KONSTUKCE PÍSTU Namáhání pístu mechanickým a tepelným zatížením závisí především na režimu motoru, velikosti vrtání válce a zvolených konstrukčních rozměrech. HLAVNÍ ROZMĚRY PÍSTŮ Průměr Kompresní výška H K (s délkou ojnice a poloměrem KH určuje stavební výšku motoru Délka pístu Snaha o maximální kompaktnost s minimální hmotností vede k malé kompresní výšce: a) Písty s plochým dnem H b) Písty se spalovací komůrkou K H K H H FS M S H B RF H N H RB D 2 B H K H D 2 B Veličiny Kompresní výška H k /D Celková výška h /D Výška pláště h p /D Zážehové motory 0,36 (30 0,42) 0,7 (0,6 0,8) 0,48 (0,44 0,52) Vznětové motory 0,65 (0,55 0,75) 1,05 (0,95 1,15) 0,72 (0,63 0,81) Výška hlavy k 1.kr. 0,06 0,12 H FS /D (0,04 0,08) (0,10 0,14) Poloha nálitků a 1 /D Průměr čepu D B /D Hmotnost m p /D 3 [g/cm 3 ] 0,31 (0,27 0,34) 0,26 (0,24 0,28) 0,6 (0,4 0,8) 0,35 (0,33 0,37) 0,37 (0,34 0,40) 1 (0,7 1,2) 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 1
HMOTNOSTI PÍSTŮ Trend u zážehových motoru (rychloběžných) vede k tzv. lehkým konstrukcím. Měřítkem lehkosti pístu je faktor K, ten fyzikálně odpovídá hustotě (g/cm 2 ). K m 3 D Faktor ZM (píst bez komůrky) K 0,4 0,5 VM 0,7 1,1 (píst komůrkou) Vysoké hodnoty u VM odpovídají vyššímu zatížení, dvoudílné písty s ocel hlavou. Cesta snižování hmotnosti v důsledné optimalizaci MKP, využití nových technologii a kompozitních materiálů. Vývoj faktoru K 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 2
1) DNO PÍSTU Tvarování dna pístu ovlivňuje spalovací komůrka. Teplota dna max. 250-350 C 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 3
2) VÝŠKA HLAVY NAD 1. PK podmínkou je, aby v drážce 1. PK byla teplota max. 220 C (zapékání mazacího oleje, ztráta pohyblivosti PK a jeho funkce) Vůle mezi touto částí pístu a válcem musí vyloučit kontakt (i při klopení a tepelných deformacích) c) Malý škodlivý prostor, minimalizace PM, velká vůle zabraňuje napečení karbonu, karbon tvoří lámavou vrstvu - Dnes nepoužívaná H 1.kr (4 8)%D ZM (10-14)%D - VM 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 4
2) VÝŠKA HLAVY NAD 1. PK (příklad podmínkou je chlazení vysoko uloženého PK) 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 5
3) POLE DRÁŽEK PRO PK Tvoří těsnící systém PK-drážka- válec (těsní: - spaliny ze spalovacího prostoru do klikové skříně profuky - mazací olej v opačném směru spotřeba oleje, emise PM) F a = F aplynů ± F s ± F t F a F a při kladné velikosti těsní na spodním boku, v HÚ při výměně obsahu válce mění smysl (krátkodobě je těsnost přerušena) 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 6
3a) TĚSNÍCÍ ÚČINEK MEZI BOKY PK A DRÁŽKY PÍSTU silou F a = F aplynů ± F s ± F P aplynů p1 p2 d a t 2 F t F rv F rplynů F 2 rv F tg h a F rplynů 2 p p d ah 1 2 d F a 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 7
3) POLE DRÁŽEK PRO PK 3b) těsnící účinek mezi kluznou plochou PK a vložkou převládá hledisko: u PK profilu těsnící plochy, záběh u V - jakost a drsnost povrchu, makrogeometrie 3c) těsnící účinek zámku pístního kroužku (nezbytná vůle 0,1 mm v zahřátém stavu) POZOR na sražení drážky a PK 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 8
POŽADAVKY NA DRÁŽKY PRO PK GEOMETRICKÁ: - drsnost u Al -0,1-0,4 Ra - sklon boků drážky - vůle axiální ZM (1PK: 0,03-0,05mm, 2PK: 0,02-0,04mm) VM (1PK: 0,06-0,08mm, 2PK: 0,04-0,06mm) - vůle radiální ZM (0,8-1,0mm) VM (1,3-1,4mm) - rádius drážky těsnící PK: 0,3-0,5mm stírací PK: 1,0mm Sklon stoupající (zlepšuje stírání oleje) Sklon visící (vznik i v důsledku tepelných deformací korekce 4-8 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 9
