Technická univerzita v Liberci, katedra strojů průmyslové dopravy pracoviště VC-JB Abstrakt diplomové práce STUDIE SPALOVACÍHO PÍSTOVÉHO MOTORU S VARIABILNÍM KOMPRESNÍM POMĚREM Autor diplomové práce : Petr Lener Vedoucí úkolu : Doc. Ing. Celestýn Scholz, Ph.D Oponent práce : Ing. Ladislav Krőbl, CSc, ÚVMV Praha Autor abstraktu: Ing. Pavel Brabec Číslo úkolu : MŠMT ČR, projekt LN 00B 073, etapa 1.8502. Číslo práce : KSD 405, Liberec 2001 Anotace Téma : Studie spalovacího pístového motoru s variabilním kompresním poměrem Study of piston internal combustion engine with variable compression ratio. Anotace : Diplomová práce v první části shrnuje informace o variabilním kompresním poměru pístového spalovacího motoru a o různých možnostech jeho řešení. Druhá část obsahuje návrh mechanizmu pro naklápění hlavy motoru společně s blokem válců. Součástí diplomové práce je potřebná výkresová dokumentace. Annotation : First part of diploma work summarizes information about variable compression ratio of piston internal combustion engine and about it s possible solutions. Second part contains a project for tilting of engine head and cylinder block. Work also contains needed blueprints.
Úvod Současný výzkum a vývoj spalovacích motorů směřuje ke zvýšení výkonu na jednotku objemu válce, ke zvýšení hospodárnosti motorů, k odstranění škodlivých a jedovatých látek z výfukových plynů a k vývoji motorů necitlivých k druhu paliv, které se v nich spaluje.vzhledem k velmi rychlému technickému vývoji je třeba neustále nalézat nová technická řešení pístových spalovacích motorů, případně i jejich pouhá zlepšení. Pístový spalovací motor od svého vzniku před sto lety, prodělal celou řadu konstrukčních změn, avšak princip zůstává stále stejný. Za mnohé lze připomenout alespoň elektronické soustavy řízení motoru, přímé vstřikování paliva čí rozvody s variabilním časováním. Cílem všech je zvyšování účinnosti motoru a jeho výkonových parametrů, snižování spotřeby paliva a potlačování nepříznivých vlivů na životní prostředí. Řešením pístového spalovacího motoru s proměnným kompresním poměrem je snaha se čím dál tím více přibližovat k již zmiňovaným cílům. V minulosti bylo vytvořeno mnoho způsobů, návrhů a patentů jak lze realizovat plynulou změnu kompresního poměru pístového spalovacího motoru. Tyto návrhy řešení však představovali určité nevýhody spojené např. s životností a spolehlivostí chodu motoru a proto se jejich zavedení do sériové výroby nedočkalo úspěchu. A tak se motory s proměnným kompresním poměrem dosud používají jen pro laboratorní měření vlastností paliva, resp. jejich oktanového či cetanového čísla. Všechny dnešní automobilové motory mají neměnný kompresní poměr. Čím je větší, tím lépe se využije energie z paliva. Jeli však příliš vysoký, vzniká nebezpečí nekontrolovatelného spalování, jehož důsledkem je obávané klepání, které může poškodit motor. Mezní kompresní poměr proto určují podmínky ve válci. resp. spalovacím prostoru při plném zatížení, kdy je největší spotřeba směsi paliva se vzduchem. Zůstává však stejný i při částečném zatížení, kdy je výkon a plnící tlak malý, např. při jízdě ustálenou rychlostí na dálnici. V tomto režimu pak motor pracuje s nižší účinností a tedy nehospodárně. Návrh řešení plynule měnitelného kompresního poměru Za nejvýhodnější řešení plynule měnitelného kompresního poměru lze považovat zvedání hlavy společně s blokem válců. Klikový mechanizmus zůstává bez konstrukčních změn, které by mohly vést k většímu silovému a dynamickému namáhání. Výhodou je také nezměněný spalovací prostor přídavným objemem v hlavě motoru, který způsobuje zhoršení víření náplně ve válci a tím dochází při zapálení směsi k nekompaktnímu šíření plamene a je tedy negativně ovlivněn proces spalování. 1. Varianty řešení přestavovacího mechanizmu Modifikací přestavovacího mechanismu pro řešení proměnného kompresního poměru s využitím zvedání hlavy motoru je mnoho. Za řešení diplomové práce byla vybrána varianta řešení dle obr.1. Toto řešení je ze všech možných způsobů považováno za nejvýhodnější, jelikož k přestavení hlavy motoru z jedné krajní polohy do druhé je zapotřebí relativně malá síla. Podstatou tohoto řešení je mechanizmus, který se využívá k drcení kamene, kde postačí malý zdvih, který vyvolá velmi velké síly.
