VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU 1. uspořádání a plnění válců Např.: průzkum v použití, trend (N3, M3) 1
VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU 2. měrný výkon motoru Př. pro N3 Měrný výkon projektovaných motorů pro rok 1990 20 25 kw/dm3 Maximální měrný výkon současných motorů v roce 2010 34 kw/dm3 Měrný litrový výkon (kw/dm3) 40 35 30 25 20 15 10 5 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2
CÍLOVÉ PARAMETRY 3. max. točivý moment motorů Max. střední užitečný tlak projektovaných motorů pro rok 1990 1,4 1,7 MPa Max. střední užitečný tlak současných motorů v roce 2010 2,6 MPa 19501990 19912000 3500 Točivý moment ((Nm) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 5000 10000 15000 20000 Zdvihový objem (cm3) 3
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 dm3/100km Minimální měrná spotřeba paliva (g/kwh) 270 260 250 240 o 40 50% 230 zejména díky optimalizaci převodů, aerodynamiky vozidla, valivých odporů. 220 210 200 190 180 170 1950 1970 1990 2010 Spotřeba paliva souvisí s produkcí emise CO2, 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
20 16 Zákommé limity emisí (g/kwh) Požadavky na snižování plynných a pevných emisí ve výfukových plynech význam ekologický. EHK 18 NOx EU 0 14 CO HC 12 PM 10 EU 1 8 89% Trendy vývoje předpisů v Evropě. EU 2 6 EU 3 EU 4 4 EU 5 2 0 Rok 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Limity PM (g/kwh) 0,5 0,4 EU 1 PM 0,3 0,2 0,1 94% EU 2 EU 3 EU 4,5 0,0 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Rok 5
Splnění rostoucích požadavků zabezpečuje konstrukce motoru, která představuje složitou soustavu činností. Experiment PC simulace Marketing, Vývoj KONSTRUKCE zákazník Paliva Maziva Spolupráce: -úzká s vývojem - široká s navazujícími obory Aplikovaný výzkum Materiál Technologie Elektronika Plnicí systém Spalování Nejvýznamnější prostředky pro řešení požadavků jsou v oblastech Palivový systém Deformací a namáhání kritických dílů (přeplňování, recirkulace, chlazení) Dodatečné čištění výfukových plynů 6
Setr. Ojnice KH Ložiska PČ Rozvody OČ Blok Píst PK Válec CH VH FO SPALOVÁNÍ VP FV Term VV SP CH VČ CH Hlava SV Rail PČ Ventilátor Těsnění Vstřikovač FP Tlumič K T NOx,PM 7
Oblast spalování vznětových motorů Ovlivňuje příprava směsi před vznícením. Ta probíhala do 90. let podle schématu: výstřik paliva o tlaku 60-80 MPa, do silně rozvířené vzduchové náplně válce, tryskou s počtem 2-5 otvůrků ( =0,28mm) v okamžiku 30 KH před H.Ú. Výsledek nízká spotřeba paliva, velký průtah vznícení vysoké NOx. Zavedení limitů EU 1 v roce 1992 - řešení kompromisu mezi NOx a PM (zachování a zlepšování spotřeby paliva). Recirkulace Příprava směsi zaznamenala změny: výstřik paliva o tlaku (120-200 MPa), Spalování do méně rozvířené náplně válce, tryskou s počtem otvůrků (6 15), v okamžiku (15 2 KH před H.Ú), Chlazení Na straně vzduchu - zvyšování plnícího tlaku (přeplňováním), snížení teploty (mezichlazením), ředění vzduchu Palivový Plnicí výfukovými plyny (recirkulací). systém systém Výsledek - malý průtah vznícení, - nižší teplota spalování, - nižší NOx. tlak vzduchu 8
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 2009 9
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
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 obvod vzduchu a výfukových plynů. KLIKOVÝ MECHANIZMUS PÍSTOVÁ SKOPINA (P, PČ, PK ) OJNICE KLIKOVÝ HŘÍDEL (TORSNÍ TLUMIČ, SETRVAČNÍK) LOŽISKA SKUPINA KLIKOVÉ SKŘÍNĚ KLIKOVÁ SKŘÍŇ 11
SKUPINA KLIKOVÉ SKŘÍNĚ Setr. KH Ložiska Ojnice PČ Rozvody OČ Blok Píst Válec PK CH VH FO Term VV SP VP CH FV VČ CH Hlava SV Potrubí PČ Ventilátor Těsnění Vstřikovač FP Tlumič K T NOx,PM 12
KONSTRUKCE SKUPINY KLIKOVÉ SKŘÍNĚ PŘÍKLAD: Velikost válcové jednotky a hlavní rozměry rozhodují o celkových rozměrech (zástavba) a o celkové hmotnosti motoru (výrobní a provozní náklady) D Z b/2 a/2 L bl hp D/2 4 10 Typ Rozteč Můstek b a Vz dm3 min. 2mm X l Z Vz1 D Z dm3 mm mm Z/D l mm mm M1 11,95 160 30 M2 13,74 176 41 M3 9,50 160 40 hk/d mm hk X mm mm L bl Typ mm 1,99 130 150 1,15 250 0,30 0,65 85 100 410 M1 2,29 135 160 1,19 280 0,29 0,74 100 120 455 M2 1,58 120 140 1,17 250 0,28 0,75 110 410 M3 90 13
PÍST SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST a) Od tlaku plynů D2 Fp p 4 14
SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST a) b) Od setrvačných sil posuvných hmot b) Normálová síla (mění se se zdvihem pístu) c) Vliv na klikový poměr =r/l F Fm m p x m p r 2 cos cos 2 15
SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST n= 3000 min-1 n= 5000 min-1 Výsledná síla namáhá: dno pístu plášť pístu uložení PČ 16
SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST 17
SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST F1,F2 ojniční síla FtPV třecí síla plášť/válec FtKD třecí síla kroužek/drážka pístu FtKV třecí síla kroužek/válec NPV normálová síla plášť/válec MTL tlumící moment z rozložení hydrodynamického filmu na plášti MtC třecí moment v uložení PĆ Změny směru a velikosti sil vyvolávají sekundární pohyby (periodické klopení a příčné pohyby pístu) mp x Fx mp y Fy mp z Fz 18
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) SCH
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 20
TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU Z průběhu tlaků ve válci během pracovního cyklu se termodynamickým výpočtem stanoví průběh teplot, např. v nejjednodušším případě Ze stavové rovnice Ti pi Vi r mv r= 287 J/kgK Součinitel přestupu tepla podle Eichelberga i 7,8 3 c s pi Ti Odvod tepla Si dq i Ti Tw 6 nm d i 21
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. 22
TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU Tepelné pole pod povrchem je stacionární během cyklu, pokud se nemění provozní režim motoru. 23
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 24
TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU Hlubší komůrka zvyšuje úroveň teplot, zejména v drážce 1.PK. 25