Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1. Spalovací motor jako zdroj energie. 2. Charakteristika automobilových paliv. 3. Pracovní oběhy zážehových a vznětových motorů. 4. Tepelná bilance a účinnosti spalovacího motoru. 5. Kinematika a dynamika klikového ústrojí. 6. Základy konstrukce pístových spalovacích motorů. 7. Palivové soustavy zážehových motorů - nepřímé vstřikování. 8. Palivové soustavy zážehových motorů - přímé vstřikování. 9. Palivové soustavy vznětových motorů. 10. Ekologické aspekty provozu spalovacích motorů. 11. Charakteristiky, regulace a měření spalovacích motorů. 12. Zapalovací soustavy zážehových motorů. 13. Elektrické příslušenství spalovacích motorů. 14. Chladicí a mazací soustavy spalovacích motorů. Spalovací motory Ing. Jan Hromádko, Ph.D. Témata přednášek

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Kinematika klikového ústrojí Kinematika klikového ústrojí řeší především pohyb jeho posuvných částí, t.j. dráhu, rychlost a zrychlení pístu s příslušenstvím a posuvně části ojnice. Dráha pístu Podle schématu můžeme dráhu pístu obecně vyjádřit jako vzdálenost pístu x od horní úvrati: po zavedení klikového poměru vyjádříme cos(b)

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Po rozvinutí MacLaurinovy řady kde: bude Po vyjádření řady a dosazení do rovnice pro dráhu x Spalovací motory Kinematika klikového ústrojí

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Kinematika klikového ústrojí Sinové složky rychle konvergují. Pro běžné výpočty proto postačí jen první dva členy řady. Po úpravě předchozí rovnice bude používaný vztah ve formě Rychlost pístu Určí se jako derivace dráhy podle času. Výraz rychlosti pro běžný výpočet je potom:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Z výrazu může odvodit, že nulová rychlost je při úhlu natočení kliky a = 0°, 180°, 360°, tedy v obou úvratích. Maximální rychlost určíme z derivace rychlosti podle úhlu natočení kliky, z nalezeného extrému: protože Spalovací motory Kinematika klikového ústrojí

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Kinematika klikového ústrojí Výsledný úhel je pak Hledaný úhel při maximální rychlosti pístu závisí tedy jen na klikovém poměru. Tato závislost je znázorněna na obr., kde je klikový poměr v běžných mezích od 1/3,5 (0,286) do 1/4,5 (0,222).

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Kinematika klikového ústrojí Zrychlení pístu Určíme jako derivaci rychlosti podle času. Po úpravě bude používaný vztah ve formě Ze vztahu je možno určit, že maximální zrychlení je při  = 0° a  = 360°, tedy v HU. Jeho hodnota je V dolní úvrati má zrychlení hodnotu Nulové zrychlení je při maximální rychlosti viz předtím

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Kinematika klikového ústrojí Grafické znázornění dráhy, rychlosti a zrychlení pístu

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Rozbor všech sil a momentů, které působí v daném režimu práce spalovacího pístového motoru, je důležitý pro jeho základní výpočet a hodnocení. Dynamika klikového ústrojí zahrnuje především: Dynamické namáhání jednotlivých částí klikového ustrojí. Velikost a průběh tečných sil na klice, představující průběh točivého momentu. Síly v klikovém ústrojí ovlivňující vyvažování motoru. Velikost a průběh normálových sil, ovlivňujících třecí vlastnosti pístu a válce. Změno tečných sil (točivého momentu), ovlivňující nerovnoměrnost chodu pís­ tového spalovacího motoru. Velikost odstředivé síly otáčejících se částí na klikovém čepu a výslednou radiální sílu na klice.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Základní síly V pracovním prostoru válce a v klikovém ústrojí působí následující síly: síla od přetlaku plynů setrvačná síla posuvných částí setrvačné síla rotujících částí Síla na píst od přetlaku plynů je určena průběhem tlaku v p-  diagramu. Působí v ose válce a protože vzniká v uzavřeném spalovacím prostoru, přenáší se jak na píst a dále do klikového ústrojí, tak i na stěny válce a jeho hlavy. Vyjádření této sily z hlediska jejího působení na klikový mechanizmus je F p = p · S, tedy jako součin tlaku na píst a plochy jeho průřezu.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Základní síly Setrvačná síla posuvných částí klikového úst­rojí je negativní síla, která v součtu s F p dává výslednou sílu přenášející se pístem do klikového ústrojí, viz obr., ve kterém je celkový rozbor sil. Setrvačná síla vychází ze základní definice: kde: m p hmotnost posuvných částí a zrychlení posuvných částí Na klikovém čepu hřídele působí setrvačná síla otáčejících se částí, definovaná při známé hmotnosti rotujících částí m r jako:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Základní síly v tomto případě tlaky

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Základní hmotnosti Hmotnost posuvných částí zahrnuje hmotnost pístu s příslušenstvím a hmotnost posouvající se části ojnice: Hmotnost části ojnice m op určíme následujícím postupem. 1.součet rozdělených hmotností ojnice musí být roven hmotnosti celé ojnice 2.rovnováha momentů k těžišti ojnice viz obr. 3.rovnováha momentů setrvačnosti