Obr.1: Vybraná varianta řešení Kompresní poměr ε = 8 ε = 8 Zdvihový objem jednoho válce V Z1 [dm 3 ] 0,3994 Kompresní objem motoru V K [dm 3 ] 0,05706 0,03328 Výška kompresního objemu h [mm] 12,4143 7,2417 2. Popis jednotlivých součástí motoru Spalovací motor s proměnným kompresním poměrem představuje použití atypických dílů a součástí, než je tomu u motoru se stálým kompresní poměrem. Ve studii spalovacího motoru je použito řešení hlavy motoru s blokem válců společně v jeden celek. 3.1. Blok a hlava válců Tyto dva konstrukční díly jsou značně namáhané součásti ve spalovacím motoru, zvláště pak v motoru s proměnným kompresním poměrem, kde je nutno ještě uvažovat působení síly od mechanizmu umožňujícího naklápění hlavy motoru. Obr.2: Hlava motoru s blokem válců
Blok válců a hlava motoru jsou realizovány jako jeden kompaktní celek motoru. Tímto řešením se docílí zvýšení tuhosti popisovaného dílu. Odpadá také použití těsnění mezi hlavou a blokem válců a také ušetření na pevnostních šroubech připevňující hlavu motoru k blokům válců. Hlava motoru tedy není namáhána silami, které vznikají u typických motorů s konstantním kompresním poměrem při stažení hlavy motoru ke skříni motoru prostřednictvím pevnostních šroubů. Sníží se také náklady na výrobu, jelikož odpadá opracování obou těsnících ploch hlavy a bloku válců, jak je tomu u motoru s konstantním kompresním poměrem. Na obr.2 je znázorněn blok válců s hlavou motoru, který je na jedné straně uložen na čepu, kolem kterého se komplet otáčí. Tento čep je ve skříni motoru vícenásobně uložen. A na straně druhé je znázorněno uložení sloužící pro horní část mechanizmu umožňujícího změnu kompresního poměru. Při návrhu a konstrukci tohoto celku je nutno se více soustředit na uchycení čepů. A to jak čepů, které umožňují kloubové spojení s mechanizmem, tak na druhé straně čepu kolem se hlava motoru s blokem válců otáčí. Na blok válců působí od mechanizmu značná síla, jejíž složky je nutno zachytit. Tyto síly se mění v závislosti na poloze mechanizmu. Se zvětšujícím se úhlem mezi mechanizmem a svislou osou se tato síla zmenšuje. Na obr.3 je znázorněn řez hlavy motoru s blokem válců v takové rovině, která by představovala rovinu těsnící v případě vyrobení obou dílů jednotlivě. Obr.3: Blok válců Konstrukce bloku válců je dimenzována na maximální spalovací tlaky. Horizontální složka síly přestavovacího mechanizmu působí na blok válců negativně, což by mohlo vést k trvalé deformaci stěny. Z tohoto důvodu je nutno upravit konstrukci bloku tak, aby k deformaci nedocházelo a také, aby se žádná deformace neprojevovala na vnitřní stěně válce, což by mohlo vést k zadírání pístů. Proto je nutno při konstrukci bloku válců zesílit vnitřní prostor mezi jednotlivými válci příčnou stěnou jak je znázorněno na obr.3. Tato konstrukční úprava je realizována ve dvou místech a to vždy proti působící síle vzniklé od mechanizmu. Těmito příčnými stěnami je zachycena boční složka síly, která vzniká v mechanizmu. Aby zachycení sil od mechanizmu bylo ještě účinnější jsou navrženy proti oběma příčným stěnám oka pro uchycení čepu, kolem kterého se blok válců otáčí. Tím je zajištěn přenos boční síly v mechanizmu přímo do rámu tedy do bloku motoru a nedochází k deformaci stěn bloku válců. Řešením společným odlitkem dojde k celkovému zvýšení tuhosti.
