VENTILY VZNĚTOVÝCH, ZÁŽEHOVÝCH A PLYNOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ Prof. Ing. Jan HONCŮ, CSc. Katedra částí a mechanismů strojů, TU v Liberci Annotation: This article deals with valves of internal combustion engines in their sparkignition, compression-ignition and gas versions. Describes their disposition in valve train, design options and calculation methods. Key words: internal combustion engines, valve train, engine valves Klíčová slova: motory spalovací, ventilový rozvod, ventily motorů 1 Uspořádání ventilů v rozvodových mechanismech spalovacích motorů Za příklad zástavby ventilů v mechanismu rozvodu může sloužit obr. 1. Jde o příčný řez horní částí zážehového motoru ve stojatém provedení. Více namáhaný výfukový ventil s robustnějším talířem je umístěn vlevo. Mechanismus je typu OHC s vahadly, která jsou kombinovaná s kývavým zvedákem a ovládají pohyb ventilů prostřednictvím kladiček. Tím se značně omezí ohybové namáhání dříků a sníží otěr na styčné plošce dříku s kladičkou. Ventily mají po jedné vratné pružině
V dalším obr. 2 jde rovněž o motor zážehový s mechanismem OHC. Řez motorem je podélný, výfukový ventil vidíme vpravo. Nesymetrické umístění roviny souměrnosti vaček na vačkovém hřídeli vzhledem k podélným osám ventilů a plochých zvedáků hrníčkového typu (jakoby posunutí hřídele vpravo) je záměrné, protože vyvolává mírné otáčivé pohyby zvedáků (případně i ventilů) kolem těchto os, což má za následek rovnoměrnější opotřebení kruhové plochy zvedáku, případně i styčných ploch ventilů a sedel v hlavě válců. Oba ventily mají tentokrát po dvou pružinách, avšak zakreslení smyslu stoupání šroubovic jejich závitů je patrně chybné. Při použití tohoto druhu rozvodového mechanismu zřejmě kvůli charakteru vzájemného dotyku součástí nehrozí nebezpečí opotřebení plošek na koncích ventilových dříků. Zato na opačné straně své kruhové stěny jsou zvedáky vybaveny vloženými tvrzenými destičkami pro styk s vačkami. Za povšimnutí stojí zjevná složitost odlitku hlavy válce, vyžadující m.j. tenké stěny jader formy, zejména mezi ventilovými kanály. Porucha takové stěny (částečné odlomení) či zbytek jádra v citlivém místě (nedostatečné vyčištění odlitku v nesnadno přístupném místě) může mít za následek lokální zhoršení podmínek chlazení sedla ventilu i samotného ventilu, což vede k rychlému porušení obou součástí. Následující obr. 3 se již týká motoru vznětového, s mechanismem typu OHV, chlazeného vzduchem. Ventilové pružiny (tentokrát již zakreslené se správným smyslem vinutí) se svými spodními konci opírají o zařízení, které má lépe zabezpečit shora zmíněné příznivé pootáčení ventilů kolem vlastní osy. Obr. 1. Obr. 2. Obr. 2 Obr. Obr. 43
Tento pohyb se pak stává spíše pravidelný (během každého zdvihu ventilu) než náhodný. Zakreslení místa styku vahadla a konce ventilu (jeho stopky) v tomto příčném řezu motorem vyvolává pochybnosti o funkci mechanismu. Jde zřejmě o výkresové zjednodušení. Část hlavy válce vznětového motoru s rozvodem OHV a kapalinovým chlazením v podélném řezu znázorňuje obr. 4. Podle kompaktního tvaru spalovacího prostoru v pístu může jít i o motor spalující plyn nebo motor na dvojí palivo, v němž je nasátá směs plynu a vzduchu zažehována malým množstvím vstřikované motorové nafty. Pozoruhodná je zástavba vnitřních ventilových pružin s proměnným počtem činných závitů během zdvihu ventilu. Takové řešení sice zpravidla vyžaduje zvětšení zamontované délky pružiny (viz obrázek), avšak účinně tlumí kmitání jejich závitů, což se může příznivě projevit i klidnějším chodem celého mechanismu. Obr.4 Příčný řez hlavou válce malého tříválcového zážehového motoru určeného pro osobní automobil vidíme na obr. 5.