SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE KATEDRA ZA MOTORE I VOZILA Doktorski rad 3.1. Razvodni mehanizam 4T KONSTRUKCIJE MOTORA Ivan Mahalec Zagreb, 2013/2014. 1
Sadržaj 1. Zadaća razvodnog mehanizma 2. razvodnog mehanizma 3. Kinematika i dinamika razvodnog mehanizma 4. Varijabilan ventilski razvod 5. razvodnog mehanizma vez ventila 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 2
1. Zadaća razvodnog mehanizma Zadaća: omogućiti izmjenu radne tvari u svakom radnom ciklusu Razvodni dijagram ~ 110 UV > IV Razvodni presjek Kut otvorenosti IV Kut otvorenosti UV A poboljšava pražnjenje cilindra ali povećava toplinsko opterećenje ventila B, D što veće (ali: D > B) C veće: poboljšava punjenje cilindra ali povećava sirove štetne emisije i zahtijeva veću brzinu vrtnje praznoga hoda UZ najvažnija točka: velika površina E donosi snagu kod visokih brzina vrtnje na račun gubitka momenta kod nižih brzina 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 3
1. Zadaća razvodnog mehanizma Snaga : P e z V p e H η p e e λ 2n T pu ρ S,o H d 1 λ Z 0 P e z V H η e λ H d 1 λ Z Najveća brzina vrtnje Ottovih 4T (min -1 ): pu ρ S,o 0 2 n C λ T n = max kad započne odvajanje ventila od brijega 1937. 1962. 1953. 1966. 2005. 2014. VW buba Opel Kadett NSU RC 125 Honda 49 cm 3, 2 cil. BMW Formula 1 Formula 1 3.800 5.000 11.000 22.500 19.800 (15.000) pu n BMW P85 V10, 3,0 dm 3 V6, 1,6 dm3 turbo 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 4
1. Zadaća razvodnog mehanizma Razvodni dijagram: utjecaj točaka IO i UZ Utjecaj točke UZ Utjecaj točke IO 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 5
Podizaj ventila Stupanj punjenja 1. Zadaća razvodnog mehanizma Razvodni dijagram: utjecaj faznog pomaka BV GMT Fazni pomak Usis zatvara ranije Usis zatvara kasnije Ispuh Usis Kut zakreta BV n min Brzina vrtnje n max VW fazno zakretanje usisnog i ispušnog bregastog vratila uljem pod tlakom kojega razvodi upravljački uređaj. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 6
1. Zadaća razvodnog mehanizma Razvodni dijagram: utjecaj faznog pomaka BV Ispuh Usis GMT GMT GMT GMT I U I U I U I U Prazni hod P max M max unutarnji EGR Usis Ispuh Stabilan prazni hod. Ispuh se smije pomaknuti ulijevo jer su kod niskog opterećenja temperature u cilindru niske i nema opasnosti od pregrijavanja ispušnog ventila zbog ranijeg otvaranja. Za najveću snagu pri najvećoj brzini vrtnje usis treba zatvoriti što kasnije. Za najveći moment usis treba zatvoriti ranije. Za zadržavanje plinova u cilindru usis treba započeti znatno prije kraja ispuha, pa ispušni plinovi pune usisnu cijev i vraćaju se natrag u cilindar. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 7
1. Zadaća razvodnog mehanizma Razvodni dijagram Broj ventila po cilindru: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8Honda-1979 Kod kuta zakreta BV ZA više od dva ventila po cilindru: povećanje presjeka strujanja uz istovremeno smanjenje kuta otvorenosti ventila smanjenje oscilirajuće mase koju opruga mora pritiskivati na brijeg bregastog vratila. PROTIV više od dva ventila po cilindru: kompliciraniji i skuplji motor kod nabijenih povećanje razvodnog presjeka je od drugorazrednog značaja jer se njegov manjak lako nadoknađuje povećanjem tlaka nabijanja. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 8
2. razvodnog mehanizma: bregasto vratilo u bloku Konstrukcijske značajke: Ventili: stojeći (danas praktički napušteno) ili viseći (OHV) Bregasto vratilo u bloku (OHV) ili u glavi (OHC, DOHC) Za visoku brzinu vrtnje: Što manje oscilirajuće mase Što veća krutost Bezudarni profil brijega Velika krutost Mala krutost 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 9
2. razvodnog mehanizma: bregasto vratilo u glavi Osobni automobili Motocikli Poluklackalica Klackalica Čašasti podizač BMW V12 (1994.) Renault Clio Alfa Romeo V6 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 10
2. razvodnog mehanizma: oscilirajuće mase i trenje Poluklackalica Čašasti podizač Poluklackalica s kotačićem Desmodromic najmanja masa najveća trajnost vent. najmanje trenje + najm. masa bez opruge Čašasti podizač: Najveća trajnost stabla ventila i vodilice jer silu trenja preuzima čašica podizača a ne vodilica ventila. Poluklackalica s kotačićem: Najmanje trenje i najveća trajnost brijega. Hidraulički uređaj za poništavanje zračnosti na najpogodnijem mjestu (nepomičan, najmanje osjetljiv na zrak u ulju). Najbolji kompromis: trenje + trajnost + visoka brzina vrtnje + hidraulički uređaj za poništavanje zračnosti (Honda motocikli). 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 11
2. razvodnog mehanizma: trenje Ravni podizač Poluklackalica s kotačićem Porsche 924 TOP (Gruden) Udio razvodnog mehanizma u ukupnim gubitcima trenja u je malen. Mjere za smanjenje trenja u motoru daju rezultat ako su sveobuhvatne. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 12
2. razvodnog mehanizma: primjeri OHC / DOHC Usprkos dugačkih vodilica ventila u V6 motoru tlak trenja je manji zahvaljujući kotačiću u poluklackalici. VW V6 1999. VW VR6 1991. Prosječna vrijednost tumble-vrtloga je podjednaka s dugačkim i kratkim usisnom kanalom. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 13
2. razvodnog mehanizma: primjeri OHC / DOHC Daimler OM 470 euro VI DOHC/4V 10,7 dm 3, 290 kw kod 1.800 min -1 1.900 Nm kod 1.100 min -1 Gradski autobus Citaro Kamionski motori su dostigli i prestigli motore osobnih automobila. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 14
2. razvodnog mehanizma: utjecaj na oblik prostora izgaranja Otto: broj i raspored ventila izravno utječe na oblik prostora izgaranja i strujanje u cilindru Ventili u jednome redu Ventili u V-rasporedu Poprečno strujanje kroz cilindar bolje punjenje uz manje gubitaka 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 15
2. razvodnog mehanizma: utjecaj na oblik prostora izgaranja Diesel: položaj ventila podređen je obliku prostora izgaranja Vrtložna komora Izravno ubrizgavanje: 4 ventila + brizgaljka u sredini cilindra VW Golf Mercedes OM 668 Mercedes OM 611 Mercedes kamionski (1977.) (A klasa, 1998.) (C klasa, 1997.) (OM 501/502 LA, 1995.) Peti dekompresijski ventil za motornu kočnicu se na slici ne vidi. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 16
2. razvodnog mehanizma: zračnost ventila Mehaničko podešavanje zračnosti Hidrauličko poništavanje zračnosti Najmanje osjetljiv na zrak u ulju Ne povećava oscilirajuću masu Vijak ZU / ZI: 0,1 / 0,2 mm Izmjenjiva pločica Fiat 128 A (1968.) (dotle: kapica s donje strane) ZU / ZI: 0,4 / 0,5 mm Zračnost se podešava na hladnom motoru. Hidraulički uređaji za poništavanje zračnosti u nepomičnom osloncu poluklackalice (npr. Opel, GM, Honda) u klackalici (kod ventila) u čašastom podizaču (npr. VW, BMW, FIAT) 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 17
2. razvodnog mehanizma: zračnost ventila Hidrauličko poništavanje zračnosti na zrakoplovnom motoru Continental Dok ventil miruje na sjedištu, ulje pod tlakom iz sustava podmazivanja puni niskotlačnu komoru (7), a potom i visokotlačnu (9). Dalje podmazuje polukuglastu dodirnu plohu čašice i šipke podizača. Ovom cirkulacijom ulje se odzračuje. Kada brijeg počne pomicati tijelo podizača (5), jednosmjerni kuglasti ventil (3) zatvori izlaz ulja iz visokotlačne komore (ona postane tvrda ) i pomak se prenosi na šipku podizača (13) i dalje na ventil. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 18
2. razvodnog mehanizma: detalji ventilskoga sklopa 1 - pločica za podešavanje zračnosti (debljina po 0,03 mm) 2 - čašica podizača 3 - tanjurić ventilske opruge 4 - dvodijelni klin 5 - brtva stabla ventila 6 - podloška ventilskih opruga 7 - vodilica ventila 8 - graničnik vodilice Duljina x stanjenoga dijela u vodilici mora biti barem jednaka podizaju ventila. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 19
2. razvodnog mehanizma: detalji ventilskoga sklopa Ventil punjen natrijem Sjedište ventila Širina sjedišta u glavi b G : oko 1,5 do 2 mm kod usisnih ventila oko 2,0 do 2,5 mm kod ispušnih. Preširoko sjedište ventil ne brtvi dovoljno ne može razbiti eventualne naslage gareži koja izleti iz cilindra i nerijetko se zaustavi baš na sjedištu. Ispušni ventil punjen natrijem: sniženje temperature do 100 C. Najviša temperatura ventila: usisni: 300ºC do 500ºC Ispušni: 600 (Diesel) do 800ºC (Otto) 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 20
2. razvodnog mehanizma: pogon bregastoga vratila Pogon bregastoga vratila od radilice: zupčanicima lancem zupčastim remenom 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 21
2. razvodnog mehanizma: pogon bregastoga vratila Pogon zupčanicima Ford Cosworth DFV (Double Four Valve) najuspješniji motor u Formuli 1: 155 pobjeda od 1967. do 1983. i njegov konstruktor Keith Duckworth (1933-2005.). Cilindrični zupčanici Konični zupčanici Ducati Desmo 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 22
2. razvodnog mehanizma: pogon bregastoga vratila Pogon lancem Vlastita frekvencija titranja lanca (Bensinger): fl l 1 2L F m * (1/s) l redni broj oblika titranja, L, m slobodna duljina lanca, F, N sila napetosti lanca, m*, kg/m masa lanca po jednici duljine 1 Lančanik bregastog vratila 3 Lančanik koljenastog vratila 2 Lanac 4 Natezač 5 Klizne vodilice 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 23
2. razvodnog mehanizma: pogon bregastoga vratila Pogon zupčastim remenom Glas 1004 (1961.) prvi motor sa zupčastim remenom, 4 cil., redni, 1,0 dm 3, Ø72 61 mm, snaga čak 47 kw. Prvobitna varijanta (lijevo): s osovinama klackalica (1). Poboljšana varijanta (desno): s polukuglastim osloncima klackalica na krajevima nepomičnih vijaka (2) za podešavanje zračnosti ventila. Mekane opruge (3) služile su samo za pridržavanje klackalica kod montaže. Cijeli razvodni mehanizam osim ventila nalazi se u posebnom kućištu, iznad glave. Najveća trajna brzina vrtnje iznosila je čak 6600 min -1. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 24
3. Kinematika i dinamika razvodnog mehanizma Osnovni dijelovi brijega bregastoga vratila i podizaj A V K h (a ) B 1 3 4 B 2 P 1 2 1 5 6 P 2 Osnovni oblici bregova upareni s odgovarajućom protuplohom 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 25
Podizaj h, brzina h', ubrzanje h'' 3. Kinematika i dinamika razvodnog mehanizma Tri načina prikazivanja kinematičkih značajki profila brijega: % 100% h'' h' h 50% P 1, P 2 - predbregovi B 1, B 2 - bokovi V - vrh 0% 1 2 3 4 5 6-50% P 1 B 1 V B 2 P 2-100% Kurzov bezudarni brijeg (sličan brijegu Fiat 128 A ) 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Kut zakreta brijega a, BV 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 26
3. Kinematika i dinamika razvodnog mehanizma Tri načina prikazivanja kinematičkih značajki profila brijega: 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 27
3. Kinematika i dinamika razvodnog mehanizma: idealizirano gibanje ventila Idealizirano gibanje ventila: elastičnost elemenata nije uzeta u obzir Zračnost ventila Suma pozitivnih i negativnih površina ispod krivulje ubrzanja jednaka je nuli. Kut vrha mora biti širok, a kut boka uzak jer je prostor za smještaj opruge ventila ograničen. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 28
Sila, N Podizaj, mm 3. Kinematika i dinamika razvodnog mehanizma: stvarno gibanje ventila Navoji opruge sjeli jedni na druge Za visoku brzinu vrtnje: Što manje oscilirajuće mase Što veća krutost Bezudarni profil brijega F - rezultanta sila svih vibracijskih elemenata 10 8 6 Vrh 162 o 4.500 min -1 20.000 15.000 120 100 80 h" h'' - ubrzanje ventila h'' BV - geometrijsko ubrzanje profila brijega h'' OPR - usporenje opruge ventila 4000 min -1 4 60 2 0-2 -4-6 114 o 129 o Bok Kontaktna sila 228 o Bok 243 o Put ventila Podizaj bvrijega 130 o 114 o 162 o 243 o 0 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 Kut zakreta BV, 10.000 5.000-40 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 29 Ubrzanje, mm/rad 2 40 20 0-20 h" BV h" OPR Kut zakreta BV,
3. Kinematika i dinamika razvodnog mehanizma: nesimetričan brijeg B 1 3 V 4 B 2 Simetričan podizaj P 1 2 1 5 6 P 2 Kod nesimetričnog dijagrama podizaja razvodni presjek je na silaznoj strmijoj strani veći nego na uzlaznoj, a i ubrzanja su veća. Za odvajanje ventila od brijega mjerodavna su upravo ubrzanja. Na blažoj uzlaznoj strani brijega ubrzanja su doduše niža i to na njoj smanjuje opasnost od odvajanja ventila. Međutim, odvajanje će ionako nastupiti na strmijoj silaznoj strani, samo što će biti popraćeno manjkom razvodnoga presjeka. Zato se brijeg izvodi nesimetričan, da bi se dobio simetričan razvodni dijagram. Nesimetričan podizaj 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 30
4. Varijabilan ventilski razvod: BMW Valvetronic Valvetronic: Promjena snage bez prigušivanja usisa 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 31
4. Varijabilan ventilski razvod: razvod bez bregastog vratila Elektromehanički aktuatori: potpuno varijabilan razvod + isključivanje cilindara Razvijeno do razine serijske proizvodnje Velike mogućnosti upravljanja radom : - smanjenje potrošnje goriva - smanjenje emisija - povećanje snage - upravljanje unutarnjim EGR-om Problemi: - buka - potreban napon od 42 V Jedna od mogućih strategija upravljanja 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 32
5. Razvodni mehanizam bez ventila: povijest Razvod rotirajućim zasunima (1 do 4) i oscilirajućim cilindarskim košuljicama (5 i 6) je rezultat nastojanja da se snaga avionskih klipnih poveća preko granice koju su pri punjenju cilindra predstavljali ventili. 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 33
5. Razvodni mehanizam bez ventila: povijest Devetcilindarski avionski motor Hercules tvornice Bristol s oscilirajućim cilindarskim košuljicama 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 34
Kraj 2013/2014. Razvodni mehanizam 4T 35