Při řešení byla snaha snížit požadovaný zdvih, který je nutno vyvodit mechanizmem, aniž by se změnila hodnota, o kterou je nutno měnit kompresní poměr uprostřed válce motoru. 3.2. Přestavovací mechanizmu Mechanizmus umožňující naklápění konstrukčního celku hlavy a bloku válců se skládá ze tří hlavních částí. Tyto jednotlivé součásti jsou značně namáhány silami, které v mechanizmu vznikají. Proto je při návrhu a konstrukci těchto dílů brán zřetel na možné pružné deformace, které se zde mohou vyskytovat. Jednotlivé konstrukční díly mechanizmu jsou vyrobeny jako odlitek. 3.2.1. Horní vzpěra mechanizmu První návrh této součásti spočíval v jednoduchých tvarech neobsahující žádná vyztužující žebra. Po přepočítání ve výpočtovém programu Pro/MECHANICA 2000i byly zjištěny velké deformace v okách pro uložení čepů. Tyto deformace nebylo možno zanedbat a bylo nutno přistoupit ke konstrukčním změnám, které spočívali v přepočítání a snížení působící síly v mechanizmu a také v konstrukčních úpravách. K dosažení snížení působící síly bylo nutno změnit krajní polohy mechanizmu, tím došlo ke zvětšení úhlu, který svírá mechanizmus se svislou osou a tedy i požadovanému snížení síly. Tím bylo dosaženo zvýšené tuhosti odlitku, která ovšem po přepočítání ve výpočtovém programu ještě nebyla dostačující. Bylo nutno přistoupit k dalším konstrukčním změnám, které spočívali v přidání jednoho žebra a také v jejich zesílení. Po opětovném přepočítání v programu Pro/MECHANIKA 2000i již byly zjištěny nepatrné pružné deformace. Na obr.4 je znázorněna konečná podoba horní části mechanizmu umožňující plynulou změnu kompresního poměru. Obr.4: Horní vzpěra mechanizmu Napětí vzniklé v tomto konstrukčním dílu se také pohybuje v přijatelných mezích. Odlitek je konstruován tak, aby se přenášená síla pokud možno co nejméně projevovala na deformace v tomto členu a přenášela se přímo do hlavy motoru. Horní díl mechanizmu je v hlavě motoru a ve středním čepu mechanizmu dvojnásobně uložen. Čepová pouzdra pro uchycení v hlavě motoru a ve středním čepu mechanizmu jsou vždy v jedné rovině pod sebou. To způsobuje přímý přenos síly do hlavy motoru, aniž by docházelo k rozkladu síly na složky, které by mohly působit na mechanizmus negativně.
