KLIKOVÁ SKŘÍŇ ZE SLITIN HLINÍKU v provedeních: MONOLITICKÉM nadeutektoidní slitina Al-Si (ALUSIL) Al Si17 Cu4 Mg vyžaduje lití do kokil pod nízkým tlakem, licí cyklus je relativně dlouhý a omezuje sériovost. Vynikající tribologické vlastnosti a vyšší cena předurčuje použití u motorů vyráběných ve středních sériích V8, V12 (Audi, BMV, Mercedes, Porsche) 1
KLIKOVÁ SKŘÍŇ ZE SLITIN HLINÍKU v provedeních: KVAZIMONOLITICKÉM a) Kluzné povlaky nanášené elektrolyticky (Ni-SiC), nebo plazmově, nenalezly použití v sériové výrobě. b) Lokální utváření povrchu v konceptu LOKASIL - na kluzném povrchu vznikne materiál s vysokou koncentrací Si. Technologie je založená na vkládání pórovitých vložek z Si do licí formy, které jsou během lití (pod vysokým tlakem) infiltrovány do povrchu válců (do základního Al materiálu) bloku. Vzhledem k produktivní technologii, kterou je vysokotlaké lití, jedná se perspektivní koncept z hlediska sériovosti a ceny. 2
HETEROGENNÍM a) Mokré vložky (historie u Škoda, dnes se nepoužívá) b) Suché vložky -zalisované nebo zalité (materiál: legovaná litina, ocel, nadeutektoidní Al SUCHÁ VLOŽKA ZALISOVANÁ - PŘÍKLAD 3
SUCHÁ VLOŽKA ZALITÁ - PŘÍKLAD Porovnání vlastností hliníkových (Al) a litinových (GG) bloků válců (skříní): Kriterium Al/GG Hmotnost Tepelná vodivost Pevnost v tahu Pevnost v tlaku Pevnost v ohybu Tuhost Tepelná roztažnost 0,37 2-3 0,6-0,9 0,33 0,4-0,7 0,7 2 4
KLIKOVÉ SKŘÍNĚ PODLE ORIENTACE DĚLÍCÍ ROVINY VŮČI OSE KH 1. V OSE KLIKOVÉHO HŘÍDELE u menších řadových motorů, spodní víko vytažené do dělící roviny, víka ložisek KH jednotlivá. Problematické těsnění předního a zadního konce KH Ložiskové víko integrální, velmi tuhé, spodní víko jednoduchou těsnící plochou pod hřídelovým těsněním KH. Problematické těsnění ložiskového víka (kov na kov) 5
KLIKOVÉ SKŘÍNĚ PODLE ORIENTACE DĚLÍCÍ ROVINY VŮČI OSE KH 2. POD OSOU KLIKOVÉHO HŘÍDELE klasické provedení s jednotlivými víky ložisek KH. Vzdálenost dělící roviny od osy KH co nejmenší (podle velikosti hřídelových těsnění) z důvodů kmitání volné části skříně- přenos vibrací do spodního víka hluk. U vidlicových, nebo i řadových motorů boční šrouby k vyztužení vík Zvláštním případem je tunelové provedení bez ložiskových vík. Dnes TATRA s valivým uložením KH 6
3. NETYPICKÁ PROVEDENÍ Porsche s uložením KH v tuhých integrálním děleném víku a připojených blocích válců LIAZ M3:konstrukční řešení spočívající v náhradě vnějších stěn motorové skříně (spolu se spodním víkem) laminátovým zvukově izolačním plechem, Pokles tuhosti bloku válců byl kompenzován vnitřní úpravou odlitku a spojováním vík ložisek klikového hřídele v integrovaný celek. Otevřenou spodní část klikové skříně z bočních stran zakrývaly panely, na jejichž příruby bylo připevněno spodní víko. 7
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Primárně vzniká deformace od silového působení spojovacích šroubů hlavy válce, vík ložisek a spalovacího tlaku. Obvykle postačí MPK řešit idealizovaný model, vytvořený výřezem v okolí přepážky skříně (poznatek z experimentů a výpočtů prováděných již v 80 letech u M3-Liaz). 8
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Aplikace na výpočtu modelu stacionárního motoru vrtání 150 mm BEZ a.s. Těsnění Vložka válce Boční šroub ložiskového víka Víko ložiska vačkového hřídele Skříň Cílem konstrukční optimalizace bylo dosáhnout stavu, kdy se vývrty pro ložiska a osa přepážky deformují co nejméně. Ovalizace vývrtu se koriguje citronovými ložiskovými pánvemi. Šroub ložiskového Ložiskové víko víka 9
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Nesymetrie konstrukce v příčném směru vede k velké deformaci přepážky od dynamických sil spalovacího tlaku 1000 800 Y [mm] 1200 600 400 1200 400 200 0,025 Y [mm] 600 max Fx 0-0,025-0,05 X [mm] -0,075-0,1 Deformace přepážky se korigují úpravou konstrukce. původní Vliv konstrukčních úprav na deformaci přepážky při max spalovací tlaku ve válci úprava 3 úprava 4 0 0,025 4E-16-0,025-0,05-0,075 max F 0 1000 800 statika 200 X [mm] -0,1 10
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Dynamické vybočování přepážky v příčném řezu je známé jako banánový efekt a ovlivňuje hlukové chování skříně. Možné konstrukční úpravy: žebra, osová symetrie odstranění kmitajících stěn, kapotáž 11
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Původní konstrukce Upravená konstrukce 12
DEFORMACE KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Z Y X 13
HLAVA VÁLCŮ tvoří víko pracovního válce a část spalovacího prostoru. Je zatížena proměnným tlakem spalování, tlakem od předpětí hlavových šroubů a těsnění. Tepelně je nerovnoměrně namáhána okamžitou teplotou spalování (2000 C), trvalou teplotou výfukových plynů (700-800 C) na straně jedné proti chladící kapalině (30-95 C) na straně druhé. Hlavy dělíme na: a) společné pro všechny válce nacházejí využití v automobilových motorech (zkracují rozteč válců, umožňují uložení vačkového hřídele u ventilových rozvodů OHC, snižují počet hlavových šroubů a snižují hmotnost). Nevýhodou je vyšší náročnost odlitku z hlediska přesnosti polohy kanálů vůči osám válců. b) Společné pro 2-3 válce se používají větších automobilových motorů s rozvody OHV s cílem stavebnicového vytváření unifikované řady motorů s odlišným počtem válců v řadovém i vidlicovém uspořádání. c) Jednotlivé hlavy pro každý válec. U velkých motorů i automobilových s rozvodem OHV (eventuelně vzduchem chlazených) a vysokým stupněm unifikace. Nevýhodou je prodlužování délky u řadových motorů, zvýšený počet šroubů, vyšší hmotnost. Hlava válců je nosičem ventilů, sedel, sacích a výfukových kanálů, vstřikovače s tryskou, zapalovací a žhavící svíčky. Vzájemné uspořádání těchto všech součástí v hlavě je konstrukčním problémem, neboť jen optimální rozmístění může splňovat jak funkci, tak i spolehlivost se životností (dimenzování s vhodným chlazením). Zde nastává obvykle kompromis mezi funkcí procesu a spolehlivou konstrukcí. Kompromis představuje např. změnu polohy os ventilů v řádech +- 0,5mm a místní deformaci průřezu kanálů (aerodynamika) ve prospěch spolehlivého chlazení kritického místa můstku mezi vstřikovačem (zapalovací svíčkou) a sedlem výfukového ventilu. 14
CHLAZENÍ SAMOSTATNÉ HLAVY VÁLCŮ Přívod a odvod chladící kapaliny je pro každou hlavu proveden samostatně. To vytváří ideální podmínky pro sofistikovaný průtok hlavou. Vstupy jsou z prostoru příslušného válce a velikost kruhového průřezu v těsnění mezi blokem a hlavou rozdělují množství chladící kapaliny: Hlavní přívod 60-70% je směřován do kritického místa (můstek mezi vstřikovačem a sedlem výfukového ventilu Vedlejší přívod 20-25% je proveden pod výfukový kanál s podpořením chlazení sedla výfukového ventilu 5% Zbytek 5-10% slouží k odvzdušnění odlehlé partie pod sacím kanálem 70% 25% 15
CHLAZENÍ SAMOSTATNÉ HLAVY VÁLCŮ V řezech jsou patrná kritická místa a směr vtoku chladiva 70% 25% 16
KRITICKÁ MÍSTA PRO CHLAZENÍ mezi sedlem výfukového ventilu a vstřikovačem, nebo svíčkou mezi sedly ventilů navzájem Kolem sedel výfukových i sacích ventilů vždy chlazení kolem dokola (rovnoměrná teplota po obvodě zabezpečuje rovnoměrné deformace, které nezpůsobují uvolňování sedel) ŠPATNÉ PROVEDENÍ SPRÁVNÉ PROVEDENÍ SCH
