Pístové spalovací motory

Transkript

1 Rozvody spalovacích motorů Pístové spalovací motory Rozvody spalovacích motorů Palivová soustava zážehových motorů, části Palivová soustava vznětových motorů, části Přeplňování motorů Slouží k ovládání vstupu pracovní látky do válce a následně k odvedení spalin z válce do výfukové soustavy. Rozdělujeme je na ventilové (SV, OHV, OHC), šoupátkové, pístem. Z pohledu vlastního ovládání ventilů vzhledem k otáčkám klikového hřídele slouží kruhové diagramy ve kterých se nastaví tzv.časování. Vývoj ventilových rozvodů směřuje k dokonalejšímu plnění a možnosti zvýšení otáček motoru. To v praxi znamená hledání dokonalejšího časování a odlehčování rozvodového mechanismu. Rozvod SV (Side Valve) Je tvořen ventilem V, zdvihátkem( zvedací tyčkou) Z, vačkovýn hřídelem VH, který je poháněn přes rozvodová kola RK od klikového hřídele s jedním systémem sacího a výfukového ventilu. Pružina P vyvozuje těsnící sílu při zavírání ventilu. Je to rozvod jednoduchý, má však nevhodný kompresní prostor, užívá se dnes již málo. Mezi motoristy je tento rozvod také označován jako rozvod spodový nebo také jako motor s L-hlavou. Vůle v rozvodu umožňuje tepelnou dilataci součástí a tím i dobrou těsnost. Bývá 0,1 až 0,3mm a musí se v pravidelných intervalech seřizovat. Za provozu se u tohoto rozvodu vůle zmenšuje. Rozvod OHV (Over Head Valve) Tento rozvod má ventily V nad hlavou. Jsou ovládány přes vahadlo VHD, zdvihátko Z, vačkový hřídel VH a rozvodová kola RK. Do horní polohy je ventil dotlačován silou pružiny P.Každý válec má tento systém pro sací a výfukový ventil. Za provozu se ventilová vůle zvětšuje. Rozvod má hodně pohybujících hmot a tím je omezena jistá hranice maximálních otáček. Rozvod patří do skupiny frekventovaných typů u běžných motorů, které mají mít vysoký měrný výkon, menší hmotnost a stavební rozměry. Současné technologické možnosti a vysoká seriovost umožňuje ekonomickou výrobu těchto motorů. Rozvod OHC (Over Head Camshaft) Převážná většina moderních motorů upřednostňuje tento typ. Rozvod má z hlediska předchozích nejmenší množství pohybujících se hmot. Nevýhodou je jistá nepřístupnost do motoru, který má nad válci vačkový hřídel. 1 Pspmot2.doc