U čtyřdobého zážehového motoru dochází k zážehu střídavě v každém válci s pravidelně rozestoupeným zapalováním 720/4=180. Obě části odlitku, které přenáší sílu jsou spojeny příčným profilem, který je pro snížení hmotnosti celého odlitku ještě odlehčen. Tento profil zvyšuje torzní tuhost celého dílu. Pro snadnější vyjímání z formy je odlitek konstruován s patřičnými úkosy. pro lepší přístup mazacího oleje k čepům jsou v odlitku vyvrtány otvory. 3.2.2. Dolní vzpěra mechanizmu Pouzdro pro čep, které je spojeno s hlavou motoru na horní vzpěře mechanizmu a pouzdro pro čep, které je spojeno se skříní motoru na dolní vzpěře mechanizmu, leží ve stejné rovině pod sebou jak je znázorněno na obr.5. Tímto způsobem je zajištěn vhodný přenos sil a zachycení jejich reakcí. Z tohoto důvodu bylo nutno upravit konstrukci spodního dílu mechanizmu jak je vidět na obr.6. Obr.5: Obě vzpěry mechanizmu Spojení horní a dolní vzpěry mechanizmu je uskutečněno na společném čepu, na který v prostřední části působí přes táhlo síla vyvozená hydraulickým válcem, Jelikož je každý člen mechanizmu vyroben jako jeden kompaktní celek, je při výrobě zaručená souosost obou pouzder pro uchycení vždy stejného čepu. Spodní díl mechanizmu je také konstruován jako odlitek s patřičnými úkosy pro snadné vyjmutí ze slévárenské formy jako je tomu u dílu horního. Pro zvýšení tuhosti spodního dílu mechanizmu je tento odlitek také opatřen potřebnými žebry, které jsou ještě navíc spojeny příčným žebrem. Opět jsou zde obě hlavní části přenášející sílu spojeny příčným profilem, který zvyšuje torzní tuhost odlitku. Obr.6: Dolní vzpěra mechanizmu Obr.7: Celý přestavovací mechanizmus 3.3. Skříň motoru Skříň motoru je velmi složitý konstrukční díl celého motoru a proto je mu věnována velká pozornost při jeho návrhu. U motoru s proměnným kompresním poměrem jsou rozměry
a tvary skříně atypické oproti obsahově stejnému konvenčnímu motoru. To je dáno rozměry a konstrukcí mechanizmu, který umožňuje plynulou změnu kompresního poměru, a který je uschován uvnitř skříně motoru. Obr.8: Skříň motoru Do skříně motoru se přenášejí síly od klikového mechanizmu vznikající při spalování, ale také síly vznikající v navrhovaném mechanizmu. Tyto síly je nutno ve skříni zachytit, aniž by došlo k trvalé plastické deformaci stěn či jiných částí skříně motoru. Na obr.8 je znázorněn pohled na vnitřní stěnu skříně, na které jsou uchyceny pouzdra pro uložení čepů uchycujících spodní díl mechanizmu umožňující plynulou změnu kompresního poměru. Síly, které působí od mechanizmu na skříň motoru, jsou značně veliké a proto je nutno zajistit dostatečnou tuhost pouzder pro čepy. Tyto pouzdra jsou uchycena v žebrech zesilující stěnu skříně motoru. Žebra jsou dostatečně silná a tuhá a zachycují tak větší část přenášené síly. Další zesílení těchto pouzder je realizováno výztuhami do příčných stěn mezi jednotlivými válci. Skříň motoru je také opatřena podélnými žebry, které ji zesilují a vyztužují a zvyšují tak tuhost celého dílu. Tyto žebra souží také k útlumu hluku a vibrací motoru. 3.4. Hydraulický válec Maximální síla vyvozená hydraulickým válcem je F válce = 10 456,7 N. Z velikosti této síly se určí rozměry pístu, kterým je nutno tuto sílu vyvodit. Při výpočtu byl uvažován tlak hydrogenerátoru o velikosti 20 MPa. Byla navrhnuta velikost pístu hydraulického válce D = 30mm. 3.5. Variabilita rozvodu Vzhledem k tomu, že toto řešení proměnného kompresního poměru je realizováno naklápěním hlavy motoru s blokem válců, dochází zde tímto k proměnlivosti časování rozvodů. K pohánění vačkového hřídele je možno použít jak řetěz, tak i řemen. Z hlediska snížení hlučnosti motoru je výhodnější použití řemenu. Při naklápění hlavy motoru se mění vzdálenost os klikového a vačkového hřídele, a proto je nutno rozvodový řemen napínat pohyblivou kladkou. 3.6. Vodní čerpadlo Jelikož konstrukce bloku motoru a tedy i celého motoru je atypická, vzniká zde problém s konstrukcí vodního čerpadla. Vodní pumpu je nutno konstruovat tak, aby bylo umožněno
naklápění hlavy motoru společně s blokem válců v celém měnitelném rozsahu. Vodní pumpu lze připevnit na boční víko skříně motoru s tím, že bude umožněno pružné spojení čerpadla a bloku válců. 3.7. Pryžová manžeta Jelikož u tohoto řešení dochází k naklápění hlavy, je nutno zabezpečit utěsnění prostoru mezi hlavou a skříní motoru. Utěsnění je provedeno pryžovou manžetou, která je odolná proti působení mazacího oleje v motoru a musí být také schopna snášet zvýšení teploty motoru. 3.8. Kryt Vzhledem k tomu, že na jedné straně hlavy motoru budou umístěny svody výfukového potrubí, které jsou v blízkosti pryžové manžety, je nutno zabránit přímému působení tepla z výfukového potrubí na manžetu. K tomuto odstínění tepla a zabránění poškození pryžové manžety, lze použít kryt. Závěr Cílem této diplomové práce byl návrh přestavovacího mechanizmu umožňující plynulou změnu kompresního poměru u zážehového spalovacího motoru. Tento mechanizmus se skládá ze tří částí a je popsán v kap. 3.2.. Běžný motor s konstantním kompresním poměrem nemůže nikdy běžet ideálně nebo optimálně. Je pouze možno v jednotlivém pracovním bodu do jisté míry optimalizovat spalování, které v něm probíhá. Variabilní kompresí lze spalovací procesy v celém rozsahu režimu motoru dále optimalizovat. Zvolený pevný kompresní poměr tvoří při dnešní technice motorů vždy jemně zvolený kompromis pro celou škálu provozních stavů motoru. Čím vyšší je komprese, tím vyšší je hustota výkonu neboli měrný výkon motoru. Variabilní komprese skýtá také potenciál značných úspor pohonné látky, avšak konstrukční náklady dosud byly příliš vysoké pro zavedení do sériové výroby. V minulosti již bylo vynalezeno mnoho způsobů jak lze realizovat proměnný kompresní poměr pístového spalovacího motoru, avšak většina těchto řešení neměla úspěch se zavedením do sériové výroby. V budoucnu téma měnitelného kompresního poměru nebude jen představovat návrhové a projekční studie, ale bude snaha výrobců tento motor prosadit v sériové výrobě. Funkčnost navrženého řešení motoru s proměnným kompresním poměrem je nutno ověřit provozními zkouškami, kde se mohou zjistit případné nedostatky tohoto řešení. Tvorba 3D modelu a sestavy byla provedena v programovém prostředí Pro/ENGINEER v režimech Pro/DETAIL a Pro/ASSEMBLY. Výkresová dokumentace sestavy je provedena zobrazením prostorového modelu v režimu Pro/DRAWING.
Literatura [1] Beroun, S. - Scholz, C.: Základy teorie vozidel a pístových spalovacích motorů, KSD TU v Liberci 1999 [2] Kožoušek, J.: Teorie spalovacích motorů, Nakladatelství technické literatury, Praha 1 1971 [3] Košťál, J.: Spalovací motory díl 1. SNTL, Praha 1955 [4] Trnka, J. Urban, J.: Spalovacie motory, Vydavatelstvo ALFA, 1992 [5] MTZ Motortechnische Zeitschrift č.11,1997 [6] Nicholas P. Chironis: Mechanisms & mechanical devices sourcebook [7] Pospíchal, J.: Technické kreslení, Vydavatelství ČVUT, Praha 2000 [8] CCCP 113035; U.S. 4241705, Dec. 30, 1980 [9] DE 4227699 A1; DE 4210029 A1 [10] WO 97/11264+ DE 19533401 A1 [11] U.S. 4517931, May 21, 1985 [12] F 02B 75/04, 3644721 [13] CZ 2693-97 A3 [14] technický měsíčník automobil 5/2000
Přílohy P1 Řez motoru s proměnným kompresním poměrem realizovaný naklápěním hlavy motoru s blokem válců.
Motor s proměnným kompresním poměrem rozložený na jednotlivé součásti. P2