HNACÍ ÚSTROJÍ ZKUŠEBNÍHO JEDNOVÁLCOVÉHO ZÁŽEHOVÉHO MOTORU

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 HNACÍ ÚSTROJÍ ZKUŠEBNÍHO JEDNOVÁLCOVÉHO ZÁŽEHOVÉHO MOTORU POWERTRAIN OF EXPERIMENTAL SINGLE-CYLINDER SPARK IGNITION ENGINE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR KAREL LAŠTOVICA prf. Ing. VÁCLAV PÍŠTĚK, DrSc. BRNO 009

2

3 Vyské učení technické v Brně, Fakulta strjníh inženýrství Ústav autmbilníh a dpravníh inženýrství Akademický rk: 008/009 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Karel Laštvica který/která studuje v bakalářském studijním prgramu br: Strjní inženýrství (01R01) Ředitel ústavu Vám v suladu se záknem č.111/1998 vyských šklách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: v anglickém jazyce: Hnací ústrjí zkušebníh jednválcvéh zážehvéh mtru Pwertrain f experimental single-cylinder spark ignitin engine Stručná charakteristika prblematiky úklu: Návrh válcvé jedntky zkušebníh jednválcvéh zážehvéh mtru Cíle bakalářské práce: Pr dané základní gemetrické, termdynamické a prvzní parametry válcvé jedntky uvedenéh mtru prveďte výpčet termdynamickéh cyklu, navrhněte základní rzměry pístní skupiny a pr zadané prvzní režimy prveďte pevnstní kntrlu ka jnice.

4 é í íč á í ář é á á íš ě í á ář é á č ý é ě Í á íš ě Ř ú ě

5 ABSTRAKT Tat bakalářská práce pjednává zkušebním jednválcvém mtru, výpčtu jeh termdynamickéh cyklu, návrhu pístu, návrhu a pevnstní kntrle ka jnice. V úvdu je uveden princip funkce spalvacích mtrů a jejich základní rzdělení a pužití. Vlastní práce bsahuje pět částí: zadané pčáteční parametry, výpčet termdynamickéh cyklu, výpčet hmtnsti pístní skupiny, výpčet sil půsbících na pístní skupinu a pevnstní kntrla ka jnice. V závěru jsu zhdnceny dsažené výsledky výpčtu. Klíčvá slva Jednválcvý mtr, zážehvý mtr, termdynamický cyklus, píst, pístní skupina, půsbící síla, k jnice, měrný tlak, napětí, bezpečnst. ABSTRACT These bachelr s thesis deals with experimental single-cylinder engine, calculatin f his thermdynamic cycle, design f a pistn, design f a can rd eye and his strength check. In intrductin there is states functin principle f cmbustin engine and their basic divisin and applicatin. The bachelr s thesis cnsists f five parts: scheduled initiatry parameters, calculatin f thermdynamic cycle, calculatin f the pistn grup weight, calculatin f frces reacting t pistn grup and strength check f cn rd eye. In the cnclusin results f calculatin are evaluated. Key wrds Single-cylinder engine, spark ignitin engine, thermdynamic cycle, pistn, pistn grup, applied frce, cn rd eye, surface pressure, strain, safety factr. Bibligrafická citace VŠKP dle ČSN ISO 90 LAŠTOVICA, K. Hnací ústrjí zkušebníh jednválcvéh zážehvéh mtru. Brn: Vyské učení technické v Brně, Fakulta strjníh inženýrství, s. Veducí bakalářské práce prf. Ing. Václav Píštěk, DrSc. 5.

6 .

7 Čestné prhlášení Prhlašuji, že jsem tut bakalářsku práci vypracval samstatně, pd vedením veducíh bakalářské práce pana prf. Ing. Václava Píštěka, DrSc. a za pmcí dbrné literatury uvedené v seznamu. V Brně dne:. Pdpis 7.

8 8.

9 Pděkvání Děkuji veducímu bakalářské práce prf. Ing. Václavu Píštěkvi, DrSc. za dbrnu pmc a cenné připmínky při zpracvání mé bakalářské práce. 9.

10 10.

11 OBSAH Abstrakt...5 Prhlášení...7 Pděkvání...9 Obsah...11 Úvd Zadané parametry mtru Termdynamický cyklus Základní parametry pr výpčet cyklu Adiabatická kmprese...1. Izchrický přívd tepla Adiabatická expanze Teretický výkn Prvnávací diagram pčítanéh mtru Hmtnst pístní skupiny Návrh hlavních rzměrů pístu...0. Hmtnst pístu...0. Hmtnst pístníh čepu Celkvá hmtnst pístní skupiny Síly půsbící na pístní skupinu Kinematika pístní skupiny Závislst dráhy pístu na úhlu natčení klikvéh hřídele Závislst rychlsti pístu na úhlu natčení klikvéh hřídele Závislst zrychlení pístu na úhlu natčení klikvéh hřídele Síla půsbící d tlaku plynů Maximální setrvačná síly půsbící na pístní skupinu Maximální síla půsbící na pístní skupinu Pevnstní kntrla pístníh čepu Návrh charakteristických rzměrů jnice Měrný tlak mezi kem jnice a pístním čepem Měrný tlak mezi puzdrem a kem jnice Namáhání ka jnice setrvačnu silu Namáhání ka jnice silu d tlaku plynů Maximální napětí v ku jnice Bezpečnst jnice vůči kluzu Bezpečnst jnice na únavu...5 Závěr...8 Seznam pužitých zdrjů...9 Seznam pužitých zkratek a symblů

12 1.

13 ÚVOD Histrie spalvacíh mtru se datuje ke knci 19. stletí, kdy německy inženýr Niclaus Ott sestrjil rku 187 první čtyřdbý spalvací mtr. Pzději čtyřdbý mtr vytlačil ze svéh místa parní strj, prtže byl menší, lehčí, tišší a účinnější. Spalvací mtr je mechanický tepelný strj, který přeměňuje chemicku energii na energii tepelnu a na mechanicku energii půsbením na píst. Chemická energie je získávána z paliva, kterým je u zážehvých mtrů benzín neb zemní plyn. Zážehvé mtry dělíme na dvudbé a čtyřdbé. Čtyřdbý mtr pracuje ve čtyřech fázích. První fází je sání, kdy se píst phybuje směrem dlů a nasává směs paliva se vzduchem. Ve druhé fázi, kmpresi, se phybuje píst směrem nahru a přitm stlačuje nasátu směs. Ve třetí fázi, expanzi, se stlačená směs zapálí jiskru zapalvací svíčky a nastane expanze, při níž se píst phybuje pět dlů. V pslední, čtvrté fázi, phyb pístu nahru vytlačí spálenu směs ze spalvacíh prstru. Celý prces se následně pakuje. Píst se tedy phybuje přímčarým vratným phybem, který je pmcí klikvéh mechanizmu převeden na rtační phyb. V dnešní dbě je spalvací mtr pužíván zejména jak phn autmbilů, mtcyklů a drbnéh nářadí, jak jsu např. sekačky, či mtrvé pily. Zkušební jednválcvé mtry jsu specielní zařízení, které služí jak nástrj pr experimentální výzkum a vývj pracvníh běhu spalvacíh mtru. Obr. 1 Fáze čtyřdbéh zážehvéh spalvacíh mtru [1] 1.

14 1. ZADANÉ PARAMETRY MOTORU Gemetrické parametry: - vrtání válce D 0,075 m - plměr kliky r kl 0,0445 m - délka jnice l O 0,18 m - kmpresní pměr ε 9, 8 Prvzní pdmínky: - atmsférický tlak p Pa - teplta klí T 1 9,15 K - výkn P 14 kw při - teretická účinnst η 0, n 5000 min 1 8, s 1. TERMODYNAMICKÝ CYKLUS Termdynamický cyklus zážehvéh čtyřdbéh mtru můžeme vykreslit d p-v diagramu, který může být indikátrvý viz br. neb prvnávací viz br.. Prvnávací cyklus nám umžní spčítat hlavní bdy (1,,,4). Budeme uvažvat Ottův cyklus, který je slžen ze čtyř částí: 1- adiabatická kmprese, - izchrický přívd tepla, -4 adiabatická expanze, 4-1 izchrický dvd tepla. Obr. Indikátrvý diagram pracvníh běhu [] Obr. Ideální Ottův běh [] 14.

15 .1 Základní parametry pr výpčet cyklu Ze zadaných parametrů (vrtání válce, plměr kliky a kmpresní pměr) vypčítáme zdvih pístu, zdvihvý bjem, kmpresní bjem a spalvací bjem. Ze stavvé rvnice vypčítáme teretické mnžství nasátéh vzduchu d válce. Pmcí vzdušnéh sučinitele vypčítáme skutečné mnžství nasátéh vzduchu a pté vynásbením stechimetrickým sučinitelem dstaneme mnžství paliva na jeden cyklus. Z mnžství paliva a spdní výhřevnsti paliva vypčteme energii přivedenu palivem d běhu. [, 4] Zdvih z.rkl.0,0445 z 0,089 m Zdvihvý bjem - jmenvitý bjem prstru válce mtru mezený hrní úvratí (HÚ) a dlní úvratí (DÚ) V Z π.d 4.z π.0, ,089 V Z, m Kmpresní bjem - minimální bjem ve válci V K VZ, ε 1 9,8 1 4 V K 4, m Spalvací bjem - maximální bjem ve válci (pracvní prstr válce) V 4 5 C VZ + VK, , V C 4, m Teretická hmtnst vzduchu - hmtnst čerstvé náplně dpvídající zdvihvému bjemu válce 1 - měrná plynvá knstanta pr vzduch -1 r 87,1 J.kg. K m vt 4 p1.vc , m vt 5, kg r.t 87,1.9,15 1 Skutečná hmtnst vzduchu - hmtnst čerstvé náplně dpravené d válce za jeden pracvní běh - vlím vzdušný sučinitel λ 1 (stechimetrická směs) m vs 4 4 m. λ 5, m 5, kg vt vs 15.

16 Skutečná hmtnst paliva - ideální úplné spalvání nastává při pměru 14,7 kg vzduchu a 1 kg paliva; m λ st 1 14,7 1 5 m vs. λ s 5,179. m p,5.10 kg 14,5 p Palivem přivedená energie - energie paliva přivedená d běhu - spdní výhřevnst H 44,9 M.J. kg u 1 E p 10 5 m p.h u, ,9. E p 59,5 J. Adiabatická kmprese Adiabatický děj je děj, který prbíhá bez výměny tepla s klím. Při kmpresi se píst phybuje z dlní úvratě (spalvací bjem) d hrní úvratě (kmpresní bjem) a stlačuje směs vzduchu a paliva. Zmenšuje se tedy bjem, tlak a teplta narůstají. D běhu musíme ddat práci, takže výsledná práce bude záprná. U adiabatickéh děje se vyskytuje Pissnva knstanta, která byla zvlena κ 1,5. [5,] Tlak na knci kmprese p κ 4 1,5 p1. ε 9,8.10.9, 8 p 1,99.10 Pa Teplta na knci kmprese T T 518,7 K κ 1 1,5 1 T 1. ε 9,15.9, 8 Sptřebvaná bjemvá práce A 1 p.v 1 C p κ 1. V K 4 4 9,8.10.4, , , ,5 1 5 A 1 14,14 J. Izchrický přívd tepla Izchrický děj je děj, který prbíhá při knstantním bjemu. D běhu je ddán tepl, které je získán z energie paliva. Z mnžství ddanéh tepla se přemění jen %. Teplta a tlak prudce vzrstu. Objemvá práce je rvna nule. [5,] 1.

17 Tlak na knci děje p E. η 59,5.0, p t p + ( κ 1). 1, (1,5 1). p 5 4,8.10 Pa VK 4,59.10 Teplta na knci děje p.t 4, ,7 T 1,47.10 K 1,99.10 T p.4 Adiabatická expanze Při adiabatické expanzi se píst phybuje z hrní úvratě (kmpresní bjem) d dlní úvratě (spalvací bjem) a hřící směs vzduchu a paliva se rzpíná. Zvětšuje se tedy bjem, tlak a teplta klesají. D běhu je ddávána práce, takže výsledná práce bude kladná. [5,] Tlak na knci adiabatické expanze p 4 κ 5 V K 4,59.10 p. 4, V C 4, ,5 p 4, Pa Teplta na knci adiabatické expanze T 4 κ 1 5 1,5 1 V K 4,59.10 T. 1, V C 4, T 4 84, K Vyknaná bjemvá práce A 4 p.v K p κ 1 4. V C 5 5 4,8.10.4,59.10, , ,5 1 4 A 4 81,778 J 17.

18 .5 Teretický výkn Teretický výkn je bjemvá práce cyklu pdělená časem jednh cyklu. Čas jednh cyklu 1 1 t t 0,04 s.n.8, P t A1 + A 4 14, ,778 Pt 10,18.10 W t 0,04. Prvnávací diagram pčítanéh mtru p - V diagram p [Pa] ( ) ( ) ( ) ( ) p 1 V 1 p QV, p 4 V 4 p 41 T 41, V V 1, V, V 4, V 41 V [mm^] Obr. 4 Prvnávací diagram pčítanéh mtru 18.

19 . HMOTNOST PÍSTNÍ SKUPINY Při návrhu hlavních rzměrů pístu vycházím z již dříve prvedených a svědčených knstrukcí. Pr návrh jsu rzměry vyjádřeny ve vztahu k vrtání válce D. Vyjádření těcht vztahů je v tab. 1. [7] Obr. 5 Rzměry pístu [7] Ppis částí pístu: 1 dn pístu hrní můstek drážky pr těsnící pístní kružky 4 můstky mezi drážkami pr kružky 5 drážka pr stírací pístní kružek plášť pístu 7 nálitek pr pístní čep 8 ulžení pístníh čepu 9 drážka pjistky pístníh čepu Obr. Základní knstrukční prvedení pístu [4] 19.

20 .1 Návrh hlavních rzměrů pístu Tab. 1 Dpručené meze charakteristických rzměrů pístu čtyřdbých mtrů [7] Veličina Meze [%D] Mžný rzměr [mm] *Zvlený rzměr [mm] ΦD 100 7,5 7,5 H p ,85 107,1 70 H k ,5 5,55 40 H 40 0, 0, H č 85 0,05 0 H m1-10 4,59 7,5 7 H m -,95 4,59,5 ΦD č ,15 1,4 0 δ 5-7,85 8,55 5 * Mnu zvlené hdnty. Hmtnst pístu Celkvý bjem pístu (viz mdel) Obr. 7 Mdel pístu vymdelvaný v Inventru V pi 1, m Materiálem pužívaným na výrbu pístů jsu nejčastěji hliníkvé slitiny. Pr zážehvé mtry se pužívají slitiny s bsahem křemíku d 1 %. [8] Vlím slitinu hliníku s bsahem křemíku 1 %. Hustta hliníku ρ Al 99 kg. m Hustta křemíku ρ Si 0 kg. m 0.

21 Hustta slitiny ρ AlSi 0,87. ρal + 0,1. ρsi 0, ,1.0 Hmtnst pístu ρ AlSi 51 kg. m m 4 pi ρalsi.vpi 51.1, m pi 0,45 kg. Hmtnst pístníh čepu Ppis částí pístníh čepu: 1 vnější válcvá plcha pístníh čepu přechd je tvřen plměrem vnitřní pvrch čepu 4 bční plchy, které jsu axiálně pjištěny Obr. 8 Pístní čep [9] Vnitřní průměr pístníh čepu D (1-17 mm) [4] či Vlím D či 1mm Délka pístníh čepu V důsledku axiálníh pjištění plhy pístníh čepu vlím délku čepu 8,5 mm l č 0,085 m Objem pístníh čepu V č π.(d ča D 4 či ).l č π.(0,0 0,01) 4.0,085 V č,.10 m Pístní čepy se zhtvují z cementačních celí. [9] Hustta celi ρ ecel 7850 kg. m 1.

22 Hmtnst čepu m č ρecel. Vč 7850.,. 10 m č 0,007 kg.4 Celkvá hmtnst pístní skupiny m 0, 007 celk m pi + m č 0,45 + m pi 0,47 kg 4. SÍLY PŮSOBÍCÍ NA PÍSTNÍ SKUPINU Síly půsbící na pístní skupinu dělíme d dvu skupin. Síly způsbené tlakem plynů (primární) a síly setrvačné (sekundární). Sučtem těcht sil dstaneme sílu půsbící na píst. Průběh sil se mění v závislsti na plze pístu, respektive natčení klikvéh hřídele. Prt je nejprve nutné určit plhu pístu, kdy je síla maximální. [10] 4.1 Kinematika pístní skupiny Klikvý mechanismus spalvacích mtrů přenáší energii spalin ve válci na klikvý hřídel. Při tm psuvný phyb pístu se převádí prstřednictvím jnice na táčivý phyb klikvéh hřídele. Základní prměnu klikvéh mechanismu je úhel natčení kliky d jeh pčáteční plhy. [10] Obr. 9 Klikvý mechanismus [11].

23 4.1.1 Závislst dráhy pístu na úhlu natčení klikvéh hřídele Klikvý pměr rkl 0,0445 λ kl λ kl 0, 15 l 0,18 O Úhel natčení kliky α π s1( α ) rkl.(1 cs( α)) λ kl s ( α ) rkl..(1 cs(. α)) 4 λ kl s( α ) rkl. (1 cs( α)) +.(1 cs(. α)) s [m] s( α) s 1 ( α) 0.0 s ( α) α alfa [rad] Obr. 10 Průběh dráhy pístu a jedntlivých harmnických slžek v závislsti na úhlu natčení.

24 4.1. Závislst rychlsti pístu na úhlu natčení klikvéh hřídele Úhlvá rychlst ω. π.n. π.8, ω 5,599 rad.s 1 v ) 1( α ) rkl. ω.sin( α λ kl v ( α ) rkl. ω..sin(.α) λ kl v( α ) rkl. ω. sin( α) +.sin(. α) 0 0 v( α) 10 v [m/s] v 1 ( α) v ( α) alfa [rad] Obr. 11 Průběh rychlsti pístu a jedntlivých harmnických slžek v závislsti na úhlu natčení α 4.

25 4.1. Závislst zrychlení pístu na úhlu natčení klikvéh hřídele a ( α ) r..cs(α) 1 kl ω a ( α) rkl. ω. λ a( α ) r kl kl. cs(. α ). ω.( cs( α) + λ.cs(. α) ) kl a [m/s^] a( α) a 1 ( α) a ( α) α alfa [rad] Obr. 1 Průběh zrychlení pístu a jedntlivých harmnických slžek v závislsti na úhlu natčení 4. Síla půsbící d tlaku plynů Tlak spalin ve spalvacím prstru na plchu pístu a na hlavu válce vyvdí dvě stejně veliké síly, půsbící v se válce. Sílu půsbící na píst rzlžíme v se pístníh čepu na dvě slžky (půsbící v se jnice a půsbící klm na stěnu válce). [10] Maximální síla půsbící na píst je tedy v hrní úvrati (HÚ) a její slžka klmá na stěnu válce je nulvá. F P π.d 5 π.0,075 4 (p p1). (4,8.10 9,8.10 ). FP, N

26 4. Maximální setrvačná síla půsbící na pístní skupinu Setrvačné síly dvdíme ze zrychlení phybujících se hmt. Hmty, knající phyb psuvný způsbí setrvačné síly, půsbící v se válce. [10] Jak je patrné z br. 1, maximální zrychlení a tedy i setrvačná síla půsbí v hrní úvrati (HÚ), kde je úhel natčení klikvéh hřídele nulvý. Setrvačná síla půsbí prti phybu pístu a prt je záprná. a(0 ) rkl. ω.( cs( α) + λ kl.cs(. α) ) a(0 ) 0,0445.5,599. cs(0 ) + 0,15.cs(.0 ) ( ) 4 a(0 ) 1,5.10 m.s F S a(0 ).m celk 1, ,47 F S 7, N 4.4 Maximální síla půsbící na pístní skupinu FC 10 4 FP + FS, ,408. F 4 S 1, N 5. PEVNOSTNÍ KONTROLA PÍSTNÍHO ČEPU Ojnice zabezpečuje přens sil mezi pístem a klikvu hřídelí mtru. U čtyřdbých mtrů je namáhána prměnnu silu tah tlak. Vzhledem k časvé prměnnsti půsbících silvých účinků je jnice namáhána únavvě. Z těcht důvdů musí být ptlačeny všechny vrubvé účinky. Přechdy mezi dříkem jnice a jničními ky musí být plynulé. [9] Ppis částí jnice: 1 vyvažvací nákvky k pr pístní čep dřík jnice 4 hlava jnice 5 vík jnice jniční šrub 7 středící zářezy Obr. 1 Schéma jnice čtyřdbéh mtru [9].

27 5.1 Návrh charakteristických rzměrů jnice Tab. Dpručené hdnty charakteristických rzměrů jnice [7] Veličina Meze Mžný rzměr *Zvlený rzměr [%] [mm] [mm] T/D 0 19,15,95 0 L j /D ,05 175,95 18 ΦD H1 /D ,4 8,5 ΦD H / ΦD H1 150 ΦD D1 /D ,9 57,75 50 ΦD D / ΦD D ,5 H H /D 5 8,775 9,07 8 H D /D , 4,45 t t 8 * Mnu zvlené hdnty 5. Měrný tlak mezi kem jnice a pístním čepem Pístní čep je zatěžván silami d tlaků plynu a setrvačnými silami. Měrný tlak je nutné zkntrlvat v místě styku pístníh čepu s jničním kem, aby nedšl k tlačení na těcht sučástech. Dvlené hdnty měrnéh tlaku pr jnici jsu 0 9 MPa. [7] Obr. 14 Základní rzměry charakterizující ulžení pístníh čepu [7] 7.

28 Měrný tlak vypčteme jak maximální sílu půsbící na pístní skupinu pdělenu plchu. Plcha je vypčtena z vnějšíh průměru čepu a aktivní šířky mezi pístním čepem a kem jnice, kde hdnta 0,005 mm je sražení hrany puzdra jničníh ka. a j H H.0, 005 0,08.0, 005 a j 0,07 mm p FC a.d 4 1, ,07.0,0 p O Č P Č j Č,98.10 Pa,98 MPa 9 MPa 5. Měrný tlak mez i puzdrem a kem jnice Zalisváním brnzvéh puzdra d ka jnice vznikne spjité zatížení (měrný tlak) na vnitřním pvrchu ka, který vyvlá ve všech příčných průřezech jničníh ka určité knstantní napětí. Tt napětí se za prvzu mtru p hřátí jničníh ka ještě zvětší v důsledku vyšší rztažnsti materiálu puzdra. Dvlené napětí MPa. [7] Obr. 15 Vyznačení průběhu měrných tlaků v jničním ku [7] 8.

29 Sučinitel lineární tepelné rztažnsti brnzu: α b 1, K 1 5 M dul pružnsti v tahu brnzu: E 1,15.10 MPa b Sučinitel lineární tepelné rztažnsti celi: α 1, K 1 Mdul pružnsti v tahu celi: E,.10 5 MPa Přesah puzdra (u sučasných autmbilních mtrů) e 0,01 0,0 mm Vlím Ohřev ka e 0,04 mm Δt K Vlím Δ t 15 K Přesah puzdra v důsledku hřátí e t D. t.( ) 0,0.15.(1, Δ α α 1,0.10 ) e,.10 m H1 b t Měrný tlak C D + D 0,0 + 0,0 C, D D 0,0 0,0 H H H1 H1 C p p D + D 0,0 + 0,0 C p 10, 54 D D 0,0 0,0 D H1 H1 H1 Č Č 5 e + e t 0,04 +,.10 C C, 0, 10,54 0, + μ p μ +.( + ) 0,0.( + ) E E,.10 1,15.10 b p 7,1.10 Pa 9.

30 Napětí ve vnějším a vnitřním vlákně Vnější vlákn a.d p. D H H1 D H1.0,0 7, ,0 0,0 a 44,17.10 Pa a 44,17 MPa 100 MPa Vnitřní vlákn i D p. D H + D 0,0 + 0, 0 H1 7,1.10. H D H1 0,0 0,0 i 71,78.10 Pa i 71,78 MPa 100 MPa 5.4 Namáhání ka jnice setrvačnu silu Ok jnice je zatěžván setrvačnu silu, přičemž maximální síly je dsažen při dběhu pístu d hrní úvrati (HÚ). Pr výpčet napětí vyvlané tut silu nahrazujeme k jnice mdelem, silně zakřiveným prutem kruhvéh tvaru plměru r s vetknutím v bdě 0 průřezu I-I., viz br. 17. [7] Obr. 1 Průběh zatížení a napětí v jničním ku [7] 0.