CHLAZENÍ SAMOSTATNÉ 4-VENTILOVÉ HLAVY VÁLCŮ Chladící kapalina vstupuje do hlavy válce z bloku 4 otvory stejné dimenze do spodního chladícího prostoru a průtok je směřován kolem sedel do středu ke vstřikovači. Zde kolem vstřikovače je jediný průchod do horního patra chladícího prostoru hlavy. Zde je kapalina vedena kolem nálitků vodítek ventilů k výstupnímu otvoru navazujícího na sběrné potrubí. Vysvětlivka: směr toku chladící kapaliny 18
CHLAZENÍ SAMOSTATNÉ 4-VENTILOVÉ HLAVY VÁLCŮ Obdobná varianta s odlišným uspořádáním kanálů Vysvětlivka: směr toku chladící kapaliny 19
KONSTRUKCE 4-VENILOVÉ HLAVY VÁLCŮ 20
CHLAZENÍ SPOLEČNÉ HLAVY PRO 2 VÁLCE 2-VENTILOVÉHO PROVEDENÍ 21
CHLAZENÍ SPOLEČNÉ HLAVY PRO 2 VÁLCE 2-VENTILOVÉHO PROVEDENÍ Pískové jádro vodního prostoru hlavy 22
SPECIFIKA CHLAZENÍ HLAVY VÁLCŮ Prioritní je odvod tepla z výfukového ventilu, jako nejvíce tepelně zatíženému dílu hlavy válců (od hořící palivové směsi a při odvodu spalin výfukovým kanálem). Odvod tepla přes kontakt: stykový v sedle kluzný ve vedení dříku Kluzný kontakt Vedení dříku Sedlo Příklad 4-ventilového správného provedení chlazení v nálitku kluzného vedení dříku ventilu 23
SPECIFIKA CHLAZENÍ HLAVY VÁLCŮ Příklad 4-ventilového nesprávného provedení chlazení v nálitku kluzného vedení dříku ventilu. Maximalistický stupeň rozměrové unifikace kanálu sacího s výfukovým vč. sedel, vodítek, ventilů za cenu zhoršení pracovních funkcí (aerodynamiky, odvodu tepla u z výfukového ventilu v označených částech) a spolehlivosti (váznutí výfukového ventilu následkem zvýšené tvorby karbonu ve vedení ventilu) 24
VÝFUKOVÉ VENTILY: ČÁSTI VENTILŮ Bimetalické - dřík svařen s hlavou, která je z vysoko legované ocel (CrSi, CrMoV, CrMnNi, Ni Nimonic) Těsnící plocha hlavy se sedlem se opatřuje návarem tvrdokovu (stelit) snížení opotřebení Duté ventily plněné sodíkem pro zlepšení odvodu tepla. Sodík již při teplotě 100 C zkapalní a vyplní dutinu jen z poloviny. Pohyb dusíku vytváří shaker efekt a intenzivně přenáší teplo z hlavy do dříku Talíř Klínky Dřík Stírátko oleje Vodítko Stírací hrana Sedlo Hlava 25
SEDLA VENTILŮ Dnes standardně u všech hlav z AL i litiny. Materiál (legovaná litina Cr,Mo; ušlechtilá ocel CrNi) odolnost proti opotřebení (zaklepávání). v d1 d s (přesah) Rozměry: t = (0,08 0,15) d1 v = (0,18 0,25) d1 s = (0,0015 0,003) d2 Sedlo se vkládá s přesahem (zmražené dusíkem), spojení s hlavou musí být v celé ploše pro účinný odvod tepla. Při deformaci způsobené nerovnoměrně rozloženou teplotou dochází k uvolnění. Sklon dotykové plochy s ventilem 30-45 VÝFUK SÁNÍ 26
VODÍTKA VENTILŮ Slouží k vedení ventilu, středí talíř ventilu do sedla, odvádí teplo z dříku ventilu a zabraňuje uniku oleje podél dříku. Délka (6 8) dříku, umístění co nejblíže k talíři. Vodítko je zalisováno do hlavy. Vůle ve vedení ventilu (mezi dříkem a vnitřním průměrem vodítka) závisí na teplotním zatížení ventilu. Doporučené hodnoty jsou pro: sací ventil s 0,04 s 6,5 0,025 sán výfukový ventil svýf 0,046 s 5,5 0,025 Neúměrné zvyšování vůle ventilu ve vodítku ovlivňuje negativně nárůst teploty ventilu (snížením odvodu tepla ve vodítku). Např. zvětšení z 0,1mm na 0,2mm znamená zvýšení teploty talíře ventilu o 100 C. U výfukového ventilu se ve spodní části vedení (zasahujícího do proudu výfukových plynů) se vůle zvětšuje obvykle válcovým odlehčením, aby ventil nevázl. Osazení na ventilu, které předbíhá odlehčení o m vyškrabuje usazeniny karbonu, vzniklé nadbytečným průnikem mazacího oleje. Mazání musí být přiměřené, snížení se dosáhne použitím stírátek, které břitem regulují množství oleje. Materiál: litina, legovaná litina SCH
28
SCH