[2] Znázorněný rozvodový mechanismus je typu OHC s kyvnou pákou. Poměrně rozměrná vačka vychyluje kladku, uloženou na jehlovém ložisku. Otočný bod kyvné páky mění svou svislou polohu v závislosti na změnách vůle v mechanismu. Slouží k tomu hydraulické zařízení v pravé části obrázku, využívající tlakového oleje z mazacího systému motoru. Kyvná páka je přesným výliskem z plechu. Obr. 5
1. Konstrukční varianty ventilů Během vývoje spalovacích motorů se v praktickém provozu používalo značné množství tvarově odlišných ventilů (navíc nemalé množství jich zůstalo pouze v návrhu), takže literatura o nich je bohatá. U motorů vozidlových, které jsou zpravidla vyráběny ve značných počtech, se tvary sacích i výfukových ventilů ustálily a sjednotily, o čemž se můžeme přesvědčit v nabízeném sortimentu výrobců na internetových stránkách. V motoru zpravidla bývají jmenovité průměry dříků ventilů stejné, průměr talířů ventilů sacích bývá o něco větší, přičemž hmotnost bývá naopak vyšší u ventilů výfukových, což je dáno robustností jejich talířů. Jakýsi přehled ventilů, zejména pokud jde o tvary jejich talířů a misek pružin se součástmi připojení vidíme na obr. 6 [3]. Obr. 6 Tvarová pestrost je asi způsobena požadavky na montáž pružin (prostorové stísnění, dostupnost potřebného nářadí, atp.). Úprava dříku (odstupňování průměrů provedení g)) má odstraňovat různé škodlivé úsady u konce vedení ventilu. Clonka na talíři sacího ventilu (provedení e) detail A) má usměrňovat proud nasávaného vzduchu do válce tak, aby způsobil tangenciální víření podél jeho stěny. Toto řešení přirozeně není levné a nesouměrné rozložení hmoty talíře přináší další potíže, takže se dává v současné době přednost vyvolání žádoucího rozvíření jinými způsoby. Provedení b) a d) se rovněž zřejmě týká pouze ventilů sacích, protože tenkostěnný talíř ventilu s výdutí může stěží odolat kombinovanému účinku tlakového a teplotního zatížení.
Doplňující obrábění spodních ploch ventilů u provedení a), c) a f) má zjevně usnadnit zabrušování ventilů v sedlech, tedy operaci prováděnou při opravách. Ochlazování talíře výfukového ventilu se děje stykem se vzdušinou v období plnicího zdvihu, ale nemalým podílem také odvodem tepla obvodem talíře do sedla a dříkem do vedení ventilu. Trvanlivost ventilů zejména velmi zatížených motorů větších rozměrů (například lodních) se podařilo podstatně zvýšit kapalinovým chlazením (obr. 7). Taková volba je ovšem nákladná a vyžaduje si vyřešení problému s utěsněním vodní cesty za pohybu, takže se hodí spíše pro pomaluběžné motory. Za povšimnutí stojí, že ventil lze s výhodou vyjmout bez demontáže hlavy válců. Problém chlazení ventilů vystupuje do popředí hlavně u velkých přeplňovaných dvoudobých motorů, u nichž je časový interval k chlazení vzhledem k době ohřívání podstatně zkrácen. U pístových leteckých motorů bývají výfukové ventily chlazeny náplní sodíku v dutině talíře a dříku. Několik konstrukčních provedení ukazuje obr. 8 [3],[4],[5],[6]. Prvek je lehčí než voda, taje při 97 0 C a přechází do varu při 883 0 C. Obr. 7 Obr. 8 Proto musí být nejvyšší teplota ventilu udržována bezpečně pod touto hranicí, což se zpravidla podaří, protože se užitím tohoto technologicky náročného řešení údajně sníží teplota ventilu o 15 až 20% (uvažují se patrně stupně Celsia). Tok tepla do