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Základní hmotnosti Pro výpočet můžeme z těchto rovnic určit hmotnost ojnice, resp. její posuvné části, buď při známém I o. nebo při známé celkové hmotnosti ojnice V hrubém odhadu je hmotnost části ojnice připadající k posuvným částem v mezích 0,2 – 0,3 celkové hmotnosti ojnice m o.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Základní hmotnosti Hmotnost rotujících částí, tj. části ojnice a zalomení klikového hřídele, redukovanou do klikového čepu, vyjádříme jejich součtem Hmotnost zalomení, redukovanou do klikového čepu, určíme podle obr. níže. Redukuje se pouze střední část obou ramen. Tato část rotuje na poloměru r. Redukci na poloměr kliky provedeme na základě rovnosti. odtud pak

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Základní hmotnosti Hmotnost ojnice, příslušející k rotujícím částem, stanovíme podobně jako u hmotností částí posuvných, tedy: nebo

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Rozklad sil v klikovém ústrojí Na obrázku výše byly zobrazeny všechny síly, které v klikovém mechanizmu působí. Výsledná síla na píst F = F p + F m se v pístním čepu rozkládá na ojniční sílu F o a normálovou sílu F n, kterou zachycuje stěna válce. ojniční sílu vyjádříme normálovou sílu pak vyjádříme

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Rozklad sil v klikovém ústrojí Dalším rozkladem, už na klikovém čepu, vzniká tečná sila F t, určující velikost a průběh točivého momentu motoru M t. Je dána výrazem Průběh výsledné síly tečné (tangenciální) F t je na obr. dále ve funkci F = f (  ). V diagramu jsou i její tangenciální složky, tedy F pt a F mt.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Rozklad sil v klikovém ústrojí Obecný průběh normálové síly F n Průběh tangenciálních tlaků

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Dynamika klikového ústrojí Rozklad sil v klikovém ústrojí Rozkladem F o vzniká kromě F t ještě radiální síla F r. její hodnota je Na klice působí točivý moment motoru M t. a dále negativní klopný moment od sil F n na rameni h. Způsobuje výkyv motoru kolem středu hlavního čepu. nebo To znamená, že M t = - M n

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nerovnoměrnost chodu motoru Z předešlého je patrné, že tangenciální síly F t a tím i průběh točivého momentu motoru M t není v průběhu pracovního oběhu rovnoměrný. Kolísání se projevuje tak, že při přebytku síly (měřeno od střední hodnoty) se klikový hřídel urychluje, opačně nastává zpomalení. Obvodová rychlost klikového čepu kolísá tedy mezi maximální a minimální hodnotou v max a v min. Největší změna je dána rozdílem krajních výškových bodů diagramu tangenciální síly nebo také maximální přebytkovou prací této síly, viz obr.dále. Nahradíme-li totiž pozitivní a negativní plochy uvedeného diagramu úsečkami, dostaneme diagram úseček, kde úsečka A je úměrná maximální přebytkové práci W a určuje maximálně možnou úchylku.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nerovnoměrnost chodu motoru Nerovnoměrnost chodu pístového spalovacího motoru můžeme z energetického hlediska určit vztahem kde m red je hmotnost všech pohybujících se částí klikového ústrojí včetně setrvačníku.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nerovnoměrnost chodu motoru Po rozvedení uvedeného vztahu kde v s je střední obvodová rychlost čepu. předchozí rovnici vyjádříme nebo Protože nerovnoměrnost chodu spalovacího motoru  je pak a tím nerovnoměrnost  je neboli

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Vedle rovnoměrnosti otáčení (úhlové rychlosti) klikového hřídele motoru má na „kulturu“ jeho chodu podstatný vliv vyvážení sil, působících v motoru. Tyto síly a jimi vyvolané momenty je možné rozdělit na síly a momenty primární (od tlaku plynů) a sekundární (setrvačné). Z pohledu jejich projevu se dále dělí na vnitřní a vnější (volné). Vnitřní namáhají jednotlivé díly motoru, ale navenek se neprojevují. Volné síly a momenty se přes jednotlivé díly motoru přenáší do uložení motoru a vyvolávají svými kmitavými účinky řadu dalších dynamických efektů v motoru a ve vozidle (vibrace atd.) Konstrukce automobilového motoru musí proto z velké části eliminovat především vnější (tj. volné) setrvačné síly a jejich momenty. Vnější setrvačné síly pochází od částí rotačních a posuvných.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Existují dva typy volných setrvačných sil 1. setrvačná síla rotačních hmotností 2. setrvačné síly posuvných hmotností I. řádu: II. řádu: Setrvačné síly rotačních částí lze i u jednoválcového motoru zcela vyvážit dvěma vývažky umístěnými na protilehlých ramenech klikového hřídele v rovině zalomení o hmotnosti

