VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU

Transkript

1 VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU 1. uspořádání a plnění válců Např.: průzkum v použití, trend (N3, M3) 2. další druhy konstrukce Např.: ZM/VM, 4/2 dobé, OHV/OHC, tvorba směsi, počet ventilů, 1

2 VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU 2. měrný výkon motoru Př. pro N3 Měrný litrový výkon (kw/dm3) Měrný výkon projektovaných motorů pro rok kw/dm Maximální měrný výkon současných motorů v roce kw/dm

3 CÍLOVÉ PARAMETRY Točivý moment (Nm) 3. max. točivý moment motorů Max. střední užitečný tlak projektovaných motorů pro rok ,4 1,7 MPa Max. střední užitečný tlak současných motorů v roce ,6 MPa > Zdvihový objem (cm 3 ) 3

4 Minimální měrná spotřeba paliva (g/kwh) Požadavek na snižovaní spotřeby paliva, která představuje hlavní položku provozních nákladů. Ukazatel měrné spotřeby paliva motoru v g/kwh pokles o 25% U užitkových vozidel bylo ve sledovaném období dosaženo snížení objemovodráhové spotřeby v dm 3 /100km o 40 50% zejména díky optimalizaci převodů, aerodynamiky vozidla, valivých odporů. Spotřeba paliva souvisí s produkcí emise CO 2, která je dnes zvláště zdůrazňovaná v souvislosti se skleníkovými plyny. Požadavek na snižování spotřeby mazacího oleje z 1,2 g/kwh na 0,3 0,5 g/kwh 4

5 Zákommé limity emisí (g/kwh) ECE EU 0 NOx CO Požadavky na snižování plynných a pevných emisí ve výfukových plynech význam ekologický EU 1 EU 2 HC PM 98% Trendy vývoje předpisů v Evropě EU 3 EU 4,5 EU Rok osobní vozidla viz další prezentace 5

6 Splnění rostoucích požadavků zabezpečuje konstrukce motoru, která představuje složitou soustavu činností. Experiment PC simulace Marketing, zákazník Paliva Maziva Vývoj KONSTRUKCE Elektronika Aplikovaný výzkum Materiál Technologie Spolupráce: -úzká s vývojem - široká s navazujícími obory Palivový systém Plnicí systém Nejvýznamnější prostředky pro řešení požadavků jsou v oblastech Spalování Deformací a namáhání kritických dílů (přeplňování, recirkulace, chlazení) Dodatečné čištění výfukových plynů 6

7 Setr. PČ Ojnice Ložiska KH Blok Rozvody OČ Tlumič VČ Ventilátor Píst PK Rail Válec Vstřikovač Těsnění Hlava SV VV VH CH FO CH Term FP PČ SP VP SPALOVÁNÍ CH FV K T NO x,pm 7

8 Oblast spalování vznětových motorů Ovlivňuje příprava směsi před vznícením. Ta probíhala do 90. let podle schématu: výstřik paliva o tlaku MPa, do silně rozvířené vzduchové náplně válce, tryskou s počtem 2-5 otvůrků (f=0,28mm) v okamžiku 30 KH před H.Ú. Výsledek nízká spotřeba paliva, velký průtah vznícení vysoké NO x. Palivový systém Spalování tlak Recirkulace Chlazení Plnicí systém vzduchu Zavedení limitů EU 1 v roce řešení kompromisu mezi NO x a PM (zachování a zlepšování spotřeby paliva). Příprava směsi zaznamenala změny: výstřik paliva o tlaku ( MPa), do méně rozvířené náplně válce, tryskou s počtem otvůrků (6 15), v okamžiku (15 0 KH před H.Ú), Na straně vzduchu - zvyšování plnícího tlaku (přeplňováním), snížení teploty (mezichlazením), ředění vzduchu výfukovými plyny (recirkulací). Výsledek - malý průtah vznícení, - nižší teplota spalování, - nižší NO x. 8

9 Palivový systém vliv na průběh spalování vznětových motorů Současné palivové systémy typu Common Rail disponují vysokými vstřikovacími tlaky a flexibilní elektronickou regulaci vstřikovacího procesu, který je možné dělit na několik částí, viz příklad z indikace motoru Cummins TUL 9

10 Oblast deformací a namáhání kritických dílů Dosažení životnosti 1 mil. km u vznětových motorů pro užitková vozidla závisí na poznání způsobu a na analýze namáhání a deformačního chování kritických dílů při dynamickém zatěžování od tlaků a teplot. U kritických míst se provádí konstrukční, technologické nebo materiálové úpravy s cílem snížit koncentraci napětí a vyhovět únavové pevnosti materiálu. Kliková skříň, hlava válců, píst, ojnice, klikový hřídel,.. Mnohem složitější je konstrukčně zabezpečit nízké dynamicky proměnné deformace v kontaktu s pohybujícími se díly pro splnění tribologických a hlukových požadavků. Píst/pístní kroužky/válec, ojnice/pístní čep/píst, ojnice/klikový hřídel/kliková skříň, Mezi sousedními díly se projevuje interakce. Poddajná kliková skříň přitěžuje klikový hřídel, poddajný pístní čep přitěžuje píst a navíc deformuje jeho plášť,.. 10

11 Při projektu a následné konstrukci se postupuje od klikového mechanizmu ke klikové skříni, hlavě válců a dále k příslušenství mazacího, palivového, elektrického systému a nakonec přívod vzduchu a odvod výfukových plynů. KLIKOVÝ MECHANIZMUS PÍSTOVÁ SKUPINA (P, PČ, PK ) OJNICE KLIKOVÝ HŘÍDEL (TORSNÍ TLUMIČ, SETRVAČNÍK) LOŽISKA SKUPINA KLIKOVÉ SKŘÍNĚ KLIKOVÁ SKŘÍŇ 11