ventilu a současně odvádění tepla do hlavy válce a chladicí kapaliny prostřednictvím sedla a vedení dříku ventilu je naznačen šipkami v části e) obrázku. Roztavený sodík, proudící při zdvizích ventilu v dutině, odvádí teplo z talíře do ventilového vedení. 2 Stanovení základních rozměrů ventilů a sedel Základní rozměry ventilů se pro motory lodní, stacionární, drážní, letecké a ostatní určují podle zvyklostí, založených na provozních zkušenostech s nimi. Svou roli hraje i druh mechanismu rozvodu. Například hlavní rozměry ventilů pro motory automobilové a traktorové lze konstruovat pomocí doporučených měr podle obr. 9. Výchozím rozměrem je průměr hrdla kanálu d h v hlavě válce. Úhel γ bývá většinou 45 0, u sacích ventilů někdy 30 0. Větší hodnoty průměru ventilového dříku δ volíme v případech, kdy rozvod neužívá vahadla, takže je dřík větší měrou namáhán ohybem (jednoduchý rozvod typu OHC bez bočního vedení zvedáku). K dobře konstruovanému ventilu patří stejně pečlivě Obr. 9 navržené sedlo. Podle horní části obr. 10, znázorňujícího ve výřezech postavení talířů ventilů a sedel, je dvojice a) uváděna jako provedení správná, zatímco čtveřice b) jako provedení, která nelze doporučit. Níže v obrázku jsou připojeny výřezy c) až f) stejných míst, přenesené z výše uvedených obr. 1 až obr. 4. Jejich porovnání prokazuje jistý nesoulad doporučení s prokazatelně užívanými konstrukcemi, a to v nikoli v jediném případě. Tím se však pouze potvrzuje známá zkušenost při řešení ožehavých problémů, jakým je nesporně i zabezpečení provozní trvanlivost dvojice talíř ventilu-sedlo. Co se totiž osvědčuje u jednoho druhu spalovacího motoru, nemusí vyhovět pro motory určené k jiným účelům.trvanlivost zmíněné dvojice závisí také na způsobu opracování vzájemně dotýkajících se ploch, který určuje těsnicí průměr talíře ventilu. Tento úhel se často liší pouze způsobem zadání tolerance, jak je zřejmé z příkladu na obr. 11, podle něhož je záměrem těsnit na průměru D t co největším. Technické výpočty související s ventilem Při modelování mechanismů rozvodu tvoří ventily klíčové prvky, protože v naprosté většině případů jde o jeho nejtěžší součásti, které jsou navíc na konci řetězce jednotlivých členů modelu, jehož zdvihy bývají největší, takže jejich vliv na frekvenci kmitů mechanismu je dominující.
Obr. 10 Pracujeme-li s modely diskrétními, pak (na rozdíl od ostatních součástí) je určení hmotnosti ventilu a jeho podélné tuhosti jednoduché. Za příklad může sloužit model mechanismu OHV vznětového motoru (viz obr. 12), v němž hmotnost ventilu a tuhost jeho dříku určuje velikost hmoty m 4 a část tuhosti c 2V. Po ověření výpočtového modelu experimentem slouží model k vyšetřování a vylepšování dynamických vlastností rozvodového mechanismu optimalizaci především profilů vaček, které mají zásadní vliv na trvanlivost ventilů a jejich sedel [7]. Zde připomeňme, že pomineme složité technické výpočty proudění směsi či spálených plynů kolem ventilů v kanálech a válci motoru, neboť zcela překračují rámec semináře, a zaměříme se na výpočty pevnostní. S pokusy vyčíslit deformace a napětí ventilových talířů se započalo v polovině minulého století. Talíř byl (například podle [8]) považován za Obr. 12 mezikruhovou desku, zatíženou největším tlakem zjištěným z indikátorového diagramu motoru. Jak je zřejmé ze schématu možných
variant na obr. 13, bylo v té době nezbytné přijmout několik zjednodušení. Počítaný případ se tedy podstatně lišil po stránce tvaru, okrajových podmínek a zatížení od talíře ventilu a navíc výpočet poskytl pouze hodnotu průhybu desky f a jedinou hodnotu napětí. Svou číselnou velikostí tyto výsledky nebyly znepokojivé, avšak model zjevně nevystihuje skutečnost. V současnosti jsou za použití metody konečných prvků stavy napjatosti a deformací talířů ventilů způsobené namáháním tlakem dobře známé, a to i pro duté sodíkem chlazené ventily s klenutým dnem. Kvůli osové souměrnosti ventilů, okrajových podmínek i zatížení jde o velmi jednoduchou úlohu. Rozborem se potvrdilo obecně známé mínění, že poruchy talířů ventilů (i sedel) jsou způsobeny kombinací mechanického a tepelného namáhání, přičemž vliv tepleného namáhání převažuje. Obr. 13 Pokud jde o namáhání dříku a stopky ventilu, je vyvoláváno dotykem hnací součásti, tedy vahadla nebo přímo zvedáku. Zatěžovací síla má dvě proměnné složky, a to (podle obr. 14) sílu od vratných pružin a sílu zrychlující. První z nich začíná působit (po vymezení ventilové vůle) skokem z nulové hodnoty na velikost F 1 a vzrůstá úměrně se zdvihem ventilu na velikost F 8 (dále průběh není zakreslen). Nepočítáme-li s kmitáním závitů pružin, tato složka nezávisí na otáčkách motoru. Naproti tomu složka druhá (zrychlující síla) roste se čtvercem otáček a může být silně ovlivňována mechanickými kmity. Výpočtová síla N [N] se postupně mění podle proměnné výšky šedého útvaru v obr. 14, vznikajícího mezi průběhem skutečné zrychlující síly a s průběhem síly pružin. V případě zvedáku přímo působícího na ventil (viz např. obr. 2) vyvolá zhruba rovnoměrný měrný tlak p [MPa] na stykové Obr. 14
kruhové ploše. V případě styku kladičky o průměru d [mm] se stopkou ventilu (obr. 1) získáme proměnnou hodnotu měrného tlaku (za předpokladu shodného modulu pružnosti E [MPa] a Poissonovy konstanty u obou materiálů) dosazením do známého Hertzova vzorce NE p = 0, 59, dl v němž délka dotykové čáry l [mm] je rovněž proměnná. Protože v tomto případě špičkový vypočtený tlak bývá nemalý, opotřebení může překročit únosnou míru, což si vynutí vytvrzení konce stopky ventilu podle obr. 8 nebo použití výměnné tvrdé čepičky (obr. 15 a)), která ovšem zvětšuje rozměry rozvodového mechanismu. Zúžení dříku ventilu kvůli zachycení misky pružin příslušnými klínky (obr.15 e)) ve svých rozličných provedeních vesměs znamená citelný vrub, projevující se nepříznivě při stávajícím dynamickém namáhání dříku ohybem či tahem-tlakem. Nejlepší odolnost proti únavovým lomům má bezpochyby provedení h), které se kupodivu nijak často neužívá. To též nasvědčuje skutečnosti, že rozhodující příčinou poškození či poruch ventilů spalovacích motorů není namáhání mechanické. Literatura: Obr. 15 [1] Z materiálů firmy GOETZE AG, Leverkusen, BRD. [2] Z materiálů firmy ŠKODA-AUTO, a.s., Mladá Boleslav. [3] Kolektiv autorů : Naftové motory čtyřdobé, díl II, SNTL, Praha 1955. [4] BUSSIEN Automobiltechnisches Handbuch, Erster Band, Technischer Verlag Herbert Cram, Berlin 1965. [5] DRASTÍK, F.: Volba konstrukčních ocelí pro vysoce namáhané stroje, PRÁCE Vydavatelství ROH, Praha 1953. [6] VICHERT, M., M. i dr.: Konstrukcija i rasčot avtotraktornych dvigatělěj, (pod red. Stěpanova, Ju., A.), Mašgiz, Moskva 1957. [7] HONCŮ, J.: Vybrané statě z částí a mechanismů strojů I, skripta, Technická univerzita v Liberci, 2004.
[8] SPRAVOČNIK MAŠINOSTROJITĚLJA, (pod red. Serensena, S.V.), svazek 3, Mašgiz, Moskva 1955. Publikovaná práce vznikla s podporou MŠMT České republiky v rámci projektu 1M0568 Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka.