MOTORY ZÁVODNÍCH AUTOMOBILŮ

Transkript

1 MOTORY ZÁVODNÍCH AUTOMOBILŮ PRAHA 1980 ING. JULIUS MACKERLE

2 2

3 MOTORY ZÁVODNÍCH AUTOMOBILŮ PRAHA 1980 ING. JULIUS MACKERLE SNTL NAKLADATELSTVÍ TECHNICKÉ LITERATURY ALFA - VYDAVATELSTVO TECHNICKEJ A EKONOMICKEJ LITERATURY 3

4 Publikace seznamuje čtenáře se všemi faktory ovlivňujícími výkon motoru a s konstrukčním řešením nejdůležitějších skupin motoru. Všímá si i celkové koncepce motorů a výhledů dalšího vývoje. Závěrem jsou popsány nejvýznamnější a nejúspěšnější konstrukce závodních motorů. Kniha je určena všem pracovníkům v automobilovém průmyslu, sportovcům, zájemcům o motorismus a studentům odborných a vysokých škol. Lektorovali: Prof. Ing. Dr. Josef Kožoušek Ing. Zdeněk Kurz Redakce báňské a strojírenské literatury Hlavní redaktor dr. Vladimír Pešl Odpovědný redaktor Ing. Tomáš Malina Ing. Julius Mackerle,

5 OBSAH 1. Úvod Na čem závisí výkon motoru Vnitřní chlazení Rozbor vzorce pro měrný výkon motoru Tepelná účinnost Detonace a oktanová hodnota paliva Tvar spalovacího prostoru Snížení tepelných ztrát Vliv velikosti válců a zatížení na výkon motoru Mechanická účinnost Tření v ložiskách Ztráty v motoru při vysokých otáčkách Ztráty vířením oleje a vzduchu Plnicí účinnost Proudění vzduchu ventilem Tvar potrubí před a za ventilem Počet ventilů Vypláchnutí kompresního prostoru Vliv otáček na výkon motoru Geometrická podobnost Zdvihový poměr Velikost válcové jednotky Rozvod Druhy vaček Průběh zdvihu ventilu Časování a vůle na ventilu Síly v rozvodu Pružnost rozvodu Desmodromický rozvod Šoupátkový rozvod Díly ventilového rozvodu Vačkový hřídel Ventily Zdvihátka a páky Ventilové pružiny Pohon vačkové hřídele Klikový mechanismus Klikový hřídel Ojnice Píst a příslušenství

6 10. Blok a hlava válce Hlava válců Těsnění mezi hlavou a válcem Vložka válce Mazání Suchá kliková skříň Chlazení oleje Olejová čerpadla Čistič oleje Mazání rozvodu Chlazení Příkon pro chlazení Chlazení vzduchem Žebrování válců Příprava směsi Vstřikování paliva Elektronické vstřikování benzínu Dopravní palivová čerpadla Škodliviny ve výfukových plynech Zapalování rychloběžných motorů Počet svíček Přeplňování motorů Mechanicky poháněná dmýchadla Turbodmýchadla Požadavky přeplňovaných motorů Klasifikace přeplňovaných motorů Dvoudobé závodní motory Rozvod dvoudobého motoru Mazání a chlazení Příklady význačných konstrukcí motorů Vývoj závodního motoru Popis některých význačných závodních motorů Alfa Romeo BMW BRM Bugatti Ferrari Ford-Cosworth Jaguar Jawa Matra Mercedes-Benz Offenhauser Porsche Renault Weslake Závěr Literatura

7 1. ÚVOD Hned při zrodu spalovacího motoru se uvažovalo o jeho použiti pro vozidla. Pro pohon vozidel se nejprve používal parní stroj, který však byl těžký a měl velké rozměry, a proto měl větší úspěchy v železniční dopravě. Přesto však byla první silniční vozidla poháněna parním strojem. Hned po prvním úspěchu, jakmile se vozidlo mohlo pohybovat vlastní silou, se hodnotilo podle rychlosti, jíž dosáhlo. A to byl počátek závodu, který trvá dodnes. Parní stroj měl dostatečný výkon, aby vozidlu udělil velikou rychlost. Vždyť hranici rychlosti 100 km/h překonal již r parní vůz.serpolet. Je neuvěřitelné, že již o šest let později překonává Mariot na voze Stanley, rovněž s parním pohonem, hranici rychlosti 200 km/h! Soutěže o prvenství se však s úspěchem zúčastňuje i vůz s elektrickým pohonem. Světový rychlostní rekord r získává Jenatzy rychlosti 105,9 km/h. Potom si držela prvenství pára až do r Ale již r překonal Heméry na voze Benz rekord parního vozu rychlostí 205,7 km/h. Benzínový motor tohoto automobilu měl výkon 200 k. Od té doby až do dnešního dne patří světové rychlostní rekordy vozidlům se spalovacími motory. Největší vliv na dosaženou maximální rychlost 'měl výkon motoru, a proto bylo nutno závodní vozy roztřídit podle celkového objemu motoru. Tento způsob třídění závodních vozů se osvědčil a v principu se používá dodnes. Jen od r se formule pro malý zájem o závody uvolnila na předpis minimální hmotnosti vozu 550 až 750 kg. Později se tato hranice zvýšila na 900 kg. Malou přísností pořadatelů se formule uvolňovala stále více, teprve v letech byla stanovena přesně hmotnost vozu na 750 kg bez paliva, oleje, chladicí kapaliny a také bez pneumatik. Ani to však nezadrželo stavbu stále silnějších monster, která neměla se sériově vyráběnými vozy nic společného. Používalo se přeplňovaných motorů letecké konstrukce, jejichž výkon ke konci platnosti této formule převyšoval 475 kw. To vyžadovalo rázný zákrok, a proto se od r formule opět vrátila k tříděni podle celkového objemu motoru s rozdílným limitem pro motory přeplňované a nepřeplňované. Při stanovení dalších formuli byl brán ohled na to, aby automobilové závody přispěly k dalšímu pokroku motorových vozidel. Přeplňované motory nebyly zakázány, ale jejich objem byl stanoven podle současného stavu techniky. Objemové kompresory mechanicky poháněné od motoru zvyšovaly nejen výkon, ale i měrnou spotřebu paliva. Takové motory jsou neekonomické a pro sériové použití nevhodné. Proto se nepřeplňovaný motor proti přeplňovanému stále zvýhodňoval, až se dospělo k poměru jejich objemů v jedné katerogii 4 : 1. Také se omezovalo množství paliva použitelné pro celý závod. Tím se znovu obrátila pozornost ke zvyšování výkonu nepřeplňovaných motorů, což přináší užitek i pro sériové automobily. 7

8 Zpočátku stavěli závodní vozy významní výrobci automobilů. Odvozovali je od sériově vyráběných vozů, a proto dobré umístění v závodech bylo i dobrou reklamou. Jakmile se závodní motor začal vyvíjet samostatně a stále více se odlišoval od sériového motoru, nebyly už úspěchy v závodech tak přesvědčivou reklamou. Poněvadž vývoj závodního vozu byl nákladný, omezoval se i počet značek závodních vozů a velcí výrobci přestali stavět závodní vozy a věnovali se spíše soutěžím. Jednalo-li se o národní reprezentaci, podporovala se stavba závodních vozů státními subvencemi. Oživení nastalo, když určité kategorie závodních vozů musely používat některé hlavní díly sériově vyráběných vazů. V tom případě je vývoj závodního motoru užitečný i pro sériovou výrobu. Závodní motory se značně zvýšeným výkonem prodělávají při závodech tvrdou zkoušku, která rychle odhalí všechny slabiny konstrukce a pomůže ke zvýšení spolehlivosti. To si uvědomují i někteří výrobci a finančně podporují úpravy svých motorů pro závodní účely a tyto motory se sníženým výkonem montují do svých sportovních modelů. Každý nový druh motoru hledá uplatnění i na závodní dráze. Není to tak jednoduché v konkurenci spalovacích pístových motorů vyvíjených dlouhá léta nejlepšími odborníky. Dosažený úspěch však dává naději na zdárné dokončení vývoje. Proto se v závodních vozech objevují např. spalovací turbíny, které úplně zvítězily v letectví. Tyto abnormální motory bývá obtížné zařadit do objemových kategorií. Proto se u spalovacích turbín určuje např. průřez vstupního hrdla kompresoru, u motorů s rotačním pístem (Wankel) se prozatím snižuje celkový objem komor proti objemu válců na polovinu. Tyto formule se v určitých etapách upravují podle okamžitého stavu vývoje a důležitosti tohoto typu pro další vývoj motorismu. 8

9 2. NA ČEM ZÁVISÍ VÝKON MOTORU Výkon motoru závisí na množství energie z paliva, které se v motoru přemění v mechanickou práci. Ke shoření paliva je však třeba vzduchu, a proto u pístového motoru s určitým objemem nezáleží na výhřevnosti samotného paliva, ale na výhřevnosti směsi paliva se vzduchem. Směs musí být v takovém poměru, aby vzduch obsahoval množství kyslíku potřebné k úplnému shoření paliva (stechiometrická směs). Z toho je jasné, že palivo s větší výhřevností nemusí dávat při spálení v motoru s určitým objemem válců větší výkon než palivo s menší výhřevností. První studie v tomto směru provedl Harry Ricardo [1]. Některá zajímavá paliva jsou uvedena v tab. 1. Za povšimnutí stojí zejména porovnání benzínu a lihu. Přestože výhřevnost benzínu je asi o 62 % větší než ethylalkoholu, výhřevnost těchto paliv ve směsi se vzduchem je prakticky stejná. Na 1 kg ethylalkoholu však je třeba 6,5 až 8,9 kg vzduchu, kdežto na 1 kg benzínu asi 15 kg vzduchu. Tab. 1. Vlastnosti paliv a jejich směsí se vzduchem Palivo Výhřevnost (MJ/kg) Vnitřní výparné teplo (MJ/kg) Hmotnostní směšovací poměr se vzduchem Uvolněná energie t n, p n (J/dm 3 ) Max. p i při ε max. (MPa) Benzín 44,6 0,309 15, ,992 Petrolej 44,5 0, ,883 Heptan 45,2 0,309 15, ,9 Benzol 40,6 0,400 13, ,118 Ethylalkohol (98,5%) 27,5 0,857 8, ,186 Methylalkohol 23,3 1,160 6, ,103 Při porovnávání paliv v motoru se stejným zdvihovým objemem je jasné, že do nasátého vzduchu je třeba pro dosažení úplného spálení přivádět mnohem více lihu než benzinu. Pokud se týká výkonu, budou výsledky lepší, než by se zdálo ze sloupce 4 tab. 1. Zde je totiž uvedena energie uvolněná shořením paliva za normálního tlaku a teploty. V motoru však využíváme maximálního kompresního poměru, přípustného na hranici detonací paliva při hoření. Poněvadž líh má vysokou oktanovou hodnotu, a dovoluje tedy použití vysokého kompresního poměru, bude i dosažený výkon větší, jak je jasné z posledního sloupce v tab. 1. Uvedené hodnoty platí pro stechiometrický směšovací poměr. Maximálního výkonu se však nedosáhne při tomto směšovacím poměru, ale při směsi bohatší. 9

10 Ricardo zjistil zkouškami na motoru závislost naznačenou na obr. 1. Z ni vyplývá, že maximální tepelné účinnosti s benzínovým motorem je dosaženo při směsi ochuzené o 15 %, ale maximálního středního efektivního tlaku, a tedy i maximálního výkonu se dosáhne při směsi bohatší o 20 %. Při této zkoušce byl pro každou bohatost směsi seřízen předstih zapalování na optimální hodnotu. Obr. 1. Závislost středního indikovaného tlaku Obr. 2. Závislost objemové účinnost na P i na tepelné účinnosti ŋ t na směšovacím směšovacím poměru paliva se vzduchem. poměru vzduchu s palivem. Plné křivky platí Plná křivka platí pro benzín, čárkovaná pro benzín, čárkované pro líh (Ricardo) pro líh (podle [1]) Nejvyšší tepelná účinnosti při použití chudé směsi se dosáhne proto, že při přebytku vzduchu se zaručeně spálí všechno palivo, a výfukové plyny dokonce obsahují ještě nevyužitý kyslík. U bohaté směsi se naopak využije veškerý kyslík z nasáté směsi, a poněvadž promísení vzduchu s palivem nikdy není dokonalé, musí se do válce přivést přebytek paliva, které pak odchází z válce ve výfukových plynech nevyužito. Nedokonale spálené palivo tvoří ve výfukových plynech lidskému zdraví škodlivé složky, zejména kysličník uhelnatý (CO) a uhlovodíky s obecnou vazbou CH x. K vypaření přebytku paliva se spotřebuje určité teplo, tím se snižuje teplota náplně při sání, zvyšuje se plnicí účinnost motoru, a tedy i výkon. To je dobře vidět na obr. 2, na němž je znázorněna plnicí účinnost zkušebního motoru za stejných podmínek při nasávání benzinu (plná čára) a lihu (čárkovaná čára). Zvýšená plnicí účinnost lihu je způsobena jeho mnohem vyšším výparným teplem (sloupec 2 v tab. 1) i větším množstvím nasátého paliva při menším směšovacím poměru. Líh má ve srovnání s benzínem větší schopnost ochlazovat náplň válce i při velmi bohaté směsi. Je to vidět na obr. 1, na kterém čárkovaná křivka pro líh dosahuje maxima až při značně bohaté směsi. Mimoto líh má tu vlastnost, že přivádí do válce i kyslík v kapalném stavu (skupina OH), což působí částečně jaký přeplňování motoru. Pro zvyšování měrného výkonu motoru je tedy líh výhodným palivem. Měrná spotřeba paliva je však následkem jeho menší tepelné hodnoty značně větší a dosahuje značně vysokých hodnot, zvláště použije-li se bohaté směsi pro vnitřní chlazení. Velké spotřebované množství paliva vyžaduje u závodních vozů velké nádrže, 10

11 velkou počáteční hmotnost vozu, popřípadě i nutnost tankování během závodu. Poněvadž líh jako palivo pro sériové vozy nepřichází v úvahu, předpisuje se pro závody benzín s oktanovým číslem Lihové palivo se však stále používá na plochých dráhách apod. Použiti lihu jako paliva se zdá být vhodné v době nedostatku ropy. Možnost zvýšení výkonu by byla i přínosem. Při mísení methylalkoholu s benzinem do poměru až 15 % alkoholu by nebylo třeba žádného seřízení karburátoru a byl by možný provoz i s čistým benzínem. Nevýhodou je nestálost směsi, neboť při určitém obsahu vody v lihu se líh oddělí od benzínu. Proto se pro mísení musí používat bezvodý líh a i v provozu se musí zabránit přístupu vody a vlhkostí do nádrže. Lihové palivo má za tepla sklon k tvoření bublin v palivovém potrubí, a tím se zhoršují teplé starty. Pro snadnou kondenzaci paliva na stěnách potrubí je nutno intenzívně předehřívat sací potrubí, což je nevýhodné zejména při studených startech. 2.1 VNITŘNÍ CHLAZENÍ Vypařováním přebytku paliva uvnitř válců se dosáhne intenzivního chlazeni. To je vítáno u vysoce tepelně zatížených motorů. Chlazení palivem je však drahé a značně zvyšuje spotřebu paliva. Proto se k vnitřnímu chlazení používá i vody. Voda nepřináší žádnou tepelnou hodnotu a slouží skutečně jen pro chlazeni. Domněnky, že při vysoké teplotě hoření ve válci dojde k disociaci vody ve vodík a kyslík, které se při dalším průběhu hoření opět sloučí a touto reakcí uvolni teplo, jsou správné, avšak pro disociaci se spotřebuje stejné množství tepla, jaké se uvolni při sloučení vodíku s kyslíkem, takže tepelný přínos je nulový. Teplo potřebné pro disociaci vody však sníží maximální teplotu při hoření. Vnitřní chlazení vodou se používá u leteckých motorů pro krátkodobé zvýšení startovacího výkonu. Snížené teploty ke konci komprese lze využít ke zvýšení plnicího tlaku, aniž by došlo k detonacím. Této výhody se dá využít u motorů přeplňovaných. Vstřikování vody však vyžaduje dvě nádrže pro vodu a palivo, složité zařízení pro vstřikování a regulaci. Vodní páry ochuzují náplň válce o kyslík ze vzduchu a působí korozivně na ventily a zapalovací svíčky. Voda pro vnitřní chlazení se dá ve zlepšené formě použít tak, že při částečném zatížení běží motor na benzín a teprve při plném zatížení se ještě přisává voda (Vitametr). Základní kompresní poměr může být vysoký, neboť při částečném zatížení není nebezpečí detonací a při plném zatížení přisávaná voda zvyšuje oktanové číslo směsi, takže detonace nevzniknou. Základní vysoký kompresní poměr příznivě ovlivní tepelnou účinnost a měrnou spotřebu paliva při částečném zatížení. Zamrzání vody v zimě se zabrání používáním směsi vody s lihem, přičemž líh přinese určité kalorické zlepšení. Téhož způsobu se používá při přeplňování benzínových motorů turbodmýchadlem, např. u vozu Oldsmobile Turbo-Rocket [2]. 11

12 2.2 ROZBOR VZORCE PRO MĚRNÝ VÝKON MOTORU Výkon motoru se dá vyjádřit vzorcem: P e P e V pe n = 120 (kw) pro motor čtyřdobý, V pe n = 60 (kw) pro motor dvoudobý, kde P e je efektivní výkon motoru (kw), V - celkový objem motoru (dm 3 ), p e - střední efektivní tlak (MPa), n - otáčky motoru (1/min). Poněvadž u závodních motorů záleží hlavně na výkonu vztaženém k objemu válce 1 dm 3, zjednoduší se vzorec na P e,1 P e,1 pe n = 120 (kw) pro motor čtyřdobý, pe n = 60 (kw) pro motor dvoudobý, Podle tohoto vzorce je tedy měrný (objemový) výkon závislý hlavně na středním efektivním tlaku a na otáčkách motoru. Ve skutečnosti shořením paliva ve válci vzniká výkon vyšší, P i - indikovaný výkon. Jeho přenos přes klikový mechanismus na setrvačník je spojen se ztrátami. Část indikovaného výkonu se spotřebuje na ztráty třením, výměnu obsahu válce, pohon rozvodu, olejového a vodního čerpadla, ventilátoru, dynama a ostatního příslušenství nutného pro chod motoru. Ze setrvačníku je možno odebírat již jen efektivní výkon P., který je snížen o výše uvedené ztráty, obsažené v mechanické účinnosti ŋ m, a proto platí: P e =P i * ŋ m Indikovaný výkon se dá zjistit z indikátorového diagramu planimetrováním. Tento způsob je však obtížný a nepřesný, neboť jednotlivé po sobě následující cykly jsou někdy značně rozdílné. Některé indikátory zaznamenávají průměr mnoha cyklů (Farnboro), a takový záznam je přesnější. V praxi se zjišťuje efektivní výkon motoru brzděním. Mechanická účinnost se dá zjistit poháněním teplého motoru a změřením potřebného výkonu. Jinou metodou je vypínání válců. Změří se výkon motoru na brzdě a potom se znova změří výkon při vypnutém zapalování jednoho válce. Při druhém měření se zjistí indikovaný výkon pracujících válců (i - 1) s mechanickými ztrátami celého motoru. Úbytek výkonu proti prvnímu měření se rovná indikovanému výkonu jednoho válce, a z toho se dá vypočítat mechanická účinnost. Zhruba se dá zjistit mechanická účinnost i ze spotřeby paliva motoru nezatíženého na brzdě. 12

13 3. TEPELNÁ ÚČINNOST Z tepla uvolněného hořením paliva se jen část využije pro efektivní výkon motoru. Podle velmi hrubé bilance jen asi 1/3 tepla se přemění v užitečný výkon, 1/3 se odvede z motoru chlazením a sáláním a 1/3 se odvede výfukovými plyny. Celková tepelná účinnost tedy udává, kolik tepla vzniklého shořením paliva se přemění v užitečný výkon. V tomto případě se jedná o celkovou tepelnou účinnost, která se skládá z chemické tepelné účinnosti, tepelné účinnosti motoru, mechanické účinnosti a stupně plnosti diagramu. Podrobněji je o jednotlivých složkách této účinnosti pojednáno v odborné literatuře, a proto zde nebude probrána. Pozornost bude věnována jen tepelné účinnosti motoru, která má vliv na tepelné ztráty a ovlivňuje měrnou spotřebu paliva a rozměry chladicího systému. Označí-li se teplo přivedené v palivu Q P a teplo odvedené chlazením, sáláním, výfukem apod. Q o, bude tepelná účinnost n t Q Q p o o = = 1. Q p Q Q p Kompresní poměr udává změnu objemu válce v dolní úvrati pístu DÚ a v horní úvrati pístu HÚ. U normálního motoru se tento kompresní poměr rovná poměru expanznímu. Ze zdvihového objemu válce VZ a z objemu kompresního prostoru V k se kompresní poměr vypočte podle vzorce V V V Z K ε =. K Za předpokladu, že se stupeň izobarického výfuku a stupeň izobarického spalování rovná jedné, vzorec pro tepelnou účinnost se zjednoduší na k 1 1 η t = 1, ε kde k je poměr měrných tepel při konstantním tlaku a objemu a rovná se asi 1,4. Jedná se tedy o ideální cyklus, ale pro všeobecné úvahy je tato rovnice platná a instruktivní. Podle ní je závislost tepelné účinnosti na kompresním poměru dána křivkou na obr. 3. Celková tepelná účinnost je nižší, ale její závislost na kompresním poměru platí. Průběh křivky naznačuje, že tepelná účinnost při nízkém kompresním poměru se prudce zhoršuje, ale přírůstek při vysokých kompresních poměrech již není značný. Při posuzování celkové tepelné účinnosti je nutno uvážit, že při vysokých kompresních poměrech se prudce zvyšuje maximální tlak na píst, který zvýšeným třením pístu a ložisek nepříznivě ovlivňuje mechanickou účinnost a proto je již přírůstek efektivního výkonu malý. 13

14 Jak vysoký kompresní poměr je výhodný? S ohledem na tepelnou účinnost se u benzínových motorů používá tak vysoký kompresní poměr, pokud se neobjeví detonace. Zvyšování kompresního poměru nad 11 : 1 až 12 : 1 je však již málo účelné, i když to oktanová hodnota paliva dovoluje. Obr. 3. Závislost tepelné účinnosti tepelného oběhu ŋ t na kompresním poměru ε (Ricardo) 3.1 DETONACE A OKTANOVÁ HODNOTA PALIVA Ve spalovacím prostoru směs prohořívá od svíčky zhruba v kulových plochách. Rychlost prohořívání směsi je závislá na teplotě a tlaku plynů. Se zvyšující se teplotou a tlakem se zvyšuje i rychlost hoření. Víření směsi zvyšuje rychlost hoření ve směru proudění a snižuje proti směru proudění. V případě spalování směsi v uzavřeném prostoru bez víření by prohořívání postupovalo skutečně v kulových plochách se středem v jiskřišti zapalovací svíčky. T v tomto případě však má na rychlost hoření vliv teplota stěn, tepelná vodivost směsi a víření vzniklé při hoření. V uzavřeném prostoru po shořeni první části zvýšená teplota spálené směsi způsobí její rozpínání a stlačování dosud neshořelé náplně. Proto bude v následující fázi rychlost hořeni vyšší a také přírůstek shořelé náplně bude rychle stoupat. Dosáhne-li při určité dráze plamene tlak a teplota dosud nespálené náplně kritické hodnoty, vznítí se zbytek náplně okamžitě a shoří detonačně. V tomto případě již fronta plamene nepostupuje v kulových plochách, ale podle místních podmínek vzniknou ohniska hoření na různých místech prostoru a hoření je chaotické. Příznivé podmínky pro vznik ohnisek hořeni jsou na horkém výfukovém ventilu, špatně chlazených hranách válce a hlavy, na vyčnívajícím těsnění a na usazené vrstvě karbonu. Vznik detonací závisí na poměru zvyšováni teploty a tlaku náplně k času. Při stejném zvyšování tlaku a teploty vzhledem k času při vysokých otáčkách detonace nevzniknou. Všechny faktory způsobující zvýšení teploty směsi, jako vysoký kompresní poměr, vysoká teplota nasávaného vzduchu, dlouhá dráha plamene a nízké otáčky motoru, zvyšují sklon k detonacím. V podstatě je vznik detonací velmi složitý a je závislý na tepelné explozi, řetězovém spalování a jiných vlivech. 14

15 Tepelná exploze předpokládá, že zbytek směsi ke konci hoření dosáhl teploty, při níž se sám vznítí. Rychlost reakce obecně roste s teplotou. Proto v průběhu hoření, když se směs ve válci při postupu vlny hoření stále zahřívá a její tlak roste, zvyšuje se i rychlost hoření. Když poslední část neshořelé směsi nabude teploty, při na se vznítí a shoří v celém rozsahu naráz, nastává tepelná exploze. Hypotéza řetězových reakcí umožňuje vysvětlit vliv různých antidetonačních přísad přidávaných do paliva. S pokračujícím spalováním v kompresním prostoru vzniká větvení reakčního řetězce, přičemž stále. vzrůstá počet částic schopných reakce, a tím i teplota. Při dosaženi určité teploty nastává spontánní reakce zbytku směsi - exploze řetězová. Antidetonační přísady ničí aktivované částice, tím se reakční řetěz přerušuje a oxidační proces se zpomaluje. Podrobnější vysvětleni vzniku detonací je popsáno v odborné literatuře [3]. Odolnost paliva proti detonacím se hodnotí na zkušebním jednoválcovém motoru s měnitelným kompresním poměrem. Při přesně předepsaných podmínkách teploty nasávaného vzduchu, teploty motoru, barometrického tlaku a otáčkách motoru se postupně za chodu motoru zvyšuje kompresní poměr, až dojde k detonacím. Potom následuje za stejných podmínek zkouška s porovnávacím palivem, složeným z isooktanu a heptanu. Objemové procento isooktanu v této směsi, která začne detonovat při stejných podmínkách, určuje oktanové číslo paliva. Oktanové číslo paliva se určuje na jednoválcích CFR dvěma metodami. Oktanové číslo zjištěné podle Motor-methode je poněkud nižší než podle Researchmethode. Research-methode však více odpovídá podmínkám provozu motorových vozidel, Paliva s oktanovým číslem vyšším než 100 se hodnotí podle množství tetraethylu olova přidaného do isooktanu. Palivo s určitým oktanovým číslem však detonuje v různých motorech při různém kompresním poměru. Záleží na tvaru kompresního prostoru, jeho velikostí, teplotě stěn, ohřátí směsi před vstupem do válce apod. Proto by se mělo zjišťovat i oktanové číslo motoru. Poněvadž se však i paliva se stejným oktanovým číslem, ale složená z různých základních paliv v určitém motoru chovají různě, je toto hodnocení obtížné a neprovádí se. Oktanové číslo paliva se zvyšuje antidetonačními přísadami, z nichž nejpoužívanější je tetraethyl olova. Aby se toto olovo neusazovalo ve velkém množství na svíčkách a stěnách spalovacího prostoru, přidávají se do paliva vynášeče, jako ethylén dibromid, ethylén dichlorid apod. Ovšem olovo vynesené takto z motoru v plynném stavu působí škodlivě na životní prostředí. Proto je snaha omezovat množství přísad olova do paliva. Sklon k detonacím je také závislý na intenzitě chlazení motoru a na atmosférických podmínkách. Při studeném a vlhkém vzduchu a nízkém barometrickém tlaku nedochází snadno k detonacím. Usazená vrstva karbonu na stěnách kompresního prostoru zase detonace podporuje. S ohledem na tyto okolnosti má mít použitý kompresní poměr určitou rezervu. Pokud detonace vznikají, je možno je potlačit přivřením škrtící klapky, neboť při horším plněni jsou tlaky a teploty na konci komprese nižší. Také zvýšením otáček, např. přeřazením na nižší stupeň, se zkrátí doba jednoho cyklu a k detonacím nedojde. Detonace je možno také potlačit snížením předzápalu nebo obohacením směsi palivem. 15

16 3.2 TVAR SPALOVACÍHO PROSTORU Pro tvar spalovacího prostoru platí určité zásady pro potlačení sklonu k detonacím. Spalovací prostor má být předně kompaktní, aby tepelné ztráty stěnami byly malé a prohořívací dráhy krátké. Svíčka má být pokud možno blízko středu spalovacího prostoru. U dvouventilového provedení to nebývá možné, ale příznivé podmínky jsou u provedení čtyřventilového. Zapalovací svíčka má být blíž k teplému koutu spalovacího prostoru, tj. v okolí výfukového ventilu. Potom shoří nejprve směs v teplém koutě a poslední zbytky neshořelé náplně jsou zatlačovány do studeného koutu, kde jsou příznivější podmínky pro potlačení detonací. Největší část kompresního prostoru má být v okolí svíčky a jeho objem se má rychli zmenšovat se vzdáleností od svíčky. K detonacím dochází až po určité dráze plamene a je žádoucí, aby za tuto dobu shořel co největší objem směsi ve spalovacím prostoru a případnému detonačnímu hoření byl vystaven již jen malý zbytek prostoru. Proto se někdy hodnotí vhodnost spalovacího prostoru okrajovací metodou. Spalovací prostor se odleje z parafínu a okrajováním kulových ploch se středem v jiskřišti svíčky se získá diagram přírůstku prostoru v závislosti na prohořívací dráze. U sériových motorů se v místě nejvzdálenějším od svíčky vytváří autidetonační štěrbina mezi hlavou a pístem. Ve štěrbině, široké asi 1 mm, je jen malý objem podchlazené směsi, která velmi nesnadno podléhá detonačnímu hoření, a i když toto hoření vznikne, malý objem se projeví na průběhu tlaku velmi málo. Podchlazená směs v této stěrbině však hoří pomalu a nedokonale a bývá příčinou produkce škodlivin ve výfukových plynech. Vytlačením. směsi ze štěrbiny ke konci kompresního zdvihu se kapičky paliva setrvačností hromadí v okolí zapalovací svíčky a vytvářejí zde bohatou směs. Toto vrstvení směsi je výhodné pro zapalování chudých směsí. Nejedná-li se vysloveně o závodní motor, spalovací prostor se přizpůsobuje měkkému průběhu spalování a čistotě výfukových plynů. V tomto případě jsou výhodné rotační prostory, vytvořené ve dně pístu, s mezikruhovou štěrbinou na okraji pístu. Spalovací prostor v pístu má tu výhodu, že na teplých stěnách pístu není směs podchlazena a dobře a úplně prohořívá. Přestože je spalovací prostor v horní úvrati pístu kompaktní, po krátké dráze pístu se uvolní prostor kolem ventilů a směs vstupující do válce není brzděna stěnou spalovacího prostoru. Rovné dno hlavy válce je výhodné pro opracování a zaručuje stejný kompresní poměr ve všech válcích. Rotační prostor v pístu nebrání víření a vrstvení směsi vlivem odstředivé síly kapiček paliva. Zapalovací svíčka je na obvodu kompresního prostoru. Nevýhodou jsou poměrně malé ventily u dvouventilového provedení, neboť jejich velikost je omezena vrtáním válce. Příkladem takového provedení je motor Jaguar 12V na obr. 4. U závodních motorů jsou požadavky na tvar spalovacích prostorů dány zejména 16

17 17

18 uspořádáním ventilů. U dvouventilového provedení se nejčastěji používá půlkulového spalovacího prostoru, který umožňuje použít ventily velkého průměru. Blízko osy válce však nebývá místo pro zapalovací svíčku, která se musí umístit bokem. Toto nesymetrické umístění svíčky ale značně prodlužuje prohořívací dráhu, což se kompenzuje zapalováním se dvěma svíčkami. Příklad půlkulového spalovacího prostoru vzduchem chuzeného motoru Porsche Carrera-6 je na obr. 33. Dobře je vidět velikost sacího ventilu. Nálitek kolem vedení sacího ventilu je proudnicově tvarován (obr. 5). Obr. 5. Pohled na tvarovaný nálitek vedení sacího ventilu Obr. 6. Spalovací prostor čtyřventilového motoru Ford. Všimněte si šroubů pro upevnění hlavy zespodu U čtyřventilového provedení je tvar spalovacího prostoru střechovitý a zapalovací svíčka se dá umístit v ose válce. Prohořívací dráhy jsou krátké a přírůstek objemu v závislosti na prohořívací dráze je veliký. Proto se vystačí s jednou svíčkou. Příklad střechovitého spalovacího prostoru čtyřventilového závodního motoru Ford je na obr. 6. Při dvojitém zapalování jsou svíčky umístěny v rozích střechovitého prostoru, takže prohořívací dráha zůstává přibližně stejná. Na bočním okraji střechovitého spalovacího prostoru se vytvoří malé antidetonační štěrbiny. Čím menší je úhel mezi ventily, tím menší štěrbina se vytváří na okraji. Při vysokých otáčkách vzniká ve válci velké víření, takže prohořívání probíhá rychle. 3.3 SNÍŽENÍ TEPELNÝCH ZTRÁT Celková tepelná účinnost je závislá na využití tepla z paliva. Podaří-li se využít nějakou část odpadního tepla, zvýší se tepelná účinnost a sníží se měrná spotřeba paliva. Z odpadního tepla přichází v úvahu teplo odvedené chlazením a výfukovými plyny. Odvádění tepla chlazením do vzduchu, ať již přímé, nebo prostřednictvím chladicí kapaliny, spotřebuje část efektivního výkonu motoru. To bývá u závodních 18

19 motorů citelná ztráta. Je žádoucí, aby se z výfukových plynů po opuštění válce odvádělo do chladicího média jen co nejmenší množství tepla. Proto má být výfukový kanál v hlavě přímý a co nejkratší. Teplo přivedené z výfukového kanálu do hlavy zvětšuje potřebný chladicí výkon, a proto musí být větší i chladič a příkon pro chladicí ventilátor. U závodních motorů chlazených kapalinou se obvykle ventilátor nepoužívá a k proudění potřebného množství vzduchu chladičem se využívá náporového vzduchu. To se ovšem neobejde bez ztráty energie. Určitý výkon motoru se spotřebuje na to, aby karosérie překonala větší odpor vzduchu. U vzduchem chlazených motorů, potřebujících větší přetlak vzduchu pro jeho protlačení hustým žebrováním válců, je ventilátor nutný. Potřebný přetlak vzduchu bývá 2 kpa, i větší, což odpovídá dynamickému tlaku vzduchu při rychlosti nad 200 km/h (tab. 2). Tab. 2. Dynamický tlak vzduchu (km/h) Rychlost (m/s) Dynamický tlak (Pa) 10 2,78 4,7 20 5,56 18,9 30 8,33 42, ,11 75, ,89 118, ,67 170, ,44 232, ,22 302, ,00 381, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

20 Je-li chladič umístěn vpředu, je nutno velmi pečlivě volit velikost, místo a tvar vstupního otvoru pro vzduch, aby nedošlo k nežádoucímu zvýšení odporu vzduchu karosérie při vysoké rychlosti. Zejména přední část karosérie má velký vliv na aerodynamický odpor vozu. Proto umístění chladičů vzadu na boku motoru nejen snižuje tíhu a objem chladicí kapaliny, ale ani aerodynamicky se neprojeví tak nepříznivě na zvýšení celkového odporu vozu. Využít tepla z výfukových plynů je možné jejich další expanzí v turbíně. Tento případ je u motorů přeplňovaných turbodmýchadlem. Poněvadž ve výfukových plynech odchází asi 30 % tepla přivedeného palivem, je využití této energie výhodné. Energii výfukových plynů je možno využít také v ejektoru pro odsávání chladicího vzduchu. Tím odpadnou potíže s mechanicky poháněným chladicím ventilátorem, jehož příkon roste s třetí mocninou otáček, a to je u motoru s širokým rozsahem otáček velmi nežádoucí vlastnost. 3.4 VLIV VELIKOSTI VÁLCÚ A ZATÍŽENÍ NA VÝKON MOTORU Tepelné ztráty stěnami spalovacího prostoru jsou závislé na poměru objemu k povrchu. Zvětšuje-li se geometricky velikost válce, roste objem spalovacího prostoru s třetí mocninou vrtání, kdežto jeho povrch se zvětšuje jen s druhou mocninou vrtání. Teplo uvolněné při spálení směsi je závislé na objemu spalovacího prostoru. U velkých válců je poměr povrchu k objemu příznivější a do stěn se odvede méně tepla. Dosahovaná tepelná účinnost je tedy u velkých válců větší a projeví se v menší měrné spotřebě paliva. Teplota výfukových plynů u velkých válců je vyšší a rovněž dráha hořeni i teplota směsi na konci kompresního zdvihu je vyšší. To však znamená, že na hranici detonací je přípustný menší kompresní poměr i s nepříznivými vlivy na výkon motoru. Menší měrná spotřeba paliva se při nutnosti snížení kompresního poměru příliš neprojeví. Proto nejsou u závodních motorů velké válce výhodné, jak bude ještě vysvětleno později. Také víření ve válci má výhody i nevýhody. Při velkém víření se ve válci neobjeví místní přehřátí směsi a intenzívní víření podporuje přestup tepla do stěn kompresního prostoru a ochlazuje náplň na konci komprese. To zamezuje vznik detonací a umožňuje zvýšení kompresního poměru. Ricardo dosáhl vířivou komorou větší odolnosti motorů s postranními ventily proti detonacím a zvýšením kompresního poměru dosáhl podstatného zvýšení jejich výkonu. Víření směsi však převádí více tepla do stěn i při hoření, což zvětšuje chladicí výkon a vyžaduje větší chladič. Proto pozdější Ricardovy prostory již používaly menší intenzity víření. Při částečném zatížení se škrtí přístup směsi do válce a to má stejný následek jako snížení kompresního poměru. Výkon motoru se zmenší, ale třecí ztráty se proti plnému výkonu sníží jen nepatrně. Proto tepelná účinnost při částečném zatížení značně poklesne. U sériového motoru, který většinu doby provozu pracuje 20

21 při částečném zatížení, je nutno na to brát ohled. Na obrázku 7 je znázorněna celková tepelná účinnost při plném a částečném zatížení. Poněvadž při částečném zatíženi není nebezpečí detonačního hoření, je při něm možno zvýšit kompresní poměr. Tím se zlepši měrná spotřeba paliva při nejčastějším provozu. Potom by ovšem při plném zatížení detonace vznikaly. Tomu se dá zabránit snížením předzápalu, které je ale spojeno s určitou ztrátou výkonu. Obr. 7. Vliv kompresního poměru na tepelnou účinnost ŋ t, při plném a částečném zatížení motoru Obr. 8. Vliv předzápalu na oktanový požadavek paliva a na ztrátu výkonu při určitém kompresním poměru. Požadované oktanové číslo paliva OČ. Je označeno u jednotlivých bodů křivky Na obrázku 8 je znázorněn vliv sníženého předzápalu na oktanový požadavek a na ztrátu výkonu. U jednotlivých bodů křivky je označeno požadované oktanové číslo paliva (OČ) na hranici detonaci. Při podtlakové regulaci předzápalu se dá výše uvedeného seřízení využít. Pro závodní motory však ekonomický provoz při částečném zatížení není důležitý, a proto se zde podtlakové regulace předzápalu nepoužívá. 21

22 4. MECHANICKÁ ÚČINNOST Mechanická účinnost podstatně ovlivňuje efektivní výkon motoru. Zvláště u závodního motoru, pracujícího s vysokými otáčkami, dosahují ztráty vysoké hodnoty a jejich prudký vzestup s otáčkami omezuje maximální použitelné otáčky. Mechanická účinnost je dána hlavně třecími ztrátami, plnicími ztrátami a pohonem příslušenství. Vnitřní třecí ztráty v motoru jsou závislé hlavně na zatěžujících silách, součiniteli tření a velikostí třecích ploch. Třecí ztráty jsou značně závislé na poměru maximálního a středního efektivního tlaku. Čím je rozdíl mezi nimi menši, tím lepší je dosažitelná mechanická účinnost. Vysoký kompresní poměr, výhodný pro zlepšení tepelné účinnosti [1], vede ke zvětšení rozdílu maximálního a středního efektivního tlaku, a tedy ke zhoršení mechanické účinnosti. Se zvětšujícím se kompresním poměrem roste i maximální tlak plynu ve válci. Tento tlak vniká pod těsnicí kroužek a přitlačuje ho na stěnu válce. Tím vzniká velké tření, které zhoršuje mechanickou účinnost. Nejvíce se zvýší tření prvního kroužku, pod kterým je tlak téměř stejný jako v kompresním prostoru. Pod druhým kroužkem je tento tlak již jen asi třetinový a pod třetím je již nepatrný vzhledem k vlastní pružnosti kroužku. Vyšší tlak plynu na dno pístu ho více přitlačuje na stěnu válce a zvyšuje tak tření. Měřením ztrát třením pístních kroužků bylo zjištěno, že u zážehového motoru byly při plném zatížení a při stejných otáčkách a stejné teplotě tyto třecí ztráty vyšší asi o 10 kpa (u vznětového o 14 až 17 kpa) než u motoru bez zapalování poháněného cizím zdrojem. Tyto třecí ztráty rostou rychleji, než se zvyšuje střední efektivní tlak, a proto se mechanická účinnost zhoršuje. Hydraulické ztráty při plnění motoru také značně ovlivňují mechanickou účinnost. Přivřením škrtící klapky na 30 % maximálního výkonu se sice sníží ztráty třením pístů a jejich kroužků, ale neúměrně vzrostou ztráty hydraulické, takže se mechanická účinnost zhorší. U závodních motorů je důležitější vzrůst hydraulických ztrát vlivem rozvodu při maximálních otáčkách. Při maximálních otáčkách vzrůstají hydraulické ztráty velmi rychle a jsou hlavní příčinou toho, že dalším zvýšením otáček se již nezvyšuje efektivní výkon motoru. Proto je nutné vhodným časováním a dimenzováním ventilů zajistit nízké hydraulické ztráty i při vysokých otáčkách motoru. Tření pístů představuje největší ztrátu výkonu. Je zaviněno špatnými podmínkami mazání pístů ve válci a velkými zrychlujícími silami posuvných hmot. Zrychlující síly rostou s druhou mocninou otáček, což dává celkový charakter průběhu třecích ztrát v motoru v závislosti na otáčkách. Zrychlující síla se rozkládá na složku působící v ose ojnice a na složku kolmou ke stěně válce. Tato druhá složka přitlačuje píst ke stěně válce a způsobuje ztráty 22

23 třením. Na stěnu válce je píst přitlačován i tlakem plynů na dno pístu, a to v závislosti na velikosti tlaku a na úhlu vychýlení ojnice od osy válce. Tlak plynů je závislý hlavně na zatížení motoru a s otáčkami se příliš nemění. Poněvadž se tlak plynů ve válci podílí na třecích ztrátách a poněvadž se při částečném zatížení zmenší výkon motoru, aniž by se podstatně snížily ztráty, zhoršuje se mechanická účinnost při menším zatížení motoru. Tato okolnost však u závodního motoru není důležitá a více pozornosti je nutno věnovat ztrátám při maximálních otáčkách motoru. Obr. 9. Průběh radiálních tlaků v ojničním ložisku při 2 000, 3 000, a /min. F - síly vyvolané tlakem plynů ve válci, I - zrychlující síly Jak se mění zatížení ojničního ložiska s otáčkami motoru je vidět na obr. 9. Zatímco velikost tlaku plynů F se s otáčkami nemění, zrychlující sila P roste s druhou mocninou otáček. Při /min je čtyřikrát větší než při l/min a při /min je větší již šestnáctkrát. Při /min je zatížení ložiska nejmenší v HÚ při explozi, když je tlak plynů na dno pístu asi stejně veliký jako zrychlující síly a působí opačným směrem. Z tohoto diagramu je vidět, jakou důležitost má dodržení minimální velikosti kmitajících hmot. Na boční zatížení pláště pístu má vliv poměrná délka ojnice. Při rozkladu sil působících v ose válce má složka kolmá na stěnu válce největší hodnotu, když je úhel J3 vychýlení ojnice od osy válce největší. Je to tehdy, když rameno kliky je do přibližně kolmé na ojnici. V tomto případě je r tg β =, l kde r je vzdálenost osy klikového čepu od osy klikového hřídele, 1 - délka ojnice od osy ojničního ložiska k ose pístního čepu. 23

24 V tomto bodě je naštěstí zrychlení pístu rovné nule, a proto i zrychlující síta je nulová. Tlak plynu na píst se v tomto bodě nejvíce projeví na bočním zatížení pístu, ale při pokročilé expanzi již tento tlak není vysoký a ani celkově se moc neprojeví. Přesto jsou obavy z toho, aby při příliš krátké ojnici nebyly boční tlaky na píst vysoké. V praxi se však ukázalo, že je možno délku ojnice zkrátit až na 3,2 r, aniž by to nepříznivě ovlivnilo mechanickou účinnost. V tabulce 3 je uvedeno několik příkladů délky ojnic závodních motorů. Tab. 3. Délky ojnic některých závodních motorů Značka Zdvih 2r (mm) Délka ojnice l (mm) Ford Cosworth 64, ,1 Coventry Climax 40, ,28 Renault Gordini V6 73, ,15 Renault Gordini V6 57, ,3 BMW M 12/6 80, ,7 Offenhauser 79, ,66 Offenhauser 70, ,25 Krátká ojnice snižuje výšku bloku, a tedy i celého motoru. Také hmotnost krátké ojnice je menší. U krátkozdvihových motorů je však délka ojnice omezena l/r (l) Obr. 10. Průběh indikovaného výkonu P i, efektivního výkonu P e a ztrátového výkonu P z v závislosti na otáčkách n tím, že v DÚ nesmějí vývažky na ramenech klikového hřídele kolidovat s pláštěm pístu. Délka pístu pod pístním čepem musí být v tomto případě minimální a v plášti pístu se často dělá vybrání s vnějším poloměrem vývažků. 24