12 SKUPINA KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Setr. PČ Ojnice Ložiska KH Blok Rozvody OČ Tlumič VČ Ventilátor Píst Válec PK Vstřikovač Potrubí Těsnění Hlava SV VV VH CH FO CH Term FP PČ SP VP CH FV K T NO x,pm 12

13 KONSTRUKCE SKUPINY KLIKOVÉ SKŘÍNĚ D Z Velikost válcové jednotky a hlavní rozměry rozhodují o celkových rozměrech (zástavby) a o celkové hmotnosti motoru (výrobních a provozních nákladech). L bl min. 2mm h k X l Z Vrtání válce D: mm (OA, M) mm (NA) do 1000 mm (S, L) Zdvih Z: Z D 0,8 1,2 Z Klikový poměr: = 0,25 0,34 (0,28 0,31) 2 l h k Kompresní výška pístu: = 0,3 0,7 L X bl Z l hk 2 l Z l(1 2) 13

14 KONSTRUKCE SKUPINY KLIKOVÉ SKŘÍNĚ D Rozteč válců Z a/2 b/2 D/2 D V z Rozteč b Můstek a mm dm 3 mm mm L bl h k ,5-2, ,4-0, min. 2mm X Z l c/2 b D a Kompaktnost konstrukce b D U vidlicových motorů b * D a c 14

15 KINEMATIKA PÍSTU l r l sin r sin r l sin sin sin sin x l cos l r rcos cos 1 sin sin sin 2 H.Ú. DRÁHA. 1 1 x l r l cos r cos r 1 cos 1 2 sin 2 x r 1 cos 1 (1 2 1 sin 2 r1 cos sin sin sin RYCHLOST x dx dt dx d d dt dx d sin cos r sin r sin sin sin 2 2 dx dt dx d d dt dx d ZRYCHLENÍ 2 x r cos cos 2 ( a b) n a n na n1 n( n 1) b a 12 n2 b

16 PÍST Účel: Přenos sil od spalovacího tlaku do KM utěsnění spalovacího prostoru vůči karteru plynů (až 200bar) mazacího oleje (<0,3 g/kw.h) SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST a) Od tlaku plynů F p p 4 2 D F m m p b) Od setrvačných sil posuvných hmot x m p 2 r cos cos 2 16

17 SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST n= 3000 min -1 n= 5000 min -1 Výsledná síla namáhá: dno pístu plášť pístu uložení PČ 17

18 SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST N F F F o N tg F Normálová síla N (se mění se zdvihem pístu) Vliv na klikový poměr =r/l 18

19 SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST F 1,F 2 ojniční síla F tpv třecí síla plášť/válec F tkd třecí síla kroužek/drážka pístu F tkv třecí síla kroužek/válec N PV normálová síla plášť/válec M TL tlumící moment z rozložení hydrodynamického filmu na plášti M tc třecí moment v uložení PĆ Změny směru a velikosti sil vyvolávají sekundární pohyby (periodické klopení a příčné pohyby pístu) m p m m x F p p x y F z F y z 19

20 Sekundární pohyby generují rázové děje, vedoucí ke kmitání válce (hluk, kavitace) Eliminace sekundárních pohybů: a) písty s regulovanou dilatací (menší vůle) b) vyosení PČ max. 2%D ve směru působení max. normálové síly (na tlakovou stranu) 20

21 TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU Vzniká přestupem tepla z hořících plynů do stěn pístu v oblasti spalovacího prostoru. Teplo z pístu se odvádí do: - chladícího média přes stěnu válce, třecí plochu PK a pláště P - vzduchu v klikové skříni vnitřním povrchem P - mazacího oleje (pokud ho používáme k chlazení). TOKY TEPLA POLE TEPLOT 21

22 TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU Z průběhu tlaků ve válci během pracovního cyklu se termodynamickým výpočtem stanoví průběh teplot, např. v nejjednodušším případě Ze stavové rovnice T i p i Vi r m v r= 287 J/kgK Součinitel přestupu tepla podle Eichelberga * i 7,8 3 c s p i T i Odvod tepla dq d i i T i T w Si 6n m 22

23 TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU Kolísání teplot v průběhu pracovního cyklu se snižuje vzdáleností od povrchu (v hloubce 2-3 mm je průběh teploty stacionární) Časový průběh teplot v průběhu pracovního cyklu na povrchu dna komůrky (s rostoucími otáčkami se kolísání snižuje) Vliv tloušťky eloxování Al pístu (elektrochemicky vytvořená vrstva velmi tvrdých kysličníků vedení tepla 12x menší), kolísání se zvýší. Zlom teplotní křivky s tloušťkou eloxované vrstvy klesá, tzn. Úprava eloxování snižuje teplotu pod povrchem a oddaluje trhliny. 23

24 TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU Tepelné pole pod povrchem je stacionární během cyklu, pokud se nemění provozní režim motoru. 24

25 TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU Tepelné deformace patrné v radiálním roztahování hlavy pístu jsou závislé na průběhu teplot (vnější průměr chladnější brzdí roztahování hrany komůrky vznik tlakového předpětí, vede k plastickému přetvoření) Problémy s okraji komůrek jsou u vznětových motorů Lokální přetavení okraje komůrky: Na neobrobeném odlitku se Lasertechnologií hrana přetaví s cílem vytvoření optimální jemné a homogenní mikrostruktury se zlepšenou odolností tepelné únavy až o 90% proti základnímu materiálu. Výsledkem je odolnost vůči trhlinám 25

26 TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU Hlubší komůrka zvyšuje úroveň teplot, zejména v drážce 1.PK. 26