POŽADAVKY NA DRÁŽKU PRO PK Otvůrky pro odvod oleje a) Odvod oleje setřeného jen horním břitem stíracího PK b) Odvod oleje z obou břitů 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 10
POŽADAVKY NA MŮSTKY MEZI PK VÝŠKA: 1. můstek je silně zatížen od spalovacího tlaku a z důvodů pevnosti (lom) musí být dimenzován ZM: 4,5-5% D VM: 7 9% D 2. můstek ZM: 3,5% D VM: 4,5% D FUNKČNOST: z hlediska těsnosti spalin a oleje - ostré hrany (neplatí u stíracího kroužku, kde naopak sražení napomáhá k rozdělení a odvodu oleje - zvětšením vůle 1. můstku se zvýší objem a sníží se tlak p 2 OPOTŘEBENÍ DRÁŽKY NOSIČE PK Mechanický otěr ploch drážky je způsoben radiálním pohybem PK způsobený sekundárními pohyby pístu. Axiální pohyby PK v důsledku tlaků plynů, setrvačných a třecích sil způsobují vytloukání drážky. Na opotřebení působí nedostatek mazacího oleje, brusné cizí částice, zbytky spáleného paliva a oleje. Naproti tomu vysoké teploty vedou k zakarbonování drážky (řeší se trapézovým kroužkem, který je náchylnější na opotřebení). Z těchto důvodů se, u rychloběžných nebo vznětových motorů, používá u 1PK nosič PK, který je zalitý v pístu. Materiál NIRESIT (austenitická slitina železa) má tepelnou roztažnost jako Al píst (cca 19*10-6 mm/mmk). 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 11
4) NÁBOJ PÍSTNÍHO ČEPU Uložení pístního čepu je: Plovoucí střídáním vůle se vytváří třecí moment, který způsobuje rotaci PČ, což příznivě ovlivňuje vytváření olejového filmu a vytváří odolnost proti opotřebení. 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 12
4) NÁBOJ PÍSTNÍHO ČEPU V jednom pracovním cyklu se mění směr síly 4x a je zúžen na úzký úhlový sektor, který odpovídá přibližně kyvu ojnice. Max. síla působí ve vrchní části oka pístu, v dolní působí síla od setrvačných sil. Rozdělení tlaku při zatížení spalovacím tlakem 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 13
4) NÁBOJ PÍSTNÍHO ČEPU Tvarování nábojové části pro uložení pístního čepu souvisí s jeho dimensováním (viz výpočet PČ) Ovalizace tenkostěnných PČ přináší silný nárůst napětí v náboji a tím zmenšení zatížitelnosti PČ V místě napojení oka na dno a plášť pístu se volí tvarování z důvodů snížení koncentrací znamená též úsporu hmotnosti. 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 14
5) PLÁŠŤ PÍSTU zabezpečuje vedení pístu. Na pístovou skupinu připadá 50% mechanických ztrát motoru. Plášť se podílí 1/3. Normálová síla způsobí boční reakci a proti pohybu třecí sílu, za přítomnosti oleje se vytvoří hydrodynamické rozdělení tlaku mazacího oleje. Při hydrodynamickém mazání působí mezi kluznou vrstvou pláště pístu a stěnou válce smykové napětí. To závisí na teplotní závislosti viskozity oleje, tloušťce filmu (geometrie mazací štěrbiny) a cyklicky se měnící rychlosti pístu. Třecí síla je produktem smykových napětí na jednotce plochy. Smykové napětí je při tom větší, čím menší je mazací štěrbina a čím tenčí je mazací film. Snížení třecích ztrát: Zmenšení třecí plochy se zachováním nosné Zvětšení mazací štěrbiny Snížení boční síly Hydrodynamická optimalizace POVRCH: Drsnost 1,5 3 Ra, záběhové vrstvy : Pb (1-2 m), bonderování (fosfát 4-7 m) 2011/2012 Pístové spalovací motory- SCHOLZ 15