VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU

VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU 1. uspořádání a plnění válců Např.: průzkum v použití, trend (N3, M3)

2011/2012

Pístové spalovací motory_ SCHOLZ

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

2011/2012

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) 2011/2012


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 2011/2012


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 2011/2012


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 2011/2012

Palivový systém

Deformací a namáhání kritických dílů Pístové spalovací motory_ SCHOLZ

(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

2011/2012

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 2011/2012


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 2011/2012


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, ….. 2011/2012


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

2011/2012


11

SKUPINA KLIKOVÉ SKŘÍNĚ

Setr. KH

Ložiska

Ojnice PČ

Rozvody OČ

Blok Píst

Válec

PK

CH VH

FO

Term

VV

SP

VP

CH FV 2011/2012

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

2011/2012

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

2011/2012


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  2011/2012


15

SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST n= 3000 min-1

n= 5000 min-1

Výsledná síla namáhá: • dno pístu • plášť pístu • uložení PČ 2011/2012


16

SILOVÉ ÚČINKY NA PÍST

2011/2012


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

2011/2012


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) 2011/2012


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

2011/2012


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

2011/2012


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.

2011/2012


22

TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU Tepelné pole pod povrchem je stacionární během cyklu, pokud se nemění provozní režim motoru.

2011/2012


23


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

2011/2012


24


Hlubší komůrka zvyšuje úroveň teplot, zejména v drážce 1.PK.

2011/2012


25

VÝCHODISKA PRO ZADÁNÍ PROJEKTU

Recommend Documents