivé části pístu jinak. Píst při výrobě nemá válcový tvar. Válcový tvar vzniká, až při dosažení pracovní teploty. Tomuto odpovídá tvar boční křivky pístu uvedený na obr. 28. Základní návrh průměrů DI, DII, DIII, uvedených na obr. 29, je možno stanovit z grafů, viz příloha. 31

31 Obr. 28 Tvar boční křivky a ovalita pístu [2] Obr. 29 Průměry pro určení boční křivky pístu [2] 32

32 Velikosti půměrů: DI = D 0,1 DI = 75 0,1 = 74,9 DI = 74,9 mm (10) DII = D 0,18 DII = 75 0,18 = 74,82 DII = 74,82 mm (11) DIII = D 0,3 DIII = 75 0,3 = 74,7 DIII = 74,7 mm (12) 33

33 4. Základní rozměry klikového mechanismu Klikovým mechanismem rozumíme sestavu klikového hřídele, ojnice a pístu. Kliková hřídel je zalomená hřídel uložená na hlavních ložiskách které jsou osou rotace klikového hřídele. Počet zalomení závisí na počtu a uspořádání válců. Ojnice spojuje rameno kliky s pístem. Tato část vykonává spolu s ojničním čepem (na kterém se otáčí) rotační pohyb, který má opačný směr než pohyb klikové hřídele. Schéma klikového mechanismu je zobrazen na obr. 30. Obr. 30 Schéma klikového mechanismu a jeho kinematika [6] Hlavními rozměry klikového mechanismu jsou : průměr (vrtání) válce D, zdvih pístu Z, poloměr klikové hřídele rk, délka ojnice L0J. Průměr (vrtání) válce D a zdvih pístu Z byl již dříve určen, ze zdvihu Z pístu je spočten poloměr klikové hřídele rk. Z 2 88,3 rk = = 44,15 2 rk = 44,15 mm rk = (13) 34

34 Délka ojnice L0J je dána poměrem mezi poloměrem klikového mechanismu rk a ojničním poměrem λ. Ojniční poměr se u současných motorů pohybuje v rozmezí 0,2 až 0,3. Pro tento případ je volen ojniční poměr 0,3. LOJ = rk λ 44,15 = 147 0,3 = 147 mm LOJ = LOJ (14) 35

35 5. Silový rozbor klikového mechanismu Pro další výpočty je potřeba získat z rozboru sil klikového mechanismu obr. 31: Maximální sílu od tlaku plynu Fp,max Maximální setrvačnou sílu Fs,max Maximální normálovou sílu Fn,max.( Fb,max) Celkovou maximální sílu Fc,max Obr. 31 Silový rozbor pístu [6] 36

36 5.1. Maximální síla od tlaku plynu Fp,max F p, max = F p, max F p, max π D2 p max 4 π 75 2 = 18,9 = = N (15) F p, max = 83,497 kn Kde pmax je odečtena z indikátorového diagramu pro přeplňované motory, pmax = 18,9 MPa při natočení klikové hřídele Maximální setrvačná síla Fs,max 2 Fs,max = m x rk ω mac (1 + λ ) Fs,max = 0,395 0, ,8 (1 + 0,3) = 3977,9 Fs,max = 3977,9 N (16) Fs,max = 3,977 kn Kde je mx[kg] hmotnost koruny pístu byla programem Autodesk Inventor spočítána mx= 0,395 kg. ωmax maximální úhlová rychlost klikového hřídele. ω max = ω max ω max π nmax 30 π 4000 = = 418,8 30 = 418,8 s 1 (17) 5.3. Celková maximální síla Fc,max Fc,max = F p,max Fsp, x Fc,max = 83,497 3,977 = 79,52 (18) Fc,max = 79,52 kn 37

37 5.4. Maximální normálová síla Fn,max.( Fb,max) Pro určení maximální normálové síly Fn,max musím určit úhel β svírající osu pístu s osou ojnice, při kterém je maximální tlak ve spalovacím prostoru. Maximální tlak je při úhlu natočení klikového hřídele 248 oproti základní poloze. Úhel nato čení klikového hřídele je α = 112. Určení úhlu β: β = arcsin (λ sin α ) β = arcsin (0,3 sin 112 ) β = 16,15 (19) Maximální normálová síla Fn,max tedy je: Fn,max = Fc,max tgβ Fn,max = 79,52 tg16,15 = 21,43 (20) Fn,max = 21,43 kn 38