31 Obr. 17 Mdel silně zakřivenéh kruhvéh prutu [7] Plměr těžiště příčnéh průřezu D H + D H1 0,0 + 0,0 r r 0,0175 m Největší hdnta napětí ve vnějších vláknech as je v průřezu I-I v místě uktvení ka d dříku jnice. Průběh napětí ve vnitřních vláknech is má maximum v průřezu klmém na su jnice. Při úhlu zaktvení jničníh ka ϕ > 90 je v průřezu I-I: z as > is. [7] Úhel zaktvení jničníh ka vlím: ϕ 10 z Mment a nrmálvá síla v průřezu 0-0 d setrvačné síly M s F.r.(0,000. ϕ S z 0,097) 7, ,0175.(0, ,097) M s 1,008 N. m F ns F.(0,57 0,0008. ϕ ) 7, (0,57 0, ) F,5.10 N S z ns Mment a nrmálvá síla v průřezu I-I d setrvačné síly M M s s M s + F ns.r.(1 csϕ z ) + 0,5.F.r.(sin ϕ S z + csϕ 1,008 +, ,0175.(1 cs10 ) + 0,5.7, ,0175.(sin10 z ) M s 4,15 N.m + cs10 ) 1.

32 F F ns ns F ns.csϕ z + 0,5.F.(sin ϕ S z + csϕ ) z,5.10.cs15 + 0,5.7, (sin10 + cs10 ) F,97.10 N ns Tlušťka stěny ka jnice D D H1 0,0 0,0 h H 4 h 5,5.10 m Příčný průřez ka jnice S D ( H D H1 ).a j 0,0 0,0 ( ).0,07 S 1, m Příčný průřez puzdra S p D ( H1 D Č ).a j 0,0 0,0 ( ).0,07 S p, m Pdíl nrmálvé síly k 1 E.S,.10.1, k E S + E b.s p,.10.1, ,15.10., , 91 Nrmálvé napětí ve vnějším a vnitřním vlákně řešenéh průřezu I-I d setrvačné síly Vnější vlákn.r + h (.M s. h.(.r h) k.f 1 ). a.h as + 1 ns j.0,08 + 5, as (.4, ,91.,97.10 ). Vnitřní vlákn 5,5.10.r + h (.M s. h.(.r h).(.0,08 5,5.10 k.f 1 ). a.h ) 0, 07.5,5.10 as 1,0.10 is + 1 ns j (.0,08 + 5, is.4, ,91.,97.10 ). 5,5.10.(.0,08 5,5.10 ) 0,07.5,5.10 0,5.10 is MPa MPa.

33 5.5 Namáhání ka jnice silu d tlaku plynů Na br. 18 je ukázán zatížení jničníh ka tlakem plynů nad pístem. P ředpkládáme, že výslednice spjitéh zatížení q f ( ψ), samělá síla F půsbí v se jnice. Skutečné těles a zatížení je nahrazen prutvým mdelem. Jedná se silně zakřivený prut, vetknutý v průřezu I-I. [7] p Obr. 18 Namáhání ka jnice silu d tlaků plynů [7] Tab. Závislst veliksti sučinitelů a 1 a a na úhlu zaktvení ka v dříku jnice [7] a 1 0,00 a 0, 001 π π ϕz 1 π, J ( ).sin ϕz.csϕz ( ).sin,0944.cs,0944 J 0, ϕ z. ϕ, z 0944.

34 Ohybvý mment v průřezu I-I M M t t F C.r. a + a1.(1 cs ϕz ). J π 4 1, ,08. 0,00 + ( 0,001).(1 cs10 ).0, 07 π M t,07 N.m Nrmálvá síla v průřezu I-I F nt 4 FC. a1.cs ϕz +.J 1, ,00.cs10 +.0, 07 π π F nt 194,05 N Nrmálvá napětí ve vnějším a vnitřním vlákně řešenéh průřezu I-I Vnější vlákn.r + h (.M t. h.(.r h) at + at k 1.F nt 1 ). a.h.0,08 + 5,5.10 5,5.10.(.0,08 5,5.10 j.(,07). + 0,91.194,05.. ) 1 0,07.5,5.10 1,41.10 at MPa Vnitřní vlákn it it.r + h (.M. h.(.r h) t + k 1.F nt 1 ). a.h.0,08 + 5,5.10 5,5.10.(.0,08 5,5.10 j 1 0,07.5,5.10 (.(,07). + 0,91.194,05). ) it,79.10 MPa 4.

35 5. Maximální napětí v ku jnice Maximální napětí je určen ze sučtu příslušných vnějších a vnitřních napětí. Z nich je dále vybrán napětí s nejvyšší a nejnižší hdntu. a + as 44, ,0. 105, 1 MPa , ,,74 a at 41. MPa 10 i + is 71, , ,5 MPa i + it 71, ,79. 9,59 4 MPa 4 10 Maximální a minimální napětí max 1 min 105, max MPa,74 min MPa 5.7 Bezpečnst jnice vůči kluzu V lím materiál jnice cel ( R m Pa, R Pa ). [1] e R e k k max ,.10 k k 4,7 5.8 Bezpečnst jnice na únavu Bezpečnst na únavu pčítáme z th důvdu, aby nedšl při prvzu k pškzení únavvým lmem. Ze spčítané meze únavy vzrku a pravných keficientů dstaneme mez únavy reálné sučásti. Dále je spčítána amplituda a střední hdnta napětí. Vypčtené hdnty se dsadí d vzrce pr kritérium únavvéh pškzení dle Gdmana. [1] Mez únavy vzrku c 0,5.R m 0, c 5.10 Pa 5.

36 Sučinitel pvrchu 0,5 0,5 k a 4,51.R m 4, k a 0, 8105 Sučinitel veliksti k b 0,107 0,107 H H 8 k b 0, 87 7, 7, Sučinitel zatížení k c 1 Sučinitel teplty k d 1,0 Sučinitel splehlivsti k 0, 814 e Sučinitel dalších vlivů k 1 f Mez únavy reálné sučásti c 10 k a.k b.k c.k d.k e.k f. c 0,8105.0,87.1.1,0.0, ,59.10 c Pa Amplituda napětí max min 105,5.10,74.10 A 41,4.10 A Pa Střední napětí M max + min 105,5.10 +,74.10 M 4.10 Pa.

37 Bezpečnst vůči únavě pdle Gdmana 1 1 k k, 9 A M 41, c R m 04,

38 ZÁVĚR Cílem mé práce byl vypčítat termdynamický cyklus, navrhnut základní rzměry pístní skupiny a pr zadané prvzní režimy prvést kntrlu ka jnice. Ve výpčtu termdynamickéh cyklu byly spčítány tlaky a teplty v jedntlivých bdech. Maximální hdnty byly v bdě, tj. při expanzi (p 4,8 MPa; T 147 K). Dále byla vypčítána celkvá bjemvá práce cyklu, ze které se určil teretický výkn (P10, kw), který je nižší než zadaný (14 kw). Návrh základních rzměrů pístní skupiny byl důležitý pr výpčet hmtnsti pístní skupiny (m celk 0,47 kg). Ta byla využita pr výpčet setrvačné síly a ta dále pr celkvu sílu na pístní skupinu (F C 14,57 kn). Pslední část se zabírá návrhem základních rzměrů jnice a pevnstním výpčtem ka jnice. Vypčtené měrné tlaky byly nižší než dvlené. Bezpečnst jnice vůči mezi kluzu vyhvuje (4,7). Bezpečnst jnice při cyklickém namáhání také vyhvuje (,9), prtže leží v rzmezí (,5-5). 8.

39 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] [cit ] [] Berun, S.: Vzidlvé mtry. [] VLK, František. Vzidlvé spalvací mtry. 1. vyd. Brn : Prf. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, s. ISBN [4] Rausher, J.: Spalvací mtry. [5] PAVELEK, Milan a kl.:termmechanika. 1. vyd. Brn : Akademické nakladatelství CERM, s.r.., s. ISBN [] Pavelek, Milan; Štětina, Jsef. Termmechanika studijní pmůcky pr kmbinvanu frmu bakalářskéh studia. [nline]. [cit ]. Dstupné z: [7] Rausher, J.: Rčníkvý prjekt. [8] ŠKODA WebTech. Terie mtru [nline]. Pslední revize 1. března 00. [cit ]. Dstupné z: [9] Rausher, J.: Vzidlvé mtry. [10] ŠTOSS, M.: Spalvací mtry I.. vyd. Brn : Nakladatelství Vyskéh učení technickéh v Brně, 199. s. ISBN [11] [1] LEINVEBER, J.; ŘASA, J.; VÁVRA, P.: Strjnické tabulky upravené a dplněné vydání. Scientia, s. ISBN [1] SHIGLEY, J. E.; MISCHKE, C. R.; BUDYNAS, R. G.: Mechanical Engineering Design. 7th ed. New Yrk : The McGraw-Hill Cmpanies, 004, ISBN

40 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Symbl Jedntka Název a j [m] D [m] vrtání válce [m] vnější průměr pístníh čepu šířka jničníh ka zmenšená šířku sražení hran puzdra a 1 [-] sučinitel závislý na úhlu zaktvení ka v dříku jnice a [-] sučinitel závislý na úhlu zaktvení ka v dříku jnice a( α ) [m.s - ] zrychlení pístu závislé na úhlu natčení klikvéh hřídele a 1 α )) a ( α ) - [m.s ] [m.s - ] 1. harmnická slžka zrychlení pístu. harmnická slžka zrychlení pístu A 1 [J] sptřebvaná bjemvá práce při kmpresi A [J] vyknaná bjemvá práce při expanzi 4 C [-] pměr průměrů na ku jnice C [-] pměr průměrů jničníh puzdra p D č D či [m] vnitřní průměr pístníh čepu D D1 D D D H1 [m] [m] [m] vnitřní průměr hlavy jnice vnější průměr hlavy jnice vnitřní průměr ka jnice D H e [m] [m] vnější průměr ka jnice přesah brnzvéh puzdra v jnici e [m] zvětšení přesahu puzdra v důsledku hřátí t E [Pa] mdul pružnsti v tahu brnzu b E [Pa] [N] mdul pružnsti v tahu celi E p [Pa] palivem přivedená energie F C [N] maximální půsbící síla F [N] nrmálvá síla v průřezu 0-0 d setrvačné síly ns F [N] nrmálvá síla v průřezu I-I d setrvačné síly ns F nt F P nrmálvá síla v průřezu I-I d tlaku plynů [N] síla půsbící d tlaku plynů F S [ N] setrvačná síla psuvných hmt pístní skupiny h [m] tlušťka stěny ka jnice H č [m] vnitřní průměr pístu H D [m] šířka hlavy jnice H H [m] šířka ka jnice H k [m] kmpresní výška pístu H m1 [m] výška prvníh můstku H m [m] výška druhéh můstku [m] vzdálenst mezi nálitky pr pístní čep H 40.

41 Symbl Jedntka Název H p [m] výška pístu H u [J.kg -1 ] spdní výhřevnst paliva J k a [-] [-] sučinitel sučinitel pvrchu k b [-] sučinitel veliksti k c [-] sučinitel zatížení k d k e k f k k [-] [-] [-] [-] sučinitel teplty sučinitel splehlivsti sučinitel dalších vlivů bezpečnst jnice vůči mezi kluzu k 1 [-] knstanta vyjadřující pdíl nrmálvé síly F ns přenášené kem jnice ve vztahu k přensu lžiskvým puzdrem ka k [-] bezpečnst vůči únavě pdle Gdmana [m] délka jnice l O lč [m] délka pístníh čepu m celk [kg] hmtnst pístní skupiny m č [kg] hmtnst čepu m p [kg] skutečná hmtnst paliva m pi [kg] hmtnst pístu m vs [kg] skutečná hmtnst vzduchu m vt [kg] teretická hmtnst vzduchu M s [N.m] hybvý mment v průřezu 0-0 d setrvačné síly M s M t n [N.m] [N.m] [s -1 ] hybvý mment v průřezu I-I d setrvačné síly hybvý mment v průřezu I-I d tlaku plynů jmenvité táčky mtru p [Pa] měrný tlak mezi pvrchem puzdra a jnice v hřátém stavu po Č [Pa] měrný tlak mezi kem jnice a pístním čepem p 1 [Pa] atmsférický tlak p [Pa] tlak na knci kmprese p [Pa] maximální tlak cyklu p 4 [Pa] tlak na knci adiabatické expanze P [W] zadaný výkn Pt [W] teretický výkn r [J.kg -1.K -1 ] měrná plynvá knstanta r [m] plměr těžiště příčnéh průřezu r kl [m] plměr kliky R e [Pa] mez kluzu R [Pa] mez pevnsti m 41.

42 Symbl Jedntka Název s( α) [m] dráha pístu závislá na úhlu natčení klikvéh hřídele s 1 ( α) s (α) S [m] [m] [m ] 1. harmnická slžka dráhy pístu. harmnická slžka dráhy pístu příčný průřez ka jnice S [m p ] příčný průřez puzdra t [s] dba jednh cyklu t [m] šířka stjiny jnice t 1 [m] šířka pásnice jnice Δ t [K] hřev ka T [m] výška dříku jnice T 1 [K] teplta klí T [K] teplta na knci kmprese T [K] maximální teplta cyklu T 4 v( α) v 1 (α) [K] -1 [m.s ] [m.s -1 ] teplta na knci adiabatické expanze rychlst pístu závislá na úhlu natčení klikvéh hřídele 1. harmnická slžka rychlsti pístu v ( α) [m.s -1 ]. harmnická slžka rychlsti pístu V C [m ] spalvací bjem V č [m ] bjem pístníh čepu V [m K ] kmpresní bjem V [m pi ] bjem pístu V [m Z ] zdvihvý bjem z [m] zdvih pístu α [ ] úhel natčení klikvéh hřídele α [K -1 b ] sučinitel lineární tepelné rztažnsti brnzu α [K-1 ] sučinitel lineární tepelné rztažnsti celi δ [m] výška dna pístu ε [-] kmpresní pměr η t [-] teretická účinnst κ [-] Pissnva knstanta λ kl [-] klikvý pměr λ [-] vzdušný sučinitel λ s [-] stechimetrický pměr μ [-] Pissnv čísl π [-] Ludlfv čísl ρ Al - [kg.m ] hustta hliníku ρalsi ρecel [kg.m- ] ] hustta slitiny hustta celi [kg.m - ] hustta křemíku ρ Si 4.

43 Symbl Jedntka Název a [Pa] napětí na vnějším vlákně A [Pa] amplituda napětí [Pa] nrmálvé napětí na vnějším vlákně v průřezu I-I as at c [Pa] [Pa] nrmálvé napětí ve vnějším vlákně v průřezu I-I mez únavy reálné sučásti c [Pa] mez únavy vzrku i [Pa] napětí na vnitřním vlákně [Pa] nrmálvé napětí na vnitřním vlákně v průřezu I-I is it max [Pa] nrmálvé napětí ve vnitřním vlákně v průřezu I-I [Pa] maximální napětí min [Pa] minimální napětí M [Pa] střední napětí [Pa] napětí na vnějším průměru max1 max max max 4 [Pa] napětí na vnějším průměru [Pa] [Pa] napětí na vnitřním průměru napětí na vnitřním průměru ϕ z [ ] úhel zaktvení jničníh ka ω [rad.s -1 ] úhlvá rychlst 4.