2 Rozvod se skládá z ventilu V s vratnou pružinou P. Ventil je ovládán přímo z vačkového hřídele VH, který pohání rozvodové kolo. Na vačkové hřídeli jsou vačky jak pro sací tak pro výfukový ventil. Chceme-li mít více ventilů v jednom pístu, použijeme rozvod 2xOHC (jinak také DOHC). Shrnutí: Každému typu rozvodu odpovídá jakási praktická hranice nejvyšších provozních otáček, která vyplývá z mechanických možností rozvodu. Limitující složkou jsou hmotnosti součástí s vratným pohybem. Setrvačné síly rostou s otáčkami a působí proti tlaku vratných ventilových pružin. Při překročení určitých otáček přestane tedy zdvihátko kopírovat profil vačky, začne odskakovat a hrozí možnost kolize ventilu s pístem, deformace zvedacích tyček a pod. Motor pracující v tomto mezním nepřípustném režimu je přetočen. Je možné zvětšit ventilové pružiny, ty zase výrazně zvyšují odpory třením, snižují životnost vačkových hřídelů a pod. To by znamenalo provést robustnější konstrukci....je zřejmé, že je to otázka vývoje a ověřování koncepce. Také otázka pohonu rozvodových kol je vývojovým problémem. Může být náhon víceřadým řetězem nebo ozubeným řemenem. Desmodromický rozvod Jedná se o zvláštní typ rozvodu. Základní filosofie vzniku byla: je třeba ovlivnit průběh zdvihu ventilu V v závislosti na otáčení vačkového hřídele VH. Protože se tento úkol nedal již řešit s pomocí ventilových pružin, ovládá jeden ventil otavírací a zavírací vačka. Ventil tedy ovládá dvouramenné vahadlo VHD. Podaří se dosáhnout zvětšení zdvihu ventilu, tím se dá pak zkrátit úhel otevření ventilu. Poněvadž jediný konstrukční prvek musí bez příčení sledovat tvar otevírací a zavírací vačky a ještě se vypořádat s tepelnou dilatací ventilu, je to pro návrh z hlediska přesnosti na výrobu velmi náročný požadavek. Z historického pohledu se s uvedenými skutečnostmi dovedla úspěšně vypořádat firma Mercedes-Benz, která jej aplikovala u vítězících závodních osmiválcových motorů v letech na mistrovstvích světa formulí. V motocyklových motorech se snažila tuto koncepci uvést do seriového uplatnění fa Ducatti (závodně Norton). Šoupátkový rozvod Existuje mnoho různých koncepcí, pro jednoduchost je možné uvést systém s rotačním šoupátkem nad hlavou válce. Šoupátko střídavě otočí sací kanál, posléze výfukový kanál do pracovního prostoru nad pístem v závislosti na konkrétní funkci (části oběhu). Náročnost spočívá v zajištění těsnosti silně tepelně namáhané rotující součásti-šoupátka. Rozvod pístem Tento systém v nejjednodušší podobě představuje řešení, kdy píst při svém pohybu mezi horní a dolní úvratí střídavě zakrývá a odkrývá kanál sací ( směs jde pod píst), kanál plnicí (směs se transportuje zespodu pístu nad píst) a kanál výfukový (spaliny opouštějí pracovní prostor, jsou vytlačovány novou pracovní náplní. Uvedena koncepce je nejpoužívanější. Odpadá jakékoliv seřizováni vlastního časování, to je pevně nastaveno vlastní konstrukcí, umístěním kanálů. Protože při vypuzování spalin novou náplní jde tato náplň proti pohybu pístu bývá tento způsob označován také jako pístový rozvod s protiproudým vyplachováním. Vlastní schema je naznačeno u oběhových diagramů (dvoudobé motory). 2 Pspmot2.doc

3 Tento uvedený systém lze tedy v intencích předchozího výkladu charakterizovat jako rozvod pístem u kterého je k výfuku použit ventil. Není zde přepouštěcí kanál. Z hlediska pohybu pracovní náplně se jedná o vyplachování souproudé. Palivová soustava zážehových motorů, části. Celou cestu paliva je možné znázornit blokově: Nádrž je v dnešní době komplikovaná nádoba, jejíž umístění musí odpovídat náročným bezpečnostním předpisům. Obsahuje plnicí hrdlo s uzávěrem, odvzdušňovací potrubí z uzavíracím ventilem, plovákové ústrojí s převodníkem pro ukazatel stavu paliva a vypouštěcí šroub. Palivové čerpadlo je většinou spojeno s čističem paliva. Čerpadlo je provedeno jako membránové (viz oddíl hydrostatická čerpadla) a jeho ovladací páčka získává pohyb odvozený od klikového hřídele motoru (např.přes vačku). Karburátor-první možnost, jak získat zápalnou směs paliva se vzduchem. Za teoreticky správný se považuje směšovací poměr 15:1, což znamená, že na 1 dm 3 paliva připadá 15 dm 3 vzduchu. Moderní karburátory připravují směsi v poměru 20:1 až 25:1, je to tedy směs tzv. chudá na palivo. U karburátoru s emulzní trubicí přichází palivo přes jehlový ventil JV do plovákové komory PK s plovákem P, který ovládá JV. Přes hlavní trysku HT je palivo přiváděno do emulzní trubice ET s vzdušníkem VET. Podle toho jaký podtlak vzniká v dýze D, kde proudí vzduch, kolísá hladina v ET vlivem kalibrovaného VET. Smáčený povrch ET pak aktivně tvoří nassávanou objemovou hodnotu paliva, kterou rozprašuje v difusoru. Pro volnoběh motoru slouží škrtící ventil ŠV se vzdušníkem VV, který přivádí palivo přímo pod přivřenou škrtící klapku ŠK. Při dalším otevírání ŠK pak složení směsi převezme k ovlivňování ET a VET. Karburátor většinou má ještě další úśtrojí: sytič (pro startování vytvoří bohatou směs asi 4:1), obohacovač, akcelerační pumpičku a další. Protože ani tyto zařízení nestačí splnit všechny požadavky na moderní karburátor, bývají tyto většinou dvoustupňové (každý stupeň má podobnou strukturu ale pracuje v intervalu různých podtlaků). První stupeň je pro ekonomický provoz, jakmile se zapne i druhý stupeň, dosahujeme maximálního výkonu na úkor hospodárnosti. 3 Pspmot2.doc