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Schéma klikového mechanizmu válcové jednotky s vyznačením volných setrvačných sil. Setrvačné síly rotačních hmotností se snadno vyvažují přídavnými hmotnostmi m v.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Úplné vyvážení posuvných setrvačných sil by se dosáhlo posuvnými hmotami, pohybujícími se po stejné ose s hmotami původními tak, aby těžiště obou soustav neměnilo svoji polohu, pro automobilové motory je tato varianta nereálná. V praxi se vyvážení setrvačných sil posuvných hmot dá dosáhnout působením odstředivých sil dvou stejných vývažků rotujících v jedné rovině opačným směrem: vývažky eliminující síly I. řádu se otáčejí stejnou úhlovou rychlostí jako klikový hřídel vývažky eliminující síly II. řádu se otáčejí dvojnásobnou úhlovou rychlostí, viz obr. dále Hmotnosti vývažků se určují z rovnic pro kosinové složky odstředivých sil, které eliminují příslušnou setrvačnou sílu posuvných hmot:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Hmotnosti vývažků se určují z rovnic pro kosinové složky odstředivých sil, které eliminují příslušnou setrvačnou sílu posuvných hmot: a Velikost vývažků potom vychází a r v1 a r v2 jsou vzdálenosti těžišť vývažků od os jejich rotace.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Schéma vyvažování jednoválcového motoru [1]

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru U víceválcových motorů dochází ke geometrickému sčítání silových účinků z jednotlivých zalomení klikového hřídele a vlivem roztečí mezi válci potom dochází ke vzniku podélných momentů setrvačných sil. Vhodným uspořádáním motoru lze potom některé silové účinky vyrušit a místo nich dostat podélné momenty. Tyto momenty mohou být v některých případech vnitřní, jsou zachyceny v konstrukci motoru a nepřenášejí se do jeho uložení. Setrvačné silové účinky klikového mechanizmu u řadového čtyřválcového motoru s plochým klikovým hřídelem (4x180°) jsou uvedeny na obr dále.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Setrvačné síly v řadovém 4válci [1]

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Silové účinky rotačních hmot se navenek ruší, nevytvářejí ani žádné vnější momenty, namáhají však klikový hřídel a jeho uložení vnitřním podélným momentem Tento moment se otáčí spolu s klikovým hřídelem a dá se eliminovat pomocí vývažků na tomto hřídeli. Pokud jsou vývažky u jednotlivých klik umístěny jako na obr. výše, platí pro výsledný vnitřní moment: Setrvačné síly posuvných hmot I. řádu se navenek prakticky ruší, namáhají však klikový hřídel podélným vnitřním momentem

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Tento moment nelze prakticky nijak kompenzovat. Jeho velikost se mění podle polohy klikového hřídele: Setrvačné síly posuvných hmot II. řádu u jednotlivých klik mají frekvenci 2α: protože jsou kliky natočeny o 180°, mají setrvačné síly II. řádu stejnou fázi a jejich velikost se sčítá. Výsledná síla potom je: Setrvačné síly II. řádu zatěžují klikový hřídel vnitřním momentem velikosti Zatížení klikového hřídele vnitřním ohybovým momentem vyžaduje konstrukci klikové skříně s velkou ohybovou tuhostí.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Na 4válcovém řadovém motoru působí dále příčný klopný moment od normálových složek posuvných sil a klopné momenty od kývavého pohybu ojnice, u motoru s plochým klikovým hřídelem se klopné momenty od ojnic vzájemně vynulují, příčné klopné momenty od normálových složek lze sice vyvážit, prakticky se ale takové vyvažování nedělá. Úplným vyvážením volných setrvačných sil a volných podélných momentů se vyznačují řadové 6válcové motory s pootočením jednotlivých klik po 120° Setrvačné síly u tohoto motoru ale způsobují namáhání klikového hřídele a přes ložiska i namáhání skříně motoru podélným ohybovým momentem. Pro zajištění vysoké spolehlivosti a životnosti motoru musí proto skříň motoru mít vysokou ohybovou tuhost ve všech polohách klikového hřídele.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vyvažování motoru Řadový 3válcový motor má podobně jako řadový 6válec pootočení jednotlivých klik o 120°. Toto uspořádání zajišťuje úplné vyvážení volných setrvačných sil, v motoru nejsou žádné vnitřní podélné momenty. Navenek však působí volné podélné momenty od rotačních hmot a od posuvných hmot (momenty I. i II. řádu). K vyvážení volných podélných momentů se proto používají vhodné konstrukční úpravy jak na klikovém hřídeli (rozmístění protizávaží), tak pomocí přídavného vyvažovacího hřídele, kterými lze podstatně zklidnit vnější chování motoru.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Literatura: [1] BEROUN, S.: Vozidlové motory. Studijní opory, TU Liberec[online]. [cit ]. Dostupný z WWW:. [2] KŘEPELKA, V., KAMEŠ, J.: Traktory a automobily I., VŠZ Praha 1979 [3] MACEK, J: Spalovací motory I, ČVUT Praha, 2007, ISBN [4] SCHOLZ, C.: Konstrukce pístového spalovacího motoru. Skripta TU Liberec 2003, ISBN [5] RAUSCHER, J.: Spalovací motory, Studijní opory, VUT FSI Brno, 2004