38 6. Pevnostní kontrola pístu Složitost tvaru pístu i jeho namáhání umožňuje pouze informativní výpočet zahrnující základní namáhání vyvolané tlakem plynů při spalování a setrvačnými silami. Další zatěžující účinky jako je tepelný tok průřezy pístu, proměnnost zatěžujících účinků i vlivy vrubových účinků vyvolávajících koncentraci napětí, není možno přímo do výpočtu zahrnout, a jsou souhrnně respektovány velikostí dovolených hodnot napětí. Pro přesnější určení všech zatěžujících účinku bych použil metodu konečných prvku s využitím softwarových programu Pevnostní kontrola dna pístu Pevnostní výpočet dna pístu je prováděn na ohyb. Výpočtovým modelem dna pístu je kruhová deska, vetknutá nebo podepřená na obvodě zatížená rovnoměrným spojitým zatížením od tlaku plynů. Vzhledem k velikosti silových účinkům je vliv setrvačných sil zanedbán. Při výpočtu maximálního ohybového napětí je možno dále pro přibližný výpočet nahradit kruhovou desku přímým nosníkem u něhož náhradní zatěžující účinek, osamělá síla F p max/2 působí v těžišti půlkruhové plochy desky a reakce vyvolaná tímto zatížením, o stejné velikosti, v těžišti půlkruhového oblouku, viz obr. 32. Obr. 32 Zatížení dna pístu a výpočtový model [2] Pro výpočty uvažujeme poloměr vetknutí r = 28 mm, a pmax = 18,9 MPa. 39

39 Maximální ohybový moment r3 p max 3 0,028 3 = 18, = 138,3 3 = 138,3 Nm M o,max = M o,max M o,max (21) Moment odporu v ohybu (průřezový modul) 1 r δ WO = 0,028 0,009 2 = 0, WO = 0, m 3 WO = (22) Maximální ohybové napětí σ o,max = p max r δ 2 2 σ o,max σ o,max 0,028 = 18,9 10 = ,009 = Pa 6 (23) σ o,max = 182,9 MPa Maximální ohybové napětí na vetknutou desku σ o,max = 0,25 p max r δ 2 2 σ o,max σ o,max 0,028 = 0,25 18,9 10 = ,009 = Pa 6 (24) σ o,max = 45,7 MPa Dovolené hodnoty napětí pro písty z hliníkové slitiny s dnem se žebry je σ dov = MPa. 40

40 6.2. Nejslabší místo pláště pístu U většiny pístů bývá v drážce pístu pro stírací kroužek, kde stěna pístu je zeslabena nejen samotnou drážkou, ale i otvory, kterými je odváděn setřený olej do klikové skříně motoru. Je zde navíc zeslabení v vlivem chladícího kanálu jež se vine kolem celého obvodu pístu jež je však vykompenzováno dostatečnou tloušťkou stěn kolem kanálu Namáhání tlakem σ tl,max = Fp,max Sx = , = Pa σ tl,max = σ tl,max (25) σ tl,max = 17,5 MPa Kde je Sx[m2] minimální příčný průřez pístu v drážce pro stírací pístní kroužek byla programem Autodesk Inventor spočítána Sx= 4, m2. Dovolená hodnota napětí pro současné hliníkové slitiny se pohybuje v rozmezí 30 až 40 MPa Tahové napětí σt = Fsp, x Sx 3977,9 = , σ t = Pa σt = (26) σ t = 0,837 MPa Dovolená hodnota napětí pro hliníkové slitiny je σ t,dov = 4 10 MPa Měrný tlak na plášť pístu Je vyvoláván normálovou silou, kterou působí píst na stěnu válce. Její maximální velikost je dosahována poblíž horní úvratě při pohybu pístu v průběhu expanzního zdvihu. 41

41 p pl = Fn,max D L pl = ,075 0,071 p pl = Pa p pl = (27) p pl = 4,02 MPa Kde L pl [m] je nosná délka pláště Můstek mezi prvním a druhým těsnícím kroužkem Rozložení tlaků v jednotlivých mezikroužkových objemech, při dosažení maximální hodnoty tlaku nad pístem je uveden na obr. 33. Obr. 33 Rozložení tlaků v mezikroužkových objemech [2] Výsledný silový účinek na můstek mezi prvním a druhým těsnícím kroužkem je síla Fm, která namáhá můstek jako vetknutý nosník na ohyb a střih, obr. 34. Obr. 34 Namáhání můstku [2] 42

42 Síla Fm je dána vztahem: Fm = π 4 π ( ) D 2 d m2 (0.9 p max 0,22 p max ) ( ) (0.9 18,9 0,22 18,9 ) = Fm = N Fm = (28) Ohybové napětí ve vetknutém můstku Ohybový moment: D dm M O = = 17,68 4 M O = 17,68 Nm M O = Fm (29) Modul odporu proti pohybu: 1 π d m H m WO = π 0,068 0, = 0, WO = 0, m 3 WO = (30) Výsledné ohybové napětí: σo = MO WO 17,68 = , σ O = Pa σo = (31) σ O = 28,06 MPa Smykové napětí Průřez v místě vetknutí: S = π d m H m2 S = π 0,068 0,0042 = 0, S = 0, m (32) 2 43

43 Výsledné smykové napětí: Fm S = τ= 0, τ = Pa τ= (33) τ = 11,26 MPa Výsledné redukované napětí σ red = (σ + 3 τ ) ( ) = O 2 2 σ red = σ red = Pa σ red = 34,17 MPa 2 (34) Hodnota redukovaného napětí by neměla přesáhnout hodnotu 60 až 80 MPa. Tato podmínka je splněna. 44

44 7. Závěr Úkolem této bakalářské práce byl návrh základních rozměrů motoru, klikového ústrojí a podle empirických vztahů určit základní rozměry pístu. Dále bylo za úkol provést pevnostní kontrolu kritických průřezů pístu na základě zadaného indikátorového diagramu a navržené kinematiky klikového mechanismu. Součástí zadání bylo též vypracovat výkresovou dokumentaci pístu pro vznětový motor. Při návrhu bylo vycházeno ze základních parametrů motoru od koncernu PSA a to vznětový čtyřválec 1.6 HDi 16V DV6 TED4 o zdvihovém objemu 1560 cm3. Ze známých hodnot vrtání válce D = 75 mm a zdvihu Z = 88,3 mm byly dále určeny hodnoty zdvihového poměru, základní rozměry pístu, rozměry pístních kroužků a základní rozměry klikového mechanismu. Výsledkem této bakalářské práce je píst čtyřdobého vznětového motory se základními rozměry průměr pístu D = 75 mm, výška pístu Hp = 71 mm a kompresní výškou Hk = 48 mm. Při kontrole kritických průřezů byl z indikátorového diagramu odečten maximální tlak, který působí na píst pmax = 18,9 MPa. Tento tlak způsobuje výsledné ohybové napětí σ O = 28,06 MPa, výsledné smykové napětí τ = 11,26 MPa a redukované napětí σ red = 34,17 MPa. Hodnota redukovaného napětí však nepřesahuje hodnotu 60 až 80 MPa. Všechny body v zadání této bakalářské práce byly úspěšně splněny. 45

45 8. Seznam použité literatury [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Rauscher, J.: Spalovací motory (studijní opory), Brno, učební texty vysokých škol Rauscher, J.: Ročníkový projekt (studijní opory), Brno 2005, učební texty vysokých škol Rauscher, J.: Vozidlové motory (Studijní opory). Brno, učební texty vysokých škol Katalog firmy Buzuluk Komárov URL:< Kožoušek, J.: Výpočet a konstrukce spalovacích motorů II, Praha, SNTL 1983 Norma DIN : 1973, R ringe Norma DIN : 1973, M ringe Norma DIN : 1973, D ringe Norma DIN , Sprengringe 9. Seznam příloh [1] graf bočních křivostí pro naftový motor [2] píst 46

46 10. Přílohy Obr. 43 Vůle pro jednokovový píst. Naftový motor chlazený kapalinou D III vůle pístu D II DI vrtání válce