4 Vstřikovací zařízeníje druhá možnost přípravy paliva vstřikováním benzínu do sacího traktu. Pro ekonomický provoz se používají elektronická zařízení. K vstřikovacím tryskám se přivádí palivo pod konstantním tlakem a množství je regulováno elektromagneticky otevíranou tryskou. Délku a okamžik otevření řídí mikroprocesor, ten zpracovává údaje jako např. zatížení a otáčky motoru, podtlak v sacím potrubí, teplotu motoru, tlak okolního vzduchu, děje v výfukovém potrubí (tzv. lambda sonda ) a pod. Každý válec má svoji vstřikovací trysku. Vstřikovací přetlak bývá 0,2-0,3 MPa a vstřikovací čas 0,002 až 0010 sec. U soustavy BOSCH-K-Jetronic se směšovací poměr reguluje zdvihem desky v kuželovém hrdle. Páka POD se tak pohybuje a ovládá odměřovací pístek OP, který je pak připraven dodat určité množství paliva do vstřikovacích ventilů W1 a W2 do sacího potrubí. W2 je pro studené starty. Palivo jde k OP z nádrže N přes elektrické čerpadlo EZ, tlakový zásobník TZ a filtr F. Aktivaci vstřikovacích ventilů řídí elektronická řídící jednotka EŘJ, která sbírá různé údaje kanálem SU (komunikace čárkovanými cestami). Vstřikovací zařízení se s nástupem elektroniky stále více prosazují. Lze zajistit snížení škodlivin ve výfuku, snížení spotřeby paliva a celkově kultivovanější chod motoru vlivem rovnoměrnější směsi. Palivová soustava vznětových motorů, části. Cestu paliva lze znázornit blokově: Vzhledem k předcházejícím pojmům popíšeme odlišnosti. Čerpadlo s hrubým čističem je nízkotlaké. Vstřikovací čerpadlo se vstřikovacím tlakem MPa slouží k odměření a časově správnému vstříknutí paliva dále do vstřikovače. Toho se dosáhne pístem P s regulační hranou. Podle polohy této regulační hrany se při pohybu pístku tento rozdělí na část výtlačnou (kdy pístek zakrývá kanály vstup a odpad,ventilem W je palivo předáváno k vstřikovači) a na část přepouštěcí (tyto kanály jsou nezakryté-palivo uniká zpět ). Tam kde je na rozvinutém plášti znázorněna poloha 2. pístek netěsní vůbec vlivem svislé souvislé drážky, nic se nevytlačuje motor se zastaví. Pokud se poloha 1. bude posouvat doprava, zvyšuje se vstřikované množství, celkově výkon motoru. Z rozvinutého tvaru je zřejmé, že začátek vstřiku je pro všechny polohy stejný, konec různý. Může to být i naopak vhodnou konstrukcí pístku nebo dokonce s proměnlivým začátkem i koncem vstřikování. Pozor!! Zdvih pístku se neovládá, je konstantní, pouze pístek se natáčí. Vstřikovač s vstřikovací tryskou zajistí rozprášení paliva do stlačeného horkého vzduchu a tím dojde k vznícení 4 Pspmot2.doc

5 paliva. Jehla má regulační pružinu na seřizování vstřikovacího tlaku. Vlastní zakončení tělesa trysky má jeden otvor, nebo několik podle užití této trysky (motory s přímým vstřikem nebo komůrkové). Tryska je také označovaná jako zavřená tzn. po vstřiku jedla dosedne na sedlo a uzavře spojení s přívodním kanálem. P.S. Vstřikovací tlak může být až 40 MPa, vzduch na konci komprese má stupňů Celsia a tlak 3-4 MPa a kompresní poměr je běžně hodnoty 14 až 24. Podle způsobu vstřikování mohou být motory s přímým vstřikem a motory s nepřímým vstřikem. Přímý vstřik Palivo se dobře promíchá se vzduchem, motor musí mít co nejmenší odvod tepla aby se udržela zápalná teplota. Motor plně využije energie v palivu (přímý účinek na píst), klikový mechanismus je hodně namáhán, motor pracuje tvrdě. Můžeme mít různé kompresní prostory např.: První dva zleva představují různé formy miskovitých, další dva pak prstencových spalovacích prostorů. Poslední dva mají skoro celý kompresní objem tvořen dutinou v pístu, jedná se o kulový (system MAN) a půlkulový kompresní prostor. Nepřímý vstřik. Palivo je inicializováno v odděleném prostoru-komůrce. Vstřikovací zařízení je jednodušší, motor má tišší chod, menší kouření motoru. Užívá se většinou u motorů osobních automobilů. Levý obrázek představuje tlakovou komůrku. Nejdříve se zapálí směs v komůrce, pak vyfoukne nad píst a tam dohoří.. Prostřední je vírová komůrka. V komůrce dojde k intenzivnímu víření vlivem tangenciálnímu vstupu vzduchu. Poslední je vzduchová komůrka. Palivo se vstříkne až nad píst ale z komůrky se dodává pro dohoření kyslík (expandující vzduchová náplň) Obslužné procesy a zařízení při činnosti motorů: Zapalovací soustava u zážehových motorů- systém součástí, který na elektrodách svíčky vyvolá elektrický vysokonapěťový výboj (řádově kv) a následné zapálení směsi. Hlavní části jsou: akumulátor, spínací relé, indukční (zapalovací cívka), přerušovač a rozdělovač, svíčky. Celek musí zajistit předstih zážehu, tzn. k jiskře musí dojít ještě před horní kompresní úvratí a s rostoucími otáčkami se tento předstih musí zvětšovat. V dnešní době je tento celek doplněn elektronikou, zařízení je u moderních motorů složité. Chlazení musí zajistit teplotu stěny válce asi C, nízká teplota způsobuje kondenzaci vodních par, vysoká zapékání pístních kroužků a samozápaly. Může být vzduchové (válce mají vhodně tvarované chladicí žebra) nebo kapalinové (motor má dvojité stěny válce, vnějším obalem proudí chladicí kapalina a cirkuluje mezi motorem a chladičem (výměníkem kapalina-vzduch)) Mazání slouží ke snížení tření, odvodu tepla a utěsňování. Mazivo může být součástí paliva (u dvoudobých motorů), nebo se jednotlivé pohyblivé skupiny motoru mažou oběhovým čerpadlem a příslušnými kanálky. Spouštěcí ústrojí může být ruční (nožní) u malých motorů. U většiny motorů je použit speciální elektromotorstartér. Velké motory se spouštějí pomocí jiného (menšího) motoru. 5 Pspmot2.doc

6 Výfuková soustava je u moderních motorů složité zařízení, protože je v něm integrován katalyzátor pro vázání škodlivin, které jsou součástí spalin. Tvarováním potrubí lze optimalizovat výkon motorů (tzv.laděné výfukové potrubí). Přeplňování motorů Ze vztahu pro efektivní výkon plyne možnost ovlivnit také střední efektivní tlak p e (tedy přímo střední indikovaný tlak p i ). Je třeba tedy dodávat palivo a vzduch do válce pod určitým přetlakem. Tím se v tlakovém diagramu čtyřtaktního motoru zmenší plocha, která reprezentuje spotřebovanou práci.praktická realizace je možná dvěma způsoby: a) Pomocí mechanicky poháněného dmychadla od klikového hřídele motoru. Jako dmychadlo se užívalo tzv.rootsovo dmychadlo. Systém je dnes překonán. b) Pomocí lopatkového soustrojí- turbodmychadla. Spaliny pohánění spalovací turbínu, která pohání dmychadlo nassávající vzduch a následně jej žene do sacího traktu motoru. Protože jsou motory z ekologického hlediska ostře sledované, vývoj motorů v této oblasti se snaží využívat nových principů (turbokompaudní vznětové motory, užití keramických materiálů- povlaků, nové druhy přeplňování - systém Comprex (Brown-Boveri) a jiné). Wankel motor se příliš neprosadil, do použitelného stadia jej dotáhli pouze Japonci (Mazda), motory Stelzer a Stirling se vyvíjí, zatím nejsou ve větším měřítku použitelné. 6 Pspmot2.doc