25 Tření pístních kroužků se významně podílí na celkových ztrátách. Proto se u závodních motorů používají jen dva pístní kroužky. Všechny jsou umístěny nad pístním čepem, aby u krátkozdvihových motorů neomezovaly délku ojnice. Zejména první těsnicí kroužek je na stěnu válce přitlačován tlakem plynů, které vnikají pod kroužek ze spalovacího prostoru. Tyto kroužky proto bývají velmi úzké, 1,5 až 1,0 mm. Obvykle se vystačí s jedním stíracím a jedním těsnicím kroužkem. Z výše, uvedených úvah je jasné, že se mechanická účinnost rychle zhoršuje s otáčkami. Na obrázku 10 je znázorněn průběh třecího ztrátového výkonu P Z, efektivního výkonu P e a indikovaného výkonu P i. Rovná-li se ztrátový výkon P Z indikovanému výkonu P i, je efektivní výkon P e nulový. Tento případ nastane při plně otevřené škrtící klapce a při nezatíženém motoru. Při jízdě mohou tyto podmínky nastat jen při předčasném přeřazení na nižší stupeň. Obvykle je zakázáno používat těchto otáček, neboť zrychlující síly v klikovém mechanismu a v rozvodu dosahují nepřípustných hodnot. 4.1 TŘENÍ V LOŽISKÁCH Ztráty třením v ložiskách tvoří značné procento celkových ztrát. Proto je snaha u závodních motorů snížit toto třeni na minimum. Kde to je možné, po užívá se ložisek valivých, zejména pro uložení rozvodových kol, pohon příslušenství apod. Valivé uložení je výhodné i tam, kde se jedná o kývavý pohyb, při kterém se nemůže v kluzném ložisku vytvořit hydrodynamický film. Jsou to ložiska ventilových vahadel, pístní čepy apod. Uložení klikových hřídelů na valivých ložiskách je obtížné. Podrobněji bude probráno v dalších kapitolách. Moderní kluzná ložiska s vícevrstvovou výstelkou dosáhla velké dokonalosti a s úspěchem se používají pro uložení klikových hřídelů. Obr. 11. Průběh tlaku v mazací vrstvě v ložisku při otáčejícím se hřídeli. V podélném směru klesá tlak oleje u krajů unikáním oleje. Při otáčení hřídele vzniká v kluzném ložisku v mazací vrstvě mezi kluznými plochami hydrodynamický tlak, který zabraňuje přímému styku těchto ploch. Tlak vzniká vlivem vystředěné polohy čepu. Na obrázku 11 je znázorněn jeho průběh v hydrodynamickém klínu a poloha čepu v ložisku. Za nejmenší vůlí v ložisku ve směru otáčení poklesne tlak na nulu. Maximální tlak se také zmenšuje ke krajům ložiska. V nosné částí pánve ložiska nesmí být žádná mazací drážka, která by 25

26 způsobila unikání oleje a pokles hydrodynamického tlaku. Tlak oleje v mazací vrstvě je mnohem vyšší než přívodní tlak mazacího oleje a musí být vyšší než měrný tlak v ložisku, aby nevznikl kovový styk čepu s výstelkou ložiska. U ložisek s hydrodynamickým mazáním je třecí síla v ložisku závislá na celkové ploše ložiska, dynamické viskozitě oleje a na otáčkách a je nepřímo úměrná síle mazací vrstvy (vůli v ložisku). Velký počet ložisek s velkou plochou je tedy nevýhodný. Výhodné je ložisko s malou plochou a malou třecí rychlostí. Plocha ložiska ovšem musí být dostatečně veliká, aby zachytila vysoké tlaky při zatížení. Použití kvalitních výstelek, tvrdých a přesně opracovaných čepů pomáhá splnit požadavky malé ložiskové plochy. Pro využití vysokých měrných tlaků v ložisku je nutné, aby nenastalo místní zvýšení měrných tlaků deformací čepu nebo ložiska. Potom je možno použít malého průměru čepu, který dává malý třecí moment. 4.2 ZTRÁTY V MOTORU PŘI VYSOKÝCH OTÁČKÁCH U závodních motoru se dosahuje maximálního výkonu při vysokých otáčkách. Charakter závodní tratě však nedovolí delší zatížení motoru na maximální výkon a při každém brzdění se motor na chvíli odlehčí. To má příznivý vliv na jeho chlazení a mazání. Maximální výkon závodního motoru proto může být krátkodobý, a tak se i motor zkouší na brzdě. Životnostní zkoušky při maximálním výkonu se neprovádějí, neboť se jimi rychle ničí drahý motor. Proto je také málo měření ztrát při maximálních otáčkách. Zajímavá jsou měření, která provedl dr. Froede [4] na závodních motocyklech NSU až do /min. Hlavní data těchto motorů jsou uvedena v tab. 4. Tab. 4. Data závodních motorů NSU Typ motoru R R Počet válců 1 2 Objem válců (cm 3 ) 123,5 247 Vrtání (mm) Zdvih (mm) Maximální výkon (kw) 10,65 22 při otáčkách (1/min) Kompresní poměr 10 9,5 Materiál válce litina alfin Karburátor - průměr hrdla (mm) Rozvod 2 x OHC 2 x OHC Postupnou demontáží jednotlivých skupin bylo zjištěno rozdělení ztrát. Měření ztrát se zjišťovalo cizím pohonem motoru dynamometrem. Teplota motoru byla při měření udržována na konstantní výši. Při I /min a střední pístové rychlosti 18 m/s je procentuální rozdělení ztrát uvedeno pro jednoválcový motor R I1 v tab. 5 a na obr. l2. 26

27 Tab. 5. Podíl ztrát u motocyklového motoru NSU R při /min a teplotě klikové skříně 100 o C Ztráty vyplachováním (pumpovní) 15,8% Pístní kroužky 1 až 4 13,2% Píst 36,7% Ojniční ložisko (valivé) 6,6% Ovládání ventilů 4,6% Ztráty v pohonu vačkového hřídele 6,6% Pohon magneta 4,0% Olejová čerpadla 3,3% Hlavní ložiska a víření 9,2% Celkem 100,0% Obr. 12. Rozdělení ztrát v motocyklovém motoru NSU R ztráta vyplachováním, 2 tření pístních kroužků, 3 tření pístů, 4 ojniční ložisko, 5 ovládání ventilů, 6 pohon rozvodu, 7 pohon magneta, 8 olejová čerpadla, 9 hlavní ložiska a víření oleje Obr. 13. Měrné ztrátové tlaky p z při otáčkách a /min v závislosti na teplotě klikové skříně Při zkouškách se zjistila značná závislost na teplotě klikové skříně. Na obrázku 13 jsou měrné ztrátové tlaky p z při a /min v závislosti na teplotě klikové skříně. Teplota mazacího oleje byla udržována konstantní, 80 C. Velká změna ztrát není způsobena jen změnou viskozity oleje, ale i tepelným roztahováním hliníkové skříně a změněnými vůlemi v ložiskách. 27

28 U jednoválcového a dvouválcového motoru se projevuje značný vliv příslušenství na měrné ztráty. U dvouválcového motoru nevzroste počet ložisek dvojnásobně, ale jen o 50 %, a pohon rozvodu a olejového čerpadla zůstane téměř beze změny. Proto byly u jednoválcového motoru naměřeny měrné ztrátové tlaky při /min 0,55 MPa, kdežto u dvouválce za stejných podmínek jen 0,38 MPa. Měrné ztrátové tlaky u motoru R 11 a R 12 při různých teplotách klikové skříně jsou zaneseny do diagramu na obr. 14. Tyto hodnoty jsou mnohem vyšší, než jakých se Obr. 14. Měrné ztrátové tlaky p z u jednoválcového (plné křivky) a dvouválcového (čárkované křivky) motoru v závislosti na otáčkách n a teplotě klikové skříně motoru dosahuje u víceválcových závodních motorů s malým podílem příslušenství na celkových ztrátách. Podle naměřených výsledků se zvyšoval ztrátový výkon P z. přibližně s druhou mocninou otáček. U jednoválcového motoru byl při /min naměřen výkon P e = 10,3 kw a ztrátový výkon P z = 5,6 kw. Sečtením těchto hodnot vyjde indikovaný výkon P i = 15,9 kw. Při konstantní plnicí účinnosti a tepelné účinnosti v celém rozsahu otáček bude indikovaný výkon úměrný otáčkám a v diagramu na obr. 10 bude znázorněn přímkou procházející počátkem. Za předpokladu, že ztrátový výkon se zvyšuje s druhou mocninou otáček, bude efektivní výkon motoru roven rozdílu P i - P z. Maximálního výkonu by bylo dosaženo asi při /min. Při vyšších otáčkách by již výkon motoru klesal. Při /min je indikovaný výkon 15,9 kw a efektivní výkon 10,3 kw, a proto je mechanická účinnost 65 %. 4.3 ZTRÁTY VÍŘENÍM OLEJE A VZDUCHU Značné ztráty způsobuje víření oleje v klikové skříni. (Jejich závislost na množství oleje v klikové skříni u závodního motoru NSU je znázorněna na obr. 15.) Proto se z ní u závodních motorů odčerpává olej a kliková skříň je suchá. I když zásoba oleje v klikové skříni zůstává, odděluje se pevnou stěnou od vlastního prostoru klikového mechanismu. V této stěně je malý otvor pro odpad oleje do spodní zásobní nádrže, kde je olej v klidu a nepění se. Zpěněný olej zhoršuje funkci olejového čerpadla, popř. chladiče oleje, a vyžaduje velkou nádrž. 28

29 Olejová čerpadla spotřebují poměrně velký příkon. Potřebný mazací tlak bývá dosti vysoký, a proto nadměrně dimenzované olejové čerpadlo není výhodné. Ložiska závodního motoru jsou pod stálou kontrolou, a proto stačí dimenzovat mazací čerpadlo jen s malou rezervou, aby redukčním ventilem neprotékalo zbytečné množství oleje. Značné ztráty způsobuje i víření vzduchu v klikové skříni. Tak jako se ve vířivé vodní brzdě na motory maří velká energie vířením kapaliny mezi otáčejícím se rotorem a stojící skříní, tak i v klikové skříni motoru vznikají ztráty. Vzduch má Obr. 15. Ztrátový výkon P z v závislosti na velikosti olejové náplně v klikové skříni při n = /min Obr. 16. Spodní díl klikové skříně u motoru Ford Cosworth DFV má válcový tvar, který omezuje ventilační ztráty. Odpad oleje je tvořen sběrací drážkou a otvorem A ovšem nepoměrně menši hustotu než kapalina, ale i tak jsou ztráty vířením podstatné. Proto je snaha vytvořit klikovou skříň jako válcový tunel, ve kterém se vzduch roztočí s klikovým mechanismem, aniž by byl brzděn vnitřním žebrováním a výstupky skříně. Takový tvar skříně u motoru Ford Cosworth DFV je dobře vidět na obr. 16. U motoru Ford Cosworth je hliníková skříň dělena v ose klikového hřídele a víka hlavních ložisek tvoří se spodní polovinou skříně jeden tuhý celek. U tohoto V motoru jsou vždy dvě ojnice vedle sebe na jednom klikovém čepu a každá dvojice má vlastni spodní víko klikové skříně. Olej, odstříkaný z ložisek do skříně, se shromažduje v drážce A a odtéká do podélného kanálu, odlitého na boku skříně, a odtud se odčerpává do olejové nádrže. Ve spodní části skříně jsou umístěny dvě trubkové výztuhy. Dvojice válců do V s úhlem 90 je výhodná proto, že se zrychlující síly posuvných hmot pístů skládají do složky konstantní velikostí, která se otáčí stejnými otáčkami jako klikový hřídel. Proto se dají posuvné síly I. řádu snadno zrušit vývažkem na klikovém hřídeli. Poněvadž se však oba písty pohybují společně dolů jen s malým fázovým posunutím, nastává v utěsněné skříni komprese. To je energeticky 29

30 nevýhodné. Při nutném odvzdušnění skříně otvorem proudí v něm při každém zdvihu oběma směry velké množství vzduchu. Prudké proudění strhuje s sebou z klikové skříně olej, který se nedá odstranit jen filtrační vložkou v odvzdušňovací zátce. Tento problém, s nímž se potýkaly zejména motocyklové motory s válci do V, byl řešen zpětným ventilem v odvzdušňovacím otvoru. V klikové skříni se vytvořil podtlak, řidší vzduch znamenal menší ztráty vířením a podtlak ve skříni zabraňoval pronikání oleje dělicími spárami klikové skříně. Některé motory, např. závodní motory JAP, používaly k odvzdušnění zvláštního, k tomu účelu upraveného rotačního šoupátka. U prvních motorů Ford Cosworth byly jednotlivé skříně mezi sebou nedostatečně spojeny malými otvory, a proto se olej, který měl z rozvodové skříně v hlavách válců odtékat odpadními kanály zpět do klikové skříně, v hlavách hromadil, neboť v odpadních kanálech prudce pulsoval vzduch. To vedlo ke značným potížím v olejovém hospodářství. K odsávání oleje a vzduchu z klikové skříně do olejové nádrže bylo použito čerpadla typu Roots s výkonem 7krát větším, než byl výkon mazacího čerpadla. Úspěchu se však dosáhlo teprve odstraněním stěny mezi sousedními komorami krajních dvojic válců, ve kterých byly kliky posunuty o 180. Spodek klikové skříně má tedy nyní jen dvě komory, v nichž jsou samostatná víka ložisek číslo 2 a 4. Ložiska číslo 1, 3 a 5 zůstávají ve spodní polovině skříně. 30

31 5. PLNICI ÚČINNOST Pro dosažení maximálního středního efektivního tlaku je nutno při sacím zdvihu dopravit do válce co největší hmotnostní množství vzduchu. To udává plnicí účinnost. Vliv kompresního poměru, paliva a mechanické účinnosti byl již probrán. Dobrá plnicí účinnost je však jednou z nejdůležitějších podmínek pro dosažení velkého litrového výkonu. U motorů s atmosférickým nasáváním je možno posuzovat plnění válce podle tlaku ve válci na konci sacího zdvihu. Tento tlak se dá zhruba zjistit z indikátorového diagramu. Pro posouzení hmotnosti náplně je třeba znát i teplotu náplně na konci sacího zdvihu. Teplota náplně je značně nerovnoměrná a obtížně se zjišťuje. Velikost náplně se proto nejčastěji posuzuje měřením množství nasátého vzduchu. Pro menší množství se používá plynoměru, pro větší clonkové trati. Pro přesné měření je nutno uvažovat odpor těchto měřicích zařízení. Přesně lze měřit také nasáváním vzduchu z velkého plynojemu. Je ovšem třeba zjistit, zda nasáté množství zůstane v motoru a neuniká do výfukového potrubí, jak tomu bývá u motorů dvoudobých a u motorů přeplňovaných. K vyvození rychlosti vzduchu v sacím potrubí a v hrdle ventilu je třeba určitého tlakového spádu. Zhruba se dá tento tlak posoudit podle dynamického tlaku vzduchu při vyvozené rychlosti (tab. 2). Pro dosažení rychlosti vzduchu 80 m/s je třeba minimální tlakový spád asi 4 kpa. Ve skutečnosti však je tlakový spád přes ventil větší, neboť je nutno překonávat odpory způsobené třením o povrch potrubí a tvarováním kanálů. Celý proces plnění je však velmi složitý. Je nutno uvažovat tlakové kmity v potrubí při nestacionárním proudění, vliv změny teploty náplně ve válci apod. 5.1 PROUDĚNÍ VZDUCHU VENTILEM Proudění vzduchu v samém sedle ventilu byla věnována veliká pozornost. První důkladná měření provedl Tanaca [5]. V tomto případě proudil vzduch rovným sacím potrubím, v jehož ose byl umístěn ventil. Průměr potrubí se rovnal vnitřnímu průměru sedla ventilu. Tím byl vyloučen vliv kolena před ventilem a bylo zajištěno rovnoměrné rozděleni vzduchu po celém obvodu sedla ventilu. Vyústění bylo rovnou deskou do velkého průměru potrubí. Sledovalo se proudění v sedle ventilu při jeho různém zdvihu, u sacího ventilu směrem šipký S a u výfukového směrem šipky V. Výsledky měření jsou uvedeny na obr. 17. Zahrnují rychlost v sacím potrubí v závislosti na zdvihu ventilu. Na křivkách jsou jasné skoky, odpovídající utržení proudu vzduchu od hran sedla a ventilu. Při malém zdvihu ventilu se proud utrhne od hrany A, jak je vidět na obr. 18. Při zdvihu 10 mm nastává utržení od hrany B 31

32 a projeví se jasným skokem na křivce sacích ventilů označené S. Další skok nastane při utržení od hrany C při zdvihu asi 15 mm. Při utržení proudu vzduchu od hlavy válce a talíře ventilu se za hranami vytvoří vířivá oblast, která neškrtí průtočný průřez. Toto zúžení průřezu udává průtokový součinitel, který zahrnuje i ztráty třením a vířením. Utržení proudu vzduchu od Obr. 17. Závislost rychlostí vzduchu v potrubí na zdvihu ventilu. U křivek S pro sací ventil proudí vzduch směrem šipky S, u výfukového ventilu směrem V. Průměr hlavy ventilu je 80 mm a průměr potrubí před ventilem 66 mm Obr. 18. (vlevo) Při prouděni vzduchu sedlem sacího ventilu dochází k odtržení proudu vzduchu od hran A, B a C Obr. 19. (vpravo) Zaoblením hran sedel a vytvořením přechodových kuželů se dá zamezit odtržení proudu vzduchu od hran sedla hran se zabrání jejich zaoblením a vytvořením přechodových kuželů před a za hranou sedla. V horní části obr. 19 je naznačeno sedlo s přechodovými kužely, dnes běžně používané. V dolní části obrazu je naznačeno zaoblení vnitřní hrany sedla u sacího ventilu. Obrátí-li se směr proudění vzduchu, jak tomu je u výfukového ventilu, skoky na křivce se neobjeví, jak je patrno z křivky V na obr. 17. Při zdvihu ventilu 20 mm se prostupní plocha v sedle ventilu rovná ploše mezikruží mezi vnitřním průměrem potrubí a stopkou ventilu. Množství vzduchu se však při větším zdvihu následkem zlepšování průtokového součinitele v sedle 32

33 ventilu stále zvětšuje, ovšem pomaleji. Při nekonečně velkém zdvihu (vymontovaném ventilu) se dosáhne hodnoty naznačené čárkovaně. Průtokový součinitel a udává poměr vzduchu proteklého ventilem k množství, které by proteklo kruhovým otvorem se stejnou průtočnou plochou při stejném tlakovém spádu p. Průtokový součinitel je velký při malém zdvihu, ale zhoršuje se s rostoucím zdvihem. Při maximálním zdvihu ventilu bývá asi 0,9, ale někdy jen 0,6. Přitom záleží nejen na tvaru hrdla před ventilem, ale i na tvaru spalovacího prostoru za ventilem. Při jednom sacím ventilu značně skloněném k ose válce v půlkulovém spalovacím prostoru jsou podmínky pro proudění velmi výhodné. Proto bylo toto provedení velmi často používáno u závodních motorů. Proudění vzduchu ventilem je Obr. 20. Proudění vzduchu sacím ventilem do půlkulového spalovacího prostoru je příznivé pro tento případ naznačeno na obr. 20. Výhodnější je rovné potrubí podle tvaru 1, ale svírá-li osa sacího kanálu s osou ventilu velký úhel, používá se rozšíření hrdla před ventilem podle tvaru 2. Je-li sací ventil rovnoběžný s osou válce a je blízko stěny spalovacího prostoru nebo válce, je v blízkostí stěny průtok z ventilu brzděn a plnění je zhoršeno. Sací ventil se používá vždy větší než výfukový. Menší výfukový ventil uvolni více místa pro sací ventil. Malý sací ventil znamená vysokou rychlost ve ventilu, velký tlakový spád přes ventil a menší plnicí účinnost. Proto je snaha vytvořit co největší prostupní průřez u sacího ventilu. Pro nasávání vzduchu do válce je k dispozici jen atmosférický tlak. Při otevření výfukového ventilu je ve válci ještě značný přetlak (asi 0,3 i více MPa), který usnadní rychlé vyprázdnění válce. Menší výfukový ventil má také výhodu lepšího chlazení a do spalovacího prostoru zasahuje menší plocha rozžhavené hlavy ventilu. Menší hlava ventilu se také teplem tolik nedeformuje. V tabulce 6 je poměr průměrů sacích a výfukových ventilů některých závodních motorů. Průměr výfukového ventilu bývá asi 0,85 průměru sacího ventilu. 33

34 Tab. 6. Poměr průměrů sacích a výfukových ventilů Značka Počet ventilů Průměr ventilu sacích výfukových sacího D s (mm) výfuk. D v (mm) Poměr D v /D s (l) Alfa Romeo ,0 28,0 0,848 BMW M 12/ ,8 30,3 0,847 Ferrari 312 B ,0 26,0 0,866 Ford Cosworth DFV ,6 29,0 0,863 Opel ,3 32,5 0,828 Abarth ,0 36,0 0,838 Porsche ,5 40,5 0,853 Vanwall ,4 43,2 0,892 Příliš malé výfukové ventily by však zvětšovaly protitlak ve válci při výfukovém zdvihu a zhoršovaly by mechanickou účinnost. Po otevření výfukového ventilu má tlak plynů ve válci rychle poklesnout do DÚ, aby při výfukovém zdvihu nebylo třeba velké práce na vyprázdnění válce. Příliš brzké otvírání výfukového ventilu však snižuje výkon motoru, neboť z válce odcházejí plyny s velkým tlakem, které by prodlouženou expanzí mohly ještě konat práci. Vysoký tlak plynů při otevření výfukového ventilu se dá využít pro vytvoření tlakové viny v potrubí nebo pro pohon turbodmýchadla. 5.2 TVAR POTRUBÍ PŘED A ZA VENTILEM Před ventilem je koleno, které může značně ovlivnit plnicí účinnost motoru. Musí-li vzduch v tomto koleně značně měnit směr proudění, nahustí se na vnější stranu ohybu a více zatíží prostupní průřez v hrdle ventilu ve směru proudění, zatímco přikloněná polovina průřezu není plně využita (obr. 21). Někdy svírá vstupní kanál s osou ventilu 90 i více. Takový kanál je znázorněn na obr. 21a. V tomto případě je velmi obtížné využít celého obvodu sedla ventilu. Prudký ohyb potrubí v hlavě má ještě jednu nevýhodu. Intenzivnějším narážením molekul vzduchu na vnější stranu ohybu vzniká nejen větší povrchové tření, ale i větší přenos tepla do plynu. Každé ohřátí vstupního vzduchu snižuje hmotnostní náplň válce a výkon motoru. Proto má být sací potrubí přímé, pokud možno bez ohybů, zejména v teplé hlavě válce. Přímý kanál, pokud nesvírá ostrý úhel a s osou ventilu, však využití obvodu sedla nezlepší, jak je vidět z obr. 21b. V tomto případě vzduch ohyb nekoná, ale kanál je nutno zužovat směrem k ventilu. Při plném zdvihu ventilu talířek uhne z cesty proudícímu vzduchu, ale rychlost proudění v hrdle ventilu je veliká. Přitom polovina obvodu sedla směrem ke kanálu je téměř nevyužita. Takový kanál se hodí 34

35 pro naftové motory, u nichž je třeba vyvolat tangenciálním kanálem intenzívní víření vzduchu ve válci, ale nehodí se pro závodní motor. U závodních motorů se požaduje, aby sací kanál svíral s osou ventilu ostrý úhel α. Není to však snadno realizovatelné. Ventilová pružina má poměrně velký průměr D a při ostrém sklonu kanálu nezbývá, než značně prodloužit stopku ventilu, a tím zvýšit jeho hmotnost. I výška hlavy válce se tím zvětší (obr. 21c). Větší hmotnost ventilu je u závodních motorů vždy nevýhodná. V tomto případě je výhodné použití dvou menších ventilů místo jednoho velkého. Obr. 21. Různé tvary kolem sacího potrubí U dvouventilového provedení a půlkulovitého spalovacího prostoru je někdy výhodné použít sacího kanálu téměř rovnoběžného s osou válce. Vzduch koná malé ohyby při vstupu do válce a pokračuje ve stejném směru i ve válci. Příklad takového provedeni je na obr. 50. Celkový průtokový součinitel ventilu i kanálu se nejčastěji měří tak, že se ve zkušebně instaluje hlava válce se zamontovanými ventily, připevněná na válec s vymontovaným pístem, a z utěsněného válce se odsává vzduch. Tak se zachovají co nejvěrněji podmínky jako při nasávání vzduchu z atmosféry. Je samozřejmé, že při kontinuálním proudění vzduchu při zkoušce ve zkušebně vzniknou odchylky od pulsačního nasávání za chodu motoru. Pro posuzování jakosti různých provedení kanálů a ventilů je však tato metoda vhodná. Dodatečnými zkouškami na brzdě se zjistilo, že úpravy, které snížily odpor při tomto měření, se projevily příznivě i při zkouškách na brzdě. Profukovací zkoušky však nezahrnují vliv tlakových kmitů při nestacionárním proudění za chodu motoru. 35

36 5.3 POČET VENTILŮ Při náhradě jednoho ventilu dvěma menšími je jejich průměr asi 0,7 průměru ventilu jednoho. U menších ventilů výfukových se dělá můstek mezi oběma ventily větší než u ventilů sacích. U menšího průměru ventilu je nutný i menší maximální zdvih ventilu, a proto se prostupní průřez v sedle ventilu proti jednomu většímu ventilu příliš nezvětší. Hlavní výhodou je však menší hmotnost malých ventilů. Obr. 22. Rozvod motoru Rudge Whitworth 250 cm 3 se čtyřmi radiálními ventily Podle geometrické podobnosti roste hmotnost s třetí mocninou přímkových rozměrů a průřez drátu ventilové pružiny jen s druhou mocninou. Proto rozměry pružiny, zejména síla drátu, její vnější průměr a délka, rostou rychleji než rozměry ventilu. U menšího lehkého ventilu vyjde průměr pružiny menší a prodloužení tenké stopky ventilu je váhově přijatelné. Motocyklové motory Honda používají i u malých rozměrů válců čtyř ventilů, jejichž délka je značná. Pro velikost ventilů a chlazení sedel by bylo výhodné umístění čtyř radiálních ventilů v půlkulovitém spalovacím prostoru. Ovládání ventilů v takovém případě 36

37 je velmi složité. Toto provedeni bylo již použito např. u závodních motocyklových motorů Rudge Whitworth 250 cm 3 (obr. 22). Řešení rozvodu OHC u motoru Hopwood BSA je na obr. 23. U motorů řadových je však řešení rozvodu v tomto případě mnohem složitější. S úspěchem tento úkol vyřešil u závodních vozů BMW jejich konstruktér Apfelbeck, Obr. 23. Rozvod motoru OHC Hopwood - BSA se čtyřmi radiálními ventily který navíc neumístil sací i výfukové ventily vedle sebe, ale proti sobě. Tím bylo dosaženo rovnoměrného tepelného zatížení hlavy válce a byl odstraněn obtížně chladitelný můstek mezi dvěma sousedními výfukovými ventily. Schéma tohoto rozvodu je naznačeno na obr. 24. Aby si sací ventily v ose válců nevadily, jsou od této osy poněkud odkloněny a dříky ventilů jsou prodlouženy tak, aby nekolidovaly ani ventilové pružiny. Schéma rozvodu na obr. 24 je zjednodušené a neuvažuje výše uvedené odklonění sacích ventilů. Z každého válce jsou dva vývody výfukových i sacích kanálů, a tím se potrubí značně komplikuje. Přestože bylo dosaženo dobrých výsledků, u pozdějších motorů bylo použito jednoduššího střechovitého kompresního prostoru. Dva současně otevřené sací ventily se vzájemně ovlivňují. Nejméně v jednom místě směřuje proud vzduchu z obou ventilů proti sobě a ruší volné proudění do válce. U střechovitého prostoru se s ohledem na jednoduchý a tuhý rozvod používá dvou vačkových hřídelů. Toto provedení je u dnešních závodních motorů nejběžnější. 37

38 Úhel mezi oběma řadami ventilů bývá malý, asi 34. V tomto případě jsou příznivé podmínky pro vyplachování spalovacího prostoru v horní úvrati pístu, jsou-li sací i výfukové ventily otevřené a píst je v HÚ. Velikou výhodou je ploché dno pístu. Píst s plochým dnem je lehký, malá plocha dna přijímá málo tepla z horkých plynů a toto teplo krátkou cestou převádí do pístních kroužků. Obr. 24. Schéma pohonu čtyř radiálních ventilů od dvou vačkových hřídelů Hlavní výhodou však je malá hmotnost pístu s rovným dnem, která zlepšuje mechanickou účinnost motoru. Uvázne-li ventil ve vedení nebo začne odskakovat, píst do něj narazí a zasune jej, aniž by ho ohnul a značně poškodil hlavu válce a ojnici. Tato vlastnost je velmi užitečná a ušetří velké výdaje při častých poruchách rozvodu. 5.4 VYPLÁCHNUTÍ KOMPRESNÍHO PROSTORU Značného zlepšení plnicí účinnosti se dá dosáhnout vypláchnutím kompresního prostoru. Poněvadž se za základ výpočtu plnicí účinnosti bere zdvihový objem válce, vypláchnutím kompresního prostoru se získá značný dodatečný objem. Při kompresním poměru 11 : 1 to je 10 % objemu válce. Mimoto horké výfukové plyny neohřívají čerstvě nasátou směs a nezhoršují hmotnost náplně. Vyplachování se zajistí překřížením ventilů v HÚ a využitím tlakových kmitů v potrubí. U závodních motorů má každý válec svoje vlastní potrubí, a proto se dá dobře využít tlakových kmitů v potrubí. Princip spočívá v tom, že při otevření nebo uzavření 38

39 ventilu vznikne v potrubí tlaková vlna, která se šíří rychlostí zvuku k hrdlu potrubí, kde se odrazí a vrací se zpět k ventilu. Tato tlaková vlna může za dobu otevření ventilu proběhnout potrubím několikrát. Je žádoucí, aby při zavření sacího ventilu k němu doběhla vina přetlaková a k výfukovému ventilu při jeho uzavření vlna podtlaková. Na šíření vln v potrubí má vliv každá překážka, jako je např. rozvětvení potrubí, změna průřezu, difuzér v karburátoru apod. U takových překážek nastává částečný odraz viny, její zpomalení apod. Proto se k využití tlakových vln hodí nejlépe rovné samostatné potrubí, jaké se používá při vstřikování benzínu. Obr. 25. Rychlostní charakteristika motoru Porsche 917 s objemem válců: 1 5 dm 3, 2 4,9 dm 3, 3 4,5 dm 3 Poněvadž šíření vln v potrubí není závislé na otáčkách motoru a ani na době otevření ventilu, je možno dosáhnout příznivého výsledku jen při určitých otáčkách motoru. Obvykle se motor naladí tak, aby měl největší výkon při maximálních otáčkách. Při snižování otáček se prodlužuje doba sání, a proto potrubím proběhne více vln, než je žádoucí. Proběhne-li potrubím o půl vlny více, dospěje k sacímu ventilu při jeho uzavření podtlaková vlna a plnění se zhorší. Proběhne-li však potrubím o jednu vlnu více, jsou zase podmínky pro plnění příznivé. Na rychlostní charakteristice motoru se to projeví jako hrby, což je typické u závodních motorů (obr. 25). U výfukového potrubí nemusí být všechny větve samostatné. Po určité délce je možné spojit potrubí ze dvou válců s pravidelně rozdělenými impulsy zapalování. U řádového čtyřválce jsou to dva vnější a dva vnitřní válce. U řadového šestiválce je možno spojit tři přední a tři zadní válce. Žádoucí je, aby větve výfukového potrubí byly od jednotlivých válců až po své spojení stejně dlouhé. Tak často vznikne značně složité potrubí (obr. 26). Zdá se, že spojené výfukové větve jsou výhodné pro zvýšení momentu při nízkých otáčkách a samostatné větve pro zvýšení maximálního výkonu motoru. Přesný výpočet délky potrubí je značně složitý [6], [7] a dosud není plně zvládnut. Jedná se zejména o vliv objemu válce za otevřeným ventilem, ve kterém se zvuková vlna šíří a odráží, o vliv rychlosti vzduchu v potrubí, způsob vyústění, o drsnosti stěn apod. Pro představu, jaký vliv má délka a průměr potrubí, je na obr. 27 uveden výsledek měření na jednoválcovém zkušebním motoru s vrtáním 39

40 127 mm a zdvihem 101 mm [8]. Průměr potrubí byl v tomto případě 50 mm a jeho délka je zaznamenána u jednotlivých křivek. Měřily se kompresní tlaky ve válci v závislosti na otáčkách motoru. Je vidět, že u trubky dlouhé 914 mm bylo dosaženo nejvyššího kompresního tlaku asi při /min a se zkracováním potrubí se toto optimum přesouvalo do vyšších otáček. Obr. 26. Motor Ford pro závody v Indianopolis má značně složité výfukové potrubí Obr. 27. Vliv délky potrubí na velikost Kompresního tlaku v závislosti na Otáčkách motoru Obr. 28. Vliv průměru sacího potrubí na velikosti kompresního tlaku v závislosti na otáčkách motoru Vliv průměru potrubí je znázorněn na obr. 28. V tomto případě byla délka potrubí stále stejná, 610 mm, a průměr potrubí se měnil od 28 do 54 mm. U malého průměru potrubí se přesouval maximální kompresní tlak do nižších otáček. 40

41 Vliv délky sacího potrubí na plnicí účinnost u motoru Jaguar D je znázorněn na obr. 29. Na ladění má samozřejmě vliv časování ventilů, zejména doba otevření ventilu. Optimum v sacím i výfukovém potrubí je nutno naladit tak, aby nastalo při stejných otáčkách. Drobné doladění je možné až podle charakteru závodní tratě Obr. 29. Vliv délky sacího potrubí na plnicí účinnost motoru Jaguar Mark D v závislosti na otáčkách motoru pro dloužením nebo zkrácením nástavků na sacím potrubí. Je-li u sportovních vozu použit čistič vzduchu, stejně dlouhé větve končí ve společné sběrné komoře s velkým objemem. 41

42 6. VLIV OTÁČEK NA VÝKON MOTORU Ze vzorce pro měrný výkon je jasné, že je tento výkon závislý na dvou veličinách - na středním efektivním tlaku p e a na otáčkách n. Závislost p e na tepelné, mechanické a plnicí účinnosti byla probrána v předcházejících kapitolách. Závislost na otáčkách je jasná, výkon motoru roste přímo úměrně s otáčkami. Je však nutno si uvědomit, jaké jsou meze při zvyšování otáček. Ve stati o mechanické účinnosti bylo již vysvětleno, jak prudce se zvyšují třecí ztráty s otáčkami a že jsou určité otáčky, při kterých je ještě mechanická účinnost přijatelná. Dobrým měřítkem pro tyto otáčky je střední pístová rychlost v p L n = (m/s), 30 kde L je zdvih (m), n - otáčky motoru (1/min). Jak odstředivé, tak zrychlující síly jsou závislé na velikosti pohybujících se hmot, a proto lehký klikový mechanismus závodního motoru umožní větší střední pístovou rychlost. U nejlépe propracovaných závodních motorů lze použít až v p = = 24 m/s. Průměrně se však používá v p = 18 až 22 mls. Další překážkou pro zvyšování otáček bývá ventilový rozvod. Vačka udělí ventilu při jeho otvírání velké zrychlení, ventilová pružina musí výslednou zrychlující sílu zachytit a ventil opět vrátit do sedla. Kinematické vlastnosti rozvodu budou probrány ve zvláštní kapitole, ale již nyní je jasné, že při vysokých otáčkách a těžkých dílech ventilového rozvodu budou potíže. Kritické otáčky zjištěné výpočtem budou při použití čtyř ventilů v jednom válci odpovídat asi otáčkám omezeným přípustnou v p. 6.1 GEOMETRICKÁ PODOBNOST Při porovnávání dvou různě velikých motorů je nutno uvažovat jejich geometrickou podobnost. Mají-li dva motory stejné konstrukční provedení, jsou si geometricky podobné. Je-li např. jeden z motorů 2krát větší, potom i vrtání jeho válců a zdvih bude 2krát větší, stejně jako jeho všechny délkové rozměry. Pro přesnou geometrickou podobnost by musely být i síly stěn, rozměry zapalovací svíčky, karburátory, dynama atd. také 2krát větší. To ovšem nelze dodržet, ale pro případy, kdy rozdíly v rozměrech motorů nejsou veliké, lze tyto nepřesnosti zanedbat. Zvětší-li se délkové rozměry 2krát, všechny plošné rozměry, jako dno pístu, průřezy kanálů, průřezy šroubů a drátů pružin, velikosti ložisek apod., se zvětší 4krát, tedy s druhou mocninou délkových rozměrů. 42

43 Celkový objem válců, hmotnost všech dílů a potřebný prostor pro motor se však zvětší s třetí mocninou délkových rozměrů, tedy 8krát! Aby se u velkého motoru dosáhlo stejně vysokých středních efektivních tlaků, bude nutno zachovat stejnou plnicí účinnost, a tedy i stejnou rychlost vzduchu v sedle ventilu. Poněvadž však objem válce roste rychleji než prostupní plocha ve ventilu, není možno u obou motorů použít stejných otáček, ale otáčky velkého motoru je nutno snížit na poloviční. Potom zůstane u obou motorů stejná střední pístová rychlost a i stejná rychlost ve ventilech, v olejovém potrubí apod. Při polovičních otáčkách se však nasaje do motoru jen 8 : 2, tzn. 4krát větší množství vzduchu. Při stejném p. tedy výkon motoru vzroste 4krát. Poněvadž objem válců vzrostl 8krát, zvýšený výkon je nutno dělit osmi a měrný (objemový) výkon se sníží na 1/2. Hmotnost motoru se zvýší 8krát, ale výkon jen 4krát. Proto se měrná hmotnost zvýší 2krát. Zatížení ložisek tlakem plynů se nezmění, poněvadž jak plocha pístu, tak plocha ložisek se zvětší 4krát. Také zatížení zrychlujícími odstředivými silami se nezmění, neboť při polovičních otáčkách většího motoru se tyto síly zvýší jen 4krát. To opět svědčí o nutnosti dodržení střední pístové rychlosti u dvou různě velkých motorů. Teplo uvolněné při spálení směsi ve spalovacím prostoru bude 8krát větší, ale povrch spalovacího prostoru se zvětší jen 4krát. Proto se odvede poměrně méně tepla chlazením, což zlepšuje tepelnou účinnost a snižuje měrnou spotřebu paliva. Některé vlastnosti jsou však nezávislé na rozměrech motoru. Platí to zejména o tlakové vlně v sacím a výfukovém potrubí, která se šíří rychlostí zvuku. Proto nelze délku potrubí prodlužovat v měřítku zvětšení motoru, chceme-li využít tlakových kmitů v potrubí ke zlepšení plnicí účinnosti. Rovněž síla mezních vrstev na povrchu při proudění vzduchu a síla olejových vrstev v ložiskách je značně nezávislá na rozměrech motoru. Tyto odchylky je nutno respektovat při značně rozdílných rozměrech motorů. 6.2 ZDVIHOVÝ POMĚR Poměr zdvihu k vrtání vyjadřuje zdvihový poměr L/D. Zpočátku se u závodních motorů používalo malého vrtání a dlouhého zdvihu. V tomto případě byl spalovací prostor kompaktní a měl výhodu malé chladicí plochy stěn kompresního prostoru. To bylo výhodné pro malou měrnou spotřebu paliva. Při velké střední pístové rychlosti byly otáčky motoru malé a tehdy nedokonalý ventilový rozvod byl méně zatížen. Malé vrtání podporovaly i některé tehdejší formule, které přihlížely k vrtání válců a ne k jejich objemu. Za extrémní případ je možno považovat závodní vůz Laurin & Klement z r. 1908, který měl čtyřválcový motor s vrtáním 85 mm a se zdvihem 250 mm! Objem motoru byl cm 3, a protože byl klasifikován podle vrtání, dosáhl značných úspěchů. Dnešní vývoj však jasně spěje ke krátkozdvihovému motoru. Je-li určitý objem válce vytvořen krátkým zdvihem a velkým vrtáním, je při určité střední pístové 43

44 rychlosti možno použít vyšších otáček a dosáhne se vyššího měrného výkonu. Plochý spalovací prostor je však z tepelného hlediska méně výhodný a i produkce škodlivin je větší. U dlouhého zdvihu se prodlužuje ojnice a také celková výška motoru. To má vliv na rozměry a hmotnost motoru. Na obrázku 30 je porovnání rozměrů motoru se zdvihovým poměrem 0,8 s motorem stejného objemu válců, ale se zdvihovým poměrem 1,4. Dlouhozdvihový motor má výšku větší o 11 % a šířku o 7 %. Obr. 30. Porovnání rozměrů dvou motorů se zdvihovým poměrem L/D = 0,8 a 1,4. Za základ, tj. 100 %, se bere motor krátkozdvihový s L/D = 0,8 U řadového motoru velké vrtání prodlužuje celkovou délku motoru. Klikový hřídel je delší, ale hlavní a ojniční čepy se více překrývají, takže tuhost hřídele je větší. U motorů vidlicových a plochých se krátkozdvihová konstrukce plně uplatní. 6.3 VELIKOST VÁLCOVÉ JEDNOTKY Z geometrické podobnosti vyplývá, že u menší válcové jednotky je možno při dodržení stejné střední pístové rychlosti použít vyšších otáček. To je výhodné pro dosažení vysokého měrného výkonu. Také malý zdvihový poměr je výhodný, jak ukážeme v následujícím porovnání několika motorů. Nejprve budou porovnávány dva motory se stejným vrtáním, ale s různým zdvihovým poměrem, se stejnou střední pístovou rychlosti a stejným středním efektivním tlakem p e = 1,2 MPa. Byla zvolena střední pístová rychlost v p = 22 m/s. Osmiválcový motor s vrtáním 85 mm a zdvihem 85 mm má objem cm 3. Při střední pístové rychlosti 22 mls bude mít otáčky v n = p 30 = 7750 L (1/min). Výkon motoru při p e = 1,2 MPa bude P kw 3,86 1, = = 300 (kw)

45 Tomu odpovídá měrný výkon 78 kw/dm 3 (106 k/dm 3 ), jak je vidět z tab. 7. Zkrátí-li se u tohoto motoru zdvih na 66 mm, bude zdvihový poměr 0,77 a objem motoru cm 3. Nyní však při stejné střední pístové rychlosti 22 m/s bude možno zvýšit otáčky na /min. Za těchto podmínek bude výkon motoru opět 300 kw, ale měrný výkon se zvýší na 100 kw/dm 3 (136 k/dm 3 ). Tab. 7. Porovnání litrového výkonu u motorů se stejným středním efektivním tlakem p e = 1,2 MPa a stejnou střední pístovou rychlostí v p = 22 m/s Alternativa A B C D E Vrtání D (mm) Zdvih L (mm) ,5 36,5 Poměr L/D (1) 1,0 0,777 0,777 0,695 0,96 Počet válců Objem (cm 3 ) Výkon (kw) Otáčky (1/min) Měrný výkon (kw/dm 3 ) Poněvadž rychlost vzduchu ve ventilu je úměrná rychlosti pístu a poměr plochy dna pístu a průřezové plochy ve ventilu se nemění, bude rychlost vzduchu ve ventilu v obou případech stejná, a to je předpokladem pro dosažení stejného p e. Na tomto příkladu je jasně demonstrována výhoda krátkozdvihového motoru, ovšem při dodržení stejné střední pístové rychlosti. Někdy mohou kinematické poměry rozvodu bránit zvýšení otáček, nebol' v obou případech jsou rozměry ventilů a síly ventilových pružin stejné. Pro zvýšení otáček je nutno použít silnějších ventilových pružin, upravit průběh zdvihu ventilu nebo použít dvou menších ventilů místo jednoho. V případě motoru označeného v alternativě C je zvětšen počet válců na 12 a výkon motoru se zvýší úměrně počtu válců. Měrný výkon se však nezmění. V případě D jsou rozměry jednoho válce zmenšeny tak, aby při 12 válcích zůstal celkový objem nezměněný, tj cm 3. Tomuto požadavku bude zhruba odpovídat vrtání 77 mm a zdvih 53,5 mm. Pro dosažení střední pístové rychlosti 22 m/s je možno zvýšit otáčky na /min. Výkon motoru bude 369 kw (502 k) a měrný výkon bude 123 kw/dma (167 k/dm 3 ). Je to další podstatné zvýšení výkonu a i v tomto případě zůstávají podmínky stejné jako v předcházejících případech. Pro zajímavost je ještě v tabulce uveden motor E s vrtáním 38 mm a zdvihem 36,5 mm, což při šesti válcích odpovídá objemu 250 cm 3. V tomto případě při /min by měl být výkon motoru 45 kw (61,2 k) a měrný výkon 180 kw/dm 3 (245 k/dm 3 ). 45

