Technická univerzita v Liberci, katedra strojů průmyslové dopravy pracoviště VC-JB Abstrakt diplomové práce
KONVERZE ZÁŽEHOVÉHO MOTORU 1.2 L NA VZNĚTOVÝ Autor diplomové práce : Václav Vorel
Vedoucí úkolu : Doc. Ing. Celestýn Scholz, Ph.D Oponent práce : Ing. Jaroslav Gabryš, ŠkodaAuto a.s. Autor abstraktu: Ing. Pavel Brabec Číslo úkolu : MŠMT ČR, projekt LN 00B 073, etapa 1.8 Číslo práce : KSD 451, Liberec 2003
Téma :
Konverze zážehového motoru 1.2 l na vznětový The Conversion of the petrol engine 1.2 l to diesel
Anotace: Diplomová práce se zaměřuje na možnosti přestavby malého zážehového motoru na vznětový s maximálním využitím stávajících dílů. První část se zabývá porovnáním obou motorů a vzájemné použitelnosti jednotlivých dílů obecně. Druhá část je zaměřena na podrobnější popis jednotlivých konstrukčních skupin a použití dílů z motoru Škoda 1.2 HTP. Ve třetí části je popsána konstrukce nové hlavy válců vznětového motoru, včetně projektové dokumentace vytvořené v prostředí ProEngineer.
Annotation : The thesis aims at the possibilities of the small petrol engine’s conversion to diesel with the maximum use of the common components. The first part deal with the comparison of both engines and the bilateral applicability of the components commonly. The second part concentrates on the detailed characteristic of the single components and the use of the Škoda 1.2 HTP engine’s parts. In the third part is the construction of the new head described, including the project documentation created in ProEngineer.
1
Cílem diplomové práce bylo zhodnotit možnou konverzi zážehového motoru na vznětový, s použitím co nejvíce společných konstrukčních celků. Toto hodnocení obsahuje i zjednodušenou pevnostní kontrolu klikového hřídele a pístního čepu. Další část diplomové práce zaujímá projekt nové hlavy válců pro vznětový motor. Výpočty v diplomové práci byly provedeny za použití softwaru Excel (program TLAK) a Mathcad. 3D modely byly vytvořeny v prostředí ProEngineer, stejně jako sestavy. Pro jednodušší zobrazení byl použit AutoCAD.
Obr. 1 Zážehový motor Škoda 1.2 HTP Obr. 2 Blok motoru Škoda 1.2 HTP Základní technická data: Počet válců Vrtání Zdvih Zdvihový objem Kompresní poměr Délka ojnice Rozteč válců Maximální výkon Maximální točivý moment Rozvod Palivo
3 76.5 mm 86.9 mm 1198 ccm 10,3:1 138 mm 82 mm 40 kW / 4750 ot./min. 106 Nm / 3000 ot./min. 2 ventily na válec, OHC benzín, OČ 95 (91)
2
Požadované parametry a návrh konstrukčního uspořádání vznětového motoru 1.2 l Aby mělo význam se touto přestavbou zajímat, je nutné provést srovnání s podobnými pohonnými jednotkami, které se v současné době vyskytují v nabídce výrobců osobních vozů. Na základě tohoto rozboru se určí provozní parametry motoru tak, aby vycházel konkurenceschopný. V příloze 1 jsou uvedeni zástupci třídy, do které by se tento motor řadil, ale i ukázka výkonnějších a dražších jednotek. V tabulce nejsou uvedeny otáčky motoru při kterých je dosahován udávaný výkon a točivý moment. Téměř bez výjimky dosahují moderní vznětové motory určené pro osobní automobily maximálního výkonu při 4000 ot./min. a maximálního točivého momentu v rozmezí od 1700 do 2200 ot./min.
Navržené parametry vznětového motoru 1.2 l Na základě sledování parametrů moderních vznětových motorů, byly pro konverzi zvoleny tyto parametry: 48 kW při 4000 ot./min. 145 Nm při 1900 ot./min. To odpovídá hodnotám 40 kW/1 litr a 121 Nm/1 litr. Vnější otáčková charakteristika takového motoru by vypadala přibližně podle obrázku 3. Z těchto údajů dále vychází dimenzování palivového čerpadla, určení dalších provozních parametrů a výpočet částí klikového mechanismu.
Průběh výkonu a točivého momentu 150
50
100
30 20
50
moment [Nm]
výkon [kW]
40 výkon kW moment Nm
10 0 0
2000
0 6000
4000
otáčky/min
Obr. 3 Vnější otáčková charakteristika vznětového motoru 1.2 l
Konstrukční provedení vznětového motoru 1.2 l Jedná se o kapalinou chlazený řadový přeplňovaný tříválec s přímým vstřikem paliva. Základní technické parametry jako je vrtání, zdvih a rozteč válců zůstávají stejné. Kompresní poměr je zvýšen na 19. Klikový hřídel je čtyřikrát uložený. Hliníkový blok motoru se zalitými vložkami je dělený v ose klikového hřídele. Protiběžný vyvažovací hřídel se otáčí stejně rychle jako hřídel klikový. 3
Hlava válců je odlita ze slitiny hliníku. Chlazení hlavy je příčné, vnitřním uspořádáním uzpůsobené tak, aby kapalina směřovala především k ventilovému sedlu výfuku a mezi výfukový kanál a vstřikovač. Kapalina se přivádí z bloku a její množství je limitováno otvory v těsnění. I přesto, že nejmodernější vznětové motory mají čtyři ventily na válec, běžně se zatím používají dva. Díky přeplňování a poměrně nízkým provozním otáčkám to postačuje. Ventily jsou ovládány prostřednictvím hrníčkových zdvihátek s hydraulickým vymezováním vůle. Vačkový hřídel je skládané konstrukce, jeho pohon obstarává řetěz napínaný hydraulickým napínákem. Vstřikování paliva zajišťuje systém Common Rail s pracovním tlakem minimálně 160 MPa. Vysokotlaké čerpadlo je poháněno přes vačkový hřídel. Vstřikovače jsou situovány na stranu sání (tj. po směru jízdy). Vzhledem k vysokému kompresnímu poměru, není nutné používat žhavící svíčku umístěnou ve spalovacím prostoru pro studený start vozidla. Žhavící svíčku lze umístit do sacího potrubí blízko příruby a tím se zjednoduší konstrukce hlavy. Tlakové mazání motoru zajišťuje trochoidní čerpadlo se zvýšenou kapacitou umístěné ve spodní části bloku motoru. Odtud je olej veden k ložiskům klikového hřídele a do hlavy válců. Olejem jsou také zásobována ložiska turbodmychadla a chlazeny písty. Proto je motor vybaven chladičem oleje. Motor je přeplňován turbodmychadlem a pro výše uvedený výkon je vybaven chladičem plnícího vzduchu. V případě levnější varianty s omezeným výkonem lze použít alternativu bez tohoto chladiče. Turbodmychadlo je možné montovat ve dvou variantách. Levnější verze nabízí ztrátovou regulaci odpouštěním výfukových plynů (Wastegate), v dražším provedení se montuje turbína s proměnou geometrií (VTG). Klikový mechanismus Již bylo uvedeno, že kromě hlavy se nejvíc úprav dotkne klikového mechanismu. Ojnice je nutné vyměnit už jenom kvůli požadavkům uložení pístního čepu (použití trapézového oka) a zvýšení průměru pístního čepu, pravděpodobně by nevydržela ani při kontrole na tlak. Jak už bylo zmíněno, rozteč ok ojnice musí zůstat zachována (tj. l = 138 mm) nebo je možno použít delší s tím, že podle toho bude zvýšen blok motoru. Pístní čep vznětových motorů se svými rozměry nemůže s originálem srovnávat, proto je nutné použit čep odpovídající následujícím výpočtům. Materiál pístního čepu je kvalitní cementační ocel např. 14 220 nebo podobná odpovídající. Povrch pístního čepu má tvrdost dosahující 60 HRC, broušení vnějšího průměru je samozřejmostí, ale důraz musí být kladen i na opracování otvoru. Klikový hřídel moderního motoru je vyroben tak, aby vyhovoval zatížením pro daný motor a přitom nebyl zbytečně předimenzovaný a tím i zbytečně těžký. Tato kapitola obsahuje zjednodušený kontrolní výpočet stávajícího hřídele vyrobeného z tvárné litiny GGG 60. Klikový hřídel musí být konstruován tak, aby umožnil boční vedení ojnice, která již nemůže být vedena v pístu (s ohledem na tvar horního oka). Nově vyrobený píst má vyosený spalovací prostor a chladící kanál („šejkr“). Osa spalovacího prostoru je vzdálena 4.5 mm od osy válce. Píst je vyroben z kvalitní nadeutektické slitiny hliníku. Zalitý nosič prvního pístního kroužku je vyroben z nirezistu. Kompresní výška je 39.5 mm oproti původním 28.7 mm. Všechny díly klikového mechanismu se dnes navrhují za pomoci MKP. Kontrola pístního čepu: Kontrola pístního čepu a jeho uložení je provedena na otlačení v pístu, ovalizaci a průhyb.
4
Rozměry nového pístního čepu da [mm] di [mm] lp [mm] a1 [mm] a2 [mm] B [mm] b [mm] max. F [N]
22 12 65 15 24 48 22 58000
Tab. 1 Rozměry PČ, jeho uložení a zatížení
Obr. 4 Základní rozměry uložení PČ Kontrola klikového hřídele: Stejně jako pístní čep, je klikový hřídel kontrolován při maximálním zatížení při 1900 ot./min. Věrohodnost výpočtu byla ověřena tak, že nejprve bylo zalomení klikového hřídele zkontrolováno pro odpovídající zatížení v zážehovém motoru 1.2 HTP. S ohledem na zjednodušený výpočet a rozptyl materiálových vlastností se má požadovaná bezpečnost ve všech kontrolovaných místech pohybovat v rozmezí 1.6 až 2.5. Kontrola se provádí ve třech místech: I – ojniční čep v místě mazacího otvoru na ohyb a krut II – v místě vetknutí ojničního čepu do ramene na ohyb a krut III – v místě přechodu čepů do ramene na ohyb
z
Obr. 5 Základní rozměry zalomení KH 5
Provozní parametry otáčky motoru [ot./min.] točivý moment [Nm] maximální tlak ve válci [MPa]
1900 161 12,8
Tab. 2 Provozní parametry při kontrole KH Materiálové vlastnosti KH mez pevnosti v ohybu [MPa] mez kluzu [MPa] mez únavy v ohybu [MPa]
1000 550 280
Tab. 3 Materiálové vlastnosti pro výpočet KH Rozměry klikového mechanismu lz [mm] l1 [mm] l0 [mm] z [mm] r [mm] D0 [mm] D1 [mm] r [mm] u [mm] h [mm] h' [mm] bkl [mm] l [mm] D [mm] Mp [kg] Mr [kg] lkl [-]
82,0 22,6 26,0 86,9 43,45 48,0 42,0 1,6 1,55 16,7 16,8 70,0 138,0 76,5 0,6 0,8 0,3
Tab. 4 Údaje o klikovém mechanismu pro výpočet Kontrola klikového hřídele sm [MPa] sa [MPa] tm [MPa] ta [MPa] bo [-] bt [-] sco* [MPa] tct* [MPa] s [-]
průřez I
průřez II
průřez III
75,2 82,9 11,1 56,4 1,9 2,7 132,2 69,5
57,4 63,3 11,1 56,4 3,1 1,8 81,3 102,0
86,5 95,4 3,1 81,3 -
0,9
1,0
0,8
Tab. 5 Výsledné hodnoty napětí, součinitelé vrubů a bezpečnosti
6
Hodnocení kontroly klikového mechanismu Stávající klikový hřídel nevyhovuje provozním podmínkám navrženého vznětového motoru. V případě použití jiného materiálu (ocel) se bezpečnost příliš nezvýší, protože izotermicky kalená tvárná litina se svými vlastnostmi blíží zušlechtěným ocelím, které jsou běžně v konstrukci vznětových motorů používané. Základním krokem v konstrukci nového KH bude především zvětšení průměrů hlavních a ojničních čepů přibližně o 15 – 20 %. Při vhodných proporcích by opět mohla být použita tepelně zpracovaná tvárná litina. Systém vstřikování paliva V současné době se při volbě vstřikování paliva nabízejí pouze dvě možnosti. Tou první je systém Pumpe – Düse (Sdružené vstřikovače) používaný firmou VW, druhou je Common Rail využívaný u motorů firem Peugeot, Citroën, Fiat atd. Kvalitní spalovací proces vznětového motoru vyžaduje vysoké vstřikovací tlaky (minimálně přes 100 MPa), přesné dávkování a rozdělení celkového množství paliva vstříknutého během jednoho cyklu do několika menších dávek. Oba systémy jsou principielně staré již několik desítek let, ale teprve rozvoj elektroniky umožnil jejich široké uplatnění.
Jako nejvhodnější alternativa byl zvolen náhon čerpadla od volného konce vačkového hřídele. Protože se jedná o zástavbu motoru do automobilu, bude montován společně s převodovkou. Nad skříní převodovky je volný prostor, u zážehové verze využit pro uložení nádobky s aktivním uhlím. Pokud bude čerpadlo umístěno zde, celkové rozměry konstrukční skupiny motor – převodovka nenarostou. Při přestavbě zážehového motoru na vznětový je nutno přepracovat hlavu motoru. Tím je vyřešen i problém s rekonstrukcí uložení vačkového hřídele a čerpadla, protože hlava bude vytvořena jako nový prvek při zachování ostatních dílů, jako je například blok motoru. Moment potřebný k pohonu čerpadla je téměř konstantní. Oproti tomu moment k pohonu vaček výrazně kolísá v závislosti na úhlu pootočení. Střední hodnota příkonu se sice zvýší, ale amplituda se téměř nezmění, což má příznivý vliv na bezpečnost při dynamickém namáhání. Zkroucení vačky vlivem momentu od čerpadla je zanedbatelné s ohledem na výrobní tolerance. Ventilový rozvod Oiginál ventilový rozvod je OHC s vahadly. Vahadla jsou uložena na hydraulické podpěře a opatřena kladkou. Při konstrukci nové hlavy bylo nutné zabudovat vstřikovače. Vstřikovač je umístěn na straně sání kvůli nižším teplotám než na straně výfuku. Ze stejného důvodu je na té samé straně rozvod oleje. Vzhledem k tomu, že je nutné zachovat minimální odklon od osy válce, bylo by nutné situovat vstřikovač právě mezi vahadla. Vstřikovač by právě kvůli tomu musel být umístěn v ocelovém pouzdře, které také zvyšuje nároky na umístění. Protože by osa vstřikovače vycházel téměř rovnoběžná s příčnou rovinou motoru, musel by se značně zdeformovat sací kanál. Tato alternativa je značně nevýhodná. Většina moderních vznětových motorů používá místo vahadel hrníčková zdvihátka s hydraulickým vymezováním vůle. Tím se uvolní místo pro vstřikovač, ten může být odkloněn od sacího kanálu a přitom bude svírat s osou válce malý úhel. Čtyřventilové systémy mají vstřikovač umístěný centrálně, potom používají rozvod 2xOHC s vahadly jako motor Škoda 1.2 HTP, nebo OHC se zdvojenými zdvihátky. Hlava válců Hlava válců je vyrobena z hliníkové slitiny. Uspořádání hlavy umožňuje sklonění motoru 10° vpřed a 3° na stranu převodovky. To znamená, že podle toho musí být proveden odvod chladící kapaliny a oleje. Hlava není vybavena startovací žhavící svíčkou, protože díky vysoké kompresi se stlačením vzduchu dosahuje vysokých teplot. Žhavící tělísko je umístěno v sacím potrubí v blízkosti upevňovací příruby. Ventilová vodítka jsou bronzová. Zalisovaná ventilová sedla jsou vyrobena z oceli.
7
Těsnění mezi blok a hlavu válců je kovové s elastomery. Protože blok je hliníkový a tím méně tuhý než litinový, je těsnění po obvodě a kolem vývrtu válců zesíleno. V místech, kde ústí voda nebo olej z bloku, a kolem šroubů je navulkanizovaná „housenka“. Uspořádání kanálů je možné ve dvou provedeních (obr. 6) První verze nabízí nasměrování všech kanálů na jednu stranu. To je výhodné pro umístění vstřikovače, ale špatné pro chlazení. Druhá možnost je umístit sací kanály na jednu stranu a výfukové na druhou. Tím se zlepší zástavba složité soustavy potrubí přeplňovaného motoru. Hlavu je takto možno lépe chladit, protože kolem výfukového kanálu je dostatek místa pro chladící kapalinu.
Obr. 6 Možnosti uspořádání kanálů (dva ventily) Protože se jedná o projekt, je model zjednodušen, je bez zaoblení, sražení a technologických úkosů. Také zde chybí technologické otvory pro umístění jader. V případě konstrukce hlavy je nutné simulovat proudění chladící kapaliny a vhodně tvarovat kanály, především sací s ohledem na dobrou účinnost a dostatečné rozvíření náplně ve válci. Tento model znázorňuje především základní principy v uspořádání a poukazuje na problémy, které je nutné při konstrukci řešit.
Základní rozměry nových dílů konstrukce Základní data konstrukce hlavy válců: Rozteč válců Rozteč ventilů Vzdálenost sacího ventilu od příčné osy Vzdálenost obou ventilů od podélné osy Vzdálenost osy vstřikovače od podélné osy Úhel osa vstřikovače – příčná osa Úhel osa vstřikovače – osa válce Tloušťka stěny mezi vstřikovačem a sedlem sání Tloušťka stěny mezi vstřikovačem a sedlem výfuku Průměr sacího kanálu v sedle Průměr výfukového kanálu v sedle Průměr sedla sacího ventilu Průměr sedla výfukového ventilu Výška sedla Zapuštění sedla
82 mm 39 mm 19 mm 6.3 mm 9 mm (v dosedací ploše hlavy) 12° 15° 3 mm 5.5 mm 30 mm 28 mm 35.5 mm 33.5 mm 5.5 mm 6.5 mm
8
Průměr ložisek vačkového hřídele Průměr uložení ložisek vačkového hřídele Průměr tělesa vstřikovače Průměr osazení vstřikovače Délka osazení vstřikovače
24 mm 26 mm 17 mm 7 mm 23 mm
Hlavní rozměry navrženého pístu, pístního čepu a bloku při konverzi: Průměr pístu 76.5 mm Kompresní výška pístu 39.5 mm Délka pístu 57 mm Vnější průměr pístního čepu 22 mm Vnitřní průměr pístního čepu 12 mm Délka pístního čepu 65 mm Výška bloku (od osy KH k dosedací ploše hlavy válců) 220.9 mm
Diskuze výsledků Namáhání dílů navrhovaného vznětového motoru je vyšší než u původního zážehového, vzhledem k vyšším spalovacím tlakům vznětového motoru. Je proto nutné použít jiný klikový hřídel, protože bezpečnost v žádném z kontrolovaných průřezů nedosahuje ani hodnoty 1. Dále je nutná výměna ojnice a pístního čepu z těch samých důvodů. Píst se musí navrhnout zcela jiný, kvůli pevnosti a jinému spalovacímu prostoru. který se vyžádá zvýšení kompresní výšky. Blok motoru musí být proto při zachování základních rozměrů klikového mechanismu zvýšen v dosedací ploše pro hlavu válců, také je vhodné provést jeho další zesílení. Hlava válců musí být nutně vytvořena nová, kvůli jinému způsobu spalování (spalovací prostor v pístu) a zástavbě vstřikovačů. Ostatní konstrukční skupiny (chlazení, mazání, elektrické příslušenství) je nutné upravit pro konkrétní požadavky, ale v zásadě se liší minimálně, do okruhu mazání a chlazení je nutné připojit turbodmychadlo. Projekt nové hlavy válců byl podřízen rozvržení upevňovacích šroubů motoru Škoda 1.2 HTP a zástavbě do vozidle, tj. se sklonem 10° vpřed a 3° na stranu převodovky (tomu odpovídá odvod chladící kapaliny a oleje). Vstřikovače systému Common Rail svírají s osami válců úhel 15°. Systém vstřikování paliva Common Rail byl zvolen z důvodu jednoduššího umístění vstřikovačů a snadnějšího pohonu zdroje vysokého tlaku. Ventilový rozvod OHC používá místo vahadel hrníčková zdvihátka, kvůli vhodnějším zástavbovým rozměrům. Vačkový hřídel je uložen v kluzných ložiscích. Součástí hlavy je i příruba pro vysokotlaké čerpadlo, které je poháněno od vačkového hřídele. Jako nejvhodnější alternativu navrhuji konstrukci společného bloku, který umožní uložení rozdílných klikových mechanismů pro zážehový i vznětový motor. Klikové mechanismy a hlavy válců jsou rozdílné, neboť jsou konstruovány podle specifických požadavků motorů. Příslušenství lze navrhnout tak, aby bylo shodné pro oba typy. V případě konverze je nutné zajistit, aby kompromisy v konstrukci nebyly provedeny na úkor kvalit a provozních vlastností motorů.
9
Seznam použité literatury [1] – Mackerle, J., Automobil s lepší účinností, SNTL, Praha 1985 [2] – Kožoušek, J., Teorie spalovacích motorů, SNTL, Praha 1971 [3] – Kleczek, J., Úvod do helioenergetiky, SNTL, Praha 1981 [4] – Automobil revue, časopis, č. 2/03 [5] – Gscheidle, R., Příručka pro automechanika, Sobotáles, Praha 2001 [6] – Automobil revue, časopis, č. 12/01 [7] – Beroun, S. – Scholz, C., Základy teorie vozidel a pístových spalovacích motorů, skripta TU Liberec, Liberec 1999
[8] – Automobil revue, časopis, č. 5/01 [9] – Systémy vstřikování nafty s tlakovým zásobníkem Common Rail, Technická příručka firmy BOSCH, Robert Bosch GmbH, Stuttgart 1998
[10] – Auto motor a sport, časopis, č. 1/03 [11] – Scholz, C., Konstrukční projekt pístového spalovacího motoru, skripta TU Liberec, Liberec 2003 [12] – Nepomuck, B.L. – Janneck, U., Technická rukověť motocyklisty, Kopp, České Budějovice 1999
10
Příloha č. 1 P - V diagram pro 1900 ot./min.
14,0
12,0
Tlak [MPa]
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0 0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
Objem [dm3 ]
70000
Příloha č. 2 Závislosti velikosti sil klikového mechanizmu na úhlu natočení klikového hřídele pro 1900 ot./min. F
60000
Fo Fn
50000
p
x vx
Ft Fr
ax
40000
F [N]
Fn 30000
Fo
F β
20000
Fr 10000
α
Ft
0 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 -10000
-20000
α [°]
11
Fo
Příloha č. 3: Uspořádání kanálů a vstřikovače
Sací kanál Výfukový kanál Vstřikovač
12
Příloha č. 4
Legenda: Sací kanál Výfukový kanál Obrobené plochy Neobrobený povrch odlitku, závity Olej Chladící kapalina Plocha řezu
13
Příloha č. 5
Legenda: Sací kanál Výfukový kanál Obrobené plochy Neobrobený povrch odlitku, závity Olej Chladící kapalina Plocha řezu
14
Příloha č. 6
Legenda: Sací kanál Výfukový kanál Obrobené plochy Neobrobený povrch odlitku, závity Olej Chladící kapalina Plocha řezu
15
Příloha č. 7
Legenda: Sací kanál Výfukový kanál Obrobené plochy Neobrobený povrch odlitku, závity Olej Chladící kapalina Plocha řezu
16
Příloha č. 8
Legenda: Sací kanál Výfukový kanál Obrobené plochy Neobrobený povrch odlitku, závity Olej Chladící kapalina Plocha řezu
17
Příloha č. 9
18
