Poděkování
Děkuji vedoucímu mé bakalářské práce panu Ing. Pavlu Brabcovi, Ph.D. za vstřícnost, trpělivost a za jeho cenné rady a připomínky při psaní této práce. Děkuji také svým rodičům za podporu během mého studia.
Anotace
Cílem této bakalářské práce je zmapovat moderní konstrukční provedení pístů spalovacích motorů vozidel. První část se zabývá popisem pístní skupiny, zatížením působícím na píst a mechanickými ztrátami ve spalovacím motoru. V další části jsou popsány konstrukce pístů podle typu motoru (zážehový, vznětový, dvoudobý, velké stacionární a lodní motory). Poté je popsáno konstrukční provedení jednotlivých částí pístu a pístní skupiny, které shrnuje a doplňuje poznatky z předchozí části. V závěru práce byla provedena krátká studie, věnovaná úpravě pístu závodního motocyklového motoru pro použití v běžném provozu.
Klíčová slova
Píst, pístní skupina, pístní kroužky, pístní čep, spalovací motor, snížení hmotnosti pístu, snížení třecích ztrát
Anotace
The aim of this bachelor thesis is to describe design of modern pistons. The first part deals with the description of the piston assembly, the load on the piston and the mechanical loses in the combustion engine. The next part shows the design of pistons according to the type of engine. Then a detailed constructional design of the piston and piston assembly is described. This part summarizes and completes previous part. At the end of the work, a short study was conducted on the adjustment of the piston from racing motorcycle engine for use in normal operation.
Keywords
Piston, piston assembly, piston rings, piston pin, reducing piston mass, lowering friction loses
7 Obsah
Seznam obrázků ... 9
1 Úvod ... 11
2 Píst spalovacího motoru ... 12
2.1 Pístový spalovací motor ... 12
2.2 Použití pístových spalovacích motorů ... 12
2.3 Rozdělení pístových spalovacích motorů ... 12
2.4 Pístní skupina ... 13
2.5 Požadavky na píst spalovacího motoru ... 13
2.6 Zatížení působící na píst... 14
2.6.1 Tlak působící na píst ... 14
2.6.2 Setrvačné síly pístového spalovacího motoru ... 15
2.6.3 Tepelné zatížení pístu ... 15
2.7 Pasivní odpory spalovacího motoru ... 17
3 Konstrukční provedení pístů podle typu motoru ... 19
3.1 Písty pro čtyřdobé zážehové motory ... 19
3.1.1 Písty s regulovanou teplotní deformací ... 19
3.1.2 Písty s asymetrickým tvarem pláště ... 20
3.1.3 Kované písty ... 23
3.2 Písty pro čtyřdobé vznětové motory ... 25
3.2.1 Písty s nosičem pístního kroužku ... 26
3.2.2 Písty s chladicím kanálem ... 26
3.2.3 Písty s chlazeným nosičem pístního kroužku ... 27
3.2.4 Kloubové písty FERROTHERM® ... 28
3.2.5 Písty s pouzdrem pro pístní čep ... 28
3.2.6 Jednodílné kované ocelové písty MONOTHERM® ... 29
3.2.7 Svařované dvoudílné písty ... 29
3.2.8 Jednodílné kované ocelové písty STEELTEKS® ... 30
3.3 Písty pro dvoudobé zážehové motory ... 31
3.4 Písty pro velké stacionární a pomaloběžné motory ... 32
4 Konstrukční řešení konkrétních částí pístu ... 34
4.1 Základní návrh pístové skupiny ... 34
4.2 Konstrukce dna pístu ... 34
4.2.1 Konstrukce dna pístu čtyřdobých zážehových motorů... 35
4.2.2 Konstrukce dna pístu vznětových motorů ... 37
8
4.3 Konstrukce těsnící části pístu ... 38
4.3.1 Kompresní výška ... 38
4.3.2 Horní můstek ... 39
4.3.3 Drážky pístních kroužků a můstky mezi pístními kroužky ... 39
4.4 Konstrukce nálitku pro pístní čep ... 42
4.4.1 Vyosení pístního čepu ... 43
4.4.2 Vyosení klikového hřídele ... 44
4.5 Konstrukce pláště pístu ... 45
4.5.1 Ovalita pístu a boční křivka pláště ... 46
4.6 Chlazení pístů ... 47
4.7 Materiál pístů ... 48
4.7.1 Hliníkové slitiny ... 48
4.7.2 Litinové písty ... 49
4.7.3 Ocelové písty ... 49
4.8 Povrchové úpravy pístů ... 49
5 Pístní kroužky ... 53
5.1 Těsnící pístní kroužky ... 53
5.2 Stírací pístní kroužky ... 55
5.3 Osazování pístů pístními kroužky ... 56
5.3 Materiály pístních kroužků ... 56
6 Pístní čep ... 57
6.1 Materiály a povrchová úprava pístních čepů... 58
6.2 Pojistné kroužky pístních čepů ... 58
7 Úprava pístu pro motocyklový motor ... 59
8 Závěr ... 63
Literatura ... 65
Seznam příloh ... 67
9 Seznam obrázků
Obr. 1.1: Trend zvyšování specifického výkonu spalovacích motorů [15] ... 11
Obr. 2.1: Rozpětí parametrů motorů podle jejich použití [3] ... 12
Obr. 2.2: Schematické provedení pístní skupiny [1] ... 13
Obr. 2.3: Síly působící na píst v závislosti na natočení klikové hřídele [1] ... 14
Obr. 2.4: Maximální tlaky zážehových a vznětových motorů osobních automobilů [15] ... 15
Obr. 2.5: Rozložení teplot v pístu zážehového (vlevo) a vznětového (vpravo) motoru [1] ... 16
Obr. 2.6: Teplotní profil hliníkových pístů vznětového a zážehového motoru [1] ... 17
Obr. 2.7: Tok energie MB SLK 350 V6 a tření vznětového a zážehového motoru [21] ... 17
Obr. 2.8: Rozdělení energie získané z paliva (SLK 350 V6) a třecí ztráty čtyřválcového zážehového motoru (2000 ot/min, teplota chladicí kapaliny a oleje 90°C) [21] ... 18
Obr. 3.1: Píst Autothermic (vlevo) a Autothermatik (vpravo) [1] ... 20
Obr. 3.2: Píst s asymetrickým pláštěm [8] ... 20
Obr. 3.3: Asymetrické písty JE Pistons [8] ... 21
Obr. 3.4: Porovnání pístu EVOTEC s předchozí generací ECOFORM [22] ... 22
Obr. 3.5: Asymetrický píst EVOTEC [1] ... 22
Obr. 3.6: Porovnání asymetrických pístů od MAHLE a píst EVOTEC®2 [6, 1] ... 23
Obr. 3.7: Porovnání pístu EVOTEC2 a EVOLITE [7] ... 23
Obr. 3.8: Porovnání struktury zrn standardního kování a Aligned Grain Flow Technology [9] 24 Obr. 3.9: Kovaný píst JE Pistons Ultra Series a vertikální a příčné kanálky [10, 11]... 24
Obr. 3.10: Materiál pístu podle parametrů motoru nákladního vozidla [14, 31] ... 25
Obr. 3.11: Píst s nosičem 1. pístního kroužku a oválným chladícím kanálem, píst ContureKS a píst DynamiKS s tryskou ke vstřikování oleje do chladícího kanálu [1, 14] ... 26
Obr. 3.12: Píst DynamiKS s pumpujícím efektem [14] ... 27
Obr. 3.13: Vývoj snižování teploty chladícím kanálem podle KS Kolbenschmidt [14] ... 27
Obr. 3.14: Píst s chlazeným nosičem pístního kroužku a kloubový píst FERROTHERM [1] ... 28
Obr. 3.15: Pouzdro pro pístní čep a lokální natavení hrany spalovacího prostoru [20] ... 28
Obr. 3.16: Jednodílný píst MONOTHERM a jeho optimalizovaná varianta [1] ... 29
Obr. 3.17: Třecí svařování a svařování elektronovým paprskem [1, 14] ... 30
Obr. 3.18: Píst STEELTEKS a porovnání ocelového pístu s pístem z Al slitiny [20, 23] ... 30
Obr. 3.19: Jednokroužkový a dvoukroužkový píst pro dvoudobý zážehový motor [13][1] ... 31
Obr. 3.20: Šroubové spojení skládaných pístů [1] ... 32
Obr. 3.21: Způsoby chlazení velkých pístů: Shaker Cooling a Bore Cooling [1] ... 33
Obr. 3.22: Skládaný píst s ocelovou hlavou a pláštěm z tvárné litiny [1] ... 33
Obr. 3.23: Velké písty od KS Kolbenschmidt s průměrem 160 – 640 mm [20] ... 33
Obr. 4.1: Spalovacích prostory zážehových motorů (vpravo – pro vrstvenou směs) [3] ... 35
Obr. 4.2: Přesné CNC modelování dna a Radius Domes [16] ... 35
10
Obr. 4.3: Fire Slot a Combustion Through [16] ... 36
Obr. 4.4: Tulip Pockets a Radius Valve Reliefs [16] ... 36
Obr. 4.5: Způsoby umístění vstřikovače a doprava paliva k zapalovací svíčce [2] ... 37
Obr. 4.6: Způsoby rozvíření směsi: Tangenciální vír (vlevo) a příčný vír (vpravo) [2] ... 37
Obr. 4.7: Příklady spalovacích prostorů vznětových motorů s přímým vstřikem [3] ... 38
Obr. 4.8: Centrální a šikmé umístění vstřikovače [2] ... 38
Obr. 4.9: Jalový prostor kolem horního můstku [25] ... 39
Obr. 4.10: Akumulační drážka a antidetonační drážky [16] ... 40
Obr. 4.11: CP Groove a provedení kanálů lateral gas ports a vertical gas ports [16] ... 41
Obr. 4.12: Otvory na odtok oleje z drážky stíracího kroužku ... 41
Obr. 4.13: Tvary nálitků pro pístní čep a ukotvení ke dnu pístu (vznětové motory) [3] ... 42
Obr. 4.14: Mazání pístního čepu olejem ze stíracího kroužku (vlevo) a Broaches [16] ... 43
Obr. 4.15: Klopení pístu v horní úvrati [25] ... 44
Obr. 4.16: Porovnání ztrát při různých vyoseních pístního čepu [1] ... 44
Obr. 4.17: Vyosení klikového hřídele vůči ose válce [26] ... 45
Obr. 4.18: Provedení pláště pístu [1] ... 46
Obr. 4.19: Provedení boční křivky pístu [1]... 46
Obr. 4.20: Rozložení teplot v pístu podle způsobu chlazení [1] ... 48
Obr. 4.21: Píst s pouzdry pro pístní čep a tvrdou anodickou oxidací koruny [31] ... 50
Obr. 5.1: Provedení zámků pístních kroužků [3] ... 53
Obr. 5.2: Těsnící pístní kroužky [3] ... 54
Obr. 5.3: Těsnící pístní kroužky [3], [17] ... 54
Obr. 5.4: Torzní pístní kroužky [3], [17] ... 54
Obr. 5.5: Stírací kroužky s výřezy [3] ... 55
Obr. 5.6: Stírací kroužky s expanderem a skládané kroužky [3], [17] ... 56
Obr. 5.7: Nejčastější provedení pístních kroužků zážehových a vznětových motorů [3] ... 56
Obr. 6.1 Provedení pístního čepu [1] ... 57
Obr. 6.2 Nebezpečná místa pláště při ovalizaci a vícenásobná ovalita [18], [1] ... 58
Obr. 6.3 Pojistky pístních kroužků [3] ... 58
Obr. 7.1: Řez motorem pro plochou dráhu ... 59
Obr. 7.2: Porovnání pístu před úpravou (nahoře) a po úpravě ... 60
Obr. 7.3: Porovnání kompresních výšek ... 60
Obr. 7.4: Úpravy dna pístu ... 61
Obr. 7.5: Porovnání plášťů ... 62
Obr. 8.1: Porovnání spotřeby well-to-wheell u vozu se spalovacím motorem, elektromobilu a vozu s palivovým články [33] ... 64
11 1 Úvod
Ve své bakalářské práci bych se rád zaměřil na konstrukci pístů a pístní skupiny u spalovacích motorů moderních vozidel. Píst je jedna z nejvíce namáhaných součástí spalova- cího motoru. Tepelné a mechanické zatížení pístů spalovacích motorů zaznamenalo v posledních letech obrovský nárůst. Hlavním důvodem je takzvaný downsizing, jehož cílem je získávání vyšších úrovní specifického, takzvaně litrového výkonu motoru (obr. 1.1). Pístové spalovací motory jsou stále nejrozšířenějším druhem pohonu na světě a i nadále pokračuje jejich vývoj. Požadavky na nové konstrukce budou i nadále stoupat, což je zřejmé z odhadu vývoje pohonných jednotek. Řešení všech požadavků vyžaduje kompromisní přístup. Ten se zakládá na zvyšování celkové účinnosti energetické přeměny paliva v mechanickou práci, na níž má mimo jiné významný vliv právě konstrukce pístů. Zvyšování účinnosti spalovacího motoru do- cilujeme především snižováním hmotnosti a tření pístní skupiny.
V této práci se pokusím zmapovat běžně používané i nové konstrukce pístů a pístní skupiny u moderních vozidel. První část budu věnovat konkrétním konstrukcím pístů s ohledem na typ spalovacího motoru. V druhé části se pokusím popsat konstrukční řešení jednotlivých částí pístů a pístní skupiny pro shrnutí a doplnění poznatků z první části.
Obr. 1.1: Trend zvyšování specifického výkonu spalovacích motorů [15]
12 2 Píst spalovacího motoru
Píst je základní součást spalovacího motoru konající přímočarý vratný pohyb mezi horní a dolní úvratí uvnitř válce. Spolu s válcem a hlavou válců vytváří spalovací prostor. Píst, pístní čep, ojnice, klikový hřídel a setrvačník tvoří klikový mechanismus. Klikový mechanismus pře- vádí přímočarý vratný pohyb pístu, na otáčivý pohyb setrvačníku.
2.1 Pístový spalovací motor
Spalovací motor je tepelný stroj, který spalováním paliva získává tepelnou energii a s pomocí plynného média ji převádí na mechanickou práci. Pístový spalovací motor je motor s vnitřním spalováním, jenž využívá energii plynného média jako potenciální (tlakovou) energii.
Pracovním médiem pro přenos energie jsou přímo produkty spalování.[3]
Ve válci pístového spalovacího motoru je během expanze hořící směsi paliva se vzdu- chem chemická energie vázaná v palivu převáděna na energii tepelnou a tlakovou, které působí na části spalovacího prostoru. Působení tlaku na dno pístu způsobí posuvný přímočarý pohyb pístu, jenž vzniklou sílu přenáší na pístní čep a díky tomu vzniká pohyb klikového mechanismu motoru. Výstupem je mechanická práce na setrvačníku ve formě krouticího momentu a otáček.
2.2 Použití pístových spalovacích motorů
Pístové spalovací motory (PSM) pokrývají svými výkony širokou oblast. Pracují s vý- kony řádově od 1kW (i méně) až do několika tisíc kW. Spolu s výkonem jsou hlavním kritériem provozní otáčky (obr. 2.1).
A – malé modelářské motory
B – motory malých motocyklů a malé zeměděl- ské a stavební techniky
C – motory cestovních a sportovních motocyklů D – motory osobních automobilů
E – motory nákladních automobilů, autobusů, traktorů, stacionární průmyslové motory, drážní a malé lodní motory
F – velké lodní, drážní a stacionární motory Obr. 2.1: Rozpětí parametrů motorů podle jejich použití [3]
2.3 Rozdělení pístových spalovacích motorů
Základní dělení PSM je dle pracovního oběhu na motory čtyřdobé a dvoudobé. Dále podle způsobu zapálení směsi na zážehové a vznětové. Další dělení je dle způsobu plnění válce (atmo- sférické/přeplňované), tvorby směsi vstřikováním paliva (před sací ventil, přímý vstřik do válce, do předkomůrky), způsobu chlazení (vzduchem/kapalinou), uspořádání válců (řadové, vidlico-
13 vé, s protilehlými písty, hvězdicové, atd.), zdvihového poměru (podčtvercové, čtvercové, nad- čtvercové), rychloběžnosti (rychloběžné, středně rychloběžné, pomaloběžné) a dalších. Paramet- ry se odvíjejí od použití konkrétního motoru a způsobů řešení jeho konstrukce. [4]
2.4 Pístní skupina
Píst spolu s těsnícími a stíracími kroužky, pístním čepem a pojistkami pístního čepu tvoří pístní skupinu (obr. 2.2). Na pístní skupinu jsou kladeny následující požadavky:
zachycení a přenos síly od tlaku plynů na ojnici
zachycení boční síly od klikového mechanismu a její přenos na stěnu válce
uzavření a utěsnění spalovacího prostoru tak, aby byl omezen únik spalin do klikové skříně a průnik motorového oleje do spalovacího prostoru
zajištění vedení ojnice, pístních kroužků a uložení pístního čepu
dostatečný odvod tepla ze dna pístu
podpora promíchání (rozvíření) směsi vhodným tvarem dna pístu
u čtyřdobých motorů pístní skupina podporuje výměnu náplně během sání a výfuku
u dvoudobých motorů řídí výměnu náplně
Obr. 2.2: Schematické provedení pístní skupiny [1]
2.5 Požadavky na píst spalovacího motoru
malá hmotnost, dostatečná tuhost a pevnost i při vysokých teplotách
malá schopnost přijímat teplo ze spalin
malá spotřeba mazacího oleje
minimální třecí ztráty
vysoká odolnost proti opotřebení
14 2.6 Zatížení působící na píst
V důsledku prudkého nárůstu tlaku ve spalovacím prostoru je charakter zatěžujících účinků na píst rázový. Vlivem periodických změn silových účinků, dochází také k únavovému namáhání pístu. Píst je zatěžován tlakem, setrvačnými silami a vysokými teplotami. Tepelné zatížení ovlivňuje pevnost materiálu pístu a mazací schopnost oleje. Síla působící na píst ve směru jeho hlavního pohybu je dána součtem síly vzniklé tlakem plynů a setrvačné síly s ohledem na jejich smysl. Maximum výsledné síly leží téměř v horní úvrati (odpovídá natočení klikové hřídele o úhel 360°) a je závislé na maximálním spalovacím tlaku, velikosti posuvných hmot a otáček klikové hřídele [2].
Vlivem otáčení klikového hřídele se síla působící z pístního čepu na ojnici rozkládá na sílu působící v ose ojnice a na boční neboli normálovou sílu, která je zachycována pláštěm pístu. Výsledná síla namáhá dno pístu, uložení pístního čepu a plášť (průběh sil je znázorněn na obr. 2.3, rozklad sil je na obr. 4.17).
Obr. 2.3: Síly působící na píst v závislosti na natočení klikové hřídele [1]
2.6.1 Tlak působící na píst
Maximální tlak u vznětových motorů se pohybuje kolem 6 – 12 MPa, u zážehových mo- torů dosahuje hodnot 3 – 6 MPa. Vlivem zvyšování specifického (litrového) výkonu moderních motorů mohou maximální tlaky dosahovat podstatně vyšších hodnot (obr. 2.4). Při vzniku tak zvaného detonačního hoření („klepání motoru“) u zážehových motorů narůstá tlak k hodnotám až 30 MPa, což může způsobit fatální poškození pístu. Příklad pístu poškozeného vlivem deto- načního spalováním je na str. 42 na obr. 4.12 vlevo [1].
Detonační hoření může způsobovat například spalování paliva s nízkým oktanovým čís- lem, příliš vysoká komprese, nebo příliš vysoký předstih zážehu. Proti nebezpečí klepání jsou moderní motory chráněny elektronikou. Elektronická řídící jednotka při zaklepání motoru obdr- ží impulz z piezoelektrického snímače detonačního spalování a na základě toho skokově sníží předstih zážehu nebo obohatí směs. Díky tomuto řešení mohou být zážehové motory provozo- vány při optimálních provozních podmínkách bez rizika vzniku detonačního spalování.
15 Obr. 2.4: Maximální tlaky zážehových a vznětových motorů osobních automobilů [15]
2.6.2 Setrvačné síly pístového spalovacího motoru
Pohyblivé části pístového spalovacího motoru tvoří rotující a posuvné hmoty, které vy- volávají setrvačné síly a momenty. Pro získání klidného chodu motoru bez chvění je potřeba jejich působení určitými způsoby vyvažovat. Hmotnost pístní skupiny má vliv především na velikost posuvných hmot. Posuvné hmoty, tvořené pístní skupinou a částí ojnice (mezi po- suvné hmoty zjednodušeně počítáme 1/3 její hmotnosti [4]) se značným zrychlením kmitají ve směru osy válce a způsobují setrvačnou sílu působící proti zrychlení pístu. Působení setrvač- ných sil od posuvných hmot se velmi komplikovaně vyvažuje. Proto je vynaloženo úsilí k co nejvyššímu možnému snížení těchto hmot, zvláště u rychloběžných motorů [2].
Zásadní vliv má hmotnost pístu a pístního čepu. Asi 80% hmoty pístu je situováno mezi nálitkem pro pístní čep a horní hranou koruny pístu, proto se zde provádějí hlavní úpravy, třeba oddělení koruny a pláště v oblasti nad pístním čepem (například u pístu MONOTHERM®, kapi- tola 3.2.6). Značný vliv na velikost posuvných hmot má také vrtání pístu, proto se běžně použí- vají písty s průměry do cca 100 mm. Velké pomaloběžné motory těžkých strojů nebo lodních motorů mohou mít průměr pístů i více než 600 mm [20].
2.6.3 Tepelné zatížení pístu
Maximální teploty ve spalovacím prostoru mohou dosahovat hodnot až 2300 °C. Teplo- ty spalin u vznětových motorů se pohybují od 600 do 850 °C a u zážehových od 800 do 1050°C.
Teplota čerstvě nasávané směsi u přeplňovaných motorů přesahuje 200°C. Při použití mezichla- diče stlačeného vzduchu je tato teplota snížena na 40 – 60°C, což umožní lepší plnění spalova-
16 cího prostoru. Vlivem tepelné setrvačnosti se toto teplotní kolísání na teplotách pístu prakticky neprojeví. Teplotní pole (obr. 2.5) je proto stacionární, mění se pouze při změně režimu motoru, například při akceleraci [1].
V důsledku přímého kontaktu se spalinami je nejvíce tepelně namáháno dno pístu, horní můstek a obzvlášť pak přechodové hrany mezi dnem pístu a horním můstkem. Kromě vysokých teplot od spalin je píst zatížen také značnými teplotami od tření mezi pístními kroužky a stěnou válce. Tření je vyvoláno zhoršenými mazacími schopnostmi oleje vlivem vysokých teplot. Ztrá- ty třením pístních kroužků dosahují 45 – 65 % z celkových třecích ztrát motoru. [4]
Obr. 2.5: Rozložení teplot v pístu zážehového (vlevo) a vznětového (vpravo) motoru [1]
Množství tepla přestupujícího do pístu je závislé na teplotě a rychlosti proudění plynů, na době hoření (rychloběžnosti motoru), na termodynamických vlastnostech plynu a na velikosti plochy dna pístu. Maximální teploty při spalování jsou sice vyšší u zážehových motorů, ale celkový tepelný tok pístem je vyšší u motoru vznětového (obr. 2.6). Je to důsledek vyšší hustoty a turbulentnosti proudění spalin, kvůli kterému se zvýší přenos tepla vedením (konvencí) do dna pístu. Vliv na vyšší tepelné zatížení má i umístění spalovací komory ve dně pístu, čímž se zvýší celková plocha dna pístu. V přechodové hraně spalovacího prostoru (takzvaně bowl rim) se navíc akumulují vysoké teploty a je třeba zamezit jejímu poškození. [24]
Maximální povrchová teplota pístů z hliníkové slitiny u běžných pístů nesmí překročit cca 320°C [3]. Nad touto teplotou dochází k výraznému poklesu pevnosti hliníkových slitin.
U kovaných pístů je tento pokles poněkud nižší. Teplota v drážce pro první pístní kroužek je omezena teplotou karbonizace oleje o hodnotě přibližně 230°C. Moderní syntetické oleje pro výkonné motory odolají teplotám až 280°C [1]. Při karbonizaci oleje dochází k zapékání pístních kroužků a zadření motoru. Konstrukce musí zajistit co největší odvod tepla z pístu a na minimum omezit příjem tepla ze spalin. U vysoce tepelně namáhaných motorů je důležité co nejvíce zmenšit povrch dna pístu.
17 Obr. 2.6: Teplotní profil hliníkových pístů vznětového a zážehového motoru [1]
2.7 Pasivní odpory spalovacího motoru
Zásadním parametrem spalovacího motoru je jeho mechanická účinnost, která vyjadřuje poměr mezi užitečným (efektivním) výkonem motoru a indikovaným výkonem získaným při hoření paliva. Užitečný výkon je indikovaný výkon zmenšený jednak o všechny ztrátové výkony vzniklé mezi dnem pístu a setrvačníkem a jednak o výkon potřebný k pohonu příslušen- ství. Ztrátové výkony jsou tvořeny výkonem potřebným k překonání pasivních odporů v motoru (třecí ztráty) a výkonem potřebným k výměně náplně válce. Ztráty způsobené výměnou náplně válce se obvykle zahrnují do třecích ztrát.
Obr. 2.7: Tok energie MB SLK 350 V6 a tření vznětového a zážehového motoru [21]
18 Na obr. 2.7 je využití celkové energie získané z paliva naměřené při homologačních tes- tech NEDC na vozu Mercedes při ustáleném chodu motoru a částečném zatížení. Pro užitečnou kinetickou energii potřebnou k překonávání valivého a aerodynamického odporu a akceleraci vozidla zbývá pouze necelých 22% z celkové energie. Kolem 5% z celkové energie tvoří uži- tečný výkon spotřebovaný pro pohon příslušenství vozidla (alternátor, posilovače, …) a pro překonávání odporů v převodovce a ve zbytku hnacího ústrojí (tření ložisek, setrvačné momenty a podobně). Ztrátu 9% energie tvoří třecí ztráty v motoru, které jsou ve formě tepla vzniklého třením součástí motoru (například ohříváním ložiska). Pro překonávání těchto pasivních odporů je třeba odebrat dalších 16% tepla vzniklého při spalovacím procesu. V součtu tedy pasivní odpory v motoru způsobují ztrátu až 25% z celkové energie získané při spalovacím procesu (obr. 2.8 vlevo). Teplo potřebné k získání užitečného výkonu vzniklé při spalovacím procesu tvoří 48% energie, spolu s teplem vynaloženým k překonání pasivních odporů tvoří tepelné ztráty ve spalovacím prostoru celkově 64% z celkové energie.
Na obr. 2.8 jsou rozděleny třecí ztráty v motoru příslušné jednotlivým komponentům.
Ztráty třením pístní skupiny tvoří asi polovinu z třecích ztrát v motoru, a proto je jejich snižová- ní jedním z hlavních cílů při zvyšování účinnosti spalovacího motoru. Druhým významným činitelem v oblasti třecích ztrát je pohon rozvodů a rozvodový mechanismus (dohromady 27%
ztrát). To je jeden z důvodů pro vývoj samostatných jednotek pro pohon ventilů (například elek- trohydraulické ovládání ventilů), kde zcela odpadá náhon od klikové hřídele a vačkový hřídel.
Na obr. 2.7 je porovnána průměrná hodnota tření u vznětového a zážehového motoru.
Obr. 2.8: Rozdělení energie získané z paliva (SLK 350 V6) a třecí ztráty čtyřválcového zážeho- vého motoru (2000 ot/min, teplota chladicí kapaliny a oleje 90°C) [21]
S rostoucími otáčkami se ztráty zvyšují hlavně vlivem zrychlujících sil od posuvných hmot, které rostou s druhou mocninou otáček. Vliv má také třecí rychlost v ložiskách, která zvyšuje viskózní tření a to též s druhou mocninou otáček. Vznětové motory mají vyšší kom- presní poměr a delší průběh hoření. Tlak plynů, vnikající pod pístní kroužky, přitlačuje kroužky ke stěně válce větší silou a po delší dobu. Proto jsou třecí ztráty vznětového motoru vyšší. Vliv na vyšší tření má také použití větších ložisek u vznětových motorů, zejména jejich průměr. [27]
19 3 Konstrukční provedení pístů podle typu motoru
Díky rozmanitému použití spalovacích motorů existuje mnoho konstrukcí. Každý typ motoru vyžaduje vlastní variantu pístu odlišnou rozměry, tvarem, i použitým materiálem. Para- metry se odvíjí především od požadovaného výkonu, provozních otáček a způsobu spalování.
Odlišují se písty dvoudobých rychloběžných motorů od motorů čtyřdobých zážehových a vzně- tových. Samostatnou skupinu tvoří velké pomaloběžné motory stacionární a lodní [3].
3.1 Písty pro čtyřdobé zážehové motory
Čtyřdobé zážehové motory se používají především u osobních vozidel, motocyklů a zá- vodních vozidel, ale naleznou uplatnění třeba i u malé zahradní techniky. Klasické provedení zážehových motorů je nepřeplňované s třícestným katalyzátorem, vícebodovým vstřikováním paliva před sací ventily a elektronickou regulací, systém Multi Point Injection (dále MPI). Toto provedení hůř plní současné emisní požadavky a dosahuje malého měrného výkonu a vysoké spotřeby paliva. V posledních letech byly proto vyvíjeny systémy přímého vstřikování s tvorbou takzvané vrstvené směsi, které mohou spalovat extrémně chudou směs. Jedná se například o systémy Gasoline Direct Injection (dále GDI) od Mitsubishi nebo Fuel Stratified Injection (dále FSI) od Volkswagenu. Pro správnou funkci je třeba zajistit optimální rozvíření směsi po- mocí speciálně tvarovaného dna pístu a provedením sacích kanálů. Ani přímé vstřikování s vrstvenou směsí není dokonalé. Proto se v poslední době systémy FSI a MPI kombinují. Při nízkém zatížení se používá vstřikování MPI a výhod přímého vstřiku se využívá při startu a při vysokém zatížení. Kvůli downsizingu jsou dnes již běžně zážehové motory přeplňované.
Moderní zážehové motory používají lehké písty se symetrickým nebo asymetrickým profilem pláště. Jsou vyráběné převážně odléváním ze slitin AlSi, ale mohou být i vykované.
3.1.1 Písty s regulovanou teplotní deformací
Snižují relativně velký rozdíl teplotní roztažnosti bloku válců z šedé litiny a pístu z Al slitiny (Al slitina má teplotní roztažnost cca 2,5x vyšší). Existuje více řešení k regulaci defor- mace pístu při ohřevu. Nejčastěji jsou v pístech z Al slitiny zality vložky (vzpěry) z materiálu s nižším součinitelem teplotní roztažnosti, které řídí teplotní deformaci pístu při jeho ohřívání.
Dříve se používal například píst s kroužkem z Invaru, který má velmi malou teplotní roztažnost.
Kvůli nepříznivým vrubovým účinkům teplotní vzpěry, zvýšené hmotnosti a vyšším nákladům se tyto písty přestávají používat [1]. Těchto pístů je několik typů:
Písty Autothermic
Pod oblastí pístních kroužků mají zalitou vzpěru z nerezové oceli. V přechodu mezi ko- runou a pláštěm, v oblasti pod stíracím kroužkem, je vytvořena štěrbina omezující přestup tepla do hliníkového pláště (obr. 3.1). Díky tomu se více deformuje pouze horní část pístu, kterou
20 však reguluje ocelová vzpěra. Díky štěrbině mají písty obzvlášť tichý chod. Vzhledem k nízké únosnosti zapříčiněné štěrbinou je lze použít pouze pro malé výkony. [1]
Písty Autothermatik
Pracují na stejném principu jako Autothermic, avšak v přechodu mezi korunou a pláš- těm není štěrbina, díky tomu snesou vyšší zatížení (obr. 3.1). Přechodové průřezy v této oblasti jsou dimenzovány tak, aby minimálně omezovaly tepelný tok z koruny do pláště, nicméně efek- tivita použití ocelové vzpěry zůstává zachována. Tato konstrukce kombinuje vysokou pevnost pístu bez štěrbiny s výhodami konstrukce s ocelovou vzpěrou. [1]
Obr. 3.1: Píst Autothermic (vlevo) a Autothermatik (vpravo) [1]
3.1.2 Písty s asymetrickým tvarem pláště
Jejich výhodou je optimální využití materiálu v oblasti pláště nutného pro zachycování bočních sil. Plášť není tvořen kolem celého obvodu, ale skládá se pouze ze dvou protilehlých ploch. Zpočátku byly obě protilehlé plochy o stejné velikosti (takzvaně box type pistons). Z této konstrukce vychází asymetrické provedení.
Boční síla působící na plášť je podstatně vyšší při expanzi než při zbylých oběhových cyklech a zatěžuje pouze jednu („tlakovou“) stranu pláště, takzvaně „major thrust side“ nebo
„thrust side“ (dále TS). Na protější („protitlakovou“) stranu pláště působí mnohem menší boční síla a označuje se takzvaně „minor thrust side“ nebo „antithrust side“ (dále ATS). Díky tomu lze její plochu výrazně zmenšit (obr. 3.2) a dosáhnout tak snížení hmotnosti i tření.
Obr. 3.2: Píst s asymetrickým pláštěm [8]
21 Asymetrické písty lze použít pro bloky z hliníkových slitin i z šedé litiny. Rozdílnou teplotní roztažnost šedé litiny a hliníku lze díky flexibilním tvarům pláště dobře kompenzovat.
Mohou být vyrobeny jako lité i kované. Pro výkonnější motory mohou být asymetrické písty doplněny o nosič 1. pístního kroužku, například EVOTEC®RC od firmy MAHLE GmbH [6], který chrání pístní kroužek proti opotřebení a deformaci. Pro vysoce výkonné motory je v pístu vytvořen chladící kanál, například EVOTEC®SC [6]. Extrémně namáhané písty u vysoce vý- konných motorů mohou kombinovat nosič pístního kroužku s chladícím kanálem, například EVOTEC®RSC [6] nebo LiteKS® od firmy KS Kolbenschmidt GmbH (konstrukce LiteKS je obdobou pístů EVOTEC, které popisuji v následujících odstavcích).
JE Asymmetrical Pistons (obr. 3.3)
Kromě zmenšené plochy na odlehčené straně pláště (ATS) mají nestejnoměrnou tloušť- ku dna, která je nejvyšší uprostřed z důvodu největšího napětí v tomto místě. Směrem k okrajům se tloušťka dna za účelem snížení hmotnosti zmenšuje. Zkrácení pístního čepu umožňuje proti běžným pístům od JE Pistons snížit hmotnost pístní skupiny o cca 10g na válec. Rozdílná veli- kost ploch TS a ATS způsobuje nevyváženost hmoty pístu. Proto se posouvá osa pístního čepu blíže k zatížené straně (TS). Ve dně pístu jsou provedena zahloubení pro ventily, která mají optimalizovaný tvar hran pomocí numerických simulací a dno je vyrobeno s velmi jemným povrchem. Díky tomu nevznikají žádné ostré hrany, kde by se akumulovalo příliš velké množ- ství tepla a vznikalo riziko samozápalů. [8]
Obr. 3.3: Asymetrické písty JE Pistons [8]
Písty EVOTEC®
Jedná se o druhou generaci asymetrických pístů od MAHLE. Protilehlé stěny pláště TS a ATS jsou spojeny pomocí lichoběžníkových stěn, takzvaných box walls. Oproti předchozí generaci ECOFORM® (s menší plochou na ATS) má konstrukci pláště otočenou o 180° a menší plocha je zde na straně TS (porovnání na obr. 3.4). Díky tomuto provedení je ve spojení stěny (box wall) a zatížené stěny pláště (TS) sníženo napětí od ohybového momentu, které umožňuje použít menší tloušťky stěn i při velkých bočních silách (obr. 3.4 pozice 1). Box walls jsou navíc směrem ke dnu skloněny dovnitř (obr. 3.4 pozice 3). Naklonění těchto stěn umožní vyklenutí
22 materiálu v oblasti pod drážkami pístních kroužků, tím se sníží hmotnost pístu (obr. 3.4 pozice 5; obr 3.5 vlevo). Box walls jsou navíc v oblasti nálitku pro pístní čep vystuženy dvěma žebry, která zajišťují dostatečnou tuhost (obr. 3.4 pozice 4). Pro zachování dostatečné pružnosti a dob- ré vedení pístu má odlehčená strana (ATS) větší plochu [1].
Obr. 3.4: Porovnání pístu EVOTEC s předchozí generací ECOFORM [22]
Obr. 3.5: Asymetrický píst EVOTEC [1]
EVOTEC®2
Proti předchozí generaci EVOTEC mají optimalizované spojení pláště a opěrné stěny (box wall), což zajišťuje vyšší pevnost. Dále má za účelem nižší hmotnosti sníženou tloušťku dna. Používají se u litrových výkonů kolem 100 kW/l. Vytvořením chladící dutiny použitím solného jádra (Salt Core) při odlévání (EVOTEC®SC) může být píst použit i pro výkony vyšší než 100kW/l. V porovnání s generací ECOFORM mají písty EVOTEC2 asi o 15% nižší hmot- nost a nižší tření i vyšší únosnost. Tím bylo dosaženo významného snížení emisí CO2 [12].
23 Na obr. 3.6 je znázorněn vývoj asymetrických pístů od firmy MAHLE porovnávající maximální napětí a životnost pístů. Maximální napětí ve spojení stěny box wall a pláště (TS) jsou vždy barevně vyznačena.
Obr. 3.6: Porovnání asymetrických pístů od MAHLE a píst EVOTEC®2 [6, 1]
Písty EVOLITE®
Jsou poslední generací asymetrických pístů od MAHLE. Díky vývoji s použitím nume- rických simulací mají ještě více optimalizovaný tvar pláště (obr. 3.7) vedoucí k dalšímu snížení napětí, hmotnosti a třecích ztrát. Oproti EVOTEC2 mají písty EVOLITE vyšší životnost a asi o 5% nižší hmotnost.
Obr. 3.7: Porovnání pístu EVOTEC2 a EVOLITE [7]
3.1.3 Kované písty
U vysoce zatížených motorů jsou přesáhnuty limity pro použití litých pístů a proto se vyrábí kované písty. Kované písty dobře pracují i při teplotách kolem 250 °C [1]. Jejich výroba je stabilní proces a lze u nich dobře minimalizovat hmotnost. Nevýhody kovaných pístů spočí- vají ve vyšší ceně a menší tvarové flexibilitě. Vytvoření chladícího kanálu nebo použití nosiče
24 pístních kroužků je nemožné nebo velmi obtížné (chladící kanál u kovaných pístů – kapitola 3.2.8). Kované písty používají spíše sportovní motory, například Formule 1.
JE Pistons Ultra Series
Používají speciální technologii kování pro naorientování zrn materiálu potřebným smě- rem (Aligned Grain Flow Technology). Standardní kované písty nemají zrna jednotně oriento- vaná ve směru kování. Díky speciálnímu způsobu kování lze všechna zrna, včetně zrn v kritických oblastech pístu, naorientovat potřebným směrem (obr. 3.8). Díky tomu píst odolá až o 20% vyššímu zatížení nebo lze o 20% snížit hmotnost pístu při původním zatížení [9].
Obr. 3.8: Porovnání struktury zrn standardního kování a Aligned Grain Flow Technology [9]
Kované písty od JE Pistons mají navíc v drážce pro 1. pístní kroužek vytvořeny příčné kanály (lateral gas ports), kterými proudí plyn k vnitřní ploše kroužku a zvyšuje tím jeho přítlak ke stěně válce. Přitlačování kroužku tlakem plynu skrz kanálky (gas ports) se většinou používá u velmi výkonných závodních motorů. Výhoda tohoto řešení je ve snížení radiálního napětí a tření kroužku mimo expanzní zdvih. Existují dva způsoby zvýšení přítlaku kroužku a to po- mocí vertikálních a příčných kanálků (obr. 3.9). Vertikální kanálky zajišťují větší přítlak krouž- ku k válci, ale mají tendenci se zanášet vzniklými spalinami. Proto nachází uplatnění pouze v krátkých závodech typu drag racing. Příčné kanálky zajišťují menší přítlak kroužku než verti- kální, ale i tak jsou velmi účinné a nedochází u nich k zanášení. Příčné kanálky jsou dobrý kompromis mezi vysokým přítlakem kroužků a jejich předčasným opotřebením. Proto mohou nalézt uplatnění i u sériových vozidel.
Obr. 3.9: Kovaný píst JE Pistons Ultra Series a vertikální a příčné kanálky [10, 11]
25 3.2 Písty pro čtyřdobé vznětové motory
Čtyřdobé vznětové motory se používají především u nákladních vozidel a těžké techni- ky, ale hojně se vyskytují i v osobních vozidlech. Dříve používané vstřikování nafty do předkomůrky bylo postupně zcela nahrazeno přímým vstřikováním do spalovacího prostoru vytvořeného ve dně pístu. Palivo je u přímého vstřikování přiváděno vysokotlakým vstřikova- cím systémem Common-Rail, který oproti starším systémům umožňuje vstříknout optimální množství paliva v optimálním čase a umožňuje tak i vícestupňový vstřik paliva pro získání jem- ného chodu motoru. I vznětové motory jsou dnes běžně vyráběny jako přeplňované.
Oproti zážehovým motorům mají písty vznětových motorů větší kompresní a celkovou výšku, větší tloušťku stěn a větší průměr pístního čepu. Důvodem jsou vyšší spalovací tlaky a umístění spalovacího prostoru do dna pístu. Pro písty vznětových motorů byly proto vyvinuty hliníkové slitiny s vyšší odolností a klade se vyšší důraz na dokonalé chlazení.
Obr. 3.10: Materiál pístu podle parametrů motoru nákladního vozidla [14, 31]
26 Downsizing se kromě osobních vozidel nevyhnul ani vznětovým motorům používaným u nákladních vozidel. Těžké nákladní vozy používají motory s objemem i více než 2l na válec a specifickým výkonem až 35 kW/l. Dosahují při tom maximálních tlaků přes 20 MPa. Rostoucí specifické výkony a vysoké tlaky spolu s požadavky na dlouhou životnost motorů vedou k použití ocelových pístů místo klasických pístů z AlSi slitin (obr. 3.10). Ocelové písty se dnes nejčastěji vyskytují ve dvou typech, písty s ocelovou korunou a pláštěm z AlSi slitiny (například kloubové písty FERROTHERM) nebo celoocelový monoblok (například písty MONO- THERM). I u osobních vozidel dnes lehkým pístům z hliníkových slitin silně konkurují lehké celoocelové kované písty [14].
3.2.1 Písty s nosičem pístního kroužku
Písty s nosičem pístního kroužku jsou používány už od roku 1931 [1]. První a někdy i druhý pístní kroužek je uložen v nosiči zalitém v základním materiálu (obr. 3.11). Díky tomu se drážka méně „vytlouká“ a má delší životnost. Nosič pístního kroužku se vyrábí z vysoce le- gované austenitické šedé litiny s obsahem 20%Ni+Cu+Cr (obchodní označení „nirezist“[3]).
Kromě vysoké pevnosti a odolnosti proti opotřebení má tato litina výhodu v podobném součini- teli tepelné roztažnosti jako u základního materiálu pístu (slitina AlSi). Pro ochranu první dráž- ky moderní motory používají také ochranu první drážky tvrdou anodickou oxidací drážky (u zážehových motorů) nebo lokálním natavením drážky pomocí laserového paprsku.
3.2.2 Písty s chladicím kanálem
Chladicí kanál zlepšuje chlazení u vysoce tepelně namáhaných pístů. V klikové skříni je umístěna tryska vstřikující motorový olej do vstupního otvoru chladicího kanálu. Olej prochází kanálem směrem k výstupnímu otvoru a odebírá teplo ze stěny chladicího kanálu. Tím se výraz- ně mění rozložení teplot v pístu (více v kapitole 4.6). Standardní chladicí kanál má symetrický oválný tvar. Vylepšená verze ContureKS® (obr. 3.11) má zvětšený průřez chladicího kanálu, díky čemuž se získá větší povrch kanálu a dojde ke zlepšení chladícího účinku [14].
Obr. 3.11: Píst s nosičem 1. pístního kroužku a oválným chladícím kanálem, píst ContureKS a píst DynamiKS s tryskou ke vstřikování oleje do chladícího kanálu [1, 14]
27 Poslední generací jsou písty DynamiKS™ (obr. 3.11 a 3.12) se speciálně tvarovaným chladicím kanálem, který v kombinaci se střídavým posuvným pohybem pístu vyvolá pumpující efekt a urychluje tak proudění chladicího oleje skrze kanál. Tím se dosahuje ještě vyššího chla- dícího účinku [13]. Zvýšení chladících účinků na hraně spalovacího prostoru (bowl rim) a v drážce 1. kroužku v porovnání s pístem bez chladicího kanálu je znázorněno na obr. 3.13.
Obr. 3.12: Píst DynamiKS s pumpujícím efektem [14]
Pouze nosič kroužku Standardní kanál ContureKS DynamiKS
Hrana spalovacího prostoru: -25°C -35°C -50°C
Drážka 1. kroužku: -23°C -38°C -43°C
Obr. 3.13: Vývoj snižování teploty chladícím kanálem podle KS Kolbenschmidt [14]
3.2.3 Písty s chlazeným nosičem pístního kroužku
Chlazený nosič pístního kroužku výrazně zlepšuje chlazení prvního pístního kroužku a velmi tepelně namáhané hrany dna pístu a spalovacího prostoru v pístu (bowl rim). Díky in- tenzivnímu chlazení lze místo obvyklého pístního kroužku s lichoběžníkovým průřezem použít čtvercový průřez kroužku. Lepší chlazení prvního kroužku také umožňuje snížení horního můstku, díky čemuž docílíme menšího množství nespálených uhlovodíků (obr. 3.14).
28 Obr. 3.14: Píst s chlazeným nosičem pístního kroužku a kloubový píst FERROTHERM [1]
3.2.4 Kloubové písty FERROTHERM®
Skládají se ze dvou částí spojených prostřednictvím pístního čepu (obr. 3.14). Horní část tvoří koruna pístu a nálitek pro pístní čep. Tato část, vyrobená z kované oceli, převádí sílu od tlaku plynů na pístní čep a utěsňuje spalovací prostor. Plášť je vyroben ze slitiny AlSi a pou- ze zachytává boční síly a zajišťuje vedení pístu. Díky dvoudílné konstrukci lze snadno vytvořit dvě uzavřené chladící dutiny, oddělené pomocí ploché destičky. Kloubový píst má vysokou odolnost proti opotřebení. Proti běžným hliníkovým pístům snese vyšší mechanické a tepelné nahámání a umožňuje snížit výšku horního můstku (= méně nespálených uhlovodíků). [1]
3.2.5 Písty s pouzdrem pro pístní čep
Jedna z nejvíce napjatých ploch pístu je pod ložisky pístního čepu. Při vysokém napětí a značné teplotě této plochy, která může dosáhnout až 240°C [1], může dojít k výraznému po- klesu pevnosti hliníkové slitiny. Pro vysoce namáhané motory byla proto vyvinuta kluzná pouz- dra pístního čepu (obr. 3.15) z materiálu s vyšší pevností (např. CuZn31Si1 [1]).
Obr. 3.15: Pouzdro pro pístní čep a lokální natavení hrany spalovacího prostoru [20]
29 3.2.6 Jednodílné kované ocelové písty MONOTHERM®
Jsou jednodílné ocelové kované písty, které vychází z konstrukce kloubových pístů FERROTHERM. Jsou hmotnostně optimalizované, malá kompresní výška (méně než 50%
z průměru pístu) doplněná obráběním vnitřního prostoru mezi oky pro pístní čep napomáhá k dosažení hmotnosti podobné hliníkovému pístu. Kvůli horší tepelné vodivosti oceli musí mít chladicí kanály (chladicí dutiny) větší plochu v porovnání s hliníkovými písty. Pro lepší chladící účinek je chladicí dutina uzavřena dvěma krycími destičkami. Jednodílné kované písty MONO- THERM se používají u vozidel s tlaky ve válci do 20 MPa. Optimalizací byla horní hrana pláště navíc propojena s nálitkem pro pístní čep (obr. 3.16), takže plášť je připojen nejen z boku, ale i se shora. Tím se dosáhne vyšší pevnosti s nižší deformací a lepších vodicích vlastností. Tento píst lze použít při tlaku až do 25 MPa. [1]
Obr. 3.16: Jednodílný píst MONOTHERM a jeho optimalizovaná varianta [1]
3.2.7 Svařované dvoudílné písty
Díky rozvoji technologií svařování bylo možno vyrobit písty svařené ze dvou odděleně vyrobených částí. Jedná se o technologie třecího svařování a svařování elektronovým paprskem:
Ocelové písty svařované třecím svařováním
Dvě vykované části pístu jsou spojeny třecím svařováním. Uvnitř materiálu pístu je poměrně snadno vytvořen velký uzavřený chladící kanál. Píst tak snese vyšší tepelné a mecha- nické namáhání a je snížena jeho kompresní výška i hmotnost. Tyto písty snižují spotřebu paliva proti běžným ocelovým pístům až o 5%. Maximální tlak ve válci může dosahovat až 25 MPa [1]. Ocelové písty spojované třecím svařováním vyrábí například firma MAHLE pod označením MonoWeld® (obr. 3.17 uprostřed) nebo firma KS Kolbenschmidt pod označením KS Mono- Block Steel Pistons, tyto písty mohou navíc mít i vnitřní chladicí dutinu (obr. 3.17 vlevo).
Hliníkové písty svařované elektronovým paprskem (obr. 3.17 vpravo)
Jsou tvořeny ze dvou částí svařených elektronovým paprskem. Pro získání vysoké odol- nosti hliníkové slitiny je nejvíc zatížená část pístu v oblasti kolem spalovacího prostoru a pístní-
30 ho čepu vykovaná. Při kování však nelze vytvořit chladící kanál a nelze použít ani nosič pístní- ho kroužku. Proto je těsnící část s chladícím kanálem a nosičem 1. pístního kroužku odlita a k druhé části přivařena elektronovým paprskem.
Obr. 3.17: Třecí svařování a svařování elektronovým paprskem [1, 14]
3.2.8 Jednodílné kované ocelové písty STEELTEKS®
Jsou konkurencí pístů svařovaných třecím svařováním. Jejich vývojem se zabývá KS Kolbenschmidt GmbH. Vyrábí se jako jednodílný výkovek. Chladící kanál je vyroben speciální technologií a oblast pístních kroužků je k plášti připojena speciálním spojovacím procesem.
Díky tomu lze dokonale vytvarovat chladící dutinu a docílit vysoké tuhosti oblasti pístních kroužků s minimální deformací drážek pístních kroužků od vysokých spalovacích tlaků. Výrob- ní proces je značně náročný a zahrnuje velké množství výrobních kroků, od toho se odvíjí i vyš- ší cena [20].
I přes vyšší hustotu oceli je hmotnost ocelového pístu nižší než u ekvivalentního pístu hliníkového. Vyšší pevnost oceli totiž umožňuje vyrobit tenčí stěny, větší chladící kanál (u oceli je třeba větší plocha kvůli nižší tepelné vodivosti), nižší kompresní výšku a lze zkrátit pístní čep. Díky nižší tepelné vodivosti oceli lze také snížit výšku horního můstku (obr. 3.18). Ocelo- vý píst v závislosti na konkrétní aplikaci zlepšuje spotřebu paliva a emise až o 5% [14].
Obr. 3.18: Píst STEELTEKS a porovnání ocelového pístu s pístem z Al slitiny [20, 23]
31 3.3 Písty pro dvoudobé zážehové motory
Dvoudobé zážehové motory se nejčastěji používají u malých motocyklů a mopedů, ale také u závodních motocyklů. Tepelné zatížení dvoudobých motorů je vyšší než u ostatních typů motorů. Je to způsobeno hlavně polovičním počtem zdvihů, kdy na pracovní oběh stačí pouze jedna otáčka klikového hřídele. Zásadní rozdíl oproti čtyřdobým motorům je také ve výměně náplně válce. U čtyřdobého motoru výměnu řídí otevírání a zavírání sacích a výfukových venti- lů. U dvoudobého motoru je výměna náplně řízena pístem, který odkrývá výfukové a přepouště- cí kanály (prostor nad pístem) a sací kanály (v prostoru pod pístem). U starších dvoudobých motorů se používal výstupek na dně pístu, takzvaný deflektor, který při výměně náplně válce příčným vyplachováním omezoval vniknutí čerstvé směsi z přepouštěcího kanálu do kanálu výfukového. Moderní dvoudobé motory používají takzvané vratné vyplachování se dvěma pře- pouštěcími kanály, které deflektor nepotřebuje. I písty pro vratné vyplachování mohou mít mír- ně vypouklé dno, jehož tvar pomáhá usměrnit proud čerstvé náplně.
Horní můstek bývá oproti čtyřdobým motorům velmi nízký a je konstruován pouze s ohledem na pevnost. Teplota horního můstku nemá vliv na mazací schopnost oleje, jelikož olej je zamíchán v palivu, takzvané ztrátové mazání, kvůli tomu není potřeba stírací kroužek.
Písty jsou osazeny pouze jedním nebo dvěma těsnícími kroužky (obr. 3.19). Jednokroužkové písty se díky nižší hmotnosti a tření používají spíše v závodních aplikacích. Jejich nevýhodou je nižší životnost kvůli horšímu odvodu tepla a vyššímu opotřebení kroužků. Zámky pístních kroužků se nesmí dostat do oblastí přepouštěcích, sacích a výfukových kanálů. V drážkách píst- ních kroužků jsou proto kolíky zajišťující zámky pístních kroužků proti pootočení v drážce (obr. 5.1 d,e). Jelikož píst řídí výměnu náplně válce, musí k tomu být přizpůsoben tvar pláště.
Plášť dvoudobého motoru může být tvořen kolem celého obvodu (Full-skirt piston), nebo může být kolem otvoru pro pístní čep udělán „výklenek“ (Window-type piston). Spodní část pláště může být částečně vyříznuta kvůli odkrytí kanálů nebo mohou být přímo v plášti vytvořeny otvory, jimiž prochází palivová směs ze spodní části klikové skříně do přepouštěcích kanálů (obr. 3.19 uprostřed).
Obr. 3.19: Jednokroužkový a dvoukroužkový píst pro dvoudobý zážehový motor [13][1]
32 3.4 Písty pro velké stacionární a pomaloběžné motory
Jedná se nejčastěji o čtyřdobé vznětové přeplňované motory s přímým vstřikem paliva, které mají písty skládané z několika samostatných dílů. To umožňuje zabudování velkých chla- dících dutin a kombinaci různých materiálů. Existují až dvaceti válcové motory s výkony od 500 do 30 000 kW [1]. Uplatnění nalézají například u lodních pohonů nebo u těžkých sta- vebních a železničních vozidel. Existují také dvoudobé přeplňované vznětové motory. Ty používají největší stroje, jako např. velké lodě a energetické centrály s výkony až 69 000 kW [3]. Charakteristický je pro ně klikový mechanismus, označovaný jako křižákový. Křižák slouží pro zachycování vysokých bočních sil.
Skládané písty jsou složeny ze dvou hlavních částí, z koruny pístu s drážkami pístních kroužků a z pláště s oky pro pístní čep. Obě části jsou spojeny pomocí šroubových spojů. Buď je použit jeden centrální šroub, anebo skupina čtyř šroubů, které mohou být umístěny samostat- ně po obvodu, nebo tvoří dvojité šroubové spoje (obr. 3.20). Způsob spojení je závislý například na velikosti pístu, tvaru spalovacího prostoru, způsobu chlazení pístu a podobně.
Obr. 3.20: Šroubové spojení skládaných pístů [1]
Horní část pístu je vyrobena z kované oceli a její provedení záleží na způsobu chlazení.
Díky skládané konstrukci lze snadno vyrobit více chladících dutin se složitými tvary. Kromě vnější chladící dutiny, tvořené za drážkami pístních kroužků, je vytvořena také vnitřní chladící dutina, tvořená uprostřed, kolem spalovacího prostoru v pístu. Tvar vnější dutiny je závislý na umístění drážek pístních kroužků. Provedení vnitřní dutiny se odvíjí od geometrie spalovací- ho prostoru a způsobu provedení šroubů pro připojení spodní části pístu. Chladicí olej je přivá- děn tryskou do vstupu vnější dutiny. Část přivedeného oleje je po průtoku vnější dutinou vyvedena výstupním otvorem zpět do klikové skříně a část oleje prochází do vnitřní dutiny a až poté je vyvedena výstupem vnitřní dutiny. Střídavý pohyb pístu nahoru a dolů a tvarování dutin zajišťují pumpující efekt a tím docilují rychlého vypláchnutí prostoru dutiny olejem. Existují dva typy chlazení, „Shaker Cooling“ a „Bore Cooling“ (obr. 3.21). Bore Cooling je provedení s pouze jednou stykovou plochou a vyznačuje se vyšší tuhostí, která méně ovlivňuje účinnost přenosu tepla [1].
33 Obr. 3.21: Způsoby chlazení velkých pístů: Shaker Cooling a Bore Cooling [1]
Velké písty s nízkým a středním špičkovým tlakem používají kované pláště z hliníkových slitin. Jejich výhodou je nízká hmotnost a snadné obrábění. Používá se také srov- natelný plášť z tvárné litiny, který dovoluje tenčí stěny s vyšším vyklenutím, hmotnost pístu je však vyšší než u hliníkového pláště kvůli vyšší hustotě litiny. Výhoda litinového pláště je pře- devším v menších vůlích na studeném motoru. Pro velmi zatížené písty se používá plášť z kované oceli (snese zatížení vyšší než 24 MPa [1]). Příklady pístů jsou na obr. 3.22 a 3.23.
Obr. 3.22: Skládaný píst s ocelovou hlavou a pláštěm z tvárné litiny [1]
Obr. 3.23: Velké písty od KS Kolbenschmidt s průměrem 160 – 640 mm [20]
34 4 Konstrukční řešení konkrétních částí pístu
4.1 Základní návrh pístové skupiny
Pro návrh pístové skupiny se během dlouholetého vývoje PSM vycházelo především z empirických poznatků. V dnešní době výpočet napětí, deformací a tepelného namáhání sou- částí pístní skupiny dosahuje poměrně uspokojivé výsledky především díky použití metody konečných prvků. Nicméně termodynamické děje během pracovního oběhu PSM jsou velmi složité fyzikálně-chemické procesy. Úspěšný průběh spalovacího procesu z hlediska účinnosti, výkonu, emisních parametrů a dalších vlastností záleží na zvládnutí těchto termodynamických problémů. Řešením je vhodná konstrukce motoru, jeho příslušenství a správné seřízení. Kvůli velké složitosti se i dnes pro návrh pístní skupiny vychází z empirických vzorců a kritérií po- dobnosti (tabulky, grafy).
Základní hodnoty rozměrů lze nalézt v tabulkách podle hlavních parametrů motoru (otáčky, požadovaný výkon a podobně). Pro řešení konstrukce motoru je doporučeno začít ná- vrhem klikového mechanismu a jeho kontrolními výpočty. Návrh pístu potom spočívá ve volbě vrtání D a zdvihu pístu L. Ty lze určit podle pracovního objemu, počtu válců a zdvihového po- měru ξ=L/D (ξ >1 dlouhozdvihový, ξ =1 čtvercový, ξ < 1 krátkozdvihový). Zdvihový poměr se určuje podle typu motoru (dvoudobý/čtyřdobý, vznětový/zážehový) a je také závislý na rychlo- běžnosti vyplývající ze střední rychlosti pístu. [2]
S krátkým zdvihem lze dosahovat vysokých otáček a tím i vysokých výkonů. U příliš krátkého zdvihu však dochází k vyšší měrné spotřebě paliva a většímu množství škodlivých látek při spalování, proto je výhodnější delší zdvih. Nejvhodnější objem jednoho válce je 300 až 500 cm3. Pro menší spotřebu paliva je vhodnější menší počet válců. Malý počet velkých válců sice zhoršuje podmínky pro vyvážení, ale velký počet válců zvyšuje třecí ztráty. [27]
Další rozměry pístu závisí na existenci a tvaru spalovacího prostoru v pístu, výši spalo- vacích tlaků, na počtu těsnících a stíracích kroužků a na dalším uspořádání. U nových konstruk- cí pístů se vždy snažíme o zmenšování dosavadních rozměrů a s tím i o redukci hmotnosti. Dále dle tabulek určujeme rozměry pístních kroužků. Dnes se používají první dva kroužky těsnící a třetí kroužek je stírací. Dle tabulek lze odhadnout i výšku prvního můstku. V posledním kroku stanovení základních rozměrů musíme určit rozměry pístního čepu, ten má být vždy silně pře- dimenzován. Důležitá je interakce pístního čepu s oky pístu. Pro namáhání a deformace v okách pístu jsou rozhodující měrný tlak od pístního čepu, ovalizace pístního čepu a průhyb pístního čepu. Předběžný návrh pístní skupiny je detailněji popsán v [2].
4.2 Konstrukce dna pístu
Povrch dna pístu, který je v přímém kontaktu se spalinami musí být co nejmenší pro omezení příjmu tepla ze spalin. Jeho tvar závisí na typu motoru. Rovné dno se často používá u zážehových motorů, tvarované dno mají vznětové motory s přímým vstřikem paliva a spalo-
35 vacím prostorem v pístu. I u moderních zážehových motorů se používá tvarované dno a to jed- nak kvůli podpoře správného proudění směsi a také pro získání maximální komprese. Proto je místy buď vystouplé nebo prohloubené. Síla dna a tvar přechodu do pláště pístu nejsou dány primárně pevnostními podmínkami, ale závisí hlavně na dostatečném odvodu tepla ze dna pístu.
4.2.1 Konstrukce dna pístu čtyřdobých zážehových motorů
Spalovací prostor je shora uzavřený hlavou válců. Pokud je v hlavě válců vytvořen na- příklad klínový nebo střechový tvar spalovacího prostoru, může být střechovitě tvarováno i dno pístu, tím se dosáhne vysoké komprese. Střechovitý tvar umožňuje naklonění sacích a výfuko- vých ventilů a dovoluje tím zvětšit plochu ventilů. Zvětšení plochy a tedy i průtočného průřezu ventilů (buď zvýšením počtu ventilů na válec nebo nakloněním ventilů) zvyšuje plnící účinnost.
Příklady provedení dna pístu jsou na obr. 4.1.
Obr. 4.1: Spalovacích prostory zážehových motorů (vpravo – pro vrstvenou směs) [3]
S pomocí CNC lze vyrobit tvar dna pístu, jenž přesně kopíruje prostor v hlavě válce, za účelem získání nejvyšší možné komprese (obr. 4.2). Hrany vytvořené na dně pístu mohou působením tepla dosahovat velmi vysokých teplot, které mohou způsobit samovznícení směsi vedoucí k detonačnímu spalování. Proto je třeba klást důraz na ideální tvar přechodových hran s dostatečnými rádiusy, návrh dnes zdokonalují numerické simulace. Pro vysokou kompresi a minimalizaci vzniku horkých míst pomáhá vydutý tvar dna o určitém poloměru (Radius domes – obr. 4.2). Tento tvar napomáhá i k lepšímu proudění plamene [16].
Obr. 4.2: Přesné CNC modelování dna a Radius Domes [16]
36 U velmi vypouklých pístů může dno pístu zakrývat zapalovací svíčku a oddělovat ji od zbytku spalovacího prostoru, to může mít špatný vliv na kvalitu spalování. Řešením je vyříz- nout ve dnu „žlábek“ pro umožnění proudění plamene (Fire slot – obr. 4.3). Z podobného důvo- du se používá takzvané Combustion through (obr. 4.3). Jedná se o proříznutí „žlabu“ mezi zahloubeními pro sací a výfukový ventil. Díky tomu se při zapálení směsi od svíčky umístěné ve středu pístu zlepší proudění plamene po dně pístu [16].
Obr. 4.3: Fire Slot a Combustion Through [16]
Zahloubení pro ventily (Valve Reliefs), vytvořené ve dně pístu, umožňují zmenšit kom- presní prostor a tím dosáhnout vysoké komprese, zároveň chrání píst před kontaktem s výfukovými a sacími ventily. Uprostřed zahloubení mohou být navíc kulové výstupky (Tulip Pockets – obr. 4.4), které přesně kopírují plochy ventilů a umožňují tak dosáhnout maximální komprese. V dalším případě mohou být na hranách dna a ventilových zahloubení vytvořeny rádiusy (Radius Valve Reliefs – obr. 4.4). Někdy se tvoří rádiusy i mezi ventilovými reliéfy navzájem. Tyto rádiusy napomáhají lepšímu „cestování“ plamene a také lepšímu příčnému proudění při střihu ventilů [16].
Obr. 4.4: Tulip Pockets a Radius Valve Reliefs [16]
37 Pro zážehové motory s přímým vstřikem a vrstvenou směsí je důležitá vzájemná poloha vstřikovače a jiskřiště zapalovací svíčky, od toho se odvíjí i tvar dna pístu. Umístění vstřikovače blízko zapalovací svíčky (obr. 4.5 vlevo) je ideální pro dobré vrstvení směsi a tedy i spalování velmi chudé směsi. Směs se ke svíčce dopravuje s pomocí energie vstříknutého paliva bez ovlivnění pohybem vzduchové náplně a geometrií spalovacího prostoru. Kvůli problémům při startování motoru a nízké životnosti svíčky se vstřikovač umisťuje ve větší vzdálenosti od zapa- lovací svíčky. Dopravení paliva na místo zapalovací svíčky, a tedy vytvoření vrstvy zápalné směsi kolem elektrod svíčky, zajišťuje vířivý pohyb vzdušné náplně. Ten má sice menší schop- nost vrstvení směsi, ale umožňuje více konstrukčních řešení (obr. 4.5) [2].
Obr. 4.5: Způsoby umístění vstřikovače a doprava paliva k zapalovací svíčce [2]
Podle způsobu víření vzduchové náplně existují provedení s tangenciálním (swirl) ví- rem, kde je osa rotace víru rovnoběžná s osou válce, nebo příčným (tumble) vírem s osou rotace kolmou k ose válce (obr.4.6). [2]
Obr. 4.6: Způsoby rozvíření směsi: Tangenciální vír (vlevo) a příčný vír (vpravo) [2]
4.2.2 Konstrukce dna pístu vznětových motorů
Vznětové motory s přímým vstřikem paliva mají spalovací prostor umístěn ve dně pístu.
Tvar spalovacího prostoru (obr. 4.7) je závislý na řešení motoru. Odvíjí se od umístění vstřiko- vače, tvaru paprsků, stupni komprese, uspořádání ventilů a dalších.
Pro přímé vstřikování je ideální uspořádání s umístěním vstřikovače ve středu válce vy- žadující vyšší počet ventilů. U dvouventilového provedení je třeba šikmá poloha vstřikovače s osou vstřikovacích otvorů blízko středu spalovacího prostoru (obr. 4.8) [2].
38 Obr. 4.7: Příklady spalovacích prostorů vznětových motorů s přímým vstřikem [3]
Obr. 4.8: Centrální a šikmé umístění vstřikovače [2]
Písty se spalovacím prostorem ve dně pístu mají vysoce tepelně namáhanou hranu mezi dnem a stěnou spalovacího prostoru (bowl rim). Pro ochranu se na této hraně používá zalitý litinový kroužek (podobně jako u nosiče pístního kroužku), napomáhá také použití chlazeného nosiče pístních kroužků, nanesení tvrdé vrstvy oxidů (eloxování) nebo se provádí lokální nata- vení materiálu této hrany s pomocí laseru (local bowl edge remelting). Požadované mikrostruk- tury materiálu při odlévání je těžké zcela dosáhnout, jelikož závisí na rychlosti tuhnutí odlitku.
Lokálním natavením hrany spalovacího prostoru s pomocí laserového paprsku získáme jemnou homogenní strukturu se zvýšenou odolností proti tepelné únavě (až o 60%). Tím zvýšíme odol- nost hrany proti vzniku trhlin. Struktura lokálního natavení je znázorněna na obr. 3.15 [20].
4.3 Konstrukce těsnící části pístu 4.3.1 Kompresní výška
Je vzdálenost mezi osou pístního čepu a dnem pístu (obr. 2.2). Cílem je dosažení nejmenší možné kompresní výšky pro nejvyšší možné snížení hmotnosti pístu a výšky motoru.
Nevýhodou snižování kompresní výšky je vyšší tepelné zatížení pístního čepu a vyšší napětí koruny pístu [1]. Použitím ocelového pístu (kapitoly 3.2.7 a 3.2.8) může být kompresní výška snížena až o 30% a výška horního můstku až o 50% v porovnání s ekvivalentním pístem ze slitiny AlSi. Díky tomu lze prodloužit ojnici a tím snížit velikost boční síly a tření mezi
39 pláštěm pístu a válcem. Případně může být délka ojnice zachována a sníží se celková výška motoru, tím se znatelně sníží hmotnost motoru. Použitím ocelového pístu lze také snížit délku pístního čepu a tím i hmotnost pístní skupiny, jelikož ocel snese vyšší namáhání kontaktním tlakem mezi písním čepem a okem pro pístní čep.
4.3.2 Horní můstek
Někdy bývá označován jako žárový můstek, jelikož jeho výška ovlivňuje teplotu oleje v drážce prvního pístního kroužku. Snížení teploty 1. kroužku, s účelem zabránění karbonizace oleje, lze docílit několika způsoby, například zvýšením horního můstku. Zvýšením horního můstku však vzrůstá škodlivý objem v prostoru mezi horním můstkem a stěnou válce označova- ný jako jalový prostor (obr. 4.9). V tomto prostoru se vyskytuje velké množství takzvaných zhášecích vrstev, které způsobují nedokončení oxidačních reakcí. Následkem je větší množství nespálených uhlovodíků ve výfukových plynech. Jalový prostor v této oblasti vzniká vždy, jeli- kož vůle mezi horním můstkem a válcem musí zamezit jejich kontaktu (i při klopení pístu v úvratích a při tepelných deformacích).
Obr. 4.9: Jalový prostor kolem horního můstku [25]
Vznětové motory mají kvůli vyšším teplotám horní můstek vyšší než zážehové. Teplotu v drážce prvního kroužku lze dále snížit zmenšením provozních vůlí mezi pístem a válcem nebo usměrněním tepelného toku k dalším pístním kroužkům, například velkým rádiusem na přechodu mezi dnem a horním můstkem nebo zářezem nad prvním kroužkem. Ke snížení teploty horního můstku hodně přispívá chlazení prvního kroužku chladícím kanálem popsané v kapitole 3.2.3.
4.3.3 Drážky pístních kroužků a můstky mezi pístními kroužky
Pístní kroužky utěsňují spalovací prostor, odvádějí teplo z pístu do válce a řídí výšku mazací vrstvy oleje mezi pláštěm pístu a stěnou válce. Povrch pístních kroužků musí být té nejvyšší kvality. Špatné utěsnění vede k pronikání plynů do klikové skříně a zničení olejové- ho filmu na stěně válce. Utěsnění a podstatné odvádění tepla z pístu zajišťují těsnící kroužky.
Mazání třecí plochy mezi pístem a válcem je zajištěno rozstřikem oleje a čerpacím účinkem pístních kroužků. Mazací podmínky na stěně válce jsou špatné, jelikož vrstva oleje je až po dolní úvrať (DÚ) v přímém styku s horkými výfukovými plyny. Pro nízkou spotřebu oleje se