46 Těmto vypočteným hodnotám odpovídají některé závodní motory. Motor Ford Cosworth DFV odpovídá zhruba případu B, má však p e vyšší než 1,2 MPa. Případu C odpovídá motor Porsche 917, nevyužívá však plně otáček a střední pístové rychlosti, což zvyšuje jeho spolehlivost. Případ D odpovídá motoru Ferrari 312 B s nižším p e. Poslední případ, motor E, se přibližuje motoru Honda, který však má nižší střední pístovou rychlost a nižší střední efektivní tlak. Přehled závodních motorů Honda s vynikajícím měrným výkonem je uveden v tab. 8. Tab. 8. Technická data závodních motorů Honda Objem (cm 3 ) Vrtání (mm) Zdvih (mm) Počet válců Výkon (kw) Otáčky (1/min) p e (MPa) v p (m/s) Měrný výkon (kw/dm 3 ) , ,17 18,6 132, ,8 6 38, ,12 19,1 153, ,5 25, ,14 17,6 200,0 Na těchto příkladech je vidět, v jak širokém rozsahu se může měnit měrný výkon při různě velikých rozměrech válců. Využití výhod malých rozměrů válců však není možné u motorů s velkým objemem. U motorů formule 1 je zakázáno používat většího počtu válci než 12. Závodní motory BRM používaly až 16 válců a dosahovaly vysokého měrného výkonu. Použitím 12 válců místo 8 se dá dosáhnout většího výkonu, ale dosažení špičkových parametrů vyžaduje samozřejmě dlouhý vývoj. Větší počet ložisek víceválcového motoru nepříznivě ovlivňuje mechanickou účinnost, která je spolu se zhoršenou tepelnou účinností malých válců příčinou větší měrné spotřeby paliva u těchto motorů. Některé dvanáctiválcové motory však mají menší počet ložisek než vidlicové motory osmiválcové. Například plochý dvanáctiválcový motor Ferrari 312 B má klikový hřídel uložený jen ve čtyřech ložiskách, přičemž první a poslední ložisko je valivé; takové uložení je možné u neděleného klikového hřídele. Řadové čtyřválce mají běžně klikový hřídel uložený v pěti ložiskách. Výhodou plochého motoru je lehká kliková skříň a nízké těžiště motoru. Z diagramu na obr. 31 je jasně vidět cestu za vysokým měrným výkonem. Je na něm vyjádřena závislost měrného výkonu na p e a v p. Chceme-li např. dosáhnout měrného výkonu 140 kw/dm 3, zjistíme, že při p e = = 1,2 MPa to je možné při /min. Je-li v p omezena na 22 m/s a zdvihový poměr je 0,75, lze vypočítat objem válců a vrtání uvedené na horní stupnici diagramu. V uvažovaném případě bude vrtání 63 mm a objem jednoho válce V l = 150 cm 3. To znamená, že 12 válců by dávalo objem jen cm 3! Na objemové stupnici 46

47 jsou pro informaci uvedeny černými body pro třílitrovou kategorii počty válců: 8, 12 a 16. Tohoto diagramu lze použít i pro stanovení měrného výkonu pro nižší otáčky, dělíme-li stupnici otáček i měrného výkonu dvěma. Horní stupnice však v tomto případě neplatí. Obr. 31. Diagram k určení litrového výkonu motoru podle otáček n a středního efektivního tlaku p e. V horní části diagramu je pro informaci zdvih, vrtání a objem jednoho válce při zdvihovém poměru 0,75 a střední pístové rychlosti 22 m/s 47

48 7. ROZVOD Rozvod závodního motoru má veliký vliv na dosažené parametry. Spolu s klikovým mechanismem má podstatný vliv na maximální dosažitelné otáčky. Ventilový rozvod závodního motoru nabyl velké dokonalosti. Díly ventilového rozvodu jsou nejvíce namáhány z celého motoru. Poněvadž značně záleží na jejich hmotnosti, využívá se až do krajnosti pevnosti materiálu. Například výfukový ventil pracuje při červeném žáru s teplotami nad 800 C, a přitom se otvírá při /min motoru 100krát za sekundu. Dvanáctiválcový motor se čtyřmi ventily (na každý válec) má 48 ventilů a obvykle 96 pružin, přitom zlomení jedné pružiny může znamenat zničení motoru a prohraný závod. Závody značně přispěly k vývoji rozvodu automobilového motoru. Brzy se upustilo od jednoduchého rozvodu s bočními ventily (SV) a ani rozvod s ventily v hlavě a vačkovým hřídelem v klikové skříni (OHV) neobstál v tvrdé zkoušce. Jeho velká hmotnost a hlavně pružnost rozvodu nevyhovovala při vysokých otáčkách, a proto se dnes používá jedině rozvodu s vačkovým hřídelem v hlavě válců (OHC), nebo nejčastěji se dvěma vačkovými hřídeli v hlavě válce (2 x OHC), z nichž jeden ovládá řadu sacích a druhý řadu výfukových ventilů. Veliké zrychlující síly v rozvodu a velký počet jejich impulsů vedou k rozkmitání ventilových pružin nebo celého rozvodu, což znamená dodatečné zvýšení namáhání dílů, často vedoucí až k poruše. Proto byla jednotlivým dílům rozvodu věnována veliká pozornost, zejména tvaru vaček a časování. Během dlouholetého vývoje se dospělo k téměř jednotnému provedení přímého pohonu ventilů od vačky s použitím lehkého vloženého hrníčkového zdvihátka. Pokusy byly konány i s nuceným (desmodromickým) pohonem ventilů a se šoupátkovým rozvodem. Přes zdánlivé výhody těchto provedení se však nedospělo k požadované spolehlivosti a dosud žádný z těchto rozvodů nenašel trvalé použití u závodních motorů. 7.1 DRUHY VAČEK Tvar vačky má zásadní vliv na průběh zdvihu, rychlosti a zrychlení ventilu. Úvodem je nutno vyjít od základních tvarů a jejich vlastností. Nejjednodušší tvar má vačka harmonická, vytvořená ze základní kružnice, vrcholové kružnice a kruhových boků. Pro zdvih s, rychlost v a zrychlení a na boku vačky platí tyto rovnice: s ( ) b = r r1 (1 cos ) (mm), 3 α 1 v ( ) b = ω r3 r1 sinα (m/s),

49 2 1 a ( ) b = ω r3 r1 cosα (m/s 2 ) 1000 π n Kde ω (úhlová rychlost vačky) =. 30 Na vrcholu vačky platí rovnice: s v = h S ( 1 cos β ) (mm), 1 v v = S ω sin β 1000 (m/s), 2 1 a v = S ω cos β 1000 (m/s 2 ). Označení v těchto rovnicích odpovídá obr. 32, na kterém je také znázorněn průběh. zdvihu, rychlosti a zrychlení v závislosti na úhlu otočení klikového hřídele δ. Obr. 32. Průběh zdvihu s, rychlosti v a zrychlení a u harmonické vačky Někdy se místo rovné opěrky používá vložené vahadlo s kruhovým bokem o poloměru r 2. I u hrníčkových zdvihátek se někdy používá dno s válcovou opěrkou. Takové úpravy používá např. motor Offenhauser nebo Ford Indy (obr. 85). Vložená vahadla jsou použita i u motoru Porsche Carrera (obr. 33). V těchto případech se mění průběh zrychlení, jak je naznačeno na obr. 34. Nepříznivý je veliký skok ze zrychlení do zpoždění. Pro bok vačky platí rovnice: s b = r + r ) cosγ ( r r ) cosα ( r + ) (mm), ( r2 sin ( ) 1 ( ) α γ v b = ω r3 r1 (m/s), cosγ r3 r1 cos α cos ( α γ ) 1 a b = ω ( r3 r1 ) 3 (m/s 2 ) r3 + r2 cos γ cosγ 1000 pro vrchol vačky platí rovnice: s v = r + r ) cosγ + S cos β ( r + ) (mm), ( r2 49

50 50

51 sin ( γ + β ) 1 v v = S ω (m/s), cosγ S cos β cos( γ + β ) 1 a v = S ω + cosγ cos (m/s 2 ). r + r γ 1000 Zvláštním případem takové vačky je, když poloměr boku je nekonečně veliký. Je to vačka tangenciální s přímkovým bokem, která se však u závodních vozů používá velmi zřídka. U vaček je žádoucí, aby poloměr základní kružnice byl co nejmenší, a potom třecí síla mezi vačkou a zdvihátkem působí na malém rameni. U harmonické vačky se dá stanovit velikost základní kružnice grafickou cestou (obr. 35). Při řešení se postupuje následujícím způsobem. Obr. 34. Průběh zdvihu s, rychlosti v a zrychlení a u vačky s vypouklým bokem a kruhovou opěrkou Nakreslíme osu vačky a pod úhlem polovičního otevření vačky, např. 75, vedeme přímku 02. Zvolíme poměr zrychlení na vrcholu a boku vačky a v tomto poměru naneseme na osu vačky vzdálenost 01 a na skloněnou přímku vzdálenost 02. Z bodu 2 opíšeme kružnici bodem 1 tak, až vytne na přímce 20 bod 4. Ze středu vačky 0 opíšeme kružnici bodem 4 až po bod 3 na ose vačky. Tím je určena závislost zdvihu vačky na základní kružnici a vzdálenost 13 určuje zdvih vačky. Nyní sestrojíme podobný obrazec pro požadovanou vačku tak, aby 1 '3' byl požadovaný zdvih, a ve stejném poměru se zvětší i vzdálenosti 01 ' a 02 '. Nyní z bodu 1' opíšeme zvoleným poloměrem vrcholu vačky r 4 vrcholovou kružnici a doplníme celý obrys vačky. Poměr zrychlení ku zpoždění a poloměr zaoblení vrcholu vačky se musí určit teprve po důkladném rozboru. Ve styčné ploše vačky se zdvihátkem jsou vysoké měrné tlaky a je zde nebezpečí velkého opotřebení a zadíráni. Minimální průměr zdvihátka r e (obr. 36) se vypočte z poměrů na přechodu ze zrychlení do zpoždění ve vzdálenosti K od osy zdvihátka. V této poloze musí vačka 51

52 ještě dosedat celou šířkou na zdvihátko. Poloměr r e se vypočte podle vzorce r e = K 2 b + 2 2, kde = ( r3 r1 ) sinα 2 K, b je šířka vačky, α 2 vrcholový úhel zrychlujícího boku vačky. Je-li vačka vyosená od středu zdvihátka (aby se zdvihátko otáčelo), je nutno k šířce vačky b připočítat dvojnásobné vyosení. Obr. 35. Grafické stanovení minimálního průměru základní kružnice u harmonické vačky Obr. 36. Stanovení minimálního průměru zdvihátka Obr. 37. Grafické řeš:ní zdvihu s, rychlosti v a zrychlení a u harmonické vačky Harmonickou vačku lze řešit velmi jednoduchou grafickou konstrukcí, znázorněnou na obr. 37. Vačka se nakreslí ve zvětšeném měřítku, např. 10 : 1. Stačí nakreslit střed základní kružnice 0 1, střed zaoblení boku vačky 0 3 a střed zaoblení vrcholu 0 4. Zdvih zdvihátka se zjistí vedením tečny k obrysu vačky kolmo na osu 52

53 zdvihátka při hledaném úhlu vychýleni. K tomu ovšem je nutno nakreslit i obrys vačky a základní kružnici. Zdvih S se rovná vzdálenosti zdvihátka od základní kružnice. Pro stanovení rychlosti v a zrychlení a se opíše nad úsečkou 0103 půlkružnice. Z bodu 03 se vedou přímky rovnoběžné s osou zdvihátka (např. po 5 ) a průsečík této přímky s kružnicí určí velikost rychlosti v = 0 1 a zrychlení a = Takto získaná vzdálenost v metrech se děli měřítkem a pro rychlost se násobí ω, pro zrychlení ω 2. Podobně se při hledání rychlosti a zrychlení na vrcholové kružnici opíše půlkružnice nad úsečkou a další postup je stejný jako v předcházejícím případě. Toto řešení je rychlé a vyhovuje pro předběžné studie. Vzhledem k pružnosti rozvodu je žádoucí, aby změny ve zrychlení nebyly prudké. Jedná se zejména o přechod ze zrychlení do zpoždění. Prudkému skoku se dá zabránit vytvořením boku vačky ze dvou až tři kruhových oblouků. Potom je změna zrychlení stupňovitá. Dokonalejší je ovšem vačka s plynulým průběhem zrychlení. Její výpočet je značně složitý a vymyká se rozsahu této knihy. Některé prameny jsou však uvedeny na konci knihy v použité literatuře [9]. Obr. 38. Porovnání vačky s plynulým průběhem zrychleni M (plná křivka) a harmonické vačky A (čárkovaná křivka). Odchylky ve zdvihu jsou nepatrné Pro předběžné řešení rozvodu lze použít tvaru harmonické vačky s jednoduchým a rychlým grafickým řešením a výsledný tvar potom modifikovat na vačku s plynulým průběhem zrychleni. Rozdíly ve zdvihové křivce jsou jen nepatrné a na plnicí účinnost nemají vliv. Na obrázku 38 je příklad zdvihové křivky a průběhu zrychlení u předběžné vačky harmonické A naznačen čárkovaně a plnou křivkou je naznačen průběh zrychlení u modifikované vačky M. Základní data obou vaček jsou v tab. 9 a porovnání zdvihů a jejich rozdíl jsou uvedeny v tab. 10. Maximální rozdíl ve zdvihu je jen asi 0,07 mm. Uváží-li se pružná deformace vačkového hřídele a nepřesnost broušeni tvaru 53

54 Tab. 9. Základní data porovnávaných vaček Vačka harmonická A modifikovaná M Úhel naběhnutí s konstantní rychlostí otvírání 4 o 4 o Zdvih náběhu (mm) 0,0508 0,0508 Úhel boku vačky na straně otvírání 62 o 64 o Úhel boku vačky na straně zavírání 61 o 45' 63 o Úhel výběhu s konstantní rychlostí zavírání 12 o 30' 14 o Zdvih zavíracího výběhu (mm) 0,2286 0,254 Zdvih na vačce (mm) 9,1694 9,1694 Poloměr základní kružnice (mm) 20,59 20,59 Tab. 10. Porovnáni zdvihu harmonické a modifikované vačky Úhel natočení od osy vačky ( o ) na stranu otvírání Zdvih (mm) Harmonická vačka A Modifikovaná vačka M Rozdíl (mm) 10 o 8, , , o 7, , , o 6, , , o 4, , , o 1, , , o 0, , , na stranu zavírání 10 o 8, , , o 7, , , o 6, , , o 4, , , o 1, , , o 0, , , vačky, je to rozdíl velmi malý. Velikost zrychlení bude u vačky s plynulým průběhem zrychlení větší než u harmonické, ale změna zrychlení bude pomalejší. Obě plochy mezi křivkou zrychlení a zpoždění a mezi nulovou osou musí být stejně veliké. 7.2 PRŮBĚH ZDVIHU VENTILU Při určitém zdvihu h ventilu je možno volit jeho různý průběh. Na obrázku 39 jsou naznačeny dva průběhy zdvihu ventilu s různou rychlostí otvírání. Je-li doba zrychlování ventilu stejná jako doba jeho zpožďování, hodnoty zrychlení a zpoždění budou přibližně stejné, ale otvíráni ventilu bude pomalé. 54

55 Časový průběh velikostí průtočné plochy ve ventilu je přibližně shodný s průběhem zdvihu ventilu. Je-li plocha pod zdvihovou křivkou malá, znamená to větší rychlost proudění v sedle, a tedy horší plnicí účinnost. Proto je žádoucí rychlé otvírání, aby tato plocha byla co největší. Pro porovnání je na obr. 39 naznačen průběh zdvihu ventilu v případě, kdy je maximální zrychleni 4,5krát větší než maximální zpoždění. Rozdíl v ploše pod zdvihovou křivkou je značný. Obr. 39. Porovnáni zdvihových křivek ventilů při poměru zrychlení ke zpoždění 1 : 1 a 4,5 : 1 Plnost zdvihové křivky udává poměr plochy obdélníky se základnou b a výškou h k ploše pod zdvihovou křivkou ventilu. Rozdíl mezi oběma plochami je na obraze svisle šrafován. Důležité je, aby zejména mezi horní a dolní úvratí pístu, tam kde je největší rychlost pístu, byl ventil dostatečně otevřen. Poněvadž plocha pod křivkou zrychleni a zpoždění musí být stejná, zvýší-li se zrychlení, musí se zkrátit doba zrychlení a naopak. Zvětší-1i se zrychlení, sníží se hodnota zpoždění, což je výhodné pro sílu ventilové pružiny, vzroste však tlak mezi vačkou a zdvihátkem při otvírání ventilu. U výfukového ventilu je důležité, aby se tlak plynu ve válci využil co nejdéle k expanzi a po otevření ventilu rychle poklesla nekladl velký odpor při pohybu pístu nahoru. To vyžaduje rychlé otvírání ventilu. U ventilu sacího se naopak požaduje co největší otevření ventilu při pohybu pístu nahoru ke konci sacího zdvihu a po vyrovnání tlaků ve válci a v sacím potrubí jeho rychlé uzavření. V horní úvrati pístu na konci výfuku jsou oba ventily při vyplachování válce otevřeny a zde bývá nebezpečí vzájemné kolize ventilů. I když je žádoucí velký úhel překrývání ventilů, je zdvih ventilu v HÚ omezen, aby vzájemná kolize ventilů nenastala. V tomto případě jde i o kolizi ventilů s pístem. Z toho důvodu je nutné zhotovit diagram (obr. 43), na kterém je naznačen nejen průběh zdvihu ventilů, ale i vzdálenost dna pístu od ventilů. U smontovaného motoru se dá vůle mezi pístem a ventilem překontrolovat v prostoru kolem HÚ tím, že stlačíme příslušný ventil, až dosedne na píst, a změříme váli mezi ventilem (zdvihátkem) a vačkou. Diagram na obr. 40 vyjadřuje poměry u závodního motoru Mercedes-Benz s objemem 4,5 litru a vačkou M 165 d. Výše uvedené požadavky vedou k tomu, že se někdy volí nesymetrický průběh zdvihu ventilu. Výfukový ventil se rychleji otvírá a sací se rychleji zavírá. Takový 55

56 typický průběh zdvihu ventilů u úspěšného motoru Fiat 125 Abarth je znázorněn na obr. 41. V tomto případě je časování při vůli 0,4 mm SO 35, SZ 75, VO 75, VZ 35. Z tohoto časování vychází úhel otevření obou ventilů stejný Provozní vůle na ventilu je však menší než pro kontrolu časování, takže skutečný úhel otevření je asi 300, což je obvyklá hodnota u závodních motorů. Obr. 40. Vzájemný pohyb ventilů a pístu u závodního motoru Mercedes Benz 4,5 dm 3 Obr. 41. Průběh zdvihu ventilů u vačky motoru Fiat 125 Abarth 7.3 ČASOVÁNÍ A VŮLE NA VENTILU Časování ventilů se znázorňuje na kružnici, otáčející se rychlostí klikového hřídele; označuje se na ní SO - sání otvírá, SZ sání zavírá, VO - výfuk otvírá, VZ - výfuk zavírá. Dále se označuje HÚ - horní úvrati pístu, DÚ - dolní úvrať. Někdy jsou tyto značky i na setrvačníku či na řemenici. časování závodního motoru Ford Cosworth DFV je na obr. 42. Časování ventilů se udává často při vůli na ventilu větší, než je vůle provozní. Je to z toho důvodu, že při malé vůli na ventilu a při nábězích na vačce se malá změna vůle projeví ve velké změně okamžiku otvírání ventilu. To vede k nepřesnému nastavení rozvodu. Při větší vůli na ventilu je tato nepřesnost menší, ovšem po správném nastavení časování je nutné nastavit na ventilech předepsanou provozní vůli. 56

57 Předpis pro časování musí uvádět, nastavuje-li se časování na teplém nebo studeném motoru a je-li předepsaná vůle pro časování také vůlí provozní. Příklad časování některých závodních motorů je uveden v tab. 11. Obr. 42. Časováni závodního motoru Ford Cosworth DFV Tab. 11. Porovnání údajů některých závodních motorů Ford Cosworth DFV Porsche 917 BMW M12/6 Mercedes Benz 163 Vrtání (mm) 85, ,2 64 Zdvih (mm) 64, Počet válců 8V 1 ) 12P 2 ) 4Ř 3 ) 8V 1 ) Výkon (kw) Otáčky (1/min) Přeplňování ne ne ne ano Rozvod 2xOHC 2xOHC 2xOHC 2xOHC Počet ventilů na válec SO 58 o 104 o 61 o 40 o 30' SZ 82 o 104 o 81 o 67 o 30' VO 98 o 105 o 78 o 47 o VZ 58 o 75 o 58 o 31 o při vůli - 0,1 0,36 0,25 Překrytí v HÚ 116 o 179 o 119 o 71 o 30' Doba otevření sacích ventilů 320 o 388 o 322 o 288 o Doba otevření výfukových ventilů 336 o 360 o 316 o 258 o 1 ) V = vidlicový motor 2 ) P = plochý motor 3 ) Ř = řadový motor U závodních motorů je typická dlouhá doba otevření ventilu, obvykle přes 320 otočení klikového hřídele. Je nutná pro zvládnutí zrychlujících sil v rozvodu a také pro velké překrytí ventilů v HO, které je potřebné pro dobré vypláchnutí spalovacího prostoru a využití tlakových kmitů v potrubí. Čím jsou vyšší otáčky motoru, tím delší má být doba otevření ventilu. 57

58 Zavírání sacího ventilu m:í začít v okamžiku, kdy do válce přestane proudit vzduch. Při využití tlakových kmitů v potrubí to bývá značně opožděně po DO. Je nutno pamatovat i na to, že komprese ve válci nastane až po uzavření ventilu, a proto také skutečný kompresní poměr je daleko nižší než poměr vypočtený z celého zdvihu. Také náplni válce při uzavírání ventilu je značně menší než zdvihový objem. Účinnost plnění je zlepšena využitím tlakových kmitů v sacím potrubí při uzavírání ventilu a vypláchnutím spalovacího prostoru čerstvou náplní. Otvírání výfukového ventilu bývá značně před DÚ. Do určité míry to je ztráta při expanzi výfukových plynů, ale toto předčasné otvírání je nutné pro snížení tlaku w- válci, než se píst začne pohybovat směrem k HÚ. Požadovaný předstih otvírání výfukového ventilu roste s otáčkami motoru. Je jasné, že takový rozvod je nevyhovující při malých otáčkách. Volnoběžné otáčky jsou proto vysoké a maximální točivý moment vzniká až při značně vysokých otáčkách. Časování je zaměřeno na maximální výkon při maximálních otáčkách motoru, při kterých hlavně má motor pracovat. Někdy je pracovní rozsah otáček motoru velmi malý a při poklesu otáček motor rychle ztrácí výkon. Je to konečně zřejmé z téměř přímkové rychlostní charakteristiky závodního motoru. Takový motor musí být doplněn vícestupňovou převodovkou, aby mohl být udržován při optimálních otáčkách za všech podmínek. Přeplňovaný motor vyžaduje jiné časování než nepřeplňovaný. Je to vidět na příkladu posledního motoru v tab. 11. Tento starší motor Mercedes-Benz byl přeplňován dvěma dmýchadly typu Roots. Doba otevření ventilů je mnohem menší a zejména výfukový ventil se otevírá těsně před DO, aby se ve válci využil vysoký tlak plynů pro získání užitečného výkonu. Zvlášť při použití mechanicky poháněných dmýchadel je otvírání výfukového ventilu při vysokém tlaku plynů ve válci nevýhodné vzhledem ke ztrátě výkonu, a hlavně pro vysokou měrnou spotřebu paliva. Mění-li se vůle na ventilu při změně teploty motoru ve větším rozsahu, dělá se na náběhové i výběhové straně vačky náběh, nejčastěji s konstantní rychlostí. Ten zabraňuje hluku a vytloukání sedla ventilu při větší vůli. V rozmezí změny vůle u teplého a studeného motoru se náběhem udržuje konstantní rychlost při otvírání a zavírání ventilu. Vůle na ventilu bývá způsobena rozdílným teplotním roztahováním jednotlivých dílů motoru. Vzdálenost A (obr. 43) od sedla ventilu až po střed vačkového hřídele je vytvořena v hliníkové hlavě válce. Hliníkové slitiny mají teplotní roztažnost 20 až 24 * / C. Hlava má však u kapalinou chlazených motorů poměrně nízkou teplotu chladicí kapaliny. Teplotní roztažení se vypočítá ze vzorce l = l t α, kde l je změna délky neboli roztažení (mm), l délka předmětu (mm), t změna teploty (průměrné) ( o C), α součinitel teplotní roztažnosti (1/ o C). 58

59 Vzdálenost B je sice vytvořena ocelí, ale austenitická ocel výfukového ventilu má velký součinitel teplotní roztažnosti, asi Také teplota výfukového ventilu je vysoká, takže jeho roztažení je značné. Vzdálenost C je vytvořena ocelí, je poměrně malá a i teplota dílů je nízká. Proto hraje jen malou roli. Obr. 43. Schéma ventilového rozvodu OHC Teplotní roztažení výfukového ventilu bude větší než u ventilu sacího. Proto vůle na výfukovém ventilu za studena bývá větší. Je však nutno počítat i s tím, že po nastartování studeného motoru se rychle ohřeje výfukový ventil a teprve potom se začne ohřívat hlava válce. Tato fáze je nebezpečná, protože výfukový ventil se může roztáhnout o tolik, že vymezí ventilovou vůli a ventil zůstane otevřen. Při profukování se může sedlo ventilu rychle propálit. Po ohřátí motoru se vůle na ventilu objeví, a tak se tato závada dá obtížně zjistit. Proto se motory před jízdou pečlivě ohřívají. U závodních motorů mají obvykle sací i výfukové ventily svoji vlastní vačku. Vzájemným natočením vačkových hřídelů se dá snadno měnit úhel mezi osou výfukové a sací vačky. Proto bývá hnací kolo k vačkovému hřídeli připevněno tak, aby umožňovalo jemné nastavení. 7.4 SÍLY V ROZVODU Zrychlující síly v rozvodu se vypočítají násobením zrychlení a hmotnosti, na kterou zrychlení působí. Mají tedy stejný průběh jako zrychlení, pouze měřítko jiné. Mimoto působí ve styčné ploše mezi zdvihátkem a vačkou síla ventilové pružiny, která se bud připočte, nebo odečte od zrychlující sily. Ve vedení ventilu a zdvihátka, v čepech ventilových vahadel a ve styku ventilu s vahadlem působí tření, které je nutno také uvažovat. Kromě toho působí na hlavu ventilu tlak plynu ve válci, což je důležité zejména při otvírání výfukového ventilu. Je-li v rozvodu použito vložené páky mezi vačkou a ventilem s převodem x, síly se na ventil převádějí násobením x a hmotnosti násobením x 2. Na obrázku 44 je zanesena zrychlující síla Z r, a zpožďující síla Z P ventilu, zdvihátka a poloviny hmotnosti ventilové pružiny v závislosti na zdvihu ventilu h. Do diagramu je zanesena i přímková charakteristika ventilové pružiny. Při otvíráni 59

60 ventilu se zrychlující síla Z r, a síla ventilové pružiny F 1 sečtou a výsledkem je síla působící mezi vačkou a zdvihátkem. Na vrcholu vačky je nutno obě síly F 2 a Z p od sebe odečíst. Síly způsobené tlakem plynů ve válci a třením ve vedení ventilu a zdvihátka je nutno respektovat rezervou R, která slouží i při přetočení motoru a bývá 20 a 60 % vypočtené hodnoty. Má-li se zabránit zadírání vačky a zdvihátka, musí se měrné tlaky ve styčné ploše volit podle použitého materiálu a mazání. Velikost tlaků se vypočte podle Herzových vzorců. V principu je závislá na poloměru stýkajících se ploch. Obr. 44. Síla působící mezi vačkou a zdvihátkem Obr. 45. Mazání zdvihátka motoru Porsche 917 Ve styku rovného zdvihátka s bokem vačky s velkým poloměrem při otvírání ventilu jsou příznivé podmínky. Na vrcholu vačky zaobleném malým poloměrem jsou podmínky horší, ale zde bývá menší tlak mezi vačkou a zdvihátkem, zvláště při vysokých otáčkách. Na obrázku 44 jsou znázorněny síly v rozvodu při /min. Poněvadž zrychleni je závislé na druhé mocnině otáček, bude mít při 1/4 otáček hodnotu 1ókrát menší než při maximálních otáčkách. V diagramu je to znázorněno čárkovaně. V tomto případě podstatně poklesne tlak mezi vačkou a zdvihátkem při otvírání, ale vzroste na vrcholu vačky. Při silných ventilových pružinách a malém zaoblení vrcholu vačky zde může dojít k zadírání právě při malých otáčkách. V každém případě je nutno zajistit dobré mazání mezi vačkou a zdvihátkem. Do styčné plochy se přivádí olej bud z vhodně umístěné trysky, nebo vývrtem v dutém vačkovém hřídeli. Vyústění mazacího otvoru je na náběhové straně ještě na základní kružnici vačky. Příklad mazání plochého zdvihátka u motoru Porsche 917 je na obr. 45. Otvor pro přívod oleje je ve vedení zdvihátka, které si samo řídí mazání otevřením otvoru při zdvihu asi 2 mm. Tímto způsobem se ušetří asi 60 % oleje potřebného pro mazání rozvodu a tím se i odlehčí odčerpávající olejová čerpadla. 60

61 Pro vačku a zdvihátko se volí různé materiály, aby se zabránilo zadírání. Je-li zdvihátko ocelové, cementované, používá se povrchově kalená litinová vačka. Také povrchové tvrdostí mají být poněkud rozdílné. Příčinou zadírání může být i místní přetížení. To vznikne např. tehdy, není-li vývrt pro zdvihátko přesně kolmý k ose vačky. Někdy stačí i prohnutí málo tuhého vačkového hřídele, aby na jednom okraji vačky vzniklo místní přetížení. To se vyloučí např. uložením ventilové pák; na kulovém čepu (obr. 33). Výhodné je otáčení plochého zdvihátka, protože se opotřebení rozloží pravidelně po celé ploše. To, že se zdvihátko otáčí, se pozná podle paprskovitě vyleštěných ploch. Jsou-li na zdvihátku rovnoběžné čáry v šířce vačky, zdvihátko se neotáčí. Někdy se na něm objeví pitting, známý ze záběru ozubených kol. Je způsoben vylamováním drobných zrn materiálu, zapříčiněným střídavým namáháním v různých směrech. V tomto případě někdy naopak pomůže, zamezí-li se otáčení zdvihátka a vydatné mazání. Otáčení zdvihátka se snadno zajistí jeho vyosením ze středu vačky o 1 až 1,5 mm. U válcových opěrek o malých poloměrech zaoblení stýkajících se ploch se často objevují potíže s opotřebením. Nepomůže-li cementování a kaleni, dají se použít některé speciální prášky, navařované na jednu ze styčných ploch. Vložené páky se dříve často používaly (Mercedes-Benz, Porsche apod.), nyní se však všeobecně přechází k hrníčkovým zdvihátkům s rovnou opěrkou, která je příznivá i pro vytvoření mazacího filmu. 7.5 PRUŽNOST ROZVODU Pružnost rozvodu velmi narušuje pravidelný průběh otvírání ventilu a bývá příčinou velkých potíží při řešení rozvodu. Poprvé byla tomuto problému věnována pozornost u motorů OHV při zavádění hydraulických zdvihátek pro automatické vymezování vůle na ventilu. Vznikl totiž jeden problém. Jakmile začaly vlivem pružnosti rozvodu ventily odskakovat od vačky, hydraulické zdvihátko vzniklou vůli okamžitě vymezilo, a výsledkem bylo takové napumpování zdvihátka, že ventil zůstal otevřen. To samozřejmě vedlo k poklesu výkonu a nepravidelnému chodu. Tento nedostatek hydraulických zdvihátek existuje dodnes, a jedná-li se o sportovní úpravu sériového motoru, jsou hydraulická zdvihátka nahrazena mechanickými bez vymezování vůle. Pokud někdy ventily odskakují i v tomto případě, projeví se to jen zvýšeným hlukem a opotřebením, ale chod se nestane nepravidelným a výkon se nesníží. Rozvod motoru není absolutně tuhý a při zatížení se jeho díly deformují. Nejvíce se to projeví u rozvodů OHV. Zde se deformuje rozvodová tyčka, prohne se ventilové vahadlo a i hřídel ventilových vahadel se deformuje. Potom ovšem neplatí výpočet rozvodu předpokládající jeho absolutní tuhost. Na obrázku 46 je znázorněn rozdíl mezi skutečným A (silná čára) a vypočteným B (čárkovaná čára) zdvihem ventilu. Začátek otvírání se opozdí, neboť se nejprve celý rozvod vlivem pružnosti stlačí, až přenášená síla přemůže tlak ventilové pružiny 61

62 a zrychlujících sil. Vlivem prudkého zvětšení zrychlujících sil se rozkmitá celý rozvod svými vlastními kmity. Po prvním nárazu se stlačený rozvod uvolni, a není-li síla na vrcholu vačky veliká, zdvihátko odskočí od vačky v bodě 1. Zpět na vačku dosedne ještě před vrcholem, v bodě 2. Nejsou-li kmity ještě utlumeny, zdvihátko odskočí v bodě 3 podruhé a dosedne v bodě 4. Kritické podmínky jsou ještě při zavírání ventilu, kdy prudké zpoždění zdeformuje rozvod natolik, že ventil dosedne do sedla již v bodě 5, tedy dříve, než odpovídá, výpočtu. Prudké dosednutí do sedla způsobí jedno nebo i dvě další odskočení. Obr. 46. Průběh zdvihu ventilu u pružného rozvodu (tlustá čára) v porovnání s vypočtenou hodnotou pro tuhý rozvod (čárkovaná čára) Delší chod motoru v těchto nepříznivých podmínkách způsobí typické opotřebení vačky, jak je znázorněno na obr. 47. Při vysokých otáčkách a velmi pružném rozvodu může ventil odskočit jen jednou, v bodě 1, přeskočí celý zavírací bod vačky a dosedne až po teoretickém okamžiku zavření ventilu velkou rychlostí do sedla. Za takových podmínek by však motor nemohl pracovat. Mohou se ale vyskytnout, zlomí-li se jedna z ventilových pružin. Příčinou rozkmitání rozvodu bývá prudká změna ve zrychlení, zejména na přechodu ze zrychlení do zpoždění. Z toho důvodu jsou nyní oblíbeny vačky s plynulým průběhem zrychlení. Ale ani taková vačka nemůže zabránit rozkmitání pružného rozvodu při vysokých otáčkách. Kritické jsou otáčky, při nichž u vačky s konstantním zrychlením připadne na dobu zrychlení 1/2 vlny vlastních kmitů rozvodu (N = 0,5). U vačky s plynulým průběhem zrychlení nastává nepříznivá situace, připadne-li na dobu zrychlení doba jedné vlny vlastních kmitů (N = 1). Tyto případy jsou podle výpočtu a měření M. C. Turkishe naznačeny na obr. 48. Levý obrázek platí pro vačku s konstantním zrychlením, naznačeným čárkovaně. Tento případ se hodně přibližuje vačce harmonické. Na pravém obrázku je vačka s přibližně stejným průběhem zdvihu ventilu, ale s plynulým průběhem zrychlení, naznačeným rovněž čárkovaně. Skutečný průběh zrychlení vlivem pružnosti rozvodu je naznačen plnou křivkou. Je vidět, že značně přesahuje zrychlení vypočtené za předpokladu tuhého rozvodu. Toto zrychlení se přenese i do zpoždění, a jak je 62

63 vidět, přesahuje přes čerchovanou křivku síly ventilové pružiny, tedy ventil odskakuje od vačky. Obě tyto možnosti byly vyzkoušeny na motoru OHV při /min. V případě motoru s konstantním průběhem zrychlení byla frekvence vlastních kmitů motoru Obr. 47. Typické opotřebení vačky při odskakování zdvihátka Obr. 48. Vliv pružnosti rozvodu na skutečný průběh zrychlení (plná křivka) u vačky s konstantním zrychlením (vlevo) a u vačky s plynulým průběhem zrychlení (vpravo) /min a u motoru s plynulým průběhem zrychlení /min. Zkoušky jsou prováděny na motorech s velmi pružným rozvodem a za nejnepříznivějších podmínek, tj. pro konstantní zrychleni N = 0,5 a plynulé zrychlení N = 1. Obr. 49. Poměr DIA v závislosti na poměru doby zrychlení k době vlastního kmitu rozvodu Rozvod OHC má vlastní kmity mnohem vyšší v rozsahu až /min, a proto kritické podmínky vznikají až při mnohem vyšších otáčkách. Je ovšem nutno je uvažovat. Poměr D/A je na obr. 49 naznačen pro různé poměry doby zrychlení k době vlastního kmitu. Je vidět, že pro N = 1,5 je vačka s plynulým zrychlením výhodnější než vačka s konstantním zrychlením. Při N = l je však výhodnější vačka s konstantním průběhem zrychlení. 63

64 7.6 DESMODROMICKÝ ROZVOD Ventilová pružina je omezujícím článkem rozvodu. Zvláště u dvouventilového provedení je na hranici svých možností a nedovolí plně využít otáčky dokonale vyvinutého klikového mechanismu závodního motoru. U velkých ventilů je pro pružinu nepříznivý velký zdvih ventilu. Velký rozdíl délky pružiny u zavřeného a otevřeného ventilu vyžaduje, aby měla pružina velký počet závitů, což je ovšem příčinou jejích nízkých vlastních kmitů. Proto byla snaha ventilovou pružinu odstranit a ventil vačkou nejen otvírat, ale i zavírat. Desmodromický rozvod se objevil již u prvních motorů pro závodní vozy GP. U závodního motoru Peugeot z r byl první náznak v tom, že zdvihátko tvořilo kolem vačky prstenec, jehož horní kruhová polovina měla zajišťovat ve styku s vačkou zpětný pohyb zdvihátka, kdyby na to nestačila pružina. Zdokonalené provedení bylo u vozu Delage, již bez ventilové pružiny a s jednou otvírací a jednou zavírací vačkou. Také závodní motory Fiat zkoušely desmodromický rozvod s dvojitou axiální vačkou, souosou s ventilem. Mnoho řešení se objevilo u motocyklů Norton, Velocette, Ducati, Magnoletsi a dalších. Obr. 50. Válec a hlava motoru Mercedes-Benz W 196 S s desmodromickým rozvodem Nejvýznačnějšího úspěchu však dosáhl tento druh rozvodu u závodního motoru Mercedes-Benz 2,5 dm 3 z r Podobný motor s objemem 3 dm 3 se používal i u vozů 300 SLR. Rez tímto motorem s typovým označením W 196 S je na obr. 50. Je to dvouventilový motor, a proto jsou ventily dosti veliké a těžké. Desmodromický rozvod umožnil velké zrychlení při otvírání ventilu, ale i velké zpoždění, které ventilu neudělovala pružina, ale vačka. Ve styku vačky se zdvihátkem při 64

65 otvírání ventilu odpadla síla ventilové pružiny a o tuto hodnotu mohlo být zvýšeno zrychlení. Podle studii firmy Mercedes-Benz [10] tento desmodromický rozvod umožnil zvětšení zdvihu ventilu o 42 % proti normálnímu rozvodu s ventilovou pružinou. Maximální hodnota zrychleni byla m/s 2. Pozoruhodná je však zejména hodnota zpoždění m/s 2, což je zlepšení o 128 % proti hodnotám tehdy dosažitelným s ventilovou pružinou. Dík velkému zpoždění se dosáhlo větší plnosti zdvihové křivky a bylo možno zkrátit dobu otevření ventilu z 284 na 256 otočení klikového hřídele, což se blížilo optimální hodnotě. Obr. 51. Detaily desmodromického rozvodu motoru Mercedes-Benz Konstrukční provedení tohoto zajímavého rozvodu je vidět na obr. 51. V principu se jedná o dvě vačky. Vačka obvyklého tvaru otvírá ventil pomocí zdvihátka s mírně zakřivenou opěrkou. Zdvihátko je převlečeno přes rozšířenou stopku ventilu a vůle na ventilu se vymezuje ocelovou podložkou na konci stopky ventilu. Výřezem ve zdvihátku zasahuje rozvidlený konec dvouramenné rozvodové páky do bočních zářezů na stopce ventilu. Tím je také zabráněno otáčení zdvihátka. Rozvodová páka tedy ventil nuceně otvírá i zavírá. Druhé rameno rozvodové páky se opírá zaoblenou opěrkou o zavírací vačku. Zdvihátko má v hlavě válce vedení, která zachycuje třecí síly z opěrky zdvihátka, a tak odlehčuje vedení ventilu do bočních sil. Motor Mercedes-Benz je řadový osmiválec. Výkon se odebírá ze středu klikového hřídele. Klikový hřídel i ojnice mají valívá ložiska a klikový hřídel je dělený. Jednotlivé díly jsou spojeny Hirtovým ozubením. Benzín je vstřikován přímo do válce. Vstřikovací tryska ve stěně válce je v HÚ pístu zakryta pístem. Vstřikuje se během celého sacího a kompresního zdvihu. Tento motor dosáhl v závodech velkých úspěchů. 65

66 7.7 ŠOUPÁTKOVÝ ROZVOD Potíže s ventilovým rozvodem při vysokých otáčkách zaměřily pozornost k rozvodu šoupátkovému. Jako nevhodné byly zamítnuty rozvody s posuvnými šoupátky Knight, Burt a Imeria. Zdálo se, že vysokým otáčkám by vyhovovalo rotační šoupátko. U závodních motocyklů se objevily dvě konstrukce, které dosáhly dobrých výkonů, ale nebyly dostatečně spolehlivé. Byl to rozvod Cross s osou šoupátka kolmou k ose válce a Aspin s osou šoupátka v ose anebo rovnoběžnou s osou válce. Motocyklový motor Cross je znázorněn na obr. 52. Je zajímavý tím, že válec není spojen pevně s klikovou skříní, naopak je od ni odtlačován pružinou na litinové, nitrované šoupátko v hlavě válce. Přívod směsi a odvod plynů je ve směru Obr. 52. Motor Cross 248 cm 3 s rotačním šoupátkem osy šoupátka. V ose šoupátka je dělicí rovina mezi válcem a hlavou. Hlava válce se opírá o třmen, připevněný ke klikové skříni dlouhými šrouby. V tomto případě se dosáhlo úspěchu tím, že válec byl k šoupátku přitlačován jednak pružinou, jednak tlakem plynů ve válci, působícím na jeho horní část. Tím bylo sníženo tření šoupátka při sacím zdvihu, kdy k utěsnění stačil jen přítlak pružin. U rozvodu Aspin se používá kuželovitého šoupátka s vrcholovým úhlem 60. Celkové uspořádání je jasné z obr. 53. Šoupátko F v ose válce je uloženo ve dvou valivých ložiskách B a C a vůle pro mazací film mezi šoupátkem a hlavou se nastavuje podložkami A. Ložiska jsou v ocelové skříni D. Šoupátko se pohání ozubenými koly E a H svislým hřídelem N. V půdorysném řezu hlavou je vidět uspořádání sacího kanálu K a výfukového kanálu M. Zapalovací svíčka je do spalovacího prostoru v šoupátku P otevřena jen v HÚ na konci kompresního zdvihu. 66

67 Dr. Froede zkoušel u závodních motocyklů NSU podobný princip, znázorněný na obr. 54. Otvor vedoucí z kompresního prostoru je uzavřen plochým šoupátkem a je utěsněn zvláštním kroužkem, který se na šoupátko přitlačuje i tlakem plynů Obr. 53. Rotační šoupátko motoru Aspin Obr. 54. Rotační šoupátko motoru NSU ve válci. Pro možnost lepšího umístění svíčky byla osa šoupátka od osy válce odkloněna. Těsnění bylo uspokojující, ale tření bylo značné, přestože bylo šoupátko uloženo na valivém ložisku. Proti ventilovému provedeni bylo dosaženo jen nepatrného zvýšení výkonu. 67

68 Zdálo by se, že šoupátkový rozvod umožní zvětšeni průřezové plochy kanálů, ale u popsaných konstrukcí zlepšení nenastalo. Rovnoměrné otáčení šoupátka postupně otvírá kanál až do největší plochy a potom jej opět zavírá. V případě hranatého kanálu by křivka závislosti průřezové plochy na času byla trojúhelník. U kruhových kanálů by bylo otvírání pomalejší, ale na úkor celkové plochy. Z konstrukčních důvodů se nedá dosáhnout takové plnosti křivky jako u ventilového rozvodu. Lepší průtokový součinitel kanálu bez ventilu tuto nevýhodu nahradí jen částečně. Chronickou závadou rotačních šoupátek je jejich velké opotřebení, a proto se dosud neuplatnila. 68

69 8. DÍLY VENTILOVÉHO ROZVODU U pohybujících se dílů rozvodu se požaduje malá hmotnost. To je důležité zejména u vysokootáčkových motorů, kde převládá rozvod OHC. Díly vystavené vysokým teplotám musí být z vhodného materiálu, který si udržuje pevnost až do vysokých teplot. Také odolnost proti korozi s odolnosti proti opotřebení za tepla je nutná. Dosedací plochy zdvihátek, vaček a sedel ventilů musí vzdorovat otěru. 8.1 VAČKOVÝ HŘÍDEL Vačkový hřídel musí být tuhý, dobře uložený a vačky mají být blízko ložisek pro zamezení velkého průhybu hřídele vlivem zrychlujících sil. Vačkový hřídel se nejčastěji ukládá do kluzných ložisek. Zřídka se však používá konstrukce obvyklé u sériových motorů, která má průměr ložisek tak velký, aby se dal vačkový hřídel nasunout do nedělené skříně z jedné strany (obr. 61). Pro Obr. 55. Příčný řez válcem motoru Ford Indy snížení třecího momentu se používají ložiska s malým průměrem. Je-li průměr ložisek menší než kružnice opsaná přes vrcholy vaček, musí být ložiska dělená. To je nejčastější konstrukce závodních motorů. Její příklad je na obr. 55. V tomto případě je hlava válce dělena v ose vačkových hřídelů. Každé ložisko 69

70 vačkového hřídele má svoje víčko a ložiska jsou mazána tlakovým olejem. Šrouby k připevnění víček slouží někdy i k přichyceni víka vačkových skříní. Někdy je vačkový hřídel uložen ve valivých ložiskách, jak je vidět na obr. 56. Vnitřní průměr neděleného vnějšího kroužku ložiska je tak velký, že se dá přetáhnout přes vačky. Vnitřní kroužek ložiska odpadá a válečky běhají přímo po kaleném čepu vačkového hřídele. Obr. 56. Příčný řez motorem BRM Seřizuje-li se vůle na ventilu podložkami mezi zdvihátkem a ventilem, musí být možnost vačkový hřídel snadno demontovat pro výměnu těchto podložek. Vačkový hřídel bývá nejčastěji z cementační oceli. Povrch ložisek a vaček je cementován, kalen a broušen. U litinových vačkových hřídelů se povrch vaček kalí indukčně nebo plamenem. Pro přívod mazacího oleje k ložiskům se někdy používá vačkový hřídel dutý. Dlouhý vačkový hřídel s tenkou stěnou je však náchylný k deformaci při kalení. Aby se neprohnul, musí se při kalení ponořovat do oleje ve směru podélné osy. Hnací kolo bývá k vačkovému hřídeli připevněno tak, aby umožňovalo jeho jemné nastavení. Často se vačkový hřídel spojuje s kolem drážkováním na hřídeli, 70

71 přičemž počet drážek je např. o jednu větší, než je počet zubů na kole. Je-li počet zubů na kole n, potom při otočení kola na vačce o jednu drážku se relativně pootočí zub vůči ose vačky o 1/n rozteče dvou sousedních zubů. Taková přesnost je zcela vyhovující. Téhož účinku se dá využít při spojení vačky s kolem několika čelními kolíky. 8.2 VENTILY Ventily, zvláště výfukové, jsou nejvíce namáhanou součástí motoru. Mimo odolnost vůči vysokým teplotám se vyžaduje jejich těsnost a dostatečná životnost sedla. U méně namáhaných sacích ventilů se vystačí s ocelí legovanou křemíkem. Úspěšné pokusy se dělají i se slitinami titanu, které jsou výhodné pro nízkou hustotu. U výfukových ventilů je nutné zušlechtění oceli niklem a chromem. Velkou pevnost i při vysokých teplotách si udržují austenitické oceli, obsahující asi 13 % Ni a 13 % Cr. Tyto oceli se snadno poznají podle toho, že jsou nemagnetické. Nedají se kalit, a proto se plochy, od nichž se vyžaduje tvrdost, navařují stelitem (hlavní přísadou je kobalt) nebo nástrojovou ocelí. Dřík ventilu se proti opotřebení chrání tvrdým chromováním. Nevýhodou austenitických ocelí je jejich velká teplotní roztažnost a špatná tepelná vodivost. Aby se více tepla odvedlo vedením a sedlem ventilu, dělá se ventil dutý a plní se sodíkem. Kovový sodík je při pracovní teplotě ventilu kapalný, a poněvadž nevyplňuje celou dutinu, svým pohybem převádí teplo ze středu talíře ventilu do jeho lépe chlazených částí. Většinou se dutina vytvoří jen vyvrtáním dříku ventilu. U hodně teplotně namáhaných velkých ventilů se dělá celá hlava ventilu dutá. Takové ventily se vyrábějí složitým rotačním kováním nebo se po vytočení tulipánovitého tvaru ventilu na jeho dno přivaří destička. Pro dosažení malé hmotnosti má být ventil krátký, musí být ovšem zajištěn dobrý tvar kanálu a dobré chlazení vedení ventilu. Větší průměr dříku ventilu zlepšuje odváděni tepla a snižuje opotřebení stopky, zvětšuje však hmotnost. Úhel sedla ventilu 45 zajišťuje dobrou těsnost a má samočistící schopnost. Ve výjimečných případech se u sacích ventilů používá úhlu 30 pro zlepšení proudění vzduchu v sedle ventilu. Šířka sedla bývá asi 1,5 mm. Ventil bývá k talířku ventilových pružin připevněn nejčastěji dvěma měsíčkovými klínky. Více drážek na klínku snižuje měrný tlak v dosedací ploše a zmenšuje jejich vytloukání. Gumovými čepičkami na stopce ventilu se někdy brání pronikání oleje do vedení a zakarbonování a uváznuti ventilu. Životnost sedla ventilu se podstatně zvýší jeho otáčením. Při přímém pohonu ventilu zdvihátkem nastane otáčení ventilu vyosením zdvihátka vůči středu vačky. Při pohonu ventilu vloženou pákou se dá otáčení dosáhnout excentrickým záběrem vahadla nebo sešikmením styčné plochy. Otáčení ventilu usnadní jeho uvolnění od talířku ventilových pružin. V tomto případě oba klínky dosedají na sebe a mezi nimi a dříkem ventilu je malá vůle, umožňující snadné otáčení ventilu, aniž by se 71

72 musel talířek otáčet a klouzat po pružinách. Nucené otáčení ventilu podložkou Rotocap (obr. 61) se u závodních motorů nepoužívá. Vedení ventilu bývá litinové nebo z hliníkového bronzu. U výfukového ventilu sahá až do potrubí a je chráněno nálitkem, který bývá někdy proudnicově tvarovaný (obr. 5). Chrání se tím dřík ventilu před přímým stykem s horkými výfukovými plyny. Vedení sacího ventilu však do potrubí zasahuje jen málo, nebo se jeho konec přizpůsobí tvaru kolena, aby se co nejméně bránilo proudění vzduchu. 8.3 ZDVIHÁTKA A PÁKY U závodních motorů je nejoblíbenější hrníčkové zdvihátko. Zachycuje boční sily vzniklé třením mezi vačkou a zdvihátkem a odlehčuje tak vedení ventilu, kde jsou podmínky pro mazání horší. Je zde vyšší teplota oleje, menší plocha dříku Obr. 57. Šestiválcový motor Spark ventilu, a proto vysoké měrné tlaky. Odlehčení ventilového vedení znamená nejen menší opotřebení, ale i menší třecí ztráty. Proto postupně všechny firmy přecházejí na tento druh přímého pohonu ventilů od vačky. Ocelové zdvihátko může být velmi lehké, se stěnou silnou 1 až 0,5 mm a dnem 72

73 silným asi 3 mm. Zdvihátko často překrývá ventilové pružiny, takže ventil je krátký (obr. 57). Někdy se však používá zdvihátko menšího průměru, než jsou ventilové pružiny, a dává se až nad talířek ventilových pružin. V tomto případě se musí prodloužit stopka ventilu, která však má malý průměr a malou hmotnost. Obr. 58. Seřizování ventilové vůle destičkami na zdvihátko u motoru Fiat 130 často je úspora hmotnosti získaná menším průměrem zdvihátka větší než hmotnost prodloužené stopky ventilu (obr. 147). U menšího průměru zdvihátka stačí i jeho menší délka a vedení. 73

74 Prostor pod zdvihátkem musí být dobře odvzdušněn, aby v něm při zdvihu ventilu nevznikal kompresní tlak vzduchu, který by brzdil jeho pohyb a způsoboval pronikání oleje do vedení ventilu. Obr. 59. Příčný řez motorem Škoda 2 x OHC Aby se při seřízení vůle nemusel demontovat celý vačkový hřídel při výměnách čepiček nebo podložek, používají se různé konstrukce přístupné bez demontáže vačkových hřídelů. Jedním z nejlepších je způsob používaný firmou Fiat (obr. 58). 74

75 Zde se vyměňuje kalená destička zapuštěná do dna zdvihátka. Pro výměnu destiček se použije zvláštní páky, která se opře pod vačkový hřídel a boky se opírá o okraj zdvihátka. Dvojité dno zdvihátka však přece jen znamená zvýšení jeho hmotnosti. Seřizování vůle šikmým, na jedné straně zploštělým šroubem, použitým firmou Vauxhall, je pro závodní motory příliš těžké. Při rekonstrukci motoru Škoda pro sportovní účely (obr. 59) se použilo zdvihátko, u kterého se bočním výřezem bez demontáže vačkového hřídele vkládaly mezi zdvihátko a stopku ventilu ocelové planžety. Ty byly vedeny ve výřezu hliníkové destičky, která se po zasunutí planety pootočila, takže se planžeta již nemohla bočním otvorem vysunout. Jednotlivé díly zdvihátka s pojistkou proti otáčení destičky ve zdvihátku jsou znázorněny na obr. 60. Obr. 60. Detail zdvihátka se seřizováním vále na ventilu Možnost vytvořit opěrnou plošku zdvihátka přímo na talířku ventilových pružin je již známa dlouhou dobu, zejména u motoru Hispano Suiza. Vyskytuje se několik provedení, např. u motorů Ferrari (obr. 87). Všechny tyto konstrukce jsou však poměrně složité a pro zachycení bočních sil vyvolaných třením mezi zdvihátkem a vačkou je nutno bud zvětšit průměr stopky ventilu, nebo uložit trubkové prodloužení ventilového talířku (opěrky) ve zvláštním vedení průměru většího, než je stopka ventilu. Manipulace při seřizování vůle není jednoduchá a nutnost zamezit otáčení ventilu je nevýhodná pro životnost sedla. Mezi vačku a ventil se často vkládá páka (obr. 61). Je-li uložena na kulovém čepu, dá se vůle na ventilu seřizovat vyšroubováním čepu. Na vložené páce je možno vytvořit převod, takže vačka může mít menší zdvih, než je na ventilu. Znamená to možnost zmenšení základní kružnice vačky a zmenšení třecí rychlosti v dosedací ploše. I když vložená páka může být velmi lehká a zachycuje boční síly působící od 75

76 vačky, vlivem své malé délky vnáší do vedení ventilu boční síly vyvolané posuvem konce páky po stopce ventilu. Aby byl tento posuv co nejmenší, má konec stopky ventilu přečnívat přes kolmici, vedenou k ose ventilu ze středu otáčení vahadla, o 1/2 až 1/3 zdvihu ventilu (obr. 62). Boční posuv je nejmenší při přesahu o 1/2 Obr. 61. Příčný řez motorem Mercedes-Benz 4,5 dm 3 a je stejný na obě strany. Poněvadž však největší síla mezi pákou a ventilem je na začátku zdvihu (obr. 44), bývá výhodnější přesah jen o 1/3 zdvihu ventilu. Ke konci zdvihu je posuv poněkud větší, ale v té části se přenáší mezi pákou a ventilem jen malá síla, což vyvolává i malou boční sílu ve vedení ventilu. Aby průběh zdvihu vačky byl co nejméně zkreslen vlivem kruhového pohybu páky, volí se poloměr zaoblení opěrky ze středu O o, ležícího na kružnici opsané nad spojnicí středu vačky O v a středu otáčení páky O p. Osa ventilu má být rovno 76

77 běžná s O v O o. Požadovaný průběh zdvihu ventilu se může zajistit i úpravou tvaru vačky, což však bývá složitější. Jednou vačkou se dají ovládat dva ventily, skloněné k ose válce. Příkladem takového provedení je motor Ferrari 125 GT (obr. 63), používající vahadel vložených Obr. 62. Grafické řešení vložené páky Obr. 63. Příčný řez motorem Ferrari 125 GT mezi vačku a ventily. 0 přenášeni bočních tlaků do vedení ventilu platí totéž, co bylo řečeno u vložené páky. Seřizování vůle na ventilu je zde jednoduché, pomocí šroubů na konci vahadla nad ventily. Není-li mezi tento šroub a stopku ventilu 77

78 vložena čepička s kulovou plochou na straně seřizovacího šroubu, je styk jen bodový. U ventilových vahadel a pák jsou nepříznivé podmínky pro mazání. Kývaný pohyb se stálou změnou směru pohybu je nepříznivý pro vytvoření mazacího filmu v kluzných ložiskách. Zejména u vahadel jsou tlaky v ložisku velké a rovnají se vektorovému součtu tlaků mezi vačkou a vahadlem a mezi vahadlem a ventilem. Proto je zde výhodné valivé uložení. Velmi zřídka se používalo zdvihátek s kladičkou, která jsou těžká a dlouhá. Rychlost odvalování kladičky po základní kružnici a na vrcholu vačky je značně rozdílná, a proto kladička po vačce prokluzuje. Snad jedinou výhodou je to, že Obr. 64. Zdvihátko s kladičkou se opotřebení rozloží rovnoměrně po celém obvodu kladičky. Zdvihátka s kladičkou používaly motory Ferrari, Maserati a jiné. Příklad takového provedení je na obr. 64. V tomto případě jsou na ventilu vlásničkové pružiny, které zkracují délku ventilu. Pro vracení zdvihátka je použito zvláštních válcových pružin (viz též obr. 88). 8.4 VENTILOVÉ PRUŽINY Ventilová pružina je velmi důležitým dílem ventilového rozvodu. Musí spolehlivě přitlačovat ventil se zdvihátkem k povrchu vačky, aby měl zdvih ventilu požadovaný průběh. Síla ventilové pružiny se vypočte ze zrychlujících sil, jak již bylo vysvětleno. Přitom se musí přihlížet i k mimořádným okolnostem, zaviněným pružností ventilového rozvodu. Známe-li potřebnou sílu pružiny F a zjistíme-li z prostorových podmínek roztečný průměr pružiny D, vypočte se pružina podle známých vzorců: d = F D ϕ 8 3 π kk 3 π d kk F = 8 D ϕ 8 F D ϕ k k = 3 π d (mm), (N), (MPa), 78

79 f F D = (mm), 4 G d kde D je roztečný průměr pružiny (mm), d - průměr drátu (mm), F - síla pružiny při otevřeném ventilu (N), f 1 - stlačení jednoho závitu pružiny (mm), k k - napětí materiálu pružiny v kroucení (MPa), G - modul pružnosti ve smyku = (MPa). Do výpočtu musí být zahrnut korekční Wahlův součinitel φ, který shrnuje vliv poměru síly drátu k roztečnému průměru pružiny a který je možno odečíst z diagramu na obr. 65. Napětí materiálu se volí hodně vysoké, 600 až 900 MPa, aby vlastní kmitočet pružiny byl dostatečně vysoký. Obr. 65. Korekční Wahlův součinitel φ v závislosti na D/d Obr. 66. Zpoždující síly na ventilu a síla ventilové pružiny Nyní je třeba stanovit počet závitů pružiny i, resp. tuhost pružiny. Ta se dá určit z obr. 66, na kterém jsou zachyceny vypočtené zpožďující síly F3 a F4 ventilu se zdvihátkem. Na obrázku jsou zakresleny dvě pružiny. 79

80 Pružina A, jejíž přímková charakteristika je naznačena čárkovaně, má rovnoměrnou rezervu v celém rozsahu zrychlujících sil, a proto její tuhost je F F K 4 3 A hz = (N/mm). Pružina B má větší tuhost (je naznačena čerchovaně): F2 F = (N/mm) h K B 1 ale v tomto případě je rezerva R v bodě F 3 menší než v bodě F 4. Počet závitů takové pružiny bude menší. Vypočte se ze vzorce i = s f 2 1 Vlastní kmitočet pružiny n P je kde d n P = (1/min), 2 i r r je poloměr roztečné kružnice (cm), d - průměr drátu (cm). Vlastní kmitočet pružiny bude vyšší při malém počtu závitů i. Síla pružiny po smontování F 1 však nemá být menší než 0,45 až 0,40 síly F 2 pružiny při otevřeném ventilu. Jinak hrozí nebezpečí, že pružina praskne. Menší hodnota je přípustná při menším napětí. Napětí pružin závodních motorů je vždy veliké, proto musí být vyrobeny z kvalitního drátu. Povrch hotové pružiny se často zhušťuje ošleháváním ocelovými broky. Nejvíce namáhána jsou vlákna na povrchu pružiny. Jejím předpínáním se zajistí lepší využívání napětí drátu blíže jeho středu. Předpínání spočívá v tom, že se pružina před použitím několikrát stlačí až po dosedající závity. U dosedajících závitů má být vypočtené napětí vyšší než na mezi pružnosti, a proto vznikne na povrchu drátu trvalá deformace. Po tomto procesu bude volná délka pružiny kratší, v uvolněném stavu bude na povrchu drátu negativní napětí a v určité hloubce pod povrchem kladné napětí. Při stlačené pružině nebude napětí: od povrchu ke středu klesat přímočaře, ale pomaleji. Při otevřeném ventilu se nechává mezi závity jen malá mezera, asi 0,5 mm. Při rozkmitání pružiny dosedají závity na sebe a nemůže v nich vzniknout větší napětí, než odpovídá dosedajícím závitům. Pružina nemá mít celý počet závitů, aby neměla snahu vybočovat. Je-li počet pružících závitů o půl závitu větší nebo menší než celé číslo, pružina se nahoře opírá na opačné straně než dole a nemá snahu vybočovat. Závěrné závity je nutno zhotovit pečlivě tak, aby během stlačování nedosedl první pružící závit na konec závěrného závitu a nebyl tak vystaven ještě namáhání ohybem. V tom místě potom pružina praská. 80

81 Účinným prostředkem proti rozkmitání pružiny je její vinutí s progresivním stoupáním (obr. 67a). Při zdvihu ventilu dosedají závity postupně na sebe, tím se mění počet pružících závitů, a tedy i počet vlastních kmitů pružiny. Velmi často se používají dvě soustředné pružiny. Využije se tím lépe prostor kolem stopky ventilu a při prasknutí jedné pružiny zabrání druhá spadnuti ventilu do válce. Pro tlumení kmitů je výhodné uspořádání znázorněné na obr. 67c.V tomto uspořádání je malý přesah mezi vnějším průměrem malé a vnitřním průměrem velké pružiny. Rozkmitá-li se některá z pružin, nastane relativní pohyb mezi jejich závity a vzniklým třením se tlumí kmitání. Obr. 67. Nejčastější provedeni ventilových pružin Zatímco praskání ventilových pružin u sériových motorů je řídkým zjevem, při zvýšení otáček motoru pro sportovní účely se objevuje velmi často. Dlouhé zkušenosti daly dobré směrnice pro konstrukci sériových pružin, jež však pozbývají platnosti při vysokých otáčkách. Nebezpečné je zejména rozkmitání pružin, které značně zvyšuje jejich napětí a vede k poruchám. U sériových motorů je vlastní kmitočet pružiny 11krát až 12krát větší, než jsou otáčky vačkového hřídele. U závodních motorů to možné není, ale vlastní kmitočet se dělá co nejvyšší. Obvykle to bývá až kmitů za minutu. Zdvih ventilu je velmi důležitým faktorem při návrhu pružiny, neboli vlastní kmitočet pružiny je nepřímo závislý na zdvihu. Čím menší je zdvih, tím vyšší je vlastní kmitočet při daném napětí materiálu pružiny. Čtyřventilové motory s malým zdvihem ventilů proto umožňují dosažení vysokých otáček bez nebezpečí praskání ventilových pružin. Vlastní kmitočet ventilového rozvodu se dá zjistit tenzometrickým měřením napětí ve ventilovém vahadle nebo rozvodové tyčce za chodu motoru. Při nepříznivých otáčkách dojde k intenzivnímu rozkmitání celého rozvodu, jak je vidět na obr. 68, který je záznamem na stínítku oscilografu při měření motoru s rozvodem OHV [11]. V tomto případě je tuhost rozvodu velmi malá a jeho vlastní kmitočet se dá vypočítat z počtu kmitů za dobu otevření ventilu (zde 6 kmitů) a z otáček motoru. V tomto případě se mohou nebezpečně rozkmitat pružiny. Rozvody OHC jsou mnohem tužší, ale i otáčky motoru jsou vyšší. U závodního motoru je proto velmi důležitá tuhost rozvodu a vysoký vlastní kmitočet ventilových pružin. Vlásničkové pružiny umožňují zkrácení ventilu a snížení jeho hmotnosti. Hmotnost kmitajících částí je malá, proto se u závodních motorů často používaly. Jsou 81

82 Obr. 68. Záznam napětí na stínítku oscilografu při tenzometrickém měření motoru s pružným rozvodem OHV. Nahoře je napětí ve ventilovém vahadle, dole v rozvodové tyčce Obr. 69. Vlásničkové ventilové pružiny Obr. 70. Krutná tyč jako ventilová pružina u motoru Panhard Dyna však náročné na prostor, a tak jejich obliba klesá. Příklad takové pružiny a jejího spojení s ventilem je na obr. 69. Vlásničkové pružiny se často používaly u motocyklových, ale i automobilových motorů. 82

83 Zcela výjimečně se místo ventilových pružin používají krutné tyče. Tento případ však vyžaduje k tomu účelu upravenou konstrukci a nepřináší výhodu úměrnou zdražení konstrukce. Příklad takové konstrukce u motoru Panhard Dyna je na obr POHON VAČKOVÉHO HŘÍDELE V hlavě válce bývá umístěn jeden (OHC) nebo dva vačkové hřídele (DOHC). Jeden vačkový hřídel může ovládat bud přímo ventily uspořádané v řadě, nebo pomocí vahadel ventily se vzájemným sklonem. Pohon skloněných ventilů je výhodnější dvěma vačkovými hřídeli. Může se ovšem ještě vyskytnout mnoho různých kombinací, např. pohon jednoho ventilu přímo a druhého, odkloněného, pomocí vahadla, apod. Vidlicový závodní motor Auto Union (přeplňovaný motor s po měrně nízkými otáčkami) ovládal vnitřní ventily přímo pomocí pák a vnější ventily pomocí rozvodových tyčí a vahadel (obr. 144). Takové uspořádání však má větší hmotnost kmitajících dílů a je méně výhodné. Pohon ozubenými koly je u závodních motorů nejoblíbenější. Ozubená kola, zejména s rovnými zuby, mají malé ztráty a jsou spolehlivá. Jejich chod však není tichý, ale to není u závodního vozu důležité. Vložených kol se může použít k pohonu pomocných přístrojů. Příklad takového pohonu u motoru BRM je na obr. 56. Aby kola na vačkovém hřídeli nebyla moc velká, není pohon tvořen jen jednou řadou ozubených kol od klikového hřídele, ale dvěma nebo třemi řadami. Mezi jednotlivé řady se umístí převod do pomala. Často používaný bývá převod 2 : 1 od klikového hřídele na pomocný hřídel, od něhož se pohánějí všechny skupiny vyžadující nízké otáčky, jako rozvod, vstřikovací čerpadlo, olejová čerpadla apod. Nevýhodou ozubených kol je, že převod je málo pružný a přenáší kmity z klikového hřídele až na hřídel vačkový. Tyto kmity narušují klidný průběh zdvihu ventilu a bývají příčinou. kmitání ventilových pružin i celého rozvodu se všemi nepříznivými následky. U závodních motorů je proto odběr síly pro pohon vačkových hřídelů výhodný od konce setrvačníku, blízko uzlu torzních kmitů. Již motor Bugatti u řadového osmiválce měl' pohon rozvodu od strany setrvačníku. U dlouhých klikových hřídelů se proto odebírá výkon motoru i pohon rozvodu ze středu klikového hřídele, kde je též uzel torzních kmitů a klikový hřídel se zde otáčí rovnoměrně (obr. 92). Motor Ford Cosworth DFV má pohon vačkových hřídelů ozubenými koly od předního konce klikového hřídele, jak je vidět na obr. 71. Měřením bylo zjištěno, že v přenosu ozubenými koly na vačkové hřídele se vlivem torzních kmitů vyskytují momenty převyšující maximální točivý moment motoru na setrvačníku. Následkem byly lomy vačkových hřídelů a ventilových pružin. Tyto závady byly odstraněny zařazením pružné spojky do přenosu ozubenými koly, která umožňuje výkyv 1,5. Dále bylo použito tlumiče torzních kmitů na předním konci vačkového hřídele. Materiál vačkových hřídelů byl změněn z litiny na ocel a průměr vačkových hřídelů 83

84 byl zvětšen. Mimoto k přednímu konci vačkových hřídelů byly pro zajištění rovnoměrného otáčení připojeny malé setrvačníky. Ventilové pružiny byly upraveny tak, že při otevřeném ventilu dosedaly závity na sebe a odstranily zvýšené napětí při kmitání pružiny. Obr. 71. Názorný řez motorem Ford Cosworth DFV. (Autocar) Pohon kuželovými koly (královský hřídel) se již nepoužívá, neboť je drahý, vyžaduje přesnou výrobu a seřízení záběru a nepřináší celkem žádné výhody. Oblíbený byl u motocyklových motorů, kde na rozdíl od automobilových motorů nebylo celkem žádné příslušenství. U závodních motorů bylo použito tohoto druhu pohonu u motoru Auto Union (obr. 145). Pohon byl umístěn u setrvačníku, a poněvadž v hlavě byl jen jeden vačkový hřídel, byl pohon celkem jednoduchý. Od svislého hřídele se odebíral přes lamelovou pojistnou spojku pohon kompresoru typu Roots, rovněž se svislým hřídelem. Pohon válečkovým řetězem je výhodný, nebol je pružnější, tišší a levnější. 84

85 Používá se často u sportovních motorů, buď přímo v jednom stupni od klikového hřídele, anebo se pro zmenšení průměru ozubených kol na vačce použije nejprve převodu ozubenými koly 2 : 1. Do řetězového pohonu, který je vždy dlouhý, se zařazují napínací kladky a lišty, zamezující kmitání řetězu. Řetězový pohon také není citlivý na změnu osové vzdálenosti kol při tepelném roztahování motoru. Obr. 72. Názorný řez motorem Ferrari 512 S. (Autocar) Na obrázku 72 je názorný řez motorem Ferrari 512 S, v němž je použito tří druhů pohonu - ozubených kol pro redukci otáček klikového hřídele, řetězového pohonu vačkových hřídelů a ozubeného řemenu pro pohon příslušenství. Vstřikovací čerpadlo a rozdělovač zapalování se pohání od konců vačkového hřídele. Pohon ozubeným řemenem je velmi výhodný a dopomohl ke značnému rozšíření motorů OHC. Je levný, dostatečně pružný, takže nepřenáší torzní kmity, a je tichý. Používá se s úspěchem i u závodních vozů. Na obrázku 73 je příklad pohonu vačkových hřídelů u motoru Ford přímo od klikového hřídele. Napínací kladka na neozubené straně řemenu se používá k pohonu vodního čerpadla. Vstřikovací čerpadlo je poháněno od jednoho konce vačkového hřídele samostatným krátkým 85

86 ozubeným řemenem. Podobně olejové odsávací čerpadlo na boku motoru se pohání samostatným ozubeným řemenem od klikového hřídele. Často je však první převod od klikového hřídele tvořen ozubenými koly (obr. 150). Někdy je řemen značně dlouhý a pohání i ostatní pomocné přístroje. Ozubený Obr. 73. U motoru Ford 6V je k pohonu vačkových hřídelů použito ozubených řemenů. (Autocar) řemen vyztužený ocelovými lanky je dosti tuhý a při větší osové vzdálenosti kol vyžaduje napínací kladky. Řemen vyztužený umělými vlákny není tak choulostivý na změnu osové vzdálenosti způsobenou tepelným roztahováním motoru. 86

87 9. KLIKOVÝ MECHANISMUS Klikový hřídel závodního motoru je velmi namáhán, a musí se mu proto věnovat velká pozornost. Pokud se týče všeobecné koncepce, nejsou podstatné rozdíly proti sériovým motorům. Vzhledem k vysokým provozním otáčkám je však požadován kvalitní materiál a přesné opracováni. Na rozdíl od sériových motorů se musí věnovat velká pozornost torzním a ohybovým kmitům klikového hřídele. Proto má být klikový hřídel krátký a tuhý. Na průměry hlavních a ojničních čepů jsou protichůdné požadavky. Pro torzní tuhost je žádoucí velký průměr čepů, nebol ji podstatně zvyšuje. Na druhé straně však je velký průměr čepů nevýhodný, protože tření v ložiskách působí na velkém rameni a třecí moment je velký. Malý průměr čepu při omezené délce ložisek zajišťuje jejich malou plochu a měrné tlaky v ložisku jsou velké. To vyžaduje kvalitní materiál výstelky, tvrdý a přesně opracovaný čep a tuhé ložisko, nepodléhající deformacím. Na zatížení ložisek mají vliv tlak plynů na dno pístu a zrychlující síly posuvných a rotačních hmot. Zatímco tlak plynů se s otáčkami příliš nemění, zrychlující a odstředivé síly rostou s druhou mocninou otáček. Vliv otáček na zatížení ojničního ložiska je znázorněn na obr. 9. Rotační hmoty klikového hřídele se dají vyvážit. Klikový hřídel pro čtyřválcový řadový motor je 4krát zalomený po 180 a je staticky i dynamicky vyvážený. Přimontují-li se rva něj ojnice se stejnou hmotností spodního oka, vyvážení se neporuší. Hmotnost ojnice je možno rozdělit na část konající rotační pohyb a část u pístního čepu konající pohyb kmitavý. Spodní rotující část má asi 2/3 celkové hmotnosti, zbylá část ojnice koná kmitavý pohyb s pístním čepem. Všechny ojnice musí mít nejen stejnou hmotnost, ale i stejné rozložení hmotnosti na oka. To je nutno zvlášť pečlivě kontrolovat. Rozloží-li se odstředivá síla rotujících čepů do ramen (obr. 74), bude nejvíce zatíženo střední ložisko, kde se obě sily Q/2 skládají. Ve druhém a čtvrtém ložisku se odstředivé síly ruší a v krajních ložiskách působí Q/2. To ovšem platí jen přibližně, neuvažuje-li se tuhost klikového hřídele. Ve spodní části obr. 74 jsou k tomuto hřídeli přidány na každé rameno vývažky P/2, rušící sílu Q/2. Bez vývažků se u tuhé klikové skříně odstředivé síly navenek neprojeví, ale skříň je namáhána ohybem a v ložiskách je značný měrný tlak. Při použití vývažků se síly v klikovém hřídeli vyrovnají a ložiska budou odlehčena. Poněvadž hmotnost vývažků snižuje torzní kmity klikového hřídele, dělají se vývažky jen tak veliké, aby se odlehčilo zatížení ložisek na potřebnou hodnotu. Vyvážení posuvných hmot je složitější, neboť zrychlující síly nemají konstantní velikost, ale mění se při otáčení klikového hřídele. Proto se nedají vyvážit rotujícími 87

88 vývažky na klikovém hřídeli. Sinusového průběhu sil je sice možno dosáhnout dvěma vývažky, rotujícími v jedné rovině opačným směrem, to je ale zařízení složité a u závodních motorů se ho nepoužívá. U víceválcových motorů se symetrickým klikovým hřídelem nastává v určitých případech automatické vyvážení posuvných hmot. Pro síly prvého řádu platí podobná pravidla jako pro síly vyvolané rotačními hmotami. Zatížení ojničních a hlavních ložisek těmito silami se však nedá odstranit. Obr. 74. Schéma klikového hřídele čtyřválcového řadového motoru bez vývažků (nahoře) a s vývažky (dole) U čtyřválcového motoru s plochou klikou (4 x 180 ) jsou jak síly, tak momenty od posuvných sil I. řádu navenek vyváženy. Poněvadž síly druhého řádu mají dvojnásobnou frekvenci než otáčky klikového hřídele, jejich velikost se sečítá a jsou nevyvážené. Momenty z těchto sil však nevznikají, neboť síly působí symetricky na střední ložisko klikového hřídele. Sily II. řádu jsou přibližně 4krát menší než síly I. řádu a u čtyřválců se nevyvažují (s výjimkou velkých traktorových motorů a při náročných požadavcích na vyvážení). Z hlediska problematiky závodních motorů je zajímavý případ osmiválcového vidlicového motoru s bloky válců s úhlem rozevření 90. Dvojice vidlicových válců s úhlem rozevření 90 a s ojnicemi vedle sebe na jednom klikovém čepu má tu vlastnost, že síly I. řádu vyvolané posuvnými hmotami obou válců se skládají v jednu složku s konstantní velikostí, otáčející se stejně rychle jako klikový hřídel. Tyto síly je možno vyvážit vývažky na klikovém hřídeli a této velké výhody se také u osmiválcových motorů využívá. Má-li osmiválcový motor s úhlem řad válců 90 klikový hřídel 4krát zalomený, s rameny natočenými o 90, jak je naznačeno na obr. 75a, potom posuvné síly I. a II. řádu jsou vyváženy, momenty sil II. řádu jsou rovněž vyváženy a nevyváženy jsou momenty sil I. řádu. Ty se však dají snadno vyvážit vývažky na klikovém hřídeli, jak je schematicky naznačeno na obr. 75a. Pořadí zapalování takového motoru bývá , jak je uvedeno u levého motoru na obr. 76. Dole je také naznačeno zalomeni klikového hřídele takového motoru. Mají-li se do jedné větve výfukového potrubí zapojit dva válce pracující po sobě v pravidelných intervalech po 180, bude nutno spojovat do jedné větve válce z různých řad, jak je znázorněno na obr. 76. To však vyžaduje složité potrubí nad motorem, zhoršující přístupnost k motoru (obr. 26). 88

89 U závodních motorů je důležité využití tlakových kmitů ve výfukovém potrubí, a proto se pro zjednodušení výfukového potrubí u osmiválcových motorů s úhlem řad válců 90 používá plochý klikový hřídel (obr. 75b) s klikami zalomenými po 180. Pořadí zapalování se změní na Každá řada má pořadí zapalování jako řadový čtyřválec, a proto se vždy dva vnější a dva vnitřní válce zapojí do jedné větve, jak je naznačeno na obr. 76 vpravo. Všechny větve potrubí mají být stejně dlouhé. Potrubí je na boku motoru a nezhoršuje k němu přístupnost. Vyvážení motoru se však v druhém případě zhorší a nevyvážené síly II. řádu obou řad se geometricky sečítají. Tato nevyváženost se nedá jednoduchým způsobem odstranit a je nutno s ní počítat. Vzniklé vibrace o vysoké frekvenci jsou příčinou uvolňování matic a šroubů, takže je nutno je pečlivě pojišťovat. Obr. 76. Pořadí zapalování a schéma výfukového potrubí u 8V motoru s prostorovou klikou (vlevo) a s plochou klikou (vpravo) Obr. 75. Schéma klikového hřídele osmiválcového vidlicového motoru s úhlem řad válců 90. Horní klikový hřídel se zalomením po 90 nemá vyvážené momenty od posuvných sil I. řádu, které se však dají vyvážit vaky na ramenech klikového hřídele. Spodní hřídel se zalomením po 180 (plochý) má nevyvážené síly II. řádu Pozornost zasluhuje plochý osmiválec se 4krát zalomeným klikovým hřídelem po 180. Je sice dobře vyvážen, ale vždy dva válce zapalují současně, takže pracovní impulsy jsou vždy po 180, stejně jako u řadového čtyřválce. Této nevýhodné alternativy se proto nepoužívá. 9.1 KLIKOVÝ HŘÍDEL Pro dosažení vysoké frekvence vlastních torzních kmitů se u závodních motorů používá krátkých, tuhých klikových hřídelů s malým počtem zalomení. Již řadový šestiválec se 6krát zalomeným hřídelem je nevýhodný. U motoru s velkým počtem 89

90 válců se odebírá výkon ze středu klikového hřídele a motor se tím rozdělí na dvě jednotky s krátkým a tuhým hřídelem. Pohon rozvodu a příslušenství se odebírá rovněž v místě velké rovnoměrnosti otáčení. Příkladem takového provedení jsou motory Porsche 917, Mercedes-Benz 300 SLR, BRM V 16 a další. Extrémní je případ motoru Jawa (obr. 127) složeného ze čtyř jednoválců. Při kritických otáčkách dosahují úhlové výchylky volného konce klikových hřídelů nebezpečných hodnot. Bez ohledu na zvýšené napětí materiálu je toto kmitání nebezpečné hlavně v případě, odvozuje-li se od tohoto konce pohon pomocných přístrojů a hlavně rozvodu. Vnášení kmitů do rozvodu je zvlášť nebezpečné a musí se mu zabránit tlumičem torzních kmitů nebo pružnými spojkami, dovolujícími úhlovou výchylku v rozsahu výchylky konce klikového hřídele. Uložení rychloběžného klikového hřídele bylo u závodních vozů velký problém. V letech 1920 až 1930 měla většina závodních motorů klikový hřídel valivě uložený. Obr. 77. Vliv přesahu lisování na moment prokluzu Obr. 78. Klikový hřídel motoru u čepu: A - povrch bez pokovování, B - čep i otvor Mercedes-Benz W 125. Vnější kroužky poměděný, C - jako A, ale dvojnásobná délka (Honda) válečkových ložisek a oka ojnice jsou děleny. Dobře je vidět i přívod oleje pro mazání ojničních ložisek Valivé uložení snižuje třecí ztráty a není příliš poruchové, selže-li mazání. Proto se u závodních vozů často používalo, zejména pokud nebyla k dispozici kvalitní vícevrstvová kluzná ložiska. Valivé uložení vyžadovalo dělený klikový hřídel, což značně zvyšovalo náklady. Nejčastěji se používalo ke spojení jednotlivých dílů čelní ozubení Hirth. Při lisování čepů, běžném např. u motocyklových motorů, je snaha lisovat jen čepy ojniční, které nepřenášejí plný točivý moment. Zajímavé poznatky získali při lisování čepů pracovníci firmy Ronda. Zjistili, že zvýšení součinitele tření mezi čepem a otvorem se dá dosáhnout pokovením obou ploch materiálem s velkým součinitelem tření, např. mědí. Výsledky měření jsou uvedeny na obr. 77. Velikost momentu 90

91 prokluzu roste přímo úměrně s přesahem. V případě A se jedná o zalisovaný čep bez pokoveného povrchu, v případě B je čep i otvor poměděný a v případě C jsou poměry jako v případě A, ale délka čepu je dvojnásobná. Dalšího zlepšení bylo dosaženo opatřením čepu jemným ozubením. Otvor může, ale nemusí být rovněž opatřen ozubením. Těmito způsoby je možno pro potřebný moment zmenšit přesah lisování velkých čepů, a tím dosáhnout větší rozměrové přesnosti. Jiný způsob používá neděleného klikového hřídele a děleného vnějšího kroužku ložiska. U ojnic se válečky pohybují přímo po vnitřním vrtání dělené ojnice. Rovina dělení je někdy zazubena. Příklad takového provedení u motoru Mercedes-Benz W 125 je na obr. 78. Mazání valivých ložisek, zejména ojničních, je obtížné. Olej se k ojničním ložiskům přivádí ze sběrného kroužku v ramenech klikového hřídele, ze kterého se vede do dutého ojničního čepu a dále vyvrtaným kanálem mezi obě řady válečků. Do sběrného kroužku se olej stříká z otvorů ve spodním víku hlavních ložisek (obr. 78). U dvanáctiválcového motoru Ferrari je použito kompromisního řešení. Aby se klikový hřídel nemusel dělit, jsou vnitřní dvě ložiska kluzná a jimi se přivádí olej i ke kluzným ložiskům ojničním. Krajní dvě ložiska jsou valívá (obr. 137). Při kluzném uložení klikových hřídelů se používají vesměs tenkostěnná vícevrstvová ložiska. Vlastní pánev je ocelová a na ní je vrstva olovnatého bronzu nebo hliníkové kompozice, tlustá jen několik desetin milimetru. Na povrch ložiska se dává ještě slabá vrstva olova, india apod., tlustá jen 0,02 mm. Taková ložiska snesou měrné tlaky 25 až 35 MPa. Hliníková ložiska mají dobré kluzné vlastnosti. Používají se buď plná ložiska, nebo ložiska na ocelové pánvi. Plná jsou výhodná při použití v hliníkové skříni, protože mají stejný součinitel teplotní roztažnosti. Také stříbrná ložiska na ocelové pánvi mají výborné vlastnosti. Tloušťka výstelky bývá 0,3 mm, nahoře je vrstva olova a india tlustá 0,025 mm, takové ložisko snese zatížení až 50 MPa. Pro dobrou funkci tenkostěnných ložisek je nutný přesný a tuhý otvor ve skříni. Také je nutno vyřešit různé teplotní roztahování jednotlivých dílů, aby zůstalo zachováno požadované předpětí v ložisku i při teplé klikové skříni. Vůle v ložisku bývá velká, aby olej, který jim protéká, odváděl z ložiska teplo. Ložiska s vysokým měrným tlakem vyžadují tvrdý povrch klikového hřídele. Čepy hřídele se kalí indukčně anebo plamenem. Také se používá tvrdě chromovaných či nitrovaných čepů. Pozornost je nutno věnovat zejména přechodu z čepu do ramena pro zvýšení vrubové pevnosti v tomto místě. U kalených čepů přechod z kalené vrstvy do nekalené může působit jako vrub. Také vyústění mazacích otvorů v čepu kliky musí být pečlivě zaobleno a někdy se okraje zpevňují zatlačováním ocelové kuličky. Setrvačník závodního motoru je vždy velmi lehký, již proto, že se většinou jedná o motor s velkým počtem válců. Těžký setrvačník zhoršuje rychlý rozběh motoru a akceleraci celého vozu, zvláště při zařazených nízkých rychlostních stupních. Nízké otáčky při chodu motoru na prázdno nejsou důležité. Materiálem setrvačníku je ocel, nebol u litiny hrozí roztržení odstředivou silou při vysokých otáčkách. 91

92 Připevnění setrvačníku se musí věnovat veliká péče. Celý moment od motoru se přenáší obvykle jen třením mezi čepem klikového hřídele a setrvačníkem. Toto tření musí být zajištěno správným dotažením šroubů, které v tomto případě bývají na malém poloměru. Proto je správné dotažení šroubů velmi důležité. Čím jsou šrouby kratší, tím větší je nebezpečí ztráty předpětí. U krátkého šroubu jeho protažení o 0,1 mm odpovídá veliké sile. Vznikne-li i po správném dotažení šroubu třeba jen malé otlačení dosedací plochy, vede ihned ke ztrátě předpětí. Potom je šroub namáhán ohybem a rychle se vytvoří únavový lom. Šrouby pro dotažení setrvačníku musí být z kvalitního materiálu, dosedací plocha hlavy šroubu musí být dostatečně veliká a musí být opracována na nejmenší drsnost povrchu, nejlépe broušením. Hrubě opracovaný povrch se otlačí a nastane ztráta předpětí. Také pojištění šroubů plechovými podložkami pod hlavami šroubů je nevhodné pro malou pevnost materiálu plechu a hlavně pro jeho nerovnost. Dvě plochy měkkého plechu se snadno otlačí, zvláště jsou-li nerovné. 9.2 OJNICE Ojnice spojuje kmitající píst s otáčejícím se čepem klikového hřídele. Horní oko koná pohyb přímočarý a spodní oko pohyb rotační. Vyžaduje se malá hmotnost ojnice. Zvlášť důležité je horní oko ojnice, které svou hmotností zvyšuje zrychlující síly při prudké změně směru pohybu. Zrychlující síla kmitajících hmot se rozloží ve dvě složky. Složka v ose ojnice je důležitá pro stanoveni tangenciálních sil a pro výpočet dříku a ložisek ojnice. Složka kolmá na stěnu válce ovlivňuje třecí ztráty pístu. Ojnice je nejvíce vychýlena od osy válce, je-li její osa kolmá na rameno klikového hřídele. V této poloze největší podíl tlaku plynu na píst přitlačuje píst na stěnu válce; tlak plynu však již není největší, klesl během expanze. Největší tlak plynu ve válci je asi 15 po HÚ. Při největší výchylce ojnice se mění zrychlení na zpoždění. Průběh tlaků v ojničním ložisku je na obr. 9. Podobným způsobem se dá zjistit průběh tlaků kolmých na stěnu válce. Při vysokých otáčkách se v ojničním ložisku vyskytují největší tlaky v HÚ. Na obrázku 79 je schematicky nakreslena ojnice v HÚ. Největší opotřebení se objevuje na vnitřní straně čepu kliky označené šipkou X. Není-li oko ojnice dostatečně tuhé, objeví se deformací v místě A vůle a ojnice svírá čep v dělicí spáře. Zrychlující sila se na víko ojnice přenáší ojničními šrouby. Je-li použito průchozích šroubů, je nutno zamezit vzniku ostrého vrubu v místě B u hlavy šroubu. To platí zejména v případě, že ojnice má jen jedno boční žebro a zářez B probíhá po celé šířce ojnice. Výhodné je odlehčení ojničních šroubů C aspoň na jádro závitu. Odstraní se tím vrubový účinek závitu a šroub je pružnější. K tomu je třeba malé vysvětlení podle obr. 80. Na levé straně obrázku je zakreslena matka před utažením a na pravé straně po utažení. 92

93 Po utažení se šroub prodlouží o hodnotu a a podložka se stlačí o hodnotu b. Při stejné síle ve šroubu a v podložce je šroub pružnější, protože se protáhl o větší hodnotu, než o jakou se stlačila podložka. V diagramu na obr. 81 je zakreslena závislost síly v ose šroubu, vynášené na vertikální ose, na deformaci šroubu a podložky, vynášené na horizontální ose. Při dotažení šroubu silou V se podložka stlačí o hodnotu -b. V diagramu je zakreslen Obr. 79. Velká hlava ojnice v HÚ, deformace je znázorněna ve zvětšení (vlevo) Obr. 80. Vlevo je šroub před dotažením. Po dotažení(vpravo)se šroub prodlouží o a a podložka se stlačí o b šroub tuhý s prodloužením a a šroub pružný s prodloužením a 1. Zatíží-li se tento spoj silou P, prodlouží se šroub o hodnotu c, ale o tutéž hodnotu se uvolní i podložka. Zatíženi šroubu se zvýší o hodnotu P, a předpětí ve styku matky s podložkou se zmenší z hodnoty V na Z. Zatížení šroubu bude tedy kolísat v rozmezí V a V + P s, tzn. o hodnotu P s. Oslabí-li se tento tuhý šroub na jádro závitu, protáhne se při stejném předpětí V o a l a tuhost podložky zůstává stejná. Při zatížení stejnou silou P se šroub prodlouží o c 1, ale síla v jeho ose se zvýší jen o P s1. Předpětí však klesne na Z l. Při periodickém zatížení tedy bude sila v ose šroubu kolísat v rozmezí P s1. Při výpočtu únavové pevnosti šroubu záleží na této kolísavé složce, a proto bude pevnost šroubu větší, přestože se jeho průřez zmenšil. Aby při dotahování šroubu nevznikal moment, který by deformoval oko ojnice, musí osa šroubu ležet v těžišti dosedací plochy, jak je naznačeno na obr. 79 v bodě D. Jak pro víko E, tak pro ojnici F jsou výhodná dvě žebra, která umožňují příznivé vytvoření dosedací plochy pro hlavu a matici ojničního šroubu. Kanál pro přívod oleje do ojničního čepu má vyúsťovat v místě nejmenšího tlaku. Bývá to kolmo na rameno. Výstupní hrany kanálů G je nutno zaoblit. 93

94 Je-li povrch celé ojnice opracován a vyleštěn, je to výhodné nejen pro dodržení přesných rozměrů, ale i pro odstranění vrubů a trhlinek na povrchu. Pokud se použije výkovků zajištujících dobrý průběh vláken, opracuje a vyleští se aspoň vnější povrch stojiny. Usnadní se tím kontrola trhlinek a zvýší se vrubová pevnost v těchto místech. Velká pozornost se musí věnovat horní hlavě ojnice. Zde se musí šetřit materiálem a dosáhnout co nejmenší hmotnosti. Na obrázku 82 je zakresleno několik druhů horního oka ojnice. Nesprávný je případ A, u kterého vzniká velké napětí Obr. 81. Závislost protažení šroubu a a stlačení podložky b na přenášené síle Obr. 82. Různá provedení horního oka ojnice v místě X. Výhodnější je tvar B, který má plynulý přechod z vnějšího průměru oka do dříku ojnice. Případ C také není špatný, ale jeho hmotnost bývá větší než v případě B. Poměrná délka ojnice bývá asi 3,5 (tab. 3). Ještě kratší ojnice je sice lehčí, ale její větší vyklonění způsobuje větší boční tlaky pístu při kompresi a expanzi. Příliš krátká ojnice také zkracuje délku pístu a omezuje prostor pro vývažky na ramenech klikového hřídele v DÚ. U závodních motorů, u nichž se počítá s použitím různých zdvihů pro změnu objemu motoru, je nutno volit délku ojnice tak, aby umožňovala v krajních případech přijatelné podmínky pro použití stejných bloků. Základem bude nejdelší zdvih, u kterého bude poměrná délka ojnice nejkratší. Při kratším zdvihu se při ponechání bloku a pístu beze změny se ojnice musí prodloužit o polovinu změny zdvihu a její poměrná délka bude veliká. S těmito úpravami se počítá u motoru Renault (obr. 148). U tohoto motoru je použita zajímavá ojnice, která připomíná tvar ojnice pro letecké hvězdicové motory. Její dřík má stojinu rovnoběžnou s osou čepu ojnice a ne na ni kolmou, jak je obvyklé. Logičtější je používaný Y profil, který má moment setrvačnosti v rovině výkyvu ojnice větší než profil H při stejné ploše průřezu a tenké stojině. Záleží ovšem také na konstrukčním provedení. Profil H však přináší některé výhody pro opracování a umístění ojničních šroubů (obr. 149). Materiálem ojnic bývá obvykle kvalitní ocel, legovaná Ni, Cr, Mo, V apod. Tyto materiály jsou však obvykle citlivé na vrubovou pevnost a s tím se musí při konstrukci ojnice počítat. Poněvadž na hmotnosti ojnice hodně záleží, volí se materiál s velkou pevností. 94

95 Druhou cestou je použití materiálu s malou hustotou. Hliníkové slitiny se pevností nevyrovnají oceli, ale mají některé dobré vlastnosti. Proto se u závodních motorů používalo na ojnice hliníkových slitin legovaných niklem a mědí. Závodní motocykly Rudge-Whitworth používaly ojnice z hiduminia, které běhaly bez výstelky přímo na kaleném čepu (obr. 22). V současnosti se věnuje velká pozornost slitinám titanu, které mají vysokou pevnost při malé hustotě. Hmotnost ojnice je možno snížit také použitím ojničních šroubů s hlavou. V tomto případě je vyřezán závit do tělesa ojnice a odpadají starosti s opracováním dosedací plochy pro hlavu šroubu v tělese ojnice. Také tvarování spodní hlavy ojnice je jednodušší. Ojniční šroub je kratší, musí být odlehčený a závit na šroubu musí končit nad dělicí rovinou hlavy ojnice, aby při utažení nedeformoval dosedací plochu. 9.3 PÍST S PŘÍSLUŠENSTVÍM Píst závodního motoru musí být lehký, aby nezhoršoval mechanickou účinnost při vysokých otáčkách a dovoloval vysokou střední pístovou rychlost. Proto se dělá plášť pístu krátký. Vesměs se používají písty s nerozříznutým pláštěm, které jsou i při tenké stěně pláště dostatečně tuhé. Takové písty vyžadují větší vůli ve válci. Aby se dosáhlo malé hmotnosti pístu, volí se vysoké napětí materiálu, vyšší, než je mez únavy materiálu. Proto je životnost pístů omezená a je nutno vyměnit je po předepsané době za nové. Téměř všeobecně se používá kovaných pístů, jejichž materiál má zaručenou jakost a vysokou pevnost. Obr. 83. Lehký kovaný píst závodního motoru. Odlehčení je možné odfrézováním materiálu v místě A Technologie kovaných pístů vyžaduje i jejich vnitřní opracování, má-li se nad okem pístního čepu provést vybráni pro odlehčení pístu v místě A (obr. 83). Při kování je nutno zachovat úkos pro vytažení jádra, a proto není možno vykovat mezi okem pístního čepu a dnem odlehčení, které bývá u pístů odlitých. U odlitých pístů bývá oko pístního čepu spojeno se dnem dvěma šikmými žebry. Nevýhodné j e jedno žebro v ose pístního čepu, neboť se v něm soustřeďuje vysoké napětí, které je příčinou toho, že žebro praská uprostřed podélně směrem ke dnu pístu. 95

96 Stírací kroužek pod pístním čepem vyžaduje u kovaných pístů silnou stěnu pláště nad tímto kroužkem, kterou je pro odlehčení pístu nutno pracným frézováním zeslabit. Stírací kroužek pod pístním čepem se nepoužívá, již z toho důvodu, že při krátké ojnici vývažky na ramenech klikového hřídele v DO dosahuji až k oku pístního čepu, takže zde pro kroužek není místo. Dno pístu má být pokud možno rovné a bez hlubokých vybrání pro ventily. Rovné dno má nejmenší povrch pro přestup tepla z horkých plynů a je lehké. Jsou-li vybrání pro ventily nutná, musí se hrany pečlivě zaoblit, aby se nepřehřívaly a nezpůsobovaly samozápaly. Výška od osy pístního čepu ke dnu má být co nejmenší. Je dána průměrem pístního čepu, počtem a šířkou pístních kroužků a šířkou můstku nad horním kroužkem. Vzdálenost prvního těsnicího kroužku od dna pístu musí být dostatečně veliká, aby teplota kroužku nedosahovala 200 až 220 C. Jinak hrozí nebezpečí tvoření asfaltů v drážce kroužku, které brání jeho volnému pohybu, způsobují jeho zapečení, a následkem bývá i propálení dna pístu. Plášť pístu mívá tenký grafitový nebo cínový povlak, chránící píst před zadřením. Používá-li se hliníkových vložek válců bez kovového potahu (Porsche 928, Matra), plášť pístu se potahuje vrstvou chromu nebo železa. Pístní čep se odlehčuje kuželovitým výběhem vnitřního vrtání. Axiálně je pístní čep pojištěn proti vysunutí nejčastěji lehkým kroužkem z ocelového drátu, na který působí malé zrychlující síly. Pístní kroužky jsou litinové nebo ocelové. Obvykle se používají tři pístní kroužky nad pístním čepem, někdy jen dva. Počet pístních kroužků má vliv na třecí ztráty. První těsnicí kroužek je velmi úzký, 1 až 1,5 mm, bývá ocelový a na styčné ploše s válcem tvrdě chromovaný. Druhý kroužek bývá rovněž úzký, maximálně 2 mm široký. Slouží jako těsnicí i stírací. K tomu účelu je dole opatřen stírací hranou. Úzké těsnicí kroužky se rychle zaběhnou a mají malou hmotnost. Boční stěna kroužku zůstává velká, a proto se kroužky i při velkém zrychlení v krajních polohách pístu v hliníkových drážkách nevytloukají. Pro zachování dobrého přestupu tepla musí být boční stěna pístního kroužku broušena a lapována. I boční stěny drážky pro kroužek musí být hladké. Úzká dosedací plocha kroužku s válcem má dobrý styk jen přes tenkou vrstvu oleje. Tím je zajištěn i dobrý přestup tepla z kroužku do stěny válce. Teplo z pístu se odvádí většinou pístními kroužky do stěn válce a jen z malé části pláštěm pístu a spodním dnem do oleje odstříkaného z ojničních ložisek. Dříve se spodní dno pístu žebrovalo, aby se při stejné pevnosti dosáhlo nižší hmotnosti a většího povrchu pro přestup tepla. Poněvadž však dno musí být dostatečně silné pro vedení tepla k pístním kroužkům, bývá i pevnostně dosti silné a žebrování znamená nežádoucí zvýšení hmotnosti pístu. Spodní kroužek bývá stírací ve tvaru U. Pro zvýšení přítlaku je pod ním v drážce expandér. Dno drážky tohoto kroužku je spojeno s vnitřkem pístu četnými otvory pro odpad oleje. U vysokootáčkových motorů je nebezpečí rozkmitání kroužku tlakovými impulsy vyvolanými plyny, pronikajícími pod kroužek. Rozkmitání kroužku způsobí jeho netěsnost a posléze i zlomení. Tomu se dá předejít vhodným předpětím kroužku. 96

97 10. BLOK A HLAVA VÁLCE Blok válců musí být dostatečně tuhý, aby zaručoval dobrou základnu pro klikový hřídel a hlavy válce. Zde se nedá příliš šetřit na materiálu a musí ho být účelně využito. Největší torzní a ohybovou tuhost zaručuje válcovitý tvar skříně. U řadových i vidlicových motorů musí být skříň dole otevřena pro montáž klikového hřídele. Pro zvýšení tuhosti se taková kliková skříň spojuje v jeden celek s blokem válců a protahuje se hluboko pod osu klikového hřídele. U motoru Vanwall blok válců netvoří jeden celek s klikovou skříní, a proto zde obzvlášť záleželo na její tuhosti. Tento problém se vyřešil tím, že se použila kliková skříň z malého naftového čtyřválce Rolls-Royce B 40 (obr. 84). Skříň je z hliníkové slitiny, ale silné stěny a zvláště silná deska pro připevnění bloku a hlavy válců tvoří velmi tuhý základ celého motoru. Guy Anthony Vanderwell, výrobce výborných tenkostěnných kluzných ložisek, znal velmi dobře důležitost tuhosti klikové skříně pro trvanlivost ložisek ze spolupráce s konstruktéry závodních motorů a věnoval tomuto problému zvláštní pozornost. V každém případě však vybrání pro montáž klikového hřídele snižuje tuhost klikové skříně. Tomu se dá částečně zabránit tak, že se příčnými šrouby víko hlavních ložisek sevře do skříně, a tím se zvýší zejména její torzní tuhost. Příklad takového provedení je na obr Jiný způsob je ten, že se kliková skříň dělí v ose klikového hřídele. Po sešroubování obou polovin se vytvoří tuhá lehká válcová skříň. Toho způsobu používá např. Ford Cosworth (obr. 140). Spodní část skříně tvoří současně víka všech, nebo jen některých hlavních ložisek. U motoru Cosworth byla původně víka všech ložisek vytvořena ve spodní polovině skříně (obr. 16). Později propojením komor předních a zadních válců zůstala ve spodní polovině skříně jen víka ložisek 1, 3 a 5 a ložiska 2 a 4 měla samostatná víka. U motoru Renault bylo pro dosažení potřebné tuhosti použito pro horní polovinu skříně a bloky válců tenkostěnného odlitku z litiny. Spodní díl skříně s víky hlavních ložisek je kvůli stejné tepelné roztažnosti rovněž z litiny, avšak kvůli malé hmotnosti je jen nízký a spodek skříně je uzavřen hliníkovým víkem (obr. 148). Tuhá a lehká je tunelová skříň z jednoho kusu. Typickým představitelem této konstrukce je motor Offenhauser. Jeho skříň je nedělená a klikový hřídel je do ni zasunut z jedné strany. Dvoudílná hlavní ložiska tvoří po sešroubování kruhové desky, které se po zasunutí hřídele do skříně přišroubují k příčným stěnám. Aby bylo zasunuti možné, mají tyto desky na obvodu čtyři vybrání, podobně jako příčné stěny ve skříni. Po zasunutí klikového hřídele do skříně se kruhové desky hlavních ložisek pootočí o 45 a přišroubují se k příčným stěnám. Přístup ke šroubům umožní montážní víka na boku klikové skříně (obr. 85). Jiný způsob přitažení hlavních ložisek pouze dvěma šrouby je vidět na obr

98 Dobré podmínky pro tuhou a lehkou klikovou skříň jsou u plochých motorů (Ferrari, Porsche, Alfa Romeo). V tomto případě je skříň dělena vertikálně v ose Obr. 84. Příčný fez čtyřválcovým motorem Vanwall cm 3 s vrtáním 96 mm a zdvihem 86 mm. Výkon motoru při /min byl 200 kw klikového hřídele a hlavní ložiska jsou sevřena mezi obě poloviny skříně, jež jsou staženy dlouhými průchozími šrouby, které skříň značně odlehčí od sil. Aby se při tepelném roztahování hliníkové skříně neměnilo předpětí dlouhých šroubů, používá se 98

99 u motorů Porsche 917 šroubů titanových, které mají přibližně stejnou tepelnou roztažnost jako hliníková slitina skříně. Vnitřní stěny klikové skříně mají být bez žeber, která brzdí proudění vzduchu točícího se s klikovým hřídelem. Síly ze šroubů pro připevnění hlavy válce se mají přenášet pokud možno přímou cestou do hlavních ložisek klikového hřídele. Tento požadavek se dá dobře splnit u plochých motorů (obr. 87 a 137). Obr. 85. Příčný řez motorem Offenhauser. V tunelové skříni jsou přišroubovány desky hlavních ložisek Kolem hlavního ložiska musí být dostatek materiálu, aby se ložisko nedeformovalo. Napětí materiálu je vždy spojeno s jeho deformací a tu je nutno respektovat. Zmínka o tom byla již u ojničních šroubů. U odlehčených šroubů zavrtaných do skříně a hlavy válce je nutno ukončit závit pod dělicí rovinou, aby deformace skříně neporušila dosedací rovnou plochu (obr. 86a). I u velmi namáhaných matek je nutno umožnit deformaci krajních závitů. U obyčejné matice se veškeré napětí přenáší spodními třemi závity. Umožní-li se deformace matice (obr. 86b), 99

100 přenášená síla se rozdělí na více závitů. S deformací je nutno počítat i u ozubených kol. Není správné dělat stojinu u obou kol na jedné straně (obr. 86c). Volný věnec ozubení přenáší již jen malou sílu. Proto je lepši dělat stojinu u každého kola na jiné straně. Tím se lépe rozdělí přenášená síla do celé délky zubu. Obr. 86. Zavrtaná šroub má sahat až pod dělicí rovinu (a). Rozdělení přenášené síly ze šroubu na více závitů matici umožní konstrukce podle b. Jsou-li stojiny ozubených kol na jedné straně jako podle c, potom ozubení na druhé straně není vytíženo Také tvarování žeber na stěně s ohybem je nutno dobře uvážit. Vytvořením žebra vznikne velké napětí na jeho vrcholu, kde se může objevit praskání. Výhodnější je žebro profilu I, ale je obtížnější k odléváni. U leteckých motorů byla tomuto problému věnována velká pozornost. Příkladem může být skříň leteckého motoru Continental, která byla bez žeber lehčí a tužší než původní žebrovaná skříň. Žádoucí je dobré využití materiálu. Někdy je nízké široké žebro výhodnější než vysoké a úzké. Pomocníkem při vývoji jsou praskající laky, které při zatížení skříně hustotou prasklin označí nejvíce namáhaná místa HLAVA VÁLCŮ Hlava válců je nejdůležitějším dílem motoru. Bývá odlita z kvalitní hliníkové slitiny a jsou do ní zalisována sedla ventilů a ventilová vedeni. Zalisovaná sedla vyžadují větší osovou vzdálenost ventilů, a proto je v ojedinělých případech sedlo ventilu vytvořeno přímo v hlavě. Taková hliníková sedla však mají malou životnost a jejich opotřebením je celá hlava rychle znehodnocena. Příliš úzký můstek mezi ventily, zejména výfukovými, špatně odvádí teplo a přehřívání materiálu v tomto místě způsobuje praskání hlavy. Při dostatečně chlazeném můstku bývá dosti místa i pro zalisované sedlo ventilu. O správném tvaru kanálů a chlazení ventilů a spalovacího prostoru je pojednáno na jiných místech. Ve vodním prostoru hlavy válce musí být postaráno o dobré odvádění páry, aby se v hlavě netvořily parní polštáře. Také odvádění oleje z hlavy válce je důležité.v případě, že se olej odvádí do klikové skříně, musí být kanály dostatečně velké, aby tlakové pulsace ve skříni nebránily protékání oleje. To platí zejména pro ploché motory, kde je mezi skříní vačkového hřídele ovládající výfukový ventil a klikovou skříní velmi malý spád. Potom ani velký kanál nezaručí odpad oleje a je nutno 100

101 z těchto skříní odsávat olej zvláštním. čerpadlem. Proto je u motoru Porsche 917 celkem 7 olejových čerpadel. Hlava válců musí být dostatečně vysoká, aby zaručovala potřebnou tuhost. Často je její výška ovlivněna celkovou koncepci. U čtyřventilového provedení s malým úhlem mezi ventily obvykle vyjde výška hlavy velmi vysoká a její tuhost je automaticky zaručena. Obr. 87. Plochý dvanáctiválec Ferrari 512 F 1 Navrhnout čtyřventilovou dobrou hlavu válce není jednoduché. Je tam změť kanálů, ventilů, vaček a svíček, takže se pro připevňovací šrouby obtížně hledá takové místo, aby byly při svém pravidelném rozdělení po obvodu válce přípustné. Při velkém úhlu ventilů to je snadnější úkol (obr. 87). Horší podmínky jsou při nyní požadovaném malém úhlu ventilů, kdy jsou správně rozmístěné čtyři šrouby připadající na válec přímo pod vačkovým hřídelem. Potom jsou šrouby při dotahování hlavy přístupné jen po demontáži vačkového hřídele (obr. 137). Někdy je tento problém nutno řešit jednak šrouby přístupnými shora a jednak šrouby přístupnými zdola, jak je tomu u motoru Renault na obr V tomto případě je použito šesti šroubů po obvodu každého válce. Také přístup k zapalovací svíčce je obtížný. Pro svíčku v ose válce mezi čtyřmi ventily je nutno vytvořit v hlavě válce kanál, procházející až do horního víka a utěsněný proti oleji (obr. 71). 101

102 10.2 TĚSNĚNÍ MEZI HLAVOU A VÁLCEM Velkou pozornost je nutno věnovat těsnění mezi hlavou a válcem. Potíže se spolehlivostí tohoto těsnění byly příčinou toho, že u závodních motorů se dlouho používala konstrukce s hlavou neoddělenou od válce. Mercedes-Benz používal u svých motorů osvědčené konstrukce z leteckých motorů s navařeným plechovým pláštěm. Taková konstrukce byla i váhově výhodná (obr. 143). Obr. 88. Řadový čtyřválec Ferrari 500 F 2 Motory Offenhauser používají dodnes jednoho odlitku bloku a hlavy válce, který je v litinovém provedení těžký. Chlazení horní části válce a obvodu sedel ventilů je však dobré. Velké válce vyžadují chlazení celého obvodu a vodní prostor mezi sousedními válci zvětšuje jejich osovou vzdálenost a celou délku motoru. Aby nenastalo přesazení jádra, musí být v bloku velké boční otvory, zajišťující dobré usazení jádra a snadné vyčištění mezery mezi válci od písku. Menší osovou vzdálenost umožňují zašroubované vložky válců (obr. 88). Tento způsob se dobře osvědčil u leteckých motorů. Je-li použito velkého přesahu při 102

103 zašroubování vložky, je nutno počítat s jejím stažením na horním konci, což se řeší soudkovitým broušením vrtání vložky. U větších vrtáni je nutno brát zřetel na rozdílné roztahování hliníku a oceli při stanovení přesahu lícování závitu. U dělené hlavy mají být šrouby kvůli dobré funkci těsnění pravidelné rozděleny po obvodu. Nejčastěji se používají čtyři šrouby pravidelně rozdělené po obvodu. Vždy dva a dva šrouby jsou v dělicí rovině mezi sousedními válci, kde je i nejvýhodnější místo pro jejich protažení hlavou. Při použití šesti šroubů bývají potíže s protažením šroubů kolem kanálů a musí se použít šrouby přístupné zdola. Šrouby pro připevnění hlavy musí být dostatečně pružné, aby se jejich předpětí příliš neměnilo při ohřívání motoru. Ocelové šrouby musí být dostatečně dlouhé a zeslabené ve střední části. Proto se šrouby zavrtávají až hluboko pod dělicí rovinu (obr. 87). Spojnice středů šroubů nemá procházet vrtáním válce. Měrný tlak v těsnicí ploše musí být vyšší než nejvyšší tlak plynů ve válci. Proto nemá být plocha těsnění příliš velká, aby nebylo třeba velké síly v připevňovacích šroubech. Nejčastěji se používají měděné nebo hliníkové kroužky pro těsnění válce a pro ostatní plochu metaloplastické těsnění. Tloušťka obou těsnění musí být v souladu, aby bylo zaručeno správné rozdělení měrných tlaků v obou těsněních. Obr. 89. Těsnění pod hlavou motoru Porsche 917 Obr. 90. Různá provedeni vložek válců Někdy se těsnění nepoužívá a litinová vložka sedí přímo na hliníkové hlavě válce. S úspěchem se také používá těsnění ve tvaru U, uvnitř kterého je trubka plněná plynem. Při zahřátí motoru se zvýší tlak plynu v trubce a přitlačuje těsnění k hlavě. Příklad takového těsnění u motorů Porsche 917 je na obr VLOŽKA VÁLCE Nejčastěji se používá samostatných litinových vložek. Stěna vložky musí být dostatečně silná, aby nenastala velká deformace při sevřeni. Na obrázku 90 je znázorněno několik provedení sevřených vložek. 103

104 Způsob a) je nejméně vhodný, nebol sily v opěrné ploše působí mimo stěnu vložky, takže při sevření nastává soudkovitá deformace. Je-li délka sevření 1 velká, mění se následkem různého tepelného roztahování hliníkového bloku a litinové vložky i síla sevření a velikost deformace. Vzdálenost středu stěny vložky od spojnice opěrných ploch má být co nejmenší. Výhodnější je provedeni b), u něhož je délka l mnohem kratší a spojnice opěrných ploch prochází stěnou vložky (obr. 137). Deformace je v tomto případě malá, stejně jako vliv změny teploty motoru. Ukázalo se, že úplně stačí chladit jen horní část vložky. Horní pístní kroužek je dobře chlazen kapalinou. U případu c) se horní příruba vložky opírá o blok a spodní část vložky se může volně tepelně roztahovat směrem dolů. Přítlačná síla na těsněni jde přímo do bloku válce a nedeformuje vložku. Tloušťka horní desky bloku však nesmí být velká, aby chladicí kapalina obklopovala vložku v místě horního pístního kroužku (obr. 140). Úkosem opěrky se dá dosáhnout dostatečné tuhostí i dobrého přístupu kapaliny k vložce. Chlazení vložky kapalinou po celé její délce má příznivý vliv na teplotu oleje na stěně vložky. Suché vložky odstraňují potíže s utěsněním chladicí kapaliny, zhoršují však chlazení, zejména je-li stěna mezi vložkou a blokem válců znečištěna olejem. 104

105 11. MAZÁNÍ Aby v ložisku nevzniklo polosuché nebo suché tření, musí být v mazacím filmu tlak větší, než je měrný tlak v ložisku. Jsou to tlaky velké 15 až 30 MPa, jež' však není třeba vyvodit mazacím čerpadlem, protože vznikají samy při vytvoření mazacího filmu v ložisku. Na obrázku 11 je naznačen tlak v mazacím filmu při otáčení hřídele. Pro správné vytvoření mazacího filmu však čep i ložisko musí mít přesný válcový tvar. V místě vysokého tlaku nesmí být v ložisku mazací drážka, která by způsobila pokles tlaku a snížení nosnosti ložiska. Mazací olej se má přivádět do ložiska v místě nejmenšího tlaku na začátku vytváření nosného filmu. Tento požadavek lze těžko splnit u otáčejícího se čepu. Řeší se u ojničního čepu tak, že se olej přivádí otvorem vyvrtaným v čepu klikového Obr. 91. Přivádí-li se olej do klikového hřídele hlavním ložiskem, musí přemáhat odstředivou silu sloupce oleje r hřídele kolmo k jeho rameni ve směru otáčení nebo dvěma otvory proti sobě ve stejném směru. Do kliky se olej přivádí hlavním ložiskem, ve kterém bývá v méně zatížené horní polovině drážka pro nepřetržitý přívod oleje (při dvou protilehlých otvorech do kliky). Někdy se nepoužívá nepřetržitého přívodu a olej se přivádí jen do kapes v dělicí spáře ložiska. Olej přiváděný do kliky musí překonávat odstředivou sílu olejového sloupce v radiálním kanálu s poloměrem hlavního čepu r. Tato odstředivá sila, znázorněná na obr. 91, není malá. Přivádí-li se olej do kliky v ose na konci klikového hřídele, odpadá vliv odstředivé síly. U motoru Porsche 917 se olej přivádí z obou stran do čela kliky axiálními třecími ucpávkami (obr. 92). Měřením na modelu se ukázalo, že v tomto případě stačí při otáčkách /min mazací přetlak 0,24 MPa. Při radiálním přívodu oleje přes čepy hlavních ložisek byl potřebný přetlak 0,8 MPa. 105

106 Obr. 92. Podélný řez motorem Porsche SUCHÁ KLIKOVÁ SKŘÍŇ U závodních motorů se používá mazání se suchou klikovou skříní. Zpravidla dvě odsávací čerpadla odsávají olej z předního a zadního konce klikové skříně do olejové nádrže mimo motor a třetí, mazací čerpadlo, přivádí mazací olej do motoru. Když jsou u plochého motoru skříně vačkových hřídelů níže, než je sběrná olejová nádrž pod motorem, přibudou čtyři malá čerpadla pro odsávání oleje z předních a zadních částí těchto skříní (Porsche 917). Kliková skříň je tvarována tak, aby v ní vzduch mohl vířit s klikovým hřídelem a olej se z klikového hřídele odstřeloval do sběrací nádrže nebo kanálu. Někdy je skříň přísně válcová a olej se z ní odebírá zvláštním kanálem nebo štěrbinou (obr. 16). Jindy bývá sběrná nádrž od klikové skříně oddělena stěnou nebo plechovým krytem s mezerou pro odpad oleje. Aby se olej v motoru nehromadil, musí každé odsávací čerpadlo stačit odvést celé množství přiváděného oleje, i když je zpěněný. To ovšem znamená, že čerpadlo, které neodsává olej, přivádí do odváděcího potrubí vzduch a pění olej. Pěnění oleje je velmi nepříjemné. Vyžaduje velkou nádrž, a neodstraní-li se pěna, uniká odvzdušněním z nádrže a bývá příčinou ztráty oleje a popřípadě i znečištění závodní tratě. Proto je výhodné vést odvzdušnění nádrže zpět do motoru, např. do skříně vačkových hřídelů nebo rozvodových kol. Odstraňování vzduchu z oleje se urychlí cyklónem. Takové nádrže jsou značně rozměrné. 106

107 Dříve se používal pro mazání závodních motorů ricinový olej, který dobře snášel vysoké tlaky mezi vačkou a zdvihátkem. Při vysoké teplotě však vytvářel mazlavé složky, které byly příčinou váznutí a zapékání pístních kroužků. Tomu zabraňovaly různé přísady, které však zase podporovaly pěnění oleje. Proto se od rostlinných olejů upustilo a dnes se všeobecně používají řídké minerální oleje, jejichž kvalita se zlepšuje různými přísadami CHLAZENÍ OLEJE Olej slouží nejen k mazání, ale i k odvádění tepla z ložisek a spodního dna pístů. Při stanovení vůle v ložisku se musí počítat s tím, aby ložiskem proteklo množství oleje potřebné pro chlazení. Proto vůle v ložisku bývá u závodních motorů větší než u motorů sériových. Vůle v ložisku musí být přesně stanovena a dodržena. Je-li nesprávná, může znamenat úbytek výkonu motoru až o 8 kw. Chladič oleje bývá zařazen do potrubí vedoucího od odsávacích čerpadel do nádrže. Zde není vystaven velkému tlaku, který je v mazacím okruhu motoru. Průtok oleje chladičem bývá někdy otvírán termostatem až při teplotě oleje vyšší než 90 C. Chladič s kruhovými trubkami nejlépe odolává tlaku oleje, který zejména při studeném startu dosahuje vysokých hodnot. Nepřípustnému tlaku oleje zabraňuje obtokový ventil, který se otevře, je-li tlakový spád přes chladič větší, než zajišťuje jeho konstrukce. Žádoucí je, aby byl chladič blízko motoru. Tím se sníží průtokové ztráty potrubím. U motorů umístěných vzadu je proto výhodný chladič na boku motoru OLEJOVÁ ČERPADLA Nejčastěji se používají zubová čerpadla s dvěma koly s čelním ozubením. Stále více se uplatňují i čerpadla s vnitřním i vnějším ozubením, zejména odsávací čerpadla (obr. 71). Mají-li pracovat spolehlivě, musí být jejich otáčky ve srovnání s otáčkami klikového hřídele značně sníženy. Nejčastěji se používá polovičních otáček klikového hřídele. Olejové kanály a potrubí musí být dostatečně velké, aby nezpůsobovaly značnou ztrátu tlaku. Jsou-li mazací kanály v hliníkové skříni, nemají být příliš dlouhé, aby se v nich olej příliš neohřál. Olejová čerpadla bývají často z vnějšku motoru snadno přístupná. Zubové olejové čerpadlo má být provedeno tak, aby v uzavřené zubové mezeře nevznikal vysoký tlak, který odtlačuje kola od sebe, způsobuje opotřebení jejich čepů a zvyšuje příkon pro pohon čerpadla. Odlehčení od vysokých tlaků se dělá drážkou vyhloubenou v boční stěně čerpadla, která odvádí olej ze zubové mezery na výtlačnou stranu čerpadla a sahá až po spojnici obou os (obr. 93). 107

108 11.4 ČISTIČ OLEJE U závodního motoru je žádoucí plnoprůtočný čistič oleje. Musí být dobře přístupný a dostatečně veliký. Umisťuje se mezi mazací čerpadlo a přívod oleje do ložisek. Snižuje opotřebení motoru a zabraňuje velkému znehodnocení drahých Obr. 93. Odlehčovací drážka v mazacím čerpadle odvádí olej uzavřený v mezeře mezi zuby do výtlačného potrubí 1 - sací potrubí, 2 - rozváděcí prostor, 3 - výtlačný prostor, 4 - odvod oleje do motoru dílů při zadírání některého dílu, které produkuje mnoho tvrdých nečistot. Zvláště kluzná ložiska pro vysoké tlaky jsou velmi choulostivá na nečistoty a vyžadují dobré čištění oleje MAZÁNÍ ROZVODU Pro mazání rozvodu stačí snížený tlak oleje. Tlak se snižuje bud redukčním ventilem, nebo přerušováním přívodu oleje. Přerušování se používá při přívodu oleje k vačkám dutým vačkovým hřídelem a provádí se tak, že se přívodní otvor v ložisku vačkového hřídele překryje s otvorem ve vačkovém hřídeli jen jednou nebo dvakrát za otáčku. Na povrch vaček se olej přivádí otvorem v základní kružnici před otvíracím bokem vačky. Někdy se přivádí olej do styku vačky se zdvihátkem postřikem ze zvláštního kanálu ve skříni vačkového hřídele. I v tomto případě bývá přívod.oleje přerušován, např. pohybem zdvihátka. U motoru Porsche 917 teprve při otevření ventilu zdvihátko otevře otvor pro přívod oleje ve vedení (obr. 45). 108

109 12. CHLAZENÍ Většina závodních motorů je chlazena kapalinou. U tohoto druhu chlazení se dá snadněji zvládnout odváděni tepla z tepelně značně zatížených míst, jako je sedlo výfukového ventilu, můstek mezi oběma ventily a okolí zapalovací svíčky. I u kapalinou chlazených motorů je však nutné zajistit v těchto místech intenzívní proudění chladicího média. Provádí se to přívodem chladicí kapaliny do těchto míst bud zvláštním potrubím, nebo rozvětveným odváděcím potrubím od každého výfukového ventilu. Rozdělení chladicí kapaliny na jednotlivé válce se dá regulovat i různě velkými otvory v těsněni mezi hlavou a válcem. Chladná voda se přivádí z chladiče do bloku válce, zde se rovnoměrně rozděluje na jednotlivé válce a hlavy válců a odvádí se z nejvyššího místa do chladiče. Zvláštní pozornost se musí věnovat chlazení výfukového ventilu, který je nejvíce tepelně namáhaným dílem motoru. Horké plyny proudí vysokou rychlosti kolem výfukového ventilu a předávají mu své teplo. Teplo se z ventilu odvádí hlavně jeho sedlem, ve kterém je dobrý kovový styk, výhodný pro přestup tepla. Další část tepla se odvádí vedením stopky ventilu. Pro odvod tepla by se zdálo být výhodné široké sedlo výfukového ventilu. Takové sedlo se však snadno zanáší karbonem, potom netěsní a profukováním horkých plynů se talíř ventilu rychle propálí. Proto se sedlo nedělá širší než 1,5 mm. Takové sedlo má samočisticí schopnost a vysoký měrný tlak v sedle zaručuje dobrý kovový styk. U výfukových ventilů je zvláště důležité, aby se za chodu otáčely. Zvýší se tím jejich životnost a udrží se rovnoměrná teplota po obvodu talíře, i když se na některém místě sedla v hlavě válce objeví netěsnost. U velkých průměrů ventilů se talíř teplem snadno deformuje a ventil netěsní. Proto má malý ventil velké výhody. Vedení výfukového ventilu musí být ze všech stran dobře chlazené. Chladicí kapalina má oblékat jeho celý obvod. U některých závodních motorů je vedeni výfukového ventilu v přímém styku s chladicí kapalinou a jeho povrch je žebrován (obr. 84 a S6). Vyžaduje to správný přesah při lisování vedení do hlavy, aby byla zaručena těsnost spoje. Na rozdíl od sacího ventilu zasahuje vedeni ventilu hluboko do hrdla výfukového potrubí a chrání dřík ventilu před přímým stykem s horkými plyny. Odvod tepla z vedení ventilu podporuje nálitek, který se někdy vhodně tvaruje, aby nekladl odpor proudícím výfukovým plynům. Výfukový kanál v hlavě se dělá co nejkratší, aby teplo z plynů nepřecházelo do hlavy. Také jeho průměr se nedělá zbytečně velký, aby se zmenšila teplosměnná plocha. Důležité je dobré chlazeni můstku mezi ventily, zejména jsou-li vedle sebe dva výfukové ventily. Celý obvod sedla musí být oblékán kapalinou, i když to vyžaduje 109

110 větší vzdálenost ventilů. Přehřátý nechlazený můstek se roztahuje dovnitř válce, ventily dosedají jen u můstku a na další části obvodu netěsní. Pozná se to podle černého sedla na opačné straně, než je můstek. Při vysoké teplotě můstku dojde k trvalé deformaci materiálu a při chladnutí můstek praská. Není-li mezi sousedními kanály dostatek místa pro jádro vodního prostoru, kanál se vyvrtá. U malých válců je chlazení můstku mezi ventily snadnější. Dobré odvzdušnění vodního prostoru hlavy válce je důležité, aby se v něm netvořily parní polštáře, které způsobují místní přehřátí a praskání hlavy. Proto je-li motor uložen šikmo a odvádí-li se chladicí kapalina z jednoho konce hlavy, zapojí se do nejvyššího konce hlavy na druhé straně hlavy odvzdušňovací trubka, odvádějící bubliny do zásobní nádrže. U závodních motorů bývá často vložka chladiče níže než nejvyšší bod hlavy válce. V tom případě je nutné oddělit zásobní nádrž pro chladicí kapalinu od chladiče a umístit ji na nejvyšším místě pod kapotou. Do ní se zapojí i všechny Obr. 94. U závodního motoru Mercedes-Benz se odvádí voda od každého výfukového ventilu (W 163) odvzdušňovací trubky z celého chladicího systému. Zejména je-li chladič umístěn v nízkém předku vozu, je oddělení zásobní nádrže nevyhnutelné. Již u starých vozů s motorem vpředu dělalo odvzdušnění značné potíže. Někdy se dalo vyřešit jen protažením horní komory chladiče značně dozadu, jak to je provedeno u vozu Mercedes-Benz (obr. 94). Zde je dobře vidět i jednotlivé vývody chladicí kapaliny z okolí výfukových ventilů. U vozů s motorem vzadu je výhodné umístění chladičů po boku motoru. Jednak se zmenší objem chladicího systému a zjednoduší se potrubí a jednak odpadne vstup vzduchu v přední části vozu. Tím je umožněno jeho lepší aerodynamické tvarování. Chladič v zadní části vozu je již v oblasti vířivého proudění a jen málo nepříznivě ovlivni celkový aerodynamický odpor vozu. 110

111 U závodních vozů se samozřejmě používá přetlakového chlazení. Pojišťovací ventil v zásobní nádrži udržuje v celém systému přetlak, který zvýší bod varu vody značně nad 100 C. Teplejší chladič umožni větší ohřátí vzduchu a může být menší. Každý krychlový metr vzduchu odvede více tepla, a proto se spotřeba chladicího vzduchu sníží. Kanály pro vzduch mohou být menší, ale používá-li se ventilátoru, značně to sníží jeho příkon PŘÍKON PRO CHLAZENÍ Ventilátory mají charakteristickou vlastnost, že množství vzduchu, který jimi projde, roste přímo úměrně s otáčkami, tlak vzduchu roste s druhou mocninou otáček a příkon ventilátoru s třetí mocninou otáček. U závodních motorů se ventilátorů nepoužívá, ale u sportovních motorů je tato charakteristika ventilátoru důležitá. Při otáčkách motoru za minutu je potřebný příkon ventilátoru 8krát větší než při /min. Přitom při těchto dvojnásobných otáčkách motoru není třeba odvádět dvojnásobné množství tepla. Vyplývá to z toho, že přestup tepla do stěn válce s plochou F je závislý na teplotním rozdílu plynu a chladicí stěny t a na součiniteli povrchového přestupu tepla α podle vzorce Q = F t α Součinitel přestupu tepla a má rozměr W/m 2 C. Tento součinitel tedy udává přestup tepla v závislosti na čase. Nemění-li se teplota plynů při hoření ve válci ani plocha válců, nemění se ani množství odvedeného tepla. Poněvadž každý cyklus trvá při dvojnásobných otáčkách jen polovinu času, klesá s otáčkami teplo odvedené chlazením během jednoho cyklu, což má za následek zvětšování teploty výfukových plynů. Protože však třecí ztráty pístu s otáčkami rostou, roste s otáčkami i toto třecí teplo. Podíl tepla vyvozený třením pístů je však menší než úbytek tepla hořením, a proto celkové odvedené teplo nevzrůstá přímo úměrně s otáčkami. To umožňuje snížení převodu na ventilátor při vysokých otáčkách motoru. Snižování převodu je obtížné, ale je možno použít prokluzovací spojky, která od určitých otáček prokluzuje a sníží potřebný příkon pro ventilátor [12]. Vložky chladičů závodních motorů bývají hluboké. Prouděním vzduchu štěrbinami ve vložce přechází ze stěn trubek teplo do vzduchu a ten se otepluje. Toto oteplení je největší při vstupu vzduchu do chladiče, kdy je rozdíl teploty vložky a vzduchu největší, a snižuje se postupně směrem k výstupu z chladiče s klesajícím teplotním rozdílem. Teprve při nekonečně dlouhé vložce by se teplota výstupního vzduchu rovnala teplotě vložky. Uvážíme-li stav v polovině tloušťky vložky, zjistíme, že oteplení vzduchu v první polovině je větší než v druhé. Odpor vzduchu třením ve vložce však bude v obou polovinách přibližně stejný. Ekonomicky je tedy výhodnější vložka s poloviční tloušťkou, a její čelní plocha nemusí být pro stejné odvedené teplo ani 2krát větší. Potřebný tlak vzduchu ventilátoru bude menší a jeho množství bude odpovídat zvětšené čelní ploše chladicí vložky. 111

112 Je však nutno sledovat i oteplení vzduchu. Každý kilogram vzduchu odvede tim víc tepla, čím víc se ohřeje. Odvedené teplo bude: Q = V t, c vz kde V je váhové množství vzduchu (kg/h), t - oteplení vzduchu ( C), c vz - měrné teplo vzduchu (J/kg C). Odvede-li každý kilogram vzduchu hodně tepla, spotřebuje se málo vzduchu pro chlazení. Příkon pro chlazení je však dán nejen množstvím vzduchu, ale i jeho potřebným tlakem. Žádoucí je, aby příkon pro chlazení byl co nejmenší. Při využití náporového tlaku vzduchu je však nutno pamatovat na to, že odběr náporového tlaku vzduchu je spojen se zvýšením aerodynamického odporu vozidla, a tedy také spotřebuje část efektivního výkonu motoru. Poněvadž přestup tepla z pevné stěny do vzduchu úzce souvisí s povrchovým třením, dosáhlo by se minimálního příkonu pro chlazení tehdy, kdyby byl pro odvádění tepla využit povrch karosérie. V tom případě by odpor vyvolaný třením vzduchu o karosérii byl současně využit pro odvádění tepla. To však je obtížně realizovatelné. U závodních motorů se však obvykle používá hlubokých vložek chladiče, neboť pro proudění vzduchu chladičem se používá náporového tlaku vzduchu, který je dostatečně vysoký, a hluboká vložka s velkým oteplením vzduchu snižuje jeho potřebné množství. Nejčastěji se používají vložky trubkové. Voda prochází plochými trubkami zalisovanými do příčných chladicích plechů, které jednak vyztužují plochou trubku proti deformaci vnitřním tlakem a jednak zvětšují chladicí plochu. Ploché trubky při stejném průřezu jako kruhové mají větší obvod (chladicí plochu). Kapalina proudí v trubce v tenké vrstvě a snadno předává teplo do chladicího povrchu. Výhodným materiálem pro chladiče je měď, mosaz apod., nejen pro dobrou tepelnou vodivost, ale i pro snadné spájení chladicích plechů s trubkou. Hliníkové vložky by byly lehké, ale nejsou vhodné pro běžnou technologii, protože spájení hliníku je obtížné. S úspěchem se však zavádějí hliníkové vložky chladiče s kruhovými trubkami, které se do chladicích plechů zalisuji protlačováním ocelové kuličky trubkou. Ústí trubek do komory chladiče se utěsňují pryžovou ucpávkou a rozválcováním konců trubek. Kruhové trubky. sice více zmenšují prostupní průřez pro vzduch, ale lépe odolávají vnitřnímu přetlaku, což je vítáno zejména u olejových chladičů CHLAZENÍ VZDUCHEM Chlazení vzduchem nabízí některé výhody i závodním motorům. Je to především malá hmotnost motoru, neboť odpadá voda s chladičem a potrubím. Tím se zvyšuje i spolehlivost, protože odpadají všechny poruchy způsobené netěsností chladicího systému. Množství vzduchu pro chlazení je u vzduchem chlazeného 112

113 motoru menší než u motoru chlazeného vodou. Válec vzduchem chlazeného motoru je asi 2krát teplejší než vložka chladiče, a proto je otepleni vzduchu větší. Nevýhodou je, že k protlačení vzduchu mezi žebry je třeba vysokého tlaku vzduchu, kolem 2 kpa i více, a proto není možno využívat náporového tlaku vzduchu (tab. 2). Vozidlový vzduchem chlazený motor musí mít ventilátor. U motorů motocyklových je vzduchem chlazený motor výhodnější. Obr. 95. Chlazení závětrné strany válce u motoru Tatra 603 je zlepšeno pomocným proudem chladicího vzduchu Konstrukční vývoj vzduchem chlazeného motoru je obtížný. Zejména okolí sedla výfukového ventilu musí být dobře žebrováno a do žeber musí být dobrý přístup chladicího vzduchu. Každý 1 m 3 vody odvede při ohřátí o 1 C 4000krát více tepla než 1 m 3 vzduchu. I když ohřátí vzduchu v motoru je značně větší než ohřátí vzduchu v chladiči, je ho pro chlazení zapotřebí objemově více a tomu se musí přizpůsobit prostupní plocha pro vzduch v žebrování. 113

114 Pro vysoké výkony se nejčastěji používá půlkulového spalovacího prostoru se dvěma ventily. Na rozdíl od vodou chlazených motorů se volí větší úhel mezi ventily (Porsche 917 má úhel 65 ), aby se chladicí vzduch dostal až blízko k můstku mezi ventily a aby v materiálu hlavy nebyl velký teplotní spád. Rovina ventilů se volí kolmo k ose klikového hřídele a ve směru proudění chladicího vzduchu. Ventily jsou v zákrytu a nebrání průtoku vzduchu při chlazení. Obr. 96. Pohled shora na motor Porsche Uprostřed motoru umístěný ventilátor s vertikální osou rovnoměrně rozděluje vzduch na všechny válce Chladicí vzduch se přivádí na stranu sacího ventilu, aby sací hrdlo bylo studené a aby motor nasál velké hmotnostní množství vzduchu. Potrubí v hlavě, která vede od výfukového ventilu, se dělá co nejkratší, aby do hlavy válce přecházelo málo tepla. Hlava válce musí být v okolí výfukového ventilu bohatě žebrována. Při použití odsávacího chlazení se dá zlepšit chlazení závětrné části válce a hlavy přívodem pomocného proudu vzduchu pod výfukový ventil. Na obrázku 95 je 114

115 naznačen tento způsob, použitý u motoru Tatra 603. Chladicí ventilátory odsávají vzduch z kanálů na boku motoru. Vzduch vstupuje do motoru shora středem kolem karburátorů a proudí žebrováním válců do bočních kanálů. Pomocný proud chladicího vzduchu se přivádí kanálem pod výfukový ventil z vnější atmosféry. Tím je odlehčen i úzký prostor pro vzduch mezi sousedními; válci. Aby byl tento prostor dostatečný, musí být větší než u vodou chlazených motorů. To má nepříznivý vliv na délku motoru a klikového hřídele. Výhodné jsou proto ploché nebo vidlicové motory se dvěma ojnicemi na jednom čepu klikového hřídele, u kterých již s ohledem na velikost ložisek bývá rozteč válců dostatečně veliká. U víceválcových motorů jsou problémy s rovnoměrným rozdělením vzduchu na jednotlivé válce. Ventilátor musí být asi uprostřed motoru, jak to je u motoru Porsche 917 (obr. 96). Výhodné je chlazení odsávacími ventilátory, kde se vzduch do válců přivádí z atmosféry, a tím se dá dosáhnout rovnoměrného rozdělení vzduchu na válce. Příkon ventilátorů pro odsávání většího objemového množství teplého vzduchu je však větší než u tlačného ventilátoru. Obr. 97. Princip ejektorového chlazení Pokud není předepsána hlučnost motoru, dá se použít ejektorové chlazení. Princip je znázorněn na obr. 97. Výfukové potrubí ústí do mísicí komory, zapojené na výstup chladicího vzduchu ze žebrování válce. Výfukové plyny strhují v mísicí komoře vzduch a nahrazují ventilátor. Tento systém využívá energie výfukových plynů, neobsahuje žádný pohyblivý díl a automaticky reguluje chlazení úměrně výkonu motoru. U závodních motorů Tatra s motorem T 603 se tento způsob plně osvědčil, ušetřil příkon ventilátoru asi 20 kw a odstranil potíže s praskáním klínových řemenů pro pohon ventilátorů. Hvězdicové ukončení výfukového potrubí (obr. 98) zajistilo větší styčnou plochu mezi výfukovými plyny a chladicím vzduchem. Přestože teplota válců vzduchem chlazeného motoru je větší než u vodou chlazeného motoru, není tento rozdíl tak veliký, aby ovlivnil plnicí účinnost a měrný (objemový) výkon motoru. Hlavním zástupcem vzduchem chlazených závodních motorů jsou motory Porsche. Z porovnání dvou současných dvanáctiválcových motorů se stejným 115

116 vrtáním a zdvihem v tab. 12 je vidět, že výkonové parametry jsou přibližně vyrovnány - motor Porsche váží asi o 55 kg méně než motor Ferrari s chladičem a vodou. U závodních motorů jsou pro lepší odvádění tepla výhodnější válce z hliníkové křemičité slitiny. Vnitřní plocha válce se chromuje a pro lepší mazání se do ní Obr. 98. Hvězdicové trysky ejektorového chlazení u motoru Tatra 603 vytlačují malé prohlubně, v nichž se udržuje olej pro nouzové mazání. Zkoušejí se také hliníkové válce s oxidovým povlakem a povrch pláště pístu je opatřen vrstvou železa nebo podobného vhodného kovu. Tab. 12. Porovnání dvou současných závodních motorů Porsche 917 Ferrari 512 S Druh chlazení vzduchem vodou Počet válců Uspořádání plochý vidlicový 60 o Objem válců (cm 3 ) Vrtání (mm) 86,8 87,0 Zdvih (mm) 70,4 70,0 Počet ventilů na válec 2 4 Výkon (kw) při otáčkách (1/min) Měrný výkon (kw/dm 3 ) 92,5 85,5 Vstřikování benzínu Bosch Lucas 116

117 U vzduchem chlazených motorů čtyřventilové uspořádání přináší komplikace. Zejména jsou potíže s chlazením můstku mezi výfukovými ventily. Další nevýhodou je, že dva rovnoběžné sousední ventily omezí průřez pro průtok chladicího vzduchu. Pro čtyřventilové provedení by byly výhodné radiální ventily v půlkulovém spalovacím prostoru. Odkloněním ventilů od sebe by se uvolnilo místo pro žebrováni můstků mezi ventily. Rozvod takových ventilů je však složitý, jak bylo uvedeno ve stati o rozvodu. U malých vzduchem chlazených motorů nejsou se čtyřventilovým provedením potíže, neboť v malé hlavě válce se teplo snadno rozvede a stačí žebrovat povrch hlavy. Honda používá s úspěchem čtyřventilové provedeni u svých motocyklových motorů ŽEBROVÁNÍ VÁLCŮ Stěna válce je jen prostředníkem pro přestup tepla. Teplo, které uvnitř válce přechází do stěn z horkých plynů, se musí opět vnějším povrchem válce odvést, aby nastala rovnováha. Jinak by teplota válce stoupala nebo klesala až po rovnovážný stav. Součinitel přestupu tepla je závislý na rychlosti proudění vzduchu na chlazeném povrchu. Tento součinitel se zvětšuje přibližně s 0,73tí mocninou rychlosti vzduchu. Mění se s hustotou a výškou žeber a též s délkou dráhy vzduchu mezi žebry. Při vstupu vzduchu do kanálu mezi žebry se na jejich povrchu vytvoří laminární vrstva, která se v určité vzdálenosti mění na turbulentní [14]. U turbulentního proudění je rychlejší výměna molekul, což zlepšuje odvádění tepla. Vrstva turbulentního proudění je však silnější. Vzdálenost přechodu laminárního proudění v turbulentní závisí na rychlosti proudění vzduchu, jakosti povrchu, teplotě vzduchu apod., a proto se mění za chodu motoru. Přesné matematické vyjádření přestupu tepla je velmi obtížné. Je však nutno připomenout některé důležité závislosti. Důležitý je vliv povrchového tření na přestup tepla. Exponent u rychlosti vzduchu bývá 0,7 až 0,75 a znamená, že odváděné teplo roste pomaleji než množství chladicího vzduchu. Zlepšování chlazení zvyšováním množství chladicího vzduchu je hospodárné jen do určité rychlosti, asi 40 až 50 m/s. Další zvyšováni množství vzduchu je již neekonomické a výhodnější je zvětšení chladicího povrchu. Zvětšení povrchu je možné buď řídkými vysokými, nebo hustými nízkými žebry. Účinnost žebra se hodnotí poměrem tepla žebrem skutečně odvedeného k teplu, které by se žebrem odvedlo při teplotě celého povrchu žebra stejné jako u kořene. Úbytek teploty žebra od kořene k jeho vrcholu je závislý na tepelné vodivosti materiálu žebra, na síle žebra a na proudu tepla. Čím více tepla se ze žebra odvede, tím nižší bude jeho teplota na- vrcholu a tím horší bude jeho účinnost. Pokles teploty vrcholu žebra bude menší při lepší tepelné vodivosti materiálu žebra a při větší sile žebra. Na obrázku 99 jsou znázorněny dva druhy žeber se stejně velikým povrchem vzhledem k základní ploše válce. Řídké žebrování má dvojnásobnou výšku l 117

118 a dvojnásobnou rozteč t. Při stejné rychlosti vzduchu na povrchu žeber a stejné účinnosti žeber by odvedené teplo v obou případech mělo být stejné. Husté žebrování má výhodu menšího vnějšího průměru válce, a dovoluje proto menší rozteč válců a kratší motor. Řídké žebrování vyžaduje větší průměr a hodí se pro samostatně stojící válce motocyklových motorů, u kterých velké mezery mezi žebry dovolují chladicímu vzduchu proniknout při jízdě až ke kořenu žebra. Obr. 99. Dva druhy žeber vzduchem chlazených motorů Mezera pro proudění vzduchu mezi žebry je u uvedeného hustého žebrování poloviční než u řídkého. Proto se při stejné rychlosti vzduchu v mezeře, a tedy při stejném odvedeném množství tepla spotřebuje jen poloviční množství vzduchu. Nebude-li se přihlížet k většímu odporu vzduchu v malé mezeře hustého žebrování, bude energeticky husté žebrování výhodnější. Odvede-li se stejné množství tepla polovičním množstvím vzduchu, bude otepleni vzduchu dvojnásobné. To je z energetických důvodů výhodné, ale má to svoje meze. Uvažuje-li se rovnováha ve stěně po celém obvodu válce, potom teplotní rozdíl mezi vzduchem a stěnou musí být konstantní po celém obvodu válce. Proto teplota žeber u výstupu bude o oteplení vzduchu vyšší. Tato nerovnoměrná teplota obvodu válce způsobuje jeho deformaci, nerovnoměrné dosedání těsnicích kroužků profukování a ztrátu výkonu. Teplotní rozdíly na obvodu nemají být větší než asi 40 C. Horší podmínky jsou u velkých průměrů válců a hustého žebrování. Minimální mezera mezi žebry je závislá na technologii a na druhu materiálu. U odlévaných žeber je minimálně 3 až 3,5 mm. U opracovaných může být až 2 mm. Při menší mezeře vznikne již styk dvou mezních vrstev na povrchu žeber, což je spojeno se zvýšením odporu proti proudění vzduchu. Rovnoměrná teplota na obvodu válce se dá zajistit vhodným kapotováním válců. Aby se využilo veškerého vzduchu pro chlazení, dosedá kapotáž až na vrcholky žeber. Je-li kapotáž jen na zadní straně válce, klesne rychlost vzduchu v mezeře na přední straně, tím se zde teplota válce zvýší a přiblíží se teplotě na výstupu vzduchu. Je-li i v tomto případě teplota přední strany válce nižší, může se zde chlazení ještě dále zhoršit např. stíněním střední části. 118

119 13. PŘÍPRAVA SMĚSI U závodního motoru je velmi důležité využít veškerého motorem nasátého vzduchu. Proto se musí palivo se vzduchem dobře promísit, aby každá kapička paliva měla ve svém bezprostředním okolí dostatek vzduchu k dokonalému spálení. Obsah kyslíku ve výfukových plynech je znamením špatného využití vzduchu. Obr Uspořádání karburátoru Weber Není-li palivo se vzduchem dobře promíseno, musí být použita bohatší směs, která je zárukou maximálního výkonu, jak již bylo vysvětleno dříve (str. 10). Neshořelé palivo ve výfukových plynech však znamená větší spotřebu paliva a působí škodlivě i na lidské zdraví. Karburátor pro závodní motor musí klást malý odpor nasávanému vzduchu, musí dobře rozprašovat palivo a zajišťovat dobré přechody mezi částečným a plným zatížením. Malý odpor vzduchu zajišťuje velký difuzér. Kritický je však přechod z volnoběhu na plný výkon. Při náhlém otevření škrtící klapky při nízkých otáčkách motoru je v difuzéru malá rychlost a palivo není dobře rozprašováno. Pro běh motoru naprázdno je v karburátoru zvláštní zařízení, znázorněné na obr Tryska 1 odměřuje palivo, které je strhováno vzduchem a přiváděno 119

120 kanálem 2 až za škrticí klapku 3. Běh naprázdno se seřizuje šroubem 4. Při částečném otevření škrticí klapky se zvýší rychlost kolem otvorů 5 a množství bohaté směsi se zvětší. Činnost tohoto zařízení musí trvat tak dlouho, až se zvětší rychlost vzduchu a palivo v hlavním difuzéru je dobře rozprašováno. U závodního motoru má obvykle každý válec svůj vlastní karburátor a takové pulsační nasávání klade na karburátor zvlášť těžké požadavky. Obr Karburátor Stromberg CD s proměnlivým difuzérem Je-li pro celý motor použito dvou karburátorů zapojených na jedno společné potrubí, zlepší se jejich účinnost tím, že se nejprve otvírá jen jeden karburátor a teprve při vyšších otáčkách, až se v sacím potrubí zvýší podtlak, otevře se tímto podtlakem i klapka druhého karburátoru. Tento systém se funkčně přibližuje karburátoru s proměnlivým difuzérem. Proměnlivý difuzér je výhodný, neboť zajišťuje optimální rychlost vzduchu kolem trysky. Řez takovým karburátorem je na obr Válcové šoupátko 1 tvořící difuzér je spojeno membránou 2 s tělesem karburátoru. Do komory nad šoupátkem se přivádí vzduch kanálem z prostoru mezi šoupátkem a škrticí klapkou 3. Při otevření škrticí klapky při malých otáčkách motoru je v sacím potrubí jen malý 120

121 podtlak, který vnikne nad šoupátko a nadzvedne je jen nepatrně. Proto je rychlost vzduchu kolem trysky velká a rozprášení paliva dobré. Při zvyšujících se otáčkách se zvětšuje i podtlak v sacím potrubí, šoupátko se postupně zvedá a průřez difuzéru se zvětšuje. Rozkmitání šoupátka se zamezí tlumičem 4. U evropských závodních motorů jsou oblíbené karburátory Weber, které dobře splňují požadavky na malý odpor a dobré promísení paliva se vzduchem. Poněvadž závodní motory mívají ke každému válci samostatné sací potrubí, používají se dvojité i čtyřnásobné karburátory. U čtyřválcových motorů se používají dva horizontální anebo vertikální dvojité karburátory. Pro osmi a dvanáctiválcové motory se používají dva nebo tři čtyřnásobné karburátory. U dvanáctiválcového motoru Ferrari 365 je použito šesti dvojitých karburátorů. Seřízení takového počtu karburátorů není snadné. Proto se u závodních motorů obvykle přechází ke vstřikování benzínu VSTŘIKOVÁNÍ PALIVA Při vstřikování paliva jsou optimální podmínky pro vytvoření sacího potrubí. Odpadne škrcení vzduchu difuzérem a ušetří se i energie potřebná pro rozprášeni paliva, u karburátoru odebíraná z nasávaného vzduchu. Potrubí nemusí mít prudké změny průřezu, které jsou nepříznivé pro šíření tlakových vln. Každý válec dostane stejné množství paliva. Přechody a spouštění motoru jsou dobré. Odpadá vliv odstředivé síly v zatáčce na bohatost směsi, které se projevuje u karburátorů s plovákovou komorou. To vše umožňuje zvýšení výkonu motoru. U některých závodních motorů se zkoušel přímý vstřik paliva do válců (Mercedes-Benz W 196 S na obr. 50 a motor Ferrari 512 F 1 na obr. 87), který vyžadoval vysoký vstřikovací tlak a trysky byly vystaveny vysoké teplotě při spalováni. Ukázalo se, že stejného výkonu se dosáhne při vstřikování paliva do sacího potrubí, a vstřikovací souprava je levnější a spolehlivější. Při přímém vstřiku do válců musí být vstřik pro každý válec časován tak, aby proběhl během sacího a kompresního zdvihu. Dnes se vždy vstřikuje palivo do sacího potrubí. Vstřikovací ventil bývá někdy těsně u sacího ventilu, aby vstřikované palivo proniklo až přímo do válce. V tomto případě se většina paliva vypařuje teprve uvnitř válce, a tím se snižuje teplota a tlak na konci komprese. Při daném palivu to umožňuje zvýšení kompresního poměru. Poněvadž u závodního motoru při vysokých otáčkách a příznivém kompresním poměru detonace nevznikají tak snadno, není tato vlastnost pro závodní motory tak důležitá. Dnes se dává přednost umístění vstřikovací trysky hned u hrdla sacího potrubí, aby palivo bylo ve styku se vzduchem dlouhou dobu před tím, než projde ventilem. Přitom se značná část paliva odpaří a ochladí nasávaný vzduch dříve, než projde ventilem. To má příznivý vliv na plnicí účinnost, neboť hmotnostní množství nasávané studené směsi je velké. 121

122 Na rozdíl od vznětových motorů se u motorů zážehových musí odměřovat i množství vzduchu. Je nutno udržovat směšovací poměr v úzkém rozsahu jeho zápalnosti svíčkou. To přináší určité komplikace, neboť v každé samostatné větvi musí být škrtící orgán pro vzduch. Poněvadž škrtící klapka vyžaduje dost velký prostor a hřídel klapky přece jen ruší volný průtok vzduchu, užívá se často pravítkové šoupátko s otvory (gilotina), společné pro celou řadu válců. Aby ovládací síla šoupátka byla malá i při uzavřeném šoupátku a velkém podtlaku ve válcích, ukládá se šoupátko na válečky (obr. 106), nebo u motorů Porsche 917 na kuličky (obr. 147). Při otevřeném šoupátku jsou otvory v potrubí úplně volné a odpadá složité seřizování škrtících klapek pro každý válec zvlášť. Regulovat množství vstřikovaného paliva podle množství nasávaného vzduchu je možno dvojím způsobem. Bud' se množství paliva odměřuje podle podtlaku v sacím potrubí, nebo je vstřikovací čerpadlo svázáno se škrtícím orgánem vzduchu mechanicky. U závodních motorů se používá obojího způsobu. U sportovních motorů převládá způsob první. Odběr podtlaku ze sacího potrubí není u závodních motorů jednoduchý. Poněvadž každý válec má samostatné potrubí, je třeba odebírat průměrný podtlak ze všech větví. To vyžaduje přívod od každého potrubí, což není jednoduché (obr. 106). Proto se u závodních motorů s oblibou používá mechanické vazby mezi vzduchovým šoupátkem a regulačním orgánem vstřikovacího čerpadla. Množství vstřikovaného paliva se u pístových čerpadel reguluje bud klasickým způsobem otáčením a šikmou regulační hranou na pístu, nebo změnou zdvihu pístu. Obr Regulace množství vstřikovaného paliva otáčením pístu U závodních motorů se používá nejčastěji pístových vstřikovacích čerpadel. Mezi první průkopníky vstřikování benzinu patří Mercedes-Benz a Porsche, používající klasických vstřikovacích čerpadel Bosch. U těchto čerpadel s konstantním zdvihem se reguluje vstřikované množství otáčením pístu (obr. 102). V poloze A 122

123 horní hrana pístu (konstantní začátek vstřiku) uzavírá přepouštěcí otvor ve stěně válce a začíná vstřik s největším dodávaným množstvím. Ukončen je v poloze B, když spodní šikmá hrana otevře přepouštěcí otvor. V poloze C je začátek částečné dodávky a v poloze D konec částečné dodávky. V poloze E se palivo nedodává, neboť svislý zářez na pístu stále otvírá přepouštěcí otvor. Ve spodní části obrazu je znázorněno natočení pístu pro různé dodávky. Obr Vstřikovací čerpadlo Kugelfischer 1 - tryska pro spouštění studeného motoru, 2 - sací potrubí, 3 - vstup vzduchu. 4 - vstřikovací tryska, 5 - vstup a výstup chladicí kapaliny, 6 - vstřikovací potrubí, 7 - sací ventil, 8- výtlačný ventil, 9- píst vstřikovacího čerpadla, 10 - regulační doraz, 11 - přívod oleje z motoru, 12 - magnetický regulátor (a - rotor, b - stator), 13 - přívod benzinu, 14 - těleso vstřikovacího čerpadla, 15 - spirálová pružina, 16 - zdvihátko, 17 - regulační prostorová vačka, 18 - ovládací tyčka, 19 - vačkový hřídel, 20 - odpad benzinu, 21 - regulační táhlo, 22 - čidlo teploty motoru (a - parafínová náplň termostatu, b - kuželový ventil pro přívod dodatečného vzduchu), 23 - škrtící klapka, 24 - rozdělovací komora sacího potrubí, 25 - přívod benzínu ke spouštěcí trysce (přetlak 0,15 MPa) Na rozdíl od čerpadel pro naftové motory jsou písty benzínových čerpadel mazány olejem, který také zabraňuje pronikání benzínu kolem pístů a zřeďování oleje ve skříni vstřikovacího čerpadla. U motorů Porsche 917 je použito zvláštního čerpadla Bosch se dvěma řadami po šesti válcích vedle sebe, čímž se čerpadlo značně zkrátí (obr. 96). Vstřikované množství je u tohoto čerpadla regulováno změnou zdvihu pístů prostorovou vačkou a závisí na nešlápnutí akcelerátoru a na otáčkách motoru. Závislost na otáčkách určuje odstředivý regulátor v čerpadle. Mimoto je zde korekce vstřikovaného množství v závislosti na atmosférickém tlaku. 123

124 Vstřikovací trysky jsou umístěny hned u ústí sacích kanálů a palivo k nim přivádí 12 stejně dlouhých nylonových trubek Ø 6 x 2 mm. Vstřikovací přetlak je 1,8 MPa. Aby se při uvolnění akcelerátoru v sacím potrubí nehromadilo palivo, např. při projíždění zatáčkou, uzavře prostorová vačka při otáčkách vyšších než /min přívod volnoběžné dodávky paliva. Vstřikovací čerpadlo je poháněno od sacího vačkového hřídele ozubeným řemenem. Obr Princip vstřikování Lucas Obr Vstřikovací čerpadlo Lucas pro šestiválcový motor Jaguar Vstřikování benzínu Kugelfischer má opět pro každý válec jeden píst a vstřikované množství se reguluje změnou zdvihu pístu spodním dorazem. Vačka čerpadla má konstantní zdvih a spodní doraz 10 pístů 9 je ovládán prostorovou vačkou 17, která se axiálně posouvá v závislosti na otevření škrtící klapky 23. Otáčky koriguje magnetický regulátor 12. Jak je vidět na obr. 103, jeho otáčející se skříň 12a se snaží unášet stator 12b s magnety. Unášecí moment se zvyšuje s otáčkami motoru, působí proti pružině 15 a pomocí ozubeného soukolí se toto natočení přenáší i na regulační vačku 17. Vstřikovací přetlak je 3,8 MPa. 124

125 Oblíbené je vstřikovací zařízení benzínu Lucas, u kterého je píst poháněn hydraulicky palivem. čerpadlo se skládá ze skříně 1 (obr. 104), v níž je pevné pouzdro s otvory pro přívod a odvod paliva. Rozdělovací šoupátko 3 v pouzdru se otáčí polovičními otáčkami motoru. V tomto šoupátku se pohybuje volný píst, naznačený černě. Jeho pohyb je omezen pevným dorazem 5 a řízeným dorazem 4. Rozdělovací šoupátko se pohání ozubci 6 a tlak paliva je regulován ventilem 7. Obr Pravítkové šoupátko pro šestiválcový motor Jaguár Hrdlem A se přivádí palivo s přetlakem 0,7 MPa a vede se otvorem v pouzdře 2 a šoupátku 3 do válce na levou stranu černého pístu. Tlakem paliva se píst posune vpravo až po pevný doraz a vytlačí z druhé strany válce palivo rozváděcími otvory a hrdlem B do vstřikovací trysky. Otočením šoupátka do polohy naznačené vpravo se přivede palivo pod tlakem na druhou stranu pístu a zatlačí ho vlevo až po řízený doraz 4; přitom se z druhé strany pístu vytlačí palivo do trysky jiného válce hrdlem B. Toto vstřikovací zařízení je velmi jednoduché, zajišťuje přesné odměřování paliva do všech válců a pracuje spolehlivě i při vysokých otáčkách. Proto je u závodních motorů velmi oblíbené. Pro motory s více než čtyřmi válci se používá dvou rozdělovacích šoupátek. Takové vstřikovací čerpadlo pro šesti a osmiválcové motory Jaguar je na obr V tomto případě se jedná o vstřikovací čerpadlo pro šestiválec, v jehož tělese 1 125

126 jsou dvě rozdělovací šoupátka 2, otáčející se čtvrtinovými otáčkami klikového hřídele. V každém rozdělovacím šoupátku jsou dva volné písty 3, které pracují postupně po sobě mezi řízenými dorazy 4 a pevnými dorazy 5. Vývody k tryskám 6 jsou vždy na vnější, přístupné polovině šoupátka, a proto je převod od kliky 1 : 4. Obr Vstřikování Spica (pro motor Alfa Romeo) 1 - tlumič sání, 2 - čistič vzduchu, 3 - škrtící klapka, 4 - páka škrtící klapky, 5 - pedál akcelerátoru, 6 - páka k ovládání prostorové vačky, 7 a 8 - spojující táhla, 9 - ventil pro odvzdušnění klikové skříně Hnací hřídel 7 pohání obě šoupátka ozubenými koly. Pro mazání šoupátek slouží vlastní olejové čerpadlo 8 s přívodem oleje hrdlem 9. Vstřikované množství je ovládáno podtlakem v sacím potrubí, který se do tělesa regulátoru 10 přivádí hrdlem 11 nad píst 12. Pohyb pístu ovládá pomocí regulačního pravítka 13 a zdvihátek 14 řízené dorazy 4. K ručnímu doladění slouží regulátor 15. Na obrázku 106 je naznačeno pravítkové šoupátko 1 uložené na válečkách, jehož otvory 2 uzavírají sací potrubí 3 a regulují tak množství vzduchu. Podtlak pro regulaci vstřikovacího čerpadla se odebírá průběžným kanálem 4 ze všech větví a vede se k čerpadlu 5. Šoupátko je ovládáno ozubeným hřebenem a segmentem 6 a lankem 7 spojeným s akcelerátorem. Vstřikovací trysky 8 jsou nakloněny proti proudu vzduchu. 126

127 Italské vstřikovací zařízení Spica, používané u motorů Alfa Romeo, je naznačeno schematicky na obr V tomto případě se jedná o pístové čerpadlo s regulací vstřikovaného množství paliva prostorovou vačkou. Mezi vstřikovacím čerpadlem a škrcením vzduchu je mechanická vazba ELEKTRONICKÉ VSTŘIKOVÁNÍ BENZÍNU Princip elektronického vstřikování spočívá v tom, že se ke vstřikovacím tryskám přivádí palivo s konstantním tlakem a množství vstříknutého paliva se odměřuje elektromagneticky otvíranou tryskou. Dobu otevření stanoví miniaturní počítač na základě údajů z mnoha čidel. Jsou to údaje o podtlaku v sacím potrubí, o otáčkách motoru, rychlosti otvírání škrticí klapky, teplotě motoru a teplotě a tlaku nasávaného vzduchu. Počítač u systému Bosch D-Jetronic se skládá z 300 členů a z nich je 70 polovodičů. Zlepšením tohoto systému je L-Jetronic, kde se odměřuje nasáté množství výkyvnou klapkou v sacím potrubí. Tento systém reaguje na okamžitý stav motoru (opotřebení, zakarbonování, změna časování apod.) a je u něho možné přisávání výfukových plynů, aby se snížil objem složek NO x ve výfukových plynech. Vstřikuje se jen tolik paliva, kolik čerstvého vzduchu se nasaje. Elektronické zařízení je v tomto případě jednodušší a počítač obsahuje jen 80 členů, z toho 3 integrované obvody. Elektronická vstřikovací zařízení nepotřebují mechanický pohon od motoru, a dají se proto snadno použít u stávajících motorů. Používají se hlavně pro snížení škodlivin ve výfukových plynech. Informaci o otáčkách motoru dodává zvláštní přerušovač v rozdělovači zapalování. Vstřikovacích impulsů je méně, než je počet válců. U čtyřválcového motoru jsou dva, u šestiválcového tři apod. Dvě trysky se otvírají současně. Začátek a doba vstřiku nemusí souhlasit s dobou otevření sacího ventilu. Je-li ještě sací ventil uzavřen, shromažduje se palivo v sacím potrubí a nasaje se do válce až po otevření sacího ventilu. Každý válec má svou vstřikovací trysku a samostatnou větev sacího potrubí. Informace o podtlaku se odebírá ze společné komory mezi škrticí klapkou a jednotlivými větvemi k válcům. Vstřikovací přetlak je 0,2 MPa a zdvih jehly vstřikovací trysky je 0,15 mm. Doba potřebná k plnému otevření trysky je 1/1 000 sekundy. Podle dodávaného množství paliva je doba otevření trysky 2/1 000 až 10/1000 sekundy. Oba tyto systémy jsou známé z odborného tisku, a nebudou proto podrobně popisovány, neboť se u závodních motorů nepoužívají. Bosch K-Jetronic je dalším vývojovým stupněm. Odměřuje nasáté množství vzduchu výkyvnou deskou v hrdle velkého difuzéru a podle tohoto výkyvu odměřuje mechanickou cestou vstřikované množství paliva. Palivo se vstřikuje nepřerušovaně. Elektronické zařízení odpadá. Dosahuje se nejen rovnoměrného rozdílení paliva do válců, ale odpadnutím difuzéru karburátoru a ztráty energie pro rozprášení paliva se získá větší výkon motoru. Sací potrubí se může přizpůsobit požadavkům motoru, např. použitím samostatných větví pro využití tlakových kmitů v potrubí. Také průběh točivého momentu je příznivý. Proto se toto zařízení uplatňuje u sportovních motorů, 127

128 128

129 u kterých se používá čističe vzduchu a společné rozdělovací komory. Je vhodné i pro motory přeplňované turbodmýchadlem. Na obrázku 108 je celkové schéma tohoto vstřikovacího zařízení. V tělese 1 je výkyvná deska na rameni 2 a hrdlo je tvarováno tak, aby zdvih desky byl úměrný proteklému množství vzduchu. V tom případě štěrbina 5, otvíraná pístem 6 v rozdělovacím válci, může být po celé délce stejně široká. Tvarováním kuželového hrdla v tělese 1 je umožněno přizpůsobení individuálním požadavkům motoru. Deska 3 na rameni 2 je vyvážena protizávažím, takže zrychlující síly při odpružení vozidla nemají vliv na polohu výkyvné desky. Škrtící klapka 4 je spojena s pedálem akcelerátoru. Rozkmitání desky 3 a pístu 6 při nízkých otáčkách motoru brání tryska v přívodu paliva nad píst 6. Vstřikované množství paliva se seřizuje šroubem 7. Každá tryska 8 má jednu štěrbinu 5 ve stěně válce a píst 6 tyto štěrbiny rovnoměrně otvírá při svém pohybu nahoru. Obr Vyrovnávací ventil vstřikování Bosch K-Jetronic Důležitý je vyrovnávací ventil 10, znázorněný schematicky na obr Jeho účelem je udržovat konstantní vstřikovací přetlak v trysce 0,33 MPa a při přetlaku v rozváděcím potrubí 0,47 MPa. Ventil se skládá ze spodní komory 9, do které se přivádí palivo od čerpadla 15, z ocelové membrány 11 a ventilového sedla 12. Membrána je na straně ventilu zatížena pružinou 13, takže otevře sedlo ventilu 12, až se přetlak v horní komoře zvýší na 0,33 MPa. Tím je nezávisle na vstřikovaném množství dodržen konstantní vstřikovací tlak. Elektrické čerpadlo 15 odsává z nádrže 16 palivo a vede je přes zásobník 18 a jemný čistič 17 do tělesa vstřikovacího čerpadla. Redukční ventil 14 dodržuje konstantní přetlak paliva 0,47 MPa. Zachovávání tlaku paliva v celém systému i při stojícím motoru zajišťuje zásobník 18 s membránou, zatíženou pružinou. Je tím zamezeno tvoření bublin, a tím zajištěny dobré teplé starty. Zásobník též zpomaluje stoupání tlaku paliva při startu a tlumí tlakové kmity v potrubí. Studené starty usnadňuje několik zařízení. Především spouštěcí ventil 20, ovládaný bimetalovou pružinou, který otevře za studena odpadní otvor do nádrže a sníží tlak paliva na čelo pístu 6. Tím se poruší rovnováha ve vyvážení destičky 3 a stejnému nasávanému množství vzduchu bude odpovídat vyšší poloha pístu a větší vstřikované množství paliva. 129

130 Přídavný ventil na vzduch 19 je rovněž otvírán bimetalovou pružinou. Větší množství vzduchu je nutné pro překonání větších odporů u studeného motoru. Dalším zařízením je startovací ventil 21, ovládaný termostatem 22 ve vodním plášti motoru. Tento ventil zůstává otevřený, dokud se motor nezahřeje. Zapínání elektrického dopravního čerpadla paliva je zařízeno tak, že proud je vypnut při stojícím motoru. Proto se nemůže stát, že by při havárii elektrické čerpadlo stále dodávalo palivo a podporovalo požár DOPRAVNÍ PALIVOVÁ ČERPADLA U závodních motorů se používá zpravidla elektrických dopravních čerpadel. Bud jsou součástí vstřikovacího zařízení, nebo dodávají palivo ke karburátorům. Membránová čerpadla při vysokých otáčkách motoru nepracují spolehlivě, Obr Princip palivového čerpadla Bosch zejména jejich samočinné zpětné ventily. Mají-li se použít, je nutno počet zdvihů membrány omezit nejméně na čtvrtinu otáček motoru. Výhodnější jsou čerpadla bezventilová. Jako příklad je na obr. 110 uvedeno elektrické palivové čerpadlo Bosch. Ve výřezech rotoru se pohybují válečky, které jsou působením odstředivé síly stále ve styku s vnitřní plochou excentrické skříně. Tím vznikají na jedné straně skříně mezi ní a rotorem velké prostory, které se při otáčení rotoru nejprve zvětšují a potom opět zmenšují. Toho se využívá k čerpání paliva ŠKODLIVINY VE VÝFUKOVÝCH PLYNECH U závodních motorů dosud není sledován obsah škodlivin ve výfukových plynech, stejně jako pro ně dosud neplatí předpisy o maximálně přípustném vnějším hluku. Závodních motorů je jen nepatrné procento v celkovém počtu vozidel, dá se však očekávat, že v dnešním boji proti znečišťování životního prostředí bude omezen i nepříznivý účinek závodních motorů. Proto se již dnes někteří výrobci, myslící včas na budoucnost, zajímají o splnění požadavků na čistotu výfukových plynů i u závodních motorů s vysokými litrovými výkony. Zejména firma BMW se vážně zabývá splněním požadavků evropského testu i u motorů s velikým výkonem [15]. 130

131 Předpisy pro odebírání vzorků výfukových plynů pro Europa-test zabírají jen velmi malou část pole činnosti závodního motoru, například u motoru Alpina A4 je to jen asi 1/15. Přitom se vztahují jen na nízké otáčky, při kterých závodní motor prakticky nepracuje. Této oblasti se u závodních motorů věnuje dosud jen málo pozornosti, i když charakter závodního motoru představuje značné potíže pro dosažení čistoty výfukových plynů. Velká doba otevření ventilů a s ní spojené velké překřížení v HÚ, nutné u závodních motorů, působí potíže při snaze dodržet malý obsah škodlivých sloučenin uhlíku ve výfukových plynech. Dříve než se uzavře výfukový ventil, otevře se již ventil sací a výfukové plyny unikají do sacího potrubí, později se znovu nasávají do válce a ochuzují tak čerstvou náplň. Toto ochuzení však bývá tak značné, že vynechává zapalování, a neshořelá směs znamená ve výfukových plynech značný obsah CO a CH x. Naproti tomu zpětné nasávání výfukových plynů má stejný účinek jako recirkulace výfukových plynů (EGR), snižuje maximální teplotu hoření a omezuje produkci obávaných dusíkatých sloučenin NO x. Pro omezení množství výfukových plynů nasátých zpět je důležité, aby škrtící klapka byla co nejblíže k sacímu ventilu a aby objem plynů mezi ní a sacím ventilem byl co nejmenší. To se dá celkem dobře splnit u motorů se vstřikováním benzínu a samostatnými větvemi pro každý válec. Optimálních podmínek by bylo dosaženo, kdyby sací ventil plnil současně funkci škrtícího orgánu. Při chodu naprázdno by jeho zdvih byl malý a i překřížení ventilů by bylo malé nebo žádné. Při vysokých otáčkách a plném výkonu by byl ventil zcela otevřen a doba otevření ventilu by byla velká. Těmto podmínkám dobře vyhovuje systém měnitelného časování a zdvihu ventilů za chodu, zkoušený G. Torazzem na motorech Fiat [16]. Zajímavé jsou výsledky řešení čistoty výfukových plynů u motorů BMW. U čtyřválcového motoru BMW 2002 Ti s objemem 1,6 dm 3 bylo značného zlepšení dosaženo použitím dvou dvojitých karburátorů Solex 40 DDH. Každý válec měl svůj vlastni karburátor, a proto se mezi škrtící klapkou a ventilem prostor podstatně zmenšil. Přestože se místo difuzéru Ø 30 mm, použitého v původním karburátoru, používají 4 difuzéry Ø 34 mm, nevyskytly se potíže s přechody a přesným nastavením škrtících klapek karburátorů se splnily předpisy evropského testu. Přísnější předpisy, platné od r. 1975, vyžadovaly zmenšení difuzérů na 0 32 mm. Mimo sacího traktu se na motoru nic neměnilo a dosáhlo se zlepšení výkonu (obr. 111) a snížení měrné spotřeby paliva a obsahu škodlivin ve výfukových plynech. Křivka 1 platí pro původní motor s jedním karburátorem, 2 pro motor se dvěma dvojitými karburátory a 3 rovněž pro motor se dvěma karburátory, ale s ventilátorem poháněným elektromotorem. Odstraněním mechanického pohonu ventilátoru se při maximálním výkonu motoru dosáhlo zisku 3,7 kw. Kompresní poměr se nezměnil a motor se dvěma karburátory pracoval bez detonací i s normálním benzinem, zatímco jednokarburátorový motor vyžadoval benzín Super. U motoru BMW s objemem 2 dm 3, výkonem 110 kw a kompresním poměrem 131

132 1 : 10 byly již s očišťováním výfukových plynů větší potíže. Otevření vaček bylo v tomto případě 300 a místo karburátorů Solex 40 DDH byly použity karburátory 45 DDH s difuzéry Ø 38 mm, které měly pro lepší spolupráci s motorem oddělený Obr Rychlostní charakteristika motoru BMW 2002 Ti s objemem válců cm 3 při snižování škodlivin ve výfukových plynech obohacovací systém s vlastní palivovou a vzduchovou tryskou. Přesto bylo možno splnit předpisy jen s velkými obtížemi. Tlakové pulsace v sacím potrubí značně ovlivnily činnost jednotlivých karburátorů. Při použiti vstřikování benzinu Kugelfischer bylo dosaženo výkonu 125 kw a v provedeni Rallye až 140 kw. Obr Uspořádání sacího potrubí u motoru BMW - Alpina 1 - vstup čerstvého vzduchu, 2 - odlitá skříň čističe vzduchu, 3 - vložka čističe vzduchu, 4 - hrdlo sacího potrubí, 5 - seřizovací šroub obtoku vzduchu, 6 - vstřikovací tryska, 7 - potrubí z klikové skříně, 8 - spojovací kanál, 9 - škrtící klapka, 10 - sací potrubí 132

133 Přiblížením škrtících klapek s Ø 45 mm co nejblíže k ventilům bylo dosaženo příznivého obsahu CO a CH x ve výfukových plynech. Celkové uspořádání je vidět na obr Za škrticí klapkou se kanál zužuje před ventilem až na Ø 42 mm, aby se povrch sacího kanálu snížil na minimum. Propojovací příčné potrubí s Ø 8 mm slouží k přívodu směsi při chodu naprázdno, kdy jsou hlavní škrticí klapky úplně uzavřeny. Z tohoto potrubí se odebírá také podtlak k regulátoru předzápalu a je k němu připojeno i odvzdušnění klikové skříně. Tím je zajištěn Europatestem předepsaný stálý podtlak v klikové skříni, aby z ní neunikaly škodliviny do atmosféry. Hrdla sacího potrubí z plastu jsou dlouhá 125 mm a ústí do společné spodní komory čističe vzduchu. Čistič vzduchu snižuje výkon motoru pouze o 1,5 %. 133

134 14. ZAPALOVÁNÍ RYCHLOBĚŽNÝCH MOTORŮ Obyčejné bateriové zapalování s mechanickým přerušovačem a zapalovací cívkou není vyhovující pro závodní motory. Příčinou je jednak zapalovací cívka, jednak přerušovač. U bateriového zapalování má cívka funkci akumulátoru energie. Při zapnutí proudu do primárního okruhu cívky se kolem ní vytvoří magnetické pole. Vzniká však s určitým zpožděním, které je závislé na indukčnosti cívky, resp. na časové konstantě L/R. Toto zpoždění bývá 10 až 15 milisekund. Obr Průběh účinného napětí U S v závislosti na čase od doby sepnutí primárního proudu (vlevo) Obr Průběh nárůstu účinného napětí U S u čtyřválcového motoru při /min (vpravo) Po zapnutí proudu v primárním vinutí vznikne magnetické pole, které indukuje proti napětí baterie U B napětí opačného směru U i. Pokud se nevytvoří magnetické pole kolem cívky, bude pro primární proud I účinné jen napětí U s = U B - Ui (obr. 113). Po vytvoření magnetického pole se dosáhne stabilního stavu a ohmická složka napětí cívky má plnou hodnotu napětí baterie. Pro obvyklé zapalovací cívky je primární proud omezen na 3 až 4 A. U čtyřválcového motoru je třeba za jednu otáčku vyvodit dvě jiskry. Při otáčkách /min to je jisker za minutu. Doba sepnutí kontaktů přerušovače u čtyřválcového motoru je asi 50 na vačce přerušovače a u šestiválcového motoru asi 38. U čtyřválcového motoru při otáčkách /min trvá jedna otáčka 10 ms. Z diagramu na obr. 114 je vidět, že se za dobu sepnutí kontaktů magnetické pole neustálí a že k přerušení proudu dojde již při 3,6 A místo při 4 A v ustáleném stavu. Je to o 10 % méně, ale úbytek energie je 20 %. U motoru šestiválcového jsou poměry ještě horší a u osmiválce již zapalování selhává. Proto se používá u šestiválce dvou přerušovačů a dvou cívek, u osmiválce rovněž dvou 134

135 přerušovačů a dvou cívek, a někdy jen dvou přerušovačů a jedné cívky. Potom jsou poměry stejné jako u čtyřválce. Jedna zapalovací cívka vyvolá až jisker za minutu. Pro vytvoření jiskry na svíčce je třeba napětí až V. Toto napětí ionizuje vyzařováním elektronů z elektrody svíčky vzduch v mezeře mezi elektrodami a umožní přeskočení jiskry. Při studeném startu je vyzařování menší a k ionizování je třeba vyššího napětí. Energie akumulovaná v zapalovací cívce musí být větší, než je třeba k přeskočení jiskry, neboť ve vedení jsou ztráty vlivem kapacity přívodních kabelů, usazené olovo a karbon na izolátoru svíčky snižuje jeho odpor a mezera v rozdělovači také znamená určitou ztrátu. K zapálení směsi ve válci je třeba určité elektrické energie, která se promění v teplo. Když jiskra přeskočí, ale nemá potřebnou energii, směs se nezapálí. Proto místo energie 0,1 mj potřebné pro přeskočení jiskry mají zapalovací soustavy energii 50 až 70 mj a u velmi výkonných zapalování až 100 mj. Obr Průběh napětí na kontaktech svíčky Obr Průběh napětí na svíčce při 5000 V závislosti na čase při 1/1000 min 1/min, kdy prudké víření směsi způsobí rozpadnutí výboje na několik po sobě jdoucích výbojů (Bosch) Přeskok jiskry je znázorněn na obr Po přerušeni proudu zanikne magnetické pole, tím se indukcí vyvodí rychlý vzrůst napětí na svíčce. Jakmile je napětí dostatečné k ionizování vzduchu v mezeře mezi kontakty svíčky, přeskočí jiskra. Podle obrázku k tomu dojde při V a do přeskočení jiskry uplyne asi 30 mikrosekund. Potom nastane pokles napětí, ale ionizace, nyní příznivá, umožní pokračování výboje, který spolehlivě zapálí směs, pokud se tak nestalo již po prvním přeskoku jiskry. Jiskření skončí, když už vlny napětí nestačí k proražení mezery. Na obrázku je naznačena celková doba jiskření t j která při stojící nebo jen málo vířící směsi trvá asi 1,4 ms. Potom následuje dokmitávání v sekundárním okruhu, již bez jiskření. Je-li víření směsi při vysokých otáčkách intenzívní, není přeskakováni jisker tak plynulé a rozpadne se na několik po sobě následujících skupin. Pro zapálení směsi je však směrodatná celková dostatečná doba. Při vysokých otáčkách nebude 135

136 vytvoření magnetického pole kolem cívky dokončeno a akumulovaná energie se zmenší. Proto se zkrátí doba jiskření t j asi na 0,6 ms (obr. 116). Průrazné napětí pro vytvoření první jiskry bude nižší, neboť vysoká teplota elektrody svíčky (asi 800 C) při vysokých otáčkách dává příznivé podmínky pro ionizaci. Pohyblivý kontakt přerušovače má určitou hmotnost, která při vysokých otáčkách není zanedbatelná. Vlivem jeho pružnosti dochází při vysokých otáčkách k odskakování A a deformaci B (obr. 117). Každé odskočení však znamená zkrácení doby zapnutí, která je při vysokých otáčkách již sama krátká. Tím vzniká další úbytek akumulované energie a prudký pokles napětí. Obr Při vysokých otáčkách dochází k Odskakování páky přerušovače směrem A. Deformace po dosednutí je naznačena směrem B. Celková doba zapnutí t z není plně využita Obr Schéma tranzistorového zapalování s odlehčenými kontakty Pro rychloběžné motory je proto třeba hledat zlepšení zapalování. Určitého zlepšení se dosáhne zvětšením proudu v primárním okruhu. Dnešní přerušovače však snesou jen asi 5 A při napětí 500 V, vznikajícím samoindukci při přerušení primárního proudu a způsobujícím jiskření a opalování kontaktů přerušovače. Paralelně zapojený kondenzátor pomáhá jen při vyšších otáčkách. Proto je třeba zařadit před cívku odpor, který zabraňuje přílišnému ohřátí cívky proudem v primárním okruhu. Zlepšení proto není velké. Většího zlepšení se dosáhne s odlehčenými kontakty u tranzistorového zapalování. Přerušovač zapíná jen malý proud a velký proud do cívky, až 9 A, zapíná tranzistor. Schéma tohoto zapalování je na obr Tranzistor je zapojen do primárního okruhu přes emitor E a kolektor C. Zapíná se přes emitor E a bázi B. Primární proud tedy prochází jen přes tranzistor a přes kontakty přerušovače prochází jen spínací proud, asi 1 A. Tento proud by mohl být ještě nižší, ale potom by kontakty měly jen velmi malý samočistící účinek. Tranzistory jsou citlivé na přetížení a musí být proti němu chráněny. Dioda D chrání tranzistor před přetížením na přechodu emitor-báze a dioda ZD s kondenzátorem C 2 chrání přechod emitor-kolektor. Mimoto kondenzátor C l chrání 136

137 celou elektroniku před nežádoucím napětím z napájecí sítě. Před zapalovací cívkou je zapojen odpor R 11 a R 12. Odpor R 12 může být při studeném startu vyřazen propojením. Mimoto se snižuje induktivnost cívky, aby se zkrátila doba pro vytvoření magnetického pole, a tím se zkrátí i doba potřebná pro zapojení kontaktů přerušovače. Zlepšení konstrukce pohyblivého kontaktu přerušovače přesune jeho odskakování do vyšších otáček, takže možný počet jisker se zvýší asi na /min. To však je pro závodní vozy stále málo. Zlepšením je bezkontaktové plně tranzistorové zapalování, které nepotřebuje obsluhu a pracuje spolehlivě až do vysokých otáček s počtem jisker /min. Obr Schéma bezkontaktového tranzistorového zapalování Elektrické impulsy dodává obvykle indukční čidlo, vytvořené cívkou na magnetu, u kterého se magnetický okruh uzavírá železným rotorem ve stejných intervalech jako u přerušovače. Toto čidlo bývá přímo v rozdělovači, anebo na setrvačníku motoru. Schéma je na obr K akumulaci energie může sloužit i kondenzátor. Kapacita a nabíjecí napětí určují velikost energie. V tomto případě je sice také zapotřebí zapalovací cívka, ale ta neslouží jako akumulátor energie, ale pouze transformuje napětí z kondenzátoru na vysoké napětí, potřebné pro přeskočení jiskry na svíčce. Kapacitní zapalování vyniká nad cívkové asi l0krát rychlejším nárůstem napětí, takže svodové odpory na izolátoru svíčky nemají čas, aby snížily napětí. Proto je jiskra neobyčejně silná, ale má krátkou dobu trvání, maximálně 300 mikrosekund. Schéma kondenzátorového zapalování je na obr Nabíječ N má za úkol zvýšit asi na 400 V napětí baterie, kterým se nabíjí akumulátor (kondenzátor) buď jedním, anebo více impulsy. Nabíjení trvá velmi krátkou dobu, takže ani při vysokých otáčkách nedochází k poklesu energie. K vybíjení slouží tyristor, který zapíná proud až 100 A a při nabíjení kondenzátoru proud přeruší až do doby příštího zážehu. Přerušení nastane ihned po vybití kondenzátoru. Bez potíží se dosahuje trvalého počtu jisker /min. Toto kondenzátorové zapalování se někdy označuje jako tyristorové. Většinou se u něho používá bezkontaktového přerušovače, u kterého odpadá nevýhoda odskakování kontaktů při vysokých otáčkách. Porovnání všech tří systémů je na obr Je zde vyjádřen pokles napětí v závislosti na počtu jisker. Šrafované trojúhelníky na začátku a konci křivky cívkového 137

138 zapalování C představují zhoršení způsobené jiskřením kontaktů při nízkých a odskakování páky přerušovače při vysokých otáčkách. U tranzistorového zapalování TR s kontaktním přerušovačem nevýhoda odskakování zůstává. Při bezkontaktním zapalování však odpadá. Spotřeba proudu je u TR větší než u C. Toto zapalování pracuje spolehlivě a nepotřebuje obsluhu. Obr.120. Kondenzátorové (tyristorové) zapalování U zapalování tyristorového nastává jen malý pokles napětí při zvyšujících se otáčkách. U tranzistorového zapalování bez nabíječe Lucas F 1 je teoretický limit jisker za minutu. Jiskra je velmi silná, vzrůst napětí rychlý a toto zapalování také nepotřebuje obsluhu. Na obrázku 121 je označeno křivkou TY. Obr.121. Porovnání všech tří druhů zapalování C zapalování s cívkou a s přerušovačem TR tranzistorové zap. s odlehčenými kontakty TY tyristorové zapalování Obr.122. Vliv vedlejšího odporu R na ztrátu napětí na svíčce v procentech Na obrázku 122 je znázorněn vliv vedlejšího odporu R na izolátoru svíčky na ztrátu napětí v procentech. Rychlým nárůstem je toto zapalování na vedlejší odpory nejméně citlivé. Označení křivek je jako v předcházejícím případě. 138

139 14.1 POČET SVÍČEK U závodních motorů se velmi často používá dvojitého zapalování. Dvě svíčky v jednom spalovacím prostoru zkracují dráhu prohořívání, zvláště když u dvouventilového provedení není možno umístit svíčku v ose válce. U čtyřventilového provedení to možné je, a prohořívání je proto výhodné a je ještě podporováno velkým vířením směsi při vysokých otáčkách. Někdy se však používá i tři svíček v jednom válci. U malých rozměrů válců jsou však poměry příznivé a vystačí se i s jednou svíčkou. Dvojité zapalování má i tu výhodu, že při selháni jedné svíčky je úbytek výkonu malý a je možno v jízdě pokračovat. Nezapalující válec způsobuje nejen stříleni do výfuku, kam se čerpá nespálená směs, ale po delší době může palivo způsobit smytí mazací vrstvy se stěn válce i zadření pístu. Dvojité zapalování je vytvořeno dvěma na sobě nezávislými okruhy. Okamžiky jejich zapalování mohou být podle potřeb motoru nastaveny stejně, nebo různě. Svíčky závodních motorů jsou obyčejně studené se silnými kontakty a malým prostorem pod izolátorem. Pro nedostatek místa se často volí svíčky se závitem menším než 14 mm. Jsou to svíčky se závitem M 12 x 1,25 a M 10 x 1,0. U závodních motorů se používají svíčky s vnitřní elektrodou, které mají vysokou tepelnou hodnotu, ale vzdálenost elektrod se nedá seřizovat. Stříbrné elektrody mají nižší teplotu, což je způsobeno dobrou tepelnou vodivostí stříbra, a málo korodují. Dnes vyráběné svíčky jsou mnohem spolehlivější a nepatří již k často poruchovým místům motoru. 139

140 15. PŘEPLŇOVÁNÍ MOTORŮ Jak již bylo uvedeno, výkon motoru závisí hlavně na hmotnostním množství nasátého vzduchu za jednotku času. Jsou-li vyčerpány všechny výhody umožněné snížením odporu v sacím potrubí, využitím vysokých otáček a využitím tlakových kmitů v potrubí, zbývá ještě jedna možnost - dodávat vzduch do motoru s přetlakem. Přeplňování je velmi účinný prostředek pro zvýšení výkonu motoru, známý již z prvního desítiletí tohoto století. Kolem třicátých let byly téměř všechny závodní motory přeplňované. Zařazení přeplňovaných i nepřeplňovaných motorů do jedné třídy vyžadovalo stanovení poměru objemu motorů podle okamžitého stavu vývoje přeplňovaných motorů. Závodní formule F 1 v létech 1947 až 1953 stavěla na stejnou úroveň motory nepřeplňované s objemem 4,5 dm 3 a přeplňované s objemem 1,5 dm 3. Formule z let 1954 až 1960 kladla na stejnou úroveň nepřeplňované motory s objemem 2,5 dm 3 a přeplňované s objemem 0,750 dm 3. U pozdější formule, třílitrové, se povoloval přeplňovaný motor s objemem 1,5 dm 3. Zvrat v oblibě přeplňovaných závodních motorů, která trvala téměř 30 let, nastal r. 1951, když nepřeplňovaný dvanáctiválcový motor Ferrari 4,5 dm 3 porazil přeplňovaný motor Alfa Romeo 158 s objemem 1,5 dm 3 v závodech Silverstone. Od té doby se ujal vedení motor nepřeplňovaný a až r se ve třídě F 1 objevil opět motor přeplňovaný. Přeplňovaný motor se používá i v osobních automobilech, neboť splňuje požadavky na čistotu výfukových plynů, přitom dosahuje velmi dobrého výkonu a má malou spotřebu paliva. Proto by byl vývoj přeplňovaného závodního motoru užitečný MECHANICKY POHÁNĚNÁ DMÝCHADLA Nejprve byla k přeplňování používána pístová rotační dmýchadla poháněná mechanicky od motoru. Jednalo se většinou o dmýchadla typu Roots nebo o dmýchadla lopatková. Dmýchadla typu Roots, pracující na principu zubových čerpadel, měla výhodu v jednoduchostí a spolehlivosti. Oba rotory, většinou dvou nebo třízubové, se otáčely ve skříni s malou vůlí na obvodu a nepotřebovaly mazání. Vodicí ozubená kola zajišťovala, že se rotory nedotýkaly. Vyžadovalo to přesně vyrobená ozubená kola bez vůle v zubech, umístěná v boční komoře a dobře mazaná. Při šikmém ozubení kol se vůle mezi rotory seřizovala axiálním posouváním jednoho z kol. Malá mezera mezi rotory a mezi rotory a skříní sice zabraňovala jejich zadření, ale byla příčinou zpětného profukování vzduchu značně nezávislého na otáčkách, ale závislého na plnicím tlaku. Tyto ztráty byly největší při malých otáčkách a vysokých 140

141 Poněvadž tlak vzduchu se při dopravě v zubové mezeře nezvyšoval a zvětšil se náhle až při otevření mezery do výtlačného prostoru, měl tento kompresor malou účinnost, která prudce klesala se zvyšujícím se tlakem. Proto se při vyšších plnicích tlacích pro zvýšení účinnosti používala dvě dmýchadla za sebou. Příkladem pro použití Rootsových dmýchadel jsou závodní motory Mercedes-Benz z předválečných let (obr. 94). Zlepšením mělo být dmýchadlo lopatkové, v němž se vzduch při průchodu stlačoval, nebol komora, ve které se vzduch dopravoval z jedné strany na druhou, měnila objem. U lopatkových dmýchadel se vyskytovalo několik vážných problémů. Odstředivou silou lopatek vznikly velké síly ve styčné ploše se skříní, které při špatném mazání vedly k zadírání. Proto se někdy dvě protilehlé lopatky spojovaly, a tím se odstředivá síla lopatek částečně rušila (Zoller). Vrtání skříně však v tomto případě nemohlo být válcové, ale mělo nerotační tvar, nebo4 při excentrickém umístění rotoru ve skříni lopatka kolmá na směr vyosení neprocházela středem skříně. K zachycení odstředivé síly jednotlivých lopatek se u dmýchadla Powerpuls používal buben, rotující s lopatkami. Poněvadž se lopatky opíraly o tento buben, zmenšilo se tření lopatek jen na tření při jejich bočním posuvu a skříně se lopatky nedotýkaly. Vodicí buben byl na obvodu děrován. Jindy se odstředivá síla lopatek zachycovala nosy na vnitřním konci lopatek, zasahujícími do vnitřního kroužku valivého ložiska ve středu válcové skříně. Mezi lopatkami a skříní potom byla vůle. Tato dmýchadla byla podstatně složitější než dmýchadlo Roots a nedosáhla požadované spolehlivosti. Proto byla používána jen ojediněle. Stejně zřídka byla používána mechanicky poháněná odstředivá dmýchadla, která byla malá a lehká, ale měla nepříznivou charakteristiku dodávky vzduchu. Zvyšovala výkon motoru hlavně při jeho maximálních otáčkách, ale při nižších otáčkách plnicí tlak prudce klesal, což mělo vliv na pokles momentu. Přestože u závodních motorů je velmi důležitý výkon při maximálních otáčkách, nepříznivý průběh momentu vyžaduje časté řazení a velký počet stupňů v převodovce. Typickým motorem s mechanicky poháněným odstředivým dmýchadiem byl BRM, který však nebyl nijak úspěšný. U motorů Offenhauser a Novi se nepříznivý průběh momentové charakteristiky na oválové dráze Indianopolis neprojevil tak nepříznivě jako u vozů GP na zatáčkovitých tratích TURBODMÝCHADLA Všechna mechanicky poháněná dmýchadla mají tu nevýhodu, že komprese je rozdělena do dvou stupňů - v dmýchadle a v motoru -, ale expanze je pouze v motoru. Při otevření výfukového ventilu je proto ve válci ještě vysoký tlak, který odchází do atmosféry nevyužitý. To má za následek zhoršenou účinnost, tím větší, čím vyšší je stupeň přeplňování. Přeplňované motory dosahovaly sice vysokého měrného výkonu, ale spotřeba paliva rychle rostla a přesahovala i hodnotu 100 l/100 km. Proto o přeplňované motory v letech 1950 až 1970 poklesl zájem. 141

142 Zájem o přeplňování závodních motorů se opět projevil při použiti turbodmýchadla, poháněného výfukovými plyny. V tomto případě se energie pro pohon dmýchadla odebírá z výfukových plynů. Zvyšuje se tedy nejen kompresní, ale i expanzní poměr. Vysoké tlaky se zpracují ekonomicky ve válci spalovacího motoru, kdežto nízké tlaky a velké množství plynu se zpracují v turbíně a odstředivém dmýchadle. Je to velmi výhodná kombinace zajišťující zvýšení výkonu motoru bez zhoršení tepelné účinnosti. Další výhodou je automatická regulace přeplňování, nezávislá na otáčkách motoru. Poněvadž není mechanická vazba mezi motorem a turbodmýchadlem, pracuje-li motor s plným zatížením, produkuje velké množství výfukových plynů, které roztočí turbínu na vysoké otáčky a tlak a množství plnicího vzduchu od dmýchadla se zvětší. Tím se dosáhne zvýšení točivého momentu i při nízkých otáčkách motoru. Plnicí tlak se však zvyšuje se zpožděním, neboť turbodmýchadlo se musí nejprve roztočit na vysoké otáčky. Tato zpožděná reakce na sešlápnutí akcelerátoru je u závodních motorů nežádoucí a snižuje se různými způsoby. U závodního vozu Cummins Diesel, který se s úspěchem zúčastnil závodů v Indianopolis v r. 1952, Obr Schéma regulace přeplňování turbodmýchadlem přepouštěním výfukových plynů kolem turbíny v závislosti na plnicím tlaku se turbodmýchadlo roztočilo na maximální otáčky až za 15 sekund po sešlápnutí akcelerátoru. U vozu Porsche Turbo (r. 1977) bylo toto zpoždění zkráceno až na 0,2 sekundy. Zlepšení je umožněno hlavně malým momentem setrvačnosti oběžných kol turbíny a dmýchadla, který má na dobu rozběhu podstatný vliv. Důležitou roli hraje také způsob regulace výkonu. U naftových motorů se přeplňování turbodmýchadlem již dlouho s úspěchem používá. U motorů benzínových však jsou podmínky složitější. Odstředivé dmýchadlo má tu vlastnost, že hmotnostní množství vzduchu roste s druhou mocninou otáček kompresoru. To má za následek přílišné zvýšení výkonu při maximálních otáčkách. U naftových motorů se maximální výkon snadno reguluje dodávkou paliva. Motor pracuje s velkým přebytkem vzduchu, ale to nemá u vznětového motoru nepříznivý vliv na spolehlivé zapálení paliva. U motoru zážehového musí 142

143 být pro zajištění spolehlivého zapalování jiskrou dodržen určitý směšovací poměr, a proto se musí omezovat množství dodaného vzduchu. To se provádí několika způsoby. Nejjednodušší je odpouštění výfukových plynů před turbínou obtokem, dosáhne-li plnicí tlak určité hodnoty. Ovládání přepouštěcího ventilu může být přímé, působením tlaku plnicího vzduchu na membránu spojenou s přepouštěcím ventilem a zatíženou pružinou. Přepouštěcí ventil se může také ovládat nepřímo elektromagneticky. V druhém případě může být otvírání ventilu závislé i na více veličinách. Schéma takového zapojení je na obr Obr Motor Offenhauser přeplňovaný turbodmychadlem Obtokem výfukových plynů se sníží otáčky turbíny, a tím i dodávané množství vzduchu. Obtokový ventil ve výfukovém potrubí však musí být zhotoven ze žáropevného materiálu a je choulostivý na zakarbonování. Příklad takové regulace u motoru Offenhauser je na obr Druhý způsob omezování maximálního tlaku při plném zatížení motoru je odpouštěním vzduchu z plnicího potrubí. V tomto případě pracuje ventil při příznivějších teplotních podmínkách. Palivo se se vzduchem musí mísit až za odpouštěcím ventilem, aby nevznikly ztráty paliva. To u závodních motorů se vstřikem paliva nedělá potíže. Tento způsob má tu výhodu, že při omezení dodávky vzduchu nemusí turbína snížit otáčky. Použije-li se karburátor, nemůže být umístěn před dmýchadlem, ale v tlakové komoře až za dmýchadlem a jeho plováková komora musí být odvzdušněna do této komory. Také tlak paliva dopravovaného do karburátoru musí být přiměřeně zvětšen. 143

144 Schéma takového zapojení je na obr Přepouštěcí ventil musí být pečlivě proveden a jeho rozkmitání při tlakových kmitech v potrubí se zamezí tlumičem. Obr Schéma regulace činnosti turbodmýchadla přepouštěním stlačeného vzduchu zpět do sání v závislosti na tlaku plnicího vzduchu 15.3 POŽADAVKY PŘEPLŇOVANÝCH MOTORŮ Při přeplňování je nutno snížit kompresní poměr v motoru, aby nedošlo k detonacím. Komprese je rozdělena na dva stupně, a aby při použití předepsaného paliva nenastaly detonace, nesmí být překročeny teploty a tlaky na konci kompresního zdvihu. Větší kompresní prostor pojme větší hmotnostní náplň směsi, což je příznivé pro zvýšení výkonu. Pro dobrou účinnost je však nutno zajistit využití expanze plynů i po opuštění válce, což se děje v turbíně. Typické turbodmýchadlo je na obr Na společném hřídeli je oběžné kolo turbíny i dmýchadla. Aby se dosáhlo malých rozměrů a vysokých otáček, používá se vesměs dostředivé turbíny. Výfukové plyny se přivádějí do trysek na obvodu oběžného kola a odvádějí se středem turbíny výfukovým potrubím. Velká pozornost se musí věnovat tepelné izolaci dmýchadla od turbíny. Ohřátím skříně kompresoru by se zhoršovala jeho účinnost. Často se využívá vzduchové mezery mezi skříní dmýchadla a turbíny jako tepelné izolace. Těsnění mezi skříní dmýchadla a turbíny slouží také k izolaci tepla. Poněvadž maximální otáčky bývají až /min, musí být oběžná kola velmi pečlivě vyvážena. Většinou je hřídel uložen na kluzných ložiskách. Aby se malá nevyváženost neprojevila zhoubně na životnosti ložisek, jsou ve skříni uložena pružně. V případě malé nevyváženosti se osa otáčení samočinně nastaví tak, aby procházela těžištěm. Malé výchylky ložisek umožní jejich pružné uložení a vibrace se nepřenášejí do skříně. Někdy zajistí stejnou funkci jen větší vůle v ložiskách. Výfukové potrubí od motoru k turbíně musí být krátké a tepelně izolované, aby se nesnižovala tepelná energie výfukových plynů. U impulsního přeplňování se na jedno výfukové potrubí zapojují maximálně tři válce s pravidelnými odstupy v zapalování 240. Proto turbína pro čtyřválec bude mít dva vstupy a dvě samostatné 144

145 větve výfukového potrubí. V tomto případě se využije tlakových impulsů od jednotlivých válců. Někdy se pro jednoduchost používá jednoho potrubí a tlakové turbíny s jedním vstupem. Zjednoduší to instalaci výfukového potrubí, zejména u víceválcových motorů. U vysokotlakého přeplňování je ohřátí vzduchu v dmýchadle tak vysoké, že menší hustota vzduchu značně snižuje plnicí účinnost a výkon motoru. Proto se Obr Řez turbodmýchadlem Thompson v těchto případech používá chladič vzduchu mezi dmýchadlem a motorem. To však je náročné na prostor a komplikuje to instalaci motoru ve voze. Vysokotlakým přeplňováním však lze značně zvýšit výkon motoru při zachováni jeho dobré tepelné účinnosti KLASIFIKACE PŘEPLŇOVANÝCH MOTORŮ Přeplňováním závodních motorů je možné zvýšit výkon v širokém rozsahu podle použitého plnicího tlaku. Proto není předepsané snížení objemu motoru vzhledem k motorům nepřeplňovaným jednoznačné. Závodní formule má být taková, aby zkušenosti ze závodů mohly být aplikovány i pro sériově vyráběné automobily. Na stanovení nové formule ještě není jednotný názor, ale účelným se zdá omezení paliva pro závod. Pro závod v Indianopolis pro r byla předepsaná spotřeba paliva maximálně 116 galonů na 200 mil, což je 137 1/100 km. Výkon motoru je závislý na plnicím tlaku, a proto se musí použít jen tak vysoký plnicí tlak, aby tato dávka paliva vystačila pro celý závod. Při předepsaném objemu válců 2,6 dm 3 dosahuje výkon osmiválcového motoru Cosworth DFX 660 kw (900 k) a výkon konkurenčního čtyřválcového motoru Offenhauser 625 kw (850 k) při /min. Při tomto 145

146 omezení množství paliva, natankovaného před závodem, není vzácnosti, že dojde palivo v posledním kole nebo ještě dříve, když závodník nevyužívá ekonomického režimu motoru. Z výsledků některých závodů je vidět, že přeplňovaný závodní motor je ještě ve vývoji. Ve větší míře byly poprvé nasazeny přeplňované motory v těžkém 24hodinovém závodě Le Mans Byl to souboj motorů Porsche 936 Turbo a Renault Alpine A 442 Turbo. Motory s výkonem přes 440 kw (600 k) zajišťovaly vozům na přímé trati rychlost kolem 350 km/h. Během závodů vypadlo mnoho vozů obou týmů v důsledku poruch pístů, ojnic, ventilů a těsnění mezi hlavou a válcem. U vítězného vozu Porsche vznikla dvě kola před ukončením závodu také porucha pístu a jen dík velkému náskoku dojel vůz na pět válců do cíle. Také zkoušky přeplňovaného motoru Alfa Romeo ještě nebyly r uspokojivé. Přestože přeplňovaný motor 33 SC 12 Turbo dosahoval maximálního výkonu až 530 kw, při zkouškách na zkušební trati Alfa v Balocco a i na trati v Monze neukázal přesvědčující výsledky a byl v průměru o 1 sekundu pomalejší než vůz s nepřeplňovaným motorem. Proto byla účast na závodě Le Mans odřeknuta. Vývoj motoru přeplňovaného turbodmýchadlem je však užitečný, neboť přeplňovaný motor může pracovat s chudou směsi, a tím je zajištěna větší čistota výfukových plynů. Závody mohou tento vývoj urychlit a přinést mnoho zajímavých poznatků. 146

147 16. DVOUDOBÉ ZÁVODNI MOTORY U dvoudobého motoru se uskuteční při každé otáčce jeden pracovní zdvih. Při stejném středním efektivním tlaku by tedy jeho výkon měl být dvojnásobný než výkon čtyřdobého. To bylo příčinou, že se dvoudobému závodnímu motoru věnovala veliká pozornost. Každý dvoudobý motor je vlastně přeplňovaný, nebol do válce se musí přivádět čerstvá směs pod tlakem větším, než mají vystupující výfukové plyny. Přesto se při třídění závodních motorů do kategorií nebere ohled na to, je-li motor dvoudobý nebo čtyřdobý. Proto se hned od počátků závodění používaly s úspěchem motory dvoudobé. Stále jsou v paměti úspěchy závodních motorů Duesenberg, DKW, Scott a jiných. I brněnská Zbrojovka a Jawa dosahovaly dobrých úspěchů. Největší úspěchy však měly závodní motocyklové motory, které stále dosahují největších měrných výkonů. Dvojnásobný vývin tepla ve válci má za následek velké tepelné zatíženi válce, projevující se v potížích s chlazením u větších rozměrů válců, s tepelným roztahováním a s porušováním mazacího filmu na horké stěně válce. Chlazení se dá zvládnout u válcové jednotky s objemem asi 250 cm 3, u závodních motorů s objemem ještě menším. Kapalinové chlazení potíže sníží, ale neodstraní. Také na zapalováni jsou kladeny velké nároky. Poněvadž pracovní zdvih nastane při každé otáčce, požaduje se dvojnásobný počet jisker než u čtyřdobého motoru. Chlazení svíčky je obtížnější a často se objevují můstky mezi kontakty. Přestože počet válců bývá malý, jsou zase otáčky vysoké. To klade na zapalovací soustavu velmi náročné požadavky ROZVOD DVOUDOBÉHO MOTORU Vesměs se používá rozvodu pístem, uzavírajícím kanály ve stěně válce. Výška kanálů je dána časováním, a proto je pro získání velké prostupní plochy kanálů nutno co nejvíce využít obvodu válce. Přitom však nesmí čerstvá směs unikat z válce přímo do výfukových kanálů současně otevřených v blízkostí kanálů vyplachovacích. Na počátku vývoje se dělaly výfukové a vyplachovací kanály proti sobě a proudění ve válci se usměrňovalo deflektorem na pístu. Takový píst byl těžký a velkou plochou dna do něj přestupovalo velké množství tepla. Proto dnešní dvoudobé motory používají vesměs rovného dna pístu, což umožňuje vratné vyplachování. V tomto případě jsou vyplachovací kanály po obou stranách kanálu výfukového, jsou skloněny nahoru a vyúsťují tangenciálně ke stěně válce. Používá-li se k vyplachování vzduchu, nasávaného do klikové skříně každého válce, je nutno zajistit co nejlepší účinnost dmýchadla. Už při porovnání časování 147

148 čtyřdobého a dvoudobého motoru je jasné, že doba plnění válce je asi jen třetinová ve srovnání s motorem čtyřdobým. Od otevření výfukového ventilu do uzavření ventilu sacího u motoru čtyřdobého se obtočí klikový hřídel asi o 500, kdežto u motoru dvoudobého musí proběhnout výměna náplně válce maximálně za 160. Dřívější otvírání výfukových kanálů již podstatně zkrátí pracovní zdvih a snižuje měrný výkon motoru. Přitom prostupní plocha plnicích kanálů se nezvětší úměrně zkrácené době plnění. Nepříznivé jsou i podmínky pro sání do klikové skříně u symetrického časování, řízeného spodním okrajem pístu. Doba otevření bývá 120 až 140. Při dalším zvětšení doby otevření se sice vstup vzduchu do klikové skříně otevře dříve, ale kanály se zase zavřou později. To se již píst pohybuje dolů a při nízkých otáčkách vytlačuje nasátý vzduch zpět přes karburátor do volné atmosféry (prskání z karburátoru při nízkých otáčkách). Návratu směsi do sacího potrubí je možno zabránit využitím tlakových kmitů v sacím potrubí. To je však možné jen při určitých otáčkách. Zlepšení se dá dosáhnout šoupátkovým rozvodem do klikové skříně. Začátek sáni se uspíší a sání se ukončí v příznivé poloze po HÚ. Šoupátkovým rozvodem se zlepší plnicí účinnost dvoudobého motoru, a proto se ho u závodních motorů často používá. Příkladem je i motor Jawa 350 cm 3 na obr. 127, na kterém je dobře vidět celé uspořádání diskového šoupátka. V klikové skříni dvoudobého motoru je veliký škodlivý prostor, který zhoršuje objemovou účinnost tohoto dmýchadla. Velikost škodlivého prostoru se snižuje výplněmi otvorů v setrvačníku, nutnými pro vyvážení. Výplně ve spodním dílu pístu jsou též používány, ale mohou se při vysokých otáčkách uvolnit, a jejich použitím se zhorší odvádění tepla z pístu. Výplně také zvyšují hmotnost pístu, což není žádoucí. Prodloužené sání a nesymetrický rozvod se zajistí zpětnými ventily v sacím potrubí. Jsou to nejčastěji jazýčkové ventily z tenkých ocelových planžet. Také jazýčky z plastů se osvědčily. Jazýčky jsou vystaveny rychlému kmitání, jaké snese jen prvotřídní materiál. Těmito ventily prochází bud veškerý nasávaný vzduch, nebo jen jeho část vedená obtokem. Hlavní kanál je otvírán spodní hranou pístu. Ventil je v činnosti jen před otevřením hlavního kanálu pístem. Píst dvoudobého motoru musí být nejméně tak dlouhý, jako je zdvih, aby spodní hrana pístu neotvírala výfukové kanály do klikové skříně. Proto je žádoucí krátkozdvihová konstrukce, která je výhodná i s ohledem na střední pístovou rychlost. U dvoudobého motoru záleží víc než u motoru čtyřdobého na využití tlakových kmitů v potrubí k dobrému vypláchnutí a naplnění válce. V takovém případě je však rozsah optimálního výkonu jen ve velmi úzkém rozsahu otáček a to je nutno eliminovat vysokým počtem stupňů v převodovce. Je samozřejmé, že se nedá úplně zabránit unikání čerstvé náplně válce přímo do výfukového potrubí. To je spojeno nejen se zvýšenou spotřebou paliva, ale i se zhoršením čistoty výfukových plynů. Právě pro velký obsah škodlivin z nedokonale 148

149 spáleného paliva a oleje ztrácí dvoudobý motor mezi výrobci automobilů a automobilisty příznivce a udržuje se jen u motocyklů pro svoji jednoduchost. V závodních automobilech se již dlouho žádný dvoudobý motor neobjevil MAZÁNÍ A CHLAZENÍ U dvoudobého motoru je obtížné i mazání válce. Mazací olej se dá na stěnu válce přivádět jen v nasávaném vzduchu. Vzácné jsou konstrukce, u kterých se olej přivádí zvláštními kanály vyúsťujícími v zatížené straně stěny válce. I u víceválcových motorů, nepoužívajících klikové skříně jako plnicího dmýchadla, se sice zlepší podmínky mazání ložisek klikového hřídele, ale mazání stěny válce zůstává stále obtížné. Olej se má dostat ze spodní části válce na horní, ale přitom nemá vnikat do plnicích a výfukových kanálů! U motocyklových motorů se proto olej mísí s palivem bud přímo v nádrži, nebo až v karburátoru. V druhém případě je možná lepší regulace mazání v závislosti na zatížení motoru. Olej pro dvoudobé motory musí být zvlášť kvalitní, musí snášet vysokou teplotu a nesmí zanechávat dehtovité úsady a karbon ani na pístu a svíčce, ani ve výfukovém potrubí. Pro mazání pístního čepu jsou u dvoudobého motoru zhoršené podmínky. Tlak plynů na píst působí stále jen jedním směrem, což není příznivé pro vytvoření mazacího filmu. Při vysokých otáčkách závodního motoru však převládají zrychlující síly pístu nad spalovacím tlakem, takže se změní směr zatížení a vytvoří se mazací film i v horní části pístního čepu. U dvoudobých motorů se zabraňuje otáčení pístních kroužků, aby volné konce zámků nevnikaly do kanálů a nelámaly se. Neotáčí-li se však kroužek v drážce pístu, snadno se zakarbonuje, přestane těsnit a horké plyny proudící kolem stěny způsobí zadření nebo i propálení dna pístu. K uváznutí kroužku dochází zejména na straně výfukových kanálů. Také přepážky mezi sousedícími kanály, zejména výfukovými, bývají zdrojem potíží. Jejich chlazení je velmi obtížné. Teplé přepážky se teplem roztahují dovnitř válce a při každém zdvihu zatlačí a opět uvolní pístní kroužky v drážce pastu. Takové rozkmitání bývá příčinou lomu pístních kroužků. Větší roztahování přepážek vede až k zadírání pístů. Někdy se tomu zabraňuje soudkovitým vybroušení přepážek, takže válec má cylindrický tvar až X o zahřátí. Účinné žebrování válce je možné až nad výfukovými a vyplachovacími kanály. V hlavě válce však nejsou ventily, a proto se může celé dno dobře žebrovat. Výhodné je vějířové žebrování, u kterého všechna žebra vycházejí ze dna hlavy válce. Žebra ovšem musí být postavena tak, aby v mezeře mezi nimi při jízdě intenzívně proudil chladicí vzduch. U motorů dvou a víceválcových nesmějí být stěny sousedních válců slity, ale musí být mezi nimi dostatečná mezera pro průchod chladicího vzduchu. Pro zajištění chlazení blízko sebe stojících válců je výhodnější chlazení kapalinové. To se také u závodních motorů často objevuje. 149

150 Velmi důležité je i chlazení klikové skříně. Od horké klikové skříně se ohřívá plnicí vzduch a to zhoršuje plnění a výkon motoru. Proto má být kliková skříň vystavena vzduchu při jízdě a je účelné její žebrování PŘÍKLADY VÝZNAČNÝCH KONSTRUKCÍ MOTORŮ U nás bylo v předválečné době několik velmi zajímavých dvoudobých motorů. Předně to byl motor Z 2 brněnské Zbrojovky se souproudým vyplachováním, plněný dvěma Rootsovými dmýchadly. Jedná se o motor z r s objemem cm 3. Byl to šestiválcový motor se dvěma klikovými hřídeli a protiběžnými písty (celkem 12 pístů). Vzájemným pootočením klikových hřídelů bylo zajištěno nesymetrické časování. Oba hřídele byly spojeny ozubeným soukolím a na obou koncích horního hřídele bylo jedno Rootsovo dmýchadlo. Vrtání válců bylo 46mm a zdvih 2 x 50 mm. Na brzdě dosahoval motor výkonu 60 k při otáčkách /min. Motor se s úspěchem zúčastnil několika závodů, ale jeho vývoj nebyl uspokojivě ukončen pro potíže s chlazením pístů otvírajících výfukový kanál. Proto vývoj pokračoval osmipístovým čtyřválcovým motorem plněným dmýchadlem. Dva rovnoběžné válce měly společný spalovací prostor a použitím vedlejší ojnice, spojené s hlavní ojnici čepem, bylo zajištěno nesymetrické časování. I tento motor byl úspěšný na závodech. Po válce, když byl nedostatek vhodných motorů do třídy 750 cm 3, byly často s úspěchem upravovány motory Aero Minor. Největších úspěchů však dosáhly československé motocyklové motory Jawa. Vynikající motor byl vodou chlazený čtyřválec, který se skládal ze čtyř jednoválcových motorů. Obrázek 127 ukazuje jeho celkovou koncepci. Celkový objem motoru byl 350 cm 3 při vrtání Ø 48 mm a zdvihu 47,6 mm a motor dosahoval výkonu 52 kw (70 k) při otáčkách /min. Válce jsou z hliníkové slitiny s litinovými vložkami. Každý válec má vlastní pružně připevněný karburátor. Vždy dva a dva válce mají společný klikový hřídel, v jehož středu je ozubené kolo, zabírající do kola na výstupním hřídeli, které také oba hřídele spojuje. Výstupní hřídel pohání též zapalování, olejové čerpadlo a vodní čerpadlo. Zapalování je tyristorové bezkontaktní. Mazání ložisek klikového hřídele je tlakové, osmivývodovým čerpadlem. Sání vzduchu do klikové skříně ovládalo rotační šoupátko, které se s vůlí několika desetin milimetru otáčelo mezi dvěma stěnami klikové skříně. Na vnější stěnu klikové skříně je šoupátko přitlačováno jen tlakem plynů ve skříni. Nový vodou chlazený dvouválec Jawa 250 cm 3 má podobnou koncepci. Řadový dvouválec je v rámu postaven napříč a z vnější strany je na víku klikové skříně každého válce s rotačním šoupátkem umístěn karburátor. Vzduch proudí přes karburátor a šoupátko bez ohybů přímo do klikové skříně. Zadní část klikové skříně je chlazena vodou. Vrtání válců je 56 mm, zdvih 50 mm a motor dosahuje při otáčkách /min výkonu 44 kw (max. 47 kw). Tomu odpovídá střední pístová rychlost v P = 20 m/s 150

151 151

152 a střední efektivní tlak p e = 0,88 MPa. Měrný výkon je 176 kw/dm 3. Doba otevření sání je 210 a sání zavírá SZ = 70 po HÚ. Přepouštěcí a výfukové kanály otvírá horní hrana pístu s časováním přepouštěcích kanálů PO = 68,5 před DÚ, PZ = 68,5 po DÚ a výfukových kanálů VO = 92,5 před DÚ a VZ = = 92,5 po DO. Při tomto časování je maximální výkon použitelný v rozsahu otáček od do /min, což vyhovuje předepsané šestistupňové převodovce. Zvětšením doby otevření výfuku se sice maximální výkon zvýší, ale použitelný rozsah otáček je již příliš úzký. 152

153 17. VÝVOJ ZÁVODNIHO MOTORU Zajímavý je historický vývoj závodního motoru. Sledována budou jen konstrukční řešení některých význačných typů cd začátku tohoto století. Z tohoto přehledu však bude jasný vliv závodů na rychlý vývoj spalovacího motoru. Na území Československa byl první závodní vůz vyroben v kopřivnické automobilce. V tomto voze byl zamontován dvouválcový plochý motor Benz s vrtáním 120 mm a zdvihem 120 mm. Byl to čtvercový motor a ve voze byl umístěn vzadu. Řešení tedy bylo celkem moderní. Proti běžnému motoru Benz měl tento motor již dva samočinné sací ventily. Výfukový ventil byl jeden, ovládaný nuceně vačkou. Hlavy válců nebyly snímatelné, zapalování nízkonapěťové elektrické a karburátor odpařovací. Výkon motoru byl 8,8 kw při l/min. To odpovídá měrnému výkonu 3,2 kw/dm 3 a střední pístové rychlosti 5,45 m/s. Ostatní data jsou uvedena v tab. 13. Původní vůz s tímto motorem je zachován v Technickém muzeu v Praze. Zajímavý velmi dlouhým zdvihem byl vůz Laurin & Klement z r Tehdy platná formule klasifikovala vozy podle počtu válců a vrtání, a proto se výkon získával prodlužováním zdvihu. Tento případ byl extrémní, nebol při vrtání 85 mm byl zdvih 250 mm, což odpovídá zdvihovému poměru 2,94. Při celkovém objemu čtyřválce cm 3 byl výkon motoru 73,5 kw (100 k). S tímto vozem vytvořil Saša Kolovrat na autodromu Brookland r světový rekord na 10 kol průměrnou rychlostí 116,15 km/h. Neobvykle dlouhé ojnice byly trubkové, celé opracované až na sílu 1,5 mm. Rozvod byl OHV a zapalování již bylo dvojité. Skutečný závodní motor se objevil již r Byl jím slavný motor Peugeot, který navrhl švýcarský konstruktér Henri. Byl to třílitr s výkonem 66,3 kw při /min. Měl již čtyři ventily v jednom válci přímo poháněné od dvou vačkových hřídelů v hlavě válce prostřednictvím krátkých zdvihátek. Vačkové hřídele se zdvihátky byly uzavřeny v hliníkové skříni, jak je vidět na obr Ventilové pružiny však zůstávaly volné pro lepší chlazení. Zatímco u většího motoru byly vačkové hřídele poháněny svislým hřídelem a kuželovými koly, u třílitru byly poháněny čelními ozubenými koly. Zajímavá je konstrukce zdvihátek, která byla nad vačkou uzavřena kruhovým třmenem, zaručujícím vracení zdvihátka, i když mělo svoji vlastní vratnou pružinu. Tato konstrukce byla zřejmě inspirací pro desmodromický rozvod použitý později u vozu Delage (obr. 129). V tomto případě však bylo použito dvou vaček a zvláštního kluzátka pro zavírací vačku. Zdvihátko bylo spojeno s ventilem pružnou spojkou a ventil sám již neměl vratné pružiny. Pružná spojka umožňovala malou vůli mezi ventilem a zdvihátkem nutnou pro teplotní roztahování. Třílitrový motor byl výrazně dlouhozdvihový, jak to podporovala tehdejší formule. Zdvih pístu byl dvakrát větší než vrtání válce, a proto střední pístová 153

154 Tab Předválečné motory GP Objem válců V (cm 3 ) Vrtání D (mm) Zdvih L (mm) Počet válců i Výkon P e (kw) 1900 Tatra , Laurin & Kl Ř 73, Peugeot Ř 66, Miller Indy ,7 88,9 8Ř Delage GP , V Bugatti Ř Delage ,8 76 8Ř Alfa Romeo Ř Mercedes ,5 8Ř Auto Union V Mercedes Ř 475 Otáčky n (1/min) Měrný výkon (kw/dm 3 ) Střední efektivní tlak p e (Mpa) Střední pístová rychlost v p (m/s) Přeplňování 1900 Tatra ,2 0,28 5,45 ne 1908 Laurin & Kl. 13 ne 1913 Peugeot ,3 0,92 15,1 ne 1922 Miller Indy ,4 1,06 14,8 ne 1923 Delage GP 44,4 ne 1926 Bugatti ,6 1,15 15,5 ano 1927 Delage ,2 1,31 20,3 ano 1932 Alfa Romeo ,8 1,17 18 ano 1935 Mercedes ,62 18,3 ano 1936 Auto Union ,6 1,53 14,2 ano 1937 Mercedes ,74 19,7 ano rychlost již při otáčkách /min byla 15,1 m/s. Rozvod byl 2 x OHC, ale zdvihátka nebyla již nahoře uzavřena třmenem a měla jen vypouklou opěrku. Klikový hřídel byl uložen na třech kuličkových ložiskách. Uprostřed byl dělený na sevření dvouřadového kuličkového ložiska a na každém konci byl uložen v jednořadém kuličkovém ložisku. Kliková skříň byla tunelová z jednoho kusu a klikový hřídel se do ní zasouval z jedné strany. Pro střední ložisko bylo ve skříni vytočeno válcové uložení. Tunelová skříň byla velmi tuhá a přitom lehká. Valivé uložení klikového hřídele a i tunelová skříň našly mnoho přívrženců mezi konstruktéry závodních motorů. 154

155 Peugeot zavedl také první suchou klikovou skříň. Používal však jen jedno olejové čerpadlo, které ze skříně odčerpávalo olej nebo vzduch do olejové nádrže mimo motor. Tato nádrž byla vzduchotěsně uzavřena, a když se do ní odčerpal veškerý olej z klikové skříně, dopravovalo do ni olejové čerpadlo vzduch a udržovalo zde stálý přetlak. Odtud se potom olej přiváděl přímo k ložiskům, již bez použití čerpadla. Motor Peugeot značně ovlivnil konstrukci závodních motorů. Měl velké úspěchy v Indianopolis a jezdil na něm držitel světového rychlostního rekordu Bob Burman. Obr.128. Zdvihátko motoru Peugeot bylo nahoře uzavřeno A mělo svoji vratnou pružinu 1. Vůle na ventilu se Seřizovala šroubem 2 Obr.129. Desmodromický rozvod použitý u motoru Delage GP Když Burman žádal od firmy Peugeot náhradní díly, bylo mu oznámeno, že dosud vyrobené motory jsou rozdílné a je nutno motor poslat na opravu do mateřského závodu ve Francii. Zatím se však světová válka přiostřila a lodní doprava byla ohrožována ponorkami. Proto se Burman obrátil na známého výrobce karburátorů Harry Millera, jehož závod byl vybaven nejmodernějšími obráběcími stroji, zda by mohl do čtyř měsíců vyrobit nový motor. U Millera byl zaměstnán známý odborník na závodní motory Offenhauser a ten byl motorem, když si ho prohlédl, nadšen a prohlásil, že dostane-li k dispozici dva nejlepší dělníky ze závodu, i v tomto krátkém termínu motor vyrobí. Motor bylo nutno upravit na palcové míry a Offenhauser provedl i účelné úpravy rozvodu, zvětšil ventily a použil dvou karburátorů. Motor byl do závodů hotov, ale při závodě Burman havaroval a i s mechanikem se zabili. Vůz však měl vynikající výkon, a tak se Miller stal přes noc významným výrobcem závodních motorů. 155

156 Když se r závodu v Indianopolis zúčastnil Ralph Palma na voze Ballot, hned požádal svého přítele Millera o zamontování jeho karburátorů. Motor Ballot rovněž navrhoval švýcarský konstruktér Ernest Henri. Při montáži karburátorů měl Offenhauser možnost prohlédnout si nový rozvod motoru a ten se mu tak zalíbil, že ho ihned použil u svých motorů. Ballot zde poprvé použil hrníčková zdvihátka překrývající ventilové pružiny (obr. 130). Tento rozvod se velmi dobře osvědčil a je dnes stále uznávaný za nejlepší řešení. U motoru Ballot byly také poprvé použity hliníkové písty, ale motor byl stále dlouhozdvihový. Místo čtyř válců však Ballot použil osmi, takže u malých válců při stejné střední pístové rychlosti dosáhl vyšších otáček, a tím se zvýšil i měrný výkon motoru. Obr Hrníčkové zdvihátko převlečené přes ventilové pružiny poprvé použil vůz Ballot z r Také Miller začal vyrábět osmiválcové motory, které ho proslavily na celém světě. Když přišel Miller do finanční tísně. v r. 1933, Offenhauser se osamostatnil a zakoupil při Millerově konkursu jeho nejlepší obráběcí stroje. Nejprve na nich sám vyráběl náhradní díly pro závodní motory, ale když se blížil závod Indianopolis, objednávky se množily a Offenhauser najímal zpět staré dělníky. Po několika vítězstvích na závodech zájem o motory Offenhauser tak vzrostl, že byla založena firma Offenhauser Engineering Company. Motory Offenhauser, stále vítězící na Indianopolis, byly již málo zajímavé a diváci je nazývali hanlivě Four Bang a Dinosaurus. Až když r utrpěl Offenhauser na Indianopolis velkou porážku od motorů Ford, poznal, že doba vítězství čtyřválců definitivně skončila. Jedinou jeho záchranou bylo přeplňování turbodmýchadlem. Konstrukčně vyzrálé a robustní motory toto přeplňováni dobře snášely a Offenhauser zvedl výkon až na 800 kw. Tím si se starým čtyřválcem znovu získal vedoucí místo v Indianopolis. 156

157 Vraťme se však do r. 1923, když přišel Delage s, dvanáctiválcovým motorem. Výhoda vysokých otáček byla již známa. Uskutečňovala se zvyšováním počtu válců. To však vedlo ke značné komplikaci, a tak se našlo jiné řešení - přeplňování motorů dmýchadlem. Osmiválcový Delage z r byl již přeplňován dmýchadlem typu Roots poháněným od motoru a při otáčkách /min dosahoval měrného výkonu 87,2 kw/dm 3. Přeplňování se rychle rozšířilo a v té době nastala slavná doba motorů Bugatti, Alfa Romeo, Mercedes-Benz, Auto Union a dalších. Některé z těchto motorů budou uvedeny jako doklad světového vývoje. Bugatti se zasloužil o pěkné tvarové řešení vozů i motorů. Vozy Mercedes-Benz vynikaly důkladně propracovanou konstrukci a dosahovaly vysokých výkonů. Parametry několika význačných motorů té doby jsou uvedeny v tab. 13. Některé předválečné formule neomezovaly objem motoru, ale hmotnost celého vozu, což v té době vedlo ke značnému zvýšení výkonu motorů. Maximálního výkonu dosahoval motor Mercedes-Benz W 125 s objemem cm 3 a výkonem 475 kw při /min. Odpovídá to měrnému výkonu 84 kw/dm 3. Další vývoj závodních motorů přerušila druhá světová válka. Poválečné vozy třídy F 1 a F 2 mají již výkon 128 kw/dm 3 bez kompresoru. To je úžasný pokrok a bude zajímavé sledovat cesty, kterými toho bylo dosaženo. V tabulce 14 a 15 jsou uvedena data některých význačných motorů. Zajímavé jsou zejména hodnoty p e a v p, které jsou dobrým měřítkem pro posouzeni plnicí, tepelné a mechanické účinnosti. Ve vzorci pro měrný výkon jsou mimo p e také otáčky za minutu n. Ty však jsou omezeny střední pístovou rychlostí, resp. zdvihem pístu. Tab. 14. Motory F 2, objem válců cm 3 Vrtání D (mm) Zdvih L (mm) Počet válců i Efektivní výkon P e (kw) Otáčky n (1/min) Střední efektivní tlak p e (Mpa) Měrný výkon (kw/dm 3 ) Střední pístová rychlost v p (m/s) Renault CHS 86 57,3 6V/90 o ,25 108,5 19,9 BMW 12/ Ř ,46 112,2 24,6 Hart 420 R 93,3 72,6 4Ř ,37 108,5 23,0 Chrysler ROC Ř , ,5 Abarth Ř , ,8 Lancia 236L V/65 o , ,0 Cosworth BDX Ř , ,2 Cosworth Vega 89 80,3 4Ř , ,6 Proto se uplatňují malé válce a krátkozdvihová konstrukce. Běžné jsou hodnoty p e = 1,3 MPa a v p = 22 m/s. Maximální dosažené hodnoty jsou p e = 1,48 MPa a v p = 24,6 m/s. Z tabulky 14 je vidět, že těchto maximálních hodnot dosahuje motor BMW 12/6, ale přesto nemá maximální měrný výkon. Ten má ve třídě F 2 motor Abarth 260, 157

158 Tab.15. Motory F 1, objem válců cm 3 Vrtání D (mm) Zdvih L (mm) Počet válců i Efektivní výkon P e (kw) Otáčky n (1/min) Střední efektivní tlak p e (Mpa) Měrný výkon (kw/dm 3 ) Střední pístová rychlost v p (m/s) Ford DFV 85,7 64,8 8V , ,7 Ferrari 80,0 49,6 12P , ,8 Alfa Romeo 77,0 53,6 12P , ,5 Matra 79,7 50,0 12V , ,3 BRM 68,5 50,3 16H , ,8 který má 6 válců a malý zdvih 57 mm, a proto dosahuje vysokých otáček /min, potřebných pro vysoký měrný výkon. Proto při p e nižším, než má motor BMW, je jeho výkon 116 kw/dm 3. Zdvihový poměr tohoto motoru je pouze 57/86 = 0,663. Cesta je tedy jasná. Malý zdvih, a toho se dá dosáhnout u válce s malým objemem a krátkozdvihovou koncepcí. Obr Závislost středního efektivního tlaku p e na zdvihovém poměru L/D u některých vozů F 1 a F 2 Za předpokladu, že na určitém stupni vývoje jsou p e a v p u všech motorů stejné, je možno sestrojit diagram podle obr. 31. Zde se předpokládá v p = 22 m/s a p e 1,1 až 1,5 MPa. Za těchto podmínek je měrný výkon přímo závislý na otáčkách. Zvolením zdvihového poměru 0,75 se diagram může doplnit stupnicí pro vrtání a popřípadě i objem válce. Tak kupříkladu pro měrný výkon 120 kw/dm 3 při otáčkách /min by byl potřebný p e = 1,33 MPa, zdvih by byl 60 mm, vrtání 80 mm a objem jednoho válce 300 cm 3. Na první pohled se zdá být cesta k velkému měrnému výkonu velmi jednoduchá, ale ve skutečnosti není. Jednak bývá počet válců v jednotlivých kategoriích omezen předpisy, jednak se zdvihový poměr nedá libovolně zmenšovat. Při velmi nízkém zdvihovém poměru se nedosahuje dobrého p.. Je to způsobeno společným vlivem zhoršené mechanické účinnosti, tepelné a plnicí účinnosti. Na obrázku 131 je znázorněn vliv zdvihového poměru na p e u nejlepších motorů kategorie F 1 a F 2. Tendence vzrůstu p e se zvyšujícím se zdvihovým poměrem je jasná. Proto je nutno využit optimálních podmínek. U malých válců je méně příznivý poměr objemu válce k chlazenému povrchu 158

159 stěn. Tepelné ztráty u malých válců jsou větší a projeví se ve zvýšené spotřebě paliva. Také třecí ztráty u většího počtu válců a ložisek bývají větší. Osmiválcové motory Ford Cosworth mají při závodech spotřebu asi 45 1/100 km, kdežto dvanáctiválcové motory asi 55 1/100 km. Při 300 km dlouhém závodě GP to znamená při startu hmotnost zvýšenou asi o 22 kg. Tab. 16. Data závodních motorů uvedených na obr. 132 Vrtání D (mm) Zdvih L (mm) Počet válců Objem válců (dm 3 ) Výkon (kw) Otáčky (1/min) 1. Honda 35,5 25,1 5 0, Honda 38,0 36,5 6P 0, Alfa Romeo 77,0 53,6 12P 3,0 386, Ferrari 80,0 49,6 12P 3,0 383, Ford Cosworth 85,7 64,8 8V 3,0 353, BRM 78,5 51,5 12V 3,0 331, Do diagramu na obr. 132 jsou zaneseny hodnoty některých závodních motorů z tab. 16. Zajímavá je poloha motorů Honda s vysokým měrným výkonem, až 200 kw/dm 3. Je dosažen u těch nejmenších válců a až při otáčkách /min. Obr.132. Hodnoty některých závodních vozů z tab. 16 Výkon u šestiválcové dvěstěpadesátky je již podstatně nižší, 153,5 kw/dm 3 při otáčkách /min. Všechny uvedené motory leží v úzkém rozmezí p e = 1,1 až 1,3 MPa, přestože měrné výkony jsou značně rozdílné. Tak jako vyniká Honda u malých kubatur, nijak nevynikla nad průměr, když postavila dvanáctiválec F 1. Do diagramu je zakreslen i dvoudobý závodní motor Jawa, který má výborné parametry. Střední efektivní tlak u dvoudobého motoru je ovšem poloviční, než vyplývá z diagramu. Data motorů Honda jsou uvedena v tab

160 18. POPIS NĚKTERÝCH VÝZNAČNÝCH ZÁVODNÍCH MOTORŮ Alfa Romeo Jméno Alfa Romeo je v historii automobilů nerozlučně spojeno se závodními automobily. Motory Alfa Romeo se proslavily v závodech GP a představovaly špičku konstrukční vyspělosti. První osmiválec Alfa Romeo P 2 z r vytvořil Vittorio Jano, kterého Nicola Romeo získal ze závodního oddělení firmy Fiat. Vůz byl řadový osmiválec s vrtáním 61,5 mm a zdvihem 85 mm, s celkovým objemem cm 3. Na hliníkové klikové skříni byly připevněny čtyři páry ocelových válců s integrálními hlavami a s navařeným plechovým pláštěm pro chlazení vodou. Veliké ventily měly vzájemný sklon 104 a byly ovládány od dvou vačkových hřídelů v hlavě válce krátkými vloženými vahadly. Obr Pohled na motor Alfa Romeo 33 TT 3 Vačkové hřídele byly uleženy v hliníkové skříni přišroubované k blokům válců. Tento motor měl dmýchadlo Roots vlastní výroby, poháněné od klikového hřídele do rychla v převodovém poměru 1,235. Výkon motoru byl 106 kw při /min a v následujícím roce byl zvýšen na 112 kw. 160

161 Vittorio Jano a Gioacchino Colombo vytvořili u firmy Alfa Romeo mnoho dalších úspěšných motorů. Další motory měly již lité hliníkové bloky se zalisovanými litinovými vložkami. Také na ventilovém rozvodu byly změny a ploché talířky zdvihátek byly našroubovány přímo na stopce ventilu. Závitové spojení umožňovalo nastavení ventilové vůle. Tato konstrukce byla inspirována leteckým motorem Hispano Suiza a byla s různými obměnami používána i u motorů Ferrari a jiných. Nejúspěšnější Colombovou konstrukcí byl přeplňovaný osmiválec Alfa Romeo 158, který byl nejlepší ze závodních vozů Alfa Romeo a v letech 1946 až 1951 vítězil nepřetržitě ve 24 závodech. Při objemu válců cm 3 dosahoval tento motor výkonu 312 kw při otáčkách /min. Nejnovější motor závodů Alfa Romeo je plochý dvanáctiválec pro vozy formule 1. Jeho koncepce je velmi podobná motorům Ferrari 312 T. Plochý motor se dá lépe umístit v zadní části závodního vozu a snižuje těžiště celého vozu. Počet válců 12 je maximálně přípustný v této třílitrové kategorii a umožňuje zvláště při krátko zdvihové koncepci vysoké otáčky. Motor má vrtání 77 mm a zdvih 53,6 mm. Tento zdvih umožňuje při střední pístové rychlosti 20,5 m/s otáčky /min. Poněkud větší zdvih než u motorů Ferrari zvětšil i šířku motoru. Proti motoru Ferrari je Alfa těžší. Střední efektivní tlak 1,31 MPa je vyšší než u Ferrari, přestože má Alfa menší vrtání než Ferrari, ale nižší než u Ford Cosworth DFV. Je to vlivem větších ventilů (Ø 33 mm u sacího a Ø 28 u výfukového ventilu). Celkový pohled na motor Alfa Romeo 33TT3 je na obr Zapalování je Marelli Dinoplex, vstřikování benzinu Lucas nebo Spica. BMW Firma Bayerische Motoren Werke měla veliké úspěchy se závodními motocykly a byla i držitelem světového rychlostního rekordu. Používala vlastní typické konstrukce dvouválcového vzduchem chlazeného motoru boxer umístěného napříč v rámu. Když začala i s výrobou automobilů, ihned se i s malými vozy BMW Dixi zúčastňovala závodů; zejména ji proslavil později vyvinutý sportovní vůz BMW 328 s objemem dva litry. Tento šestiválcový motor měl zajímavý rozvod OHV, půlkulový spalovací prostor a dobře provedené spádové potrubí téměř rovnoběžné s osou válce, které zajišťovaly dobré plnění motoru. Tyto sportovní vozy, dodnes obdivované kvůli svému tvaru, měly hodné sportovních úspěchů a byly vyráběny též firmou Bristol. Po válce se výroba automobilů ve zničeném závodě rozběhla velmi pomalu. Dnes BMW, věrný své tradici, vyrábí velmi kvalitní vozy a zasahuje úspěšně do závodů vozů kategorie F 2. Tento objem odpovídá jeho výrobnímu programu a, závodní motory používají podle předpisu díly sériově vyráběných motorů. Vynikající je zejména typ M12/6. Vrtáni je poněkud zvětšeno na 89,2 mm (proti sériovému 89 mm) a zdvih zůstává sériový, 80 mm. Kompresní poměr je 11,2 : 1 proti sériovému 8,5 : 1. Ventilový rozvod připouští /min, což odpovídá střední pístové rychlosti plných 24,6 m/s! 161

162 Čtyři samostatné větve sacího potrubí mají hned u hrdla vstřikovací trysky a škrcení vzduchu obstarává ploché šoupátko. Vstřikovací souprava je Kugelfischer. Sací hrdla se zužují z průměru 64 mm na 45 mm u ventilu. Celková délka sacího potrubí je 335 mm. Dobré využití tlakových kmitů v potrubí umožňuje dosažení maximálního točivého momentu 250 Nm při /min. To odpovídá výkonu 204 kw a střednímu efektivnímu tlaku 1,58 MPa. Maximálního výkonu se dosahuje při /min a tento výkon je 225 kw, což odpovídá střednímu efektivnímu tlaku 1,46 MPa! Je to nejvyšší hodnota ze všech porovnávaných motorů. V hlavě jsou čtyři ventily, z nichž sací mají Ø 35,8 mm a výfukové Ø 30,3 mm. Jsou to velmi dobré hodnoty vzhledem k vrtání, jak je vidět z tab. 20. Vzájemný sklon ventilů 40 zajišťuje dobré vyplachování. Krátké kované písty Mahle ze slitiny AlSi odpovídají sériovému provedení. Ojnice jsou kovány ze slitiny titanu a při délce 148 mm mají l/r = 3,7. Z důvodu stejné teplotní roztažnosti jsou i ojniční šrouby z titanu. Klikový hřídel kovaný v zápustce má sériové rozměry hlavních čepů Ø 55 mm a ojničních Ø 48 mm. Čepy jsou nitridované plynem. Tenkostěnné pánve ložisek hlavních i ojničních jsou třívrstvové. Vačkové hřídele jsou poháněny ozubenými koly, nejprve vloženým kolem velkého průměru, na kterém je zpředu plochý alternátor, potom malým vloženým kolem a dalším vloženým kolem v hlavě válce, do kterého již zabírají dvě kola obou vačkových hřídelů. Každý vačkový hřídel má samostatnou skříň a je v ní uložen v 5 ložiskách. Ventily jsou poháněny od vačky přímo přes hrníčková zdvihátka a vůle na ventilu se seřizuje vložkami na stopce ventilu. Při síle ventilových pružin N jsou mezní otáčky rozvodu /min. Časování ventilů je při kontrolní vůli 0,36 mm za studena následující: sáni otvírá 61 před HÚ, sání zavírá 81 po DÚ, výfuk otvírá 78 před DÚ a výfuk zavírá 58 po HÚ. Zdvih sacího ventilu je 11,1 mm a výfukového 10,5 mm. Mazání je se suchou klikovou skříní. Spodní hliníkové víko tvoří válcový prostor klikové skříně a po obou stranách má sběrací šachty, ze kterých se olej dvěma čerpadly odsává do olejové nádrže. Z olejové nádrže je olej odsáván jedním čerpadlem a tlačen přes čistič k ložiskům. Třídílné olejové čerpadlo je poháněno ozubeným kolem od velkého vloženého kola s převodem asi 0,63 do poznala vzhledem ke klikovému hřídeli. Vodní čerpadlo je poháněno ozubeným řemenem od velkého vloženého ozubeného kola. Množství chladicí kapaliny na jednotlivé válce se odměřuje různě velkými otvory v těsněni hlavy válce. Termostat pro regulaci chlazení není použit. Vstřikovací benzínové čerpadlo Kugelfischer-Bosch je poháněno od konce jednoho z vačkových hřídelů a nemá regulátor otáček. Čtyři potrubí z plastu vedou palivo ke vstřikovacím tryskám. Vstřikovací přetlak je 3,5 MPa a přetlak elektrického dopravního čerpadla 0,2 MPa. Regulace směšovacího poměru se děje mechanickou vazbou s plochým vzduchovým šoupátkem. Tato jednoduchá regulace vyhovuje při závodech v podmínkách režimu otáček mezi až /min. 162

163 Zapalování HKZ má integrovaný obvod pro omezování otáček motoru a je řízeno bezkontaktově od setrvačníku. Neregulovaný předstih zapalování je 31 o před HÚ. Rozdělovač zapalování je poháněn od druhého vačkového hřídele. Na obrázku 134 je základní čtyřválcový motor BMW Obr Pohled na motor BMW 2000 BMW zkouší také přeplňování turbodmýchadlem a u čtyřválcového motoru s objemem 1,428 dm 3 dosahuje výkonu 316 kw při /min (Schnitzer). BRM Firma BRM je představitelem závodních motorů se 16 válci. Dobře propracovala konstrukci a poznala výhody malých válců, a proto se rozhodla pro největší počet válců, zvládnutelný v jedné jednotce, to je šestnáct. Od tohoto motoru cm 3 byl požadován výkon nejméně 300 kw, aby mohl konkurovat poválečným vozům s motory Alfa Romeo a Ferrari. Takový motor vyžadoval vysoké otáčky (přes /min) a velké přeplňování. Vysoké otáčky vyžadovaly malé rozměry válců a lehké díly ventilového rozvodu. 163

164 To splňovala použitá koncepce se 16 válci. Jsou to vlastně dva osmiválcové V motory s úhlem rozevření válců 135, spojené uprostřed přírubou. Od obou klikových hřídelů ze středu motoru byl odebírán výkon ozubenými koly s převodem asi 1 : 2 do pomala na hnací hřídel probíhající pod motorem, od něhož se poháněly pomocné přístroje. Pohon dvou vodních čerpadel je po obou stranách motoru. Vrtání válců bylo Ø 49,53 mm a zdvih 48,26 mm. Maximální výkon motoru by] 386 kw při otáčkách /min. Odpovídá to měrnému výkonu 256 kw/dm 3, což je nejvyšší hodnota dosažená u přeplňovaných závodních motorů. K přeplňování motoru bylo použito dvoustupňového odstředivého dmýchadla, které při otáčkách /min dodávalo motoru absolutní tlak 0,57 MPa. Tlak mechanicky poháněného dmýchadla se rychle mění s otáčkami, a proto byla křivka výkonu velmi strmá. Rychlý pokles momentu s otáčkami byl příčinou neúspěchu tohoto motoru, který po projetí zatáčkou špatně akceleroval a nebyl schopen konkurovat vozům se slabším motorem, ale s výhodnějším průběhem momentu. Tak se stalo, že dříve než byl tento motor vyvinut, ztratila platnost stávající formule, aniž by se tento velmi výkonný motor v závodech uplatnil. Obr Uspořádání šestnáctiválcového motoru BRM Druhý šestnáctiválcový motor byl postaven pro třílitrovou formuli nepřeplňovaných motorů. Tentokrát bylo zvoleno uspořádání H. Byly to opět dva samostatné motory, ale nyní byly nad sebou, čímž se délka motoru značně zkrátila. Na obrázku 135 je schematický řez motorem, z něhož je jasná celková koncepce. Horní a spodní klikový hřídel byly spojeny ozubeným soukolím s přímými zuby. Výkon se odebíral od spodního klikového hřídele. 164

165 U plochého osmiválcového motoru lze použít dva typy klikových hřídelů. Aby válce pracovaly s pravidelnými intervaly po 90, musí mít čtyřikrát zalomený klikový hřídel ramena natočená po 90, a momenty zrychlujících sil prvního řádu jsou pak nevyvážené. Druhou možností je plochá čtyřválcová klika se zalomením po 180, která dává dobré vyvážení, ale dva válce zapalují současně. Pro jednoduchost byla zvolena tato druhá možnost a klikové hřídele horního a dolního motoru byly proti sobě pootočeny o 90, takže sice vždy dva válce zapalovaly současně, ale za jednu otáčku motoru bylo 8 pravidelných impulsů, což dávalo dostatečně rovnoměrný točivý moment. Tím se také zmenšily problémy s příslušenstvím pro vstřikování benzinu Lucas a se zapalováním a usnadnila se výroba klikových a vačkových hřídelů. Motor se celkem dobře vešel do profilu vozu Lotus a z profilu vyčnívala jen hrdla karburátorů, která nemohla být moc prodlužována pro využití tlakových kmitů v potrubí. Těžiště motoru bylo však poměrně vysoko. Tento motor dosahoval při otáčkách /min výkonu 309 kw a střední pístová rychlost byla jen 17,8 m/s. Ostatní data jsou v tab. 15. Motor BRM se skládal ze dvou plochých osmiválcových motorů, ale kliková skříň byla společná. Také hlava válců pro dva sousední bloky na každé straně byla společná. Měla 8 spalovacích prostorů, 16 kanálů a ložiska pro uložení 4 vačkových hřídelů. Výroba tohoto motoru byla pracná a velmi drahá. Mazáni sice bylo společné pro oba motory a mělo jednu mazací a jednu odsávací pumpu. Každá strana motoru však měla vlastní chlazení a vstřikování benzínu. Vstřikovací čerpadlo Lucas bylo poháněno ozubeným řemenem od horního vačkového hřídele a vodní čerpadlo od dolního vačkového hřídele na každé straně motoru. Aby se dosáhlo požadované hmotnosti 190 kg, bylo použito elektronu na všechny odlitky, u kterých to bylo možné, a i vložky válce byly z hliníkové slitiny s chromovaným povrchem. Tento motor byl vyvinut k vyhovující spolehlivosti a dosáhl několika význačných úspěchů. Zákazem počtu válců většího než 12 ve formuli 1 však brzy ze soutěže vypadl. Bugatti Velkých úspěchů na závodech dosahovaly vozy Bugatti, které vynikaly i pěkným vzhledem a staly se typickým představitelem závodních vozů. Ettore Bugatti byl italského původu a původně byl sochařem. Svoje umělecké založenf a jemný cit pro estetické tvarování uplatňoval i jako úspěšný konstruktér závodních vozů; někdy snad až příliš zdůrazňoval tvarovou stránku svých výrobků. Motory Bugatti vynikaly nejen bezvadným zpracováním, ale i spolehlivostí. Bugatti používal šrouby lichých rozměrů, 5, 7, 9 a 11 mm. Odlitá hliníková kola, trubková přední náprava a bezpočetné malé šrouby se čtyřhrannou hlavou s drátěnou pojistkou, které připevňovaly karosérii - to jsou typické znaky vozů Bugatti. U prvních motorů používal Bugatti rovnoběžných ventilů v hlavě válce, společné s blokem válců. Plnění zlepšoval dvěma sacími ventily a pro výfuk zůstal jeden ventil. 165

166 Vačkový hřídel byl jeden, poháněný svislým hřídelem a kuželovými koly s rovnými zuby. Pro přeplňování používal vesměs dmýchadlo typu Roots. U pozdějších motorů již používal dvou vačkových hřídelů v hlavě válce, ale i v tomto případě tvořila hlava s blokem válců jeden celek a hliníkové skříně vačkových hřídelů k ni byly přišroubovány. Vačkové hřídele byly poháněny ozubenými Obr Příčný řez motorem Bugatti 57 koly od strany setrvačníku. Řez motorem modelu 57 je na obr Vrtání je 72 mm, zdvih 100 mm a celkový objem při osmi válcích je cm 3. Výkon motoru bez přeplňování je 103 kw při /min. Motory Bugatti byly neobyčejně pružné. 166

167 Zejména u cestovních vozů kladl Bugatti na tuto vlastnost velký důraz a jeho osmiválcový vůz akceleroval od 8 km/h až do 150 km/h na přímý záběr. Bugatti stavěl i cestovní čtyřsedadlové vozy s osmiválcovým motorem Ø 60 x 100 mm, jimž zaručoval rychlost 200 km/h. Byla to jeho obvyklá koncepce se dvěma sacími a jedním výfukovým ventilem a přeplňováním dmýchadlem Roots. Tento vůz Bugatti předváděl osobně tak, že při zařazeném přímém záběru rozjel vůz elektrickým spouštěčem, a aniž by se dotkl spojky a řadicí páky, akceleroval až do nejvyšší rychlosti. Ve snaze dosáhnout u cestovních vozů co největší pružnosti postavil i vůz s objemem motoru 151itrů. Bugatti měl již r navržen letecký motor s výkonem 300 kw (410 k) při /min. Licenci tohoto motoru prodal do USA, kde ho měla vyrábět firma Duesenberg. V principu se jednalo o dva osmiválcové motory, postavené vedle sebe, se společnou klikovou skříní a spojené ozubenými koly s uprostřed ležícím dutým hřídelem vrtule. Vrtání válců bylo 110 mm, zdvih 160 mm a celkový objem tohoto šestnáctiválcového motoru byl 24,3 dm 3. Koncepce byla stále stejná. Dva sací a jeden výfukový ventil a jeden vačkový hřídel, poháněný uprostřed své délky kuželovými koly a svislým hřídelem od klikového hřídele. Duesenberg postavil několik pokusných motorů, ale ani jeden nebyl vyzkoušen za letu. Jedině závodník Jimy Muphy ho zamontoval do svého vozu a na Dayton Beach s ním dosáhl rychlosti 253 km/h. Po druhé světové válce Bugatti přišel již jen s novým motorem cm 3 s přeplňováním. Motor měl dva vačkové hřídele v hlavě válců poháněné ozubenými koly od předního konce klikového hřídele. Udávaný výkon motoru byl 176 kw. Závody již továrna Bugatti neobesílala, a tak byla sláva těchto vozů pomalu zapomenuta. Ferrari Firma Ferrari je poměrně mladá. Její zakladatel Enzo Ferrari aktivně závodil, zejména na vozech Alfa Romeo, a později založil závodní stáj Scuderia Ferrari. První jeho motor, typ 125/GT z r. 1946, byl vidlicový dvanáctiválec s úhlem válců 60. Celkový objem motoru byl cm 3 a výkon při l/min byl 53 kw. Příčný řez tímto motorem je na obr. 63, jeho technická data jsou v tab. 17. Jeden vačkový hřídel v hlavě válce poháněl ventily poměrně dlouhými vahadly. Vložené válce byly sevřeny mezi hlavou a blokem válců. Ventilové pružiny byly vlásničkové. Kliková skříň byla dělena v ose klikového hřídele. Již r v přeplňovaném provedení měl tento motor výkon 206 kw při min. Vývoj motorů rychle pokračoval a Ferrari se vrátil k motoru čtyřválcovému. Řadový čtyřválec z r. 1951, typ 500 F2, se dobře osvědčil při závodech do vrchu a vynikal příznivým průběhem točivého momentu. Tento dvoulitrový motor měl výkon 136 kw při /min. Ventily byly krátké a měly vlásničkové pružiny. Zato zdvihátka s kladičkou byla poměrně těžká a měla dvě vlastní válcové pružiny. Celková konstrukce motoru je jasná z obr. 88. Je použito nedělené hlavy válce a vložený válec je do hlavy zašroubován. Vedení sacího ventilu je chlazeno ze všech stran, což by mělo být spíše u ventilu výfukového. Chladicí voda se odvádí z okolí každého výfukového ventilu. 167

168 Tab. 17. Parametry některých motorů Ferrari Rok Typ Uspořádání Vrtání x zdvih (mm) Objem válců (cm 3 ) Výkon (kw) Otáčky (1/min) Kompresní poměr /GT 12V 60 o 55x52, /F1 12V 60 o 55x52, *) , /Ind 12V 60 o 80x74, /F2 4Ř 90x /F1 6V 65 o 81x , /F1 12V 180 o 56x50, , /Dino 6V 65 o 86x /B 12V 180 o 80x49, ,5 *) s dmýchadlem Kliková skříň je protažena pod osu klikového hřídele a dole je uzavřena hliníkovým žebrovaným víkem. Dobrá akcelerace vozu s tímto motorem způsobila, že Ferrari zkoušel i dvouválec v domnění, že velká plocha dna pístu dává velký okamžitý moment. Pro svou nevyváženost a nepříznivé rozměry se však tento motor do vozu nedostal a Ferrari se opět vrátil k velkému počtu válců. Poslední motory byly ploché dvanáctiválce, které mají vertikálně dělenou skříň v ose klikového hřídele a každá řada válců má v hlavě dva vačkové hřídele. Příčný řez motorem typu 512/F1 z r je na obr. 87. Při velkém sklonu ventilů jsou připevňovací šrouby hlavy válce dobře přístupné zvenku bez demontáže víka hlavy válce. Zavrtány jsou až hluboko v bloku válců. Bloky jsou samostatné a ke klikové skříni jsou připevněny přírubou a průběžnými šrouby, takže je kliková skříň odlehčena. U tohoto motoru bylo použito vysokotlaké vstřikování benzinu přímo do válců. V HÚ byla vstřikovací tryska přikryta pístem. Zdvihátka jsou vytvořena plochou opěrkou, našroubovanou na stopku ventilu. Boční síly ze zdvihátka zachycuje vedení zdvihátka v hlavě válce, které má větší průměr než stopka ventilu. Ventilové pružiny jsou válcové. V každém válci jsou dva ventily v půlkulovém spalovacím prostoru. Ostatní data jsou v tab. 17. Vložené válce jsou sevřené mezi hlavou a blokem válců, délka sevření je však krátká, takže se málo projevuje na deformaci válce při jeho tepelném roztahování a na potížích s těsněním pod hlavou válce. Konečným výsledkem je motor Ferrari 312/B z r s objemem cm 3. Tento velmi úspěšný motor má malý úhel mezi ventily. Připevňovací šrouby hlavy válce jsou přístupné hůře, až po demontáži vačkových hřídelů. Blok válců je slitý s klikovou skříní, což znamená úsporu hmotnosti. Spojovací šrouby jsou dobře viditelné na příčném řezu motorem na obr Sevřená část vloženého válce je již velmi krátká. Chlazení při krátkém zdvihu je dostatečné. 168

169 169

170 Výfukový ventil má vedení chlazené po celém obvodu. Zdvihátka ventilů jsou hrníčková, přetažená přes ventilové pružiny. Sací potrubí se rozvětvuje ke dvěma ventilům v hlavě válce. Vstřikovací tryska je před tímto rozvětvením. Pravítkové šoupátko je uloženo na jehlách. Klikový hřídel je uložen ve čtyřech ložiskách. Dvě prostřední jsou kluzná a dvě krajní valívá. Vačkové hřídele jsou poháněny ozubenými koly od klikového hřídele ze strany setrvačníku. Rozdělovač zapalování a čerpadlo vstřikování benzinu je na opačné straně motoru. Výhodou tohoto plochého motoru je nízké těžiště. Za 30 let činnosti postavila firma Ferrari celkem 137 typů motorů, jejichž měrný výkon stoupal od 35 kw/dm 3 až po 127,5 kw/dm 3, což je úctyhodný pokrok. Ford-Cosworth Keith Duckworth upravil r motor Ford Cortina cm E pro závodní účely. Podle předpisu se použilo jako základu klikové skříně sériového motoru a upravila se hlava válců na čtyřventilovou se dvěma vačkovými hřídeli, poháněnými ozubenými koly od klikového hřídele. Vrtání válců bylo změněno na 85,7 mm a zdvih na 69,3 mm, což dává celkový objem čtyřválce cm 3. Motor dostal označení FVA (Four Valve - Serie A). Místo vačkového hřídele původního motoru OHV byl použit pomocný hřídel pro pohon olejového čerpadla a rozdělovače zapalováni. Motor měl mazání se suchou klikovou skříní. Vstřikovací čerpadlo na benzín Lucas bylo poháněno od jednoho z vačkových hřídelů. Výkon motoru při /min byl 162 kw. Pro velký zájem o tyto motory se začalo uvažovat o jejich sériové výrobě. Pro tyto účely musel být motor upraven. Hlavní změna byla v pohonu vačkových hřídelů ozubeným řemenem místo ozubenými koly. Podle řemenového pohonu dostal nový motor označení BDA (Belt Drive - Serie A). Poněvadž řemen nevyžaduje zvláštní kryt, celý pohon vačkových hřídelů se značně zjednodušil. Odstranily se současně potíže s dodržením přesných roztečí hřídelů ozubených kol, při kterém musela být přesně dodržena i síla těsnění mezi hlavou a válcem. Ozubená kola s přímými zuby jsou i hlučná. V neposlední řadě je pohon ozubeným řemenem mnohem levnější. Jako základ byl použit blok válců pětiložiskového motoru Cortina 1600, který byl tužší. Rozměry válců - vrtání 80,97 mm a zdvih 77,62mm - byly jako u sériového motoru, a motor proto nebyl zvlášť krátkozdvihový. I šestnáctiventilová hlava doznala velké změny. U závodního motoru proudila chladicí kapalina napříč hlavou a odváděla se nad každým výfukovým ventilem zvláštním potrubím. U motoru BDA proudí kapalina obvyklým způsobem v podélné ose hlavy a pro snadnější montáž motoru do vozu vystupuje bokem do skříně termostatu. Celkové uspořádání motoru BDA je na obr Uložení vačkového hřídele v ložiskách malého průměru použité u motoru FVA, vyžadující zvláštní víko pro každé ložisko, není vhodné pro sériovou výrobou. 170

171 U motoru BDA je vačkový hřídel uložen v ložiskách velkého průměru a zasouvá se do nedělené skříně vačkových hřídelů z jedné strany. Také hrníčková zdvihátka byla upravena pro snadnější výrobu. Malá změna byla v osové vzdálenosti ventilů, ale jinak byl rozvod zachován jako u motoru FVA. Obr.138. Názorný řez motorem Ford Cosworth BDA Motor snadno dával výkon 88 kw při /min a nepotřeboval ani zvláštní palivo. Motor BDA byl ovšem upraven i pro závodní účely, a to tak, že bylo použito vstřikování benzínu a klikový mechanismus byl převzat z motoru FVA. Přes značná zjednodušení dosáhl tento motor hned při první zkoušce na brzdě výkonu 175 kw. Poněvadž od r byl objem motoru pro třídu F 2 zvýšen na cm 3, byly hned započaty zkoušky se zvětšováním objemu. V tomto případě byly tenkostěnné odlitky bloků Ford nevýhodné, neboť dovolovaly jen malé zvětšení vrtání. Pro dosažení výhod krátkého zdvihu bylo požadováno větší zvětšení vrtání. Proto bylo zhotoveno nové jádro pro větší průměr válců, ale to bylo možné jen slitím dvou sousedních válců, což není pro chlazení výhodné. Ačkoli mělo toto provedeni své odpůrce, zkouška se uskutečnila a motor s vrtáním 85,6 mm pracoval spolehlivě. Tím se zvětšil objem na cm

172 Takto upravený motor se vstřikováním benzinu dosahoval při /min výkonu 180 kw. Toto zvětšení vrtání bylo shodné s vrtáním motoru FVA, a proto bylo možno použít stejných pístů. Další přebrušování válců na větší průměr bylo však i u těchto válců nemožné a mimoto vadil oj:licím tunel pro vačkový hřídel původního OHV motoru. Proto Brian Hart navrhl úplně nový hliníkový blok, opět se slitými válci, ale bez nyní nepotřebného tunelu pro vačkový hřídel. Hmotnost tohoto motoru byla o 16 kg menší. Počáteční potíže s vytrháváním šroubů z hliníkového bloku byly odstraněny a motor byl koncem r velmi spolehlivý. Ve dvoulitrovém provedeni dosahoval 173 kw a po čtyřech letech vývoje dosahoval se zvětšenými ventily a při návratu k velkým karburátorům Weber až 184 kw při /min, Obr.139. Pružná spojka v pohonu vačkových hřídelů u motoru Ford-Cosworth DFV Mimoto se šlo ještě druhou cestou. Litinové válce byly z bloku opracováním úplně odstraněny a místo nich se do bloku připájely ocelové válce s vrtáním až 90 mm. K této konstrukci byla velká nedůvěra, ale motor se celkem osvědčil i při závodech. Motor BDG pro F 2 dosáhl největšího výkonu 210 kw při /min (tab. 18). Motory s hliníkovým blokem Brian Hart typu 420 R s velkými úpravami dosahovaly až 220 kw. Od r se Keith Duckworth věnoval hlavně vývoji osmiválcového motoru DFV (Double Four Valve). Již při prvních zkouškách dosahoval tento třílitrový motor na brzdě přes 300 kw. O použitém plochém klikovém hřídeli pro tento motor bylo již pojednáno. Také potíže s odsáváním oleje z klikové skříně a hlavně ze skříní vačkových hřídelů byly již probrány na str. 83. Lámání zubů ozubených kol v pohonu vačkových hřídelů bylo odstraněno pružnou spojkou. Pro nedostatek místa to byl pro konstruktéry těžký úkol. 172

173 Problém byl vyřešen pomocí krátkých krutných tyčí A (obr. 139). Prostřední velké kolo je poháněno od klikového hřídele a od obou menších bočních kol se pohání vačkové hřídele pravého a levého bloku. Celkové uspořádání pohonu vačkových hřídelů a příslušenství je znázorněno na obr. 71. Příčný řez motorem je na obr V tabulce 18 je stručně popsán vývoj motoru. Ve vývoji jsou nové motory s elektronovými odlitky, jejichž použitím se snížila hmotnost motoru o 8,6 kg. Hmotnost hliníkového motoru je 163,2 kg a výkon 342 kw, maximální moment při /min je 372 Nm. Obr Příčný řez motorem Ferd-Cosworth 1 - čtyři ventily v hlavě válce, 2 - pohon vodního a olejového čerpadla (na obou stranách motoru) Hliníková skříň je dělena v ose klikového hřídele. Tuhá spodní polovina klikové skříně doplňuje válcový tvar vnitřního prostoru. Litinové vložené válce jsou uchyceny v horní desce bloku válců a mohou se volně roztahovat teplem dolů do skříně. Čtyři ventily ve střechovitém spalovacím prostoru svírají úhel 32. Čtyři vačkové hřídele jsou poháněny ozubenými koly od předního konce klikového hřídele. Časování je SO 58, SZ 82, VO 98 a VZ 58. Plochý klikový hřídel je uložen v pěti kluzných ložiskách. 173

174 Tab.18 Vývoj motorů BDA-Cosworth Typ Rok Provedení Vrtání (mm) Objem (cm 3 ) Výkon (kw) Otáčky (1/min) BDA 1968 sériové BDB 1970 rally BDC 1970 F2, vstřikování benzínu BDD 1971 formule Atlantic BDE 1972 F2, vstřikování benzínu 85, BDF 1972 F2, vstřikování benzínu, 88, ocelové válce BDG 1973 F2, vstřikování benzínu, F2, vstřikování benzínu, Vývoj motorů DFV-Cosworth 1967 Motor používaný u vozů Lotus 302 kw při Emin Motory pro Lotus Tyrrell, McLaren, Brabham, Alan Mann, J W Automotive a Frank Wiliams. Omezovač otáček na l /min Nové March a Surtees. 316 kw při Jmin Mnoho změn. Krátkodobý výkon 331 kw při /min. Změna sacího a výfukového potrubí. Odstraněni 2. a 4. ložiska ze spodku klikové skříně Vyroben stý motor DFV začátkem roku Výkon 342 kw při I O Jmin. Vyrobeno 200 motorů Vyrobeno 250 motorů. Vývoj elektronového motoru První úspěchy elektronových motorů. uložen v pěti kluzných ložiskách. Vstřikování benzinu je Lucas a zapalování Lucas Opus s elektronickým omezovačem otáček, ručně seřiditelným. Generální prohlídka u prvních motorů následovala po km ujetých v závodech; u posledních motorů asi po km. Cena motoru (r. 1977) je liber + VAT a elektronového motoru o liber větší. Prohlídka motoru stojí 1000 liber. Roku 1977 oslavil Cosworth desetiletí a současně 100. vítězství DFV v závodech GP. Jaguar V pojednání o závodních motorech je nutno se zmínit o úspěšném motoru Jaguar typu XK SS, který měl velké úspěchy při závodech. Klasická konstrukce tohoto motoru je jasná z obr. 141 a nepotřebuje bližší vysvětlení. Původní motor měl vrtání 83 mm a zdvih 106 mm, což při šesti válcích dává objem cm 3. Tento motor měl při otáčkách /min výkon 186 kw. 174

175 Se zdvihem zmenšeným na 76,5 mm, se stejným vrtáním 83 mm měl motor objem 2,4 dm 3 a se vstřikováním benzínu Lucas byl velmi úspěšný v kategorii vozů s objemem 2,5 litru. Poslední dvanáctiválcové motory Jaguar s objemem Obr Příčný řez motorem Jaguár 5,3 litru se již odklonily z cenových důvodů od dvouvačkového provedení a používají u každé řady válců jednoho vačkového hřídele. Ventily jsou v řadě, ovládané hrníčkovými zdvihátky. Jawa Jawa byla vždy nakloněna stavbě závodních motocyklů a dosáhla v tomto směru vynikajících úspěchů. Z počátku se zaměřila pouze na motory čtyřdobé OHV a OHC. Byly to motory dvouventilové, vzduchem chlazené, které se četnými úspěchy při závodech vypracovaly na přední místo. Poněvadž se později výroba zaměřila pouze na dvoudobé motory a ve špičkových výkonech získaly závodní dvoudobé motory převahu, vyvinuly se v Jawě velmi úspěšné dvoudobé motory světové úrovně (viz str. 150). Ve vývoji čtyřdobých motorů pokračoval pobočný závod Jawy v Divišově, věnující se výhradně plochodrážním motocyklům. Poněvadž plochodrážní motocykly nemají převodovku, vyžaduje se od motoru příznivý průběh točivého momentu, umožňující dobrý start. 175

176 První plochodrážní půllitr Jawa OHV získal brzy prvenství na všech světových plochých dráhách. Během času se však požadoval stále větší výkon při zachování spolehlivosti a hmotnosti, a proto se přikročilo k rekonstrukci motoru na čtyřventilový motor se dvěma vačkovými hřídeli v hlavě válce. Podařilo se zachovat původní výšku i hmotnost motoru a výkon se zvýšil. Tento jednoválcový čtyřventilový motor má vrtání 88 mm a zdvih 81 mm. Veškeré odlitky motoru jsou vyrobeny z hliníkových slitin. Hliníkový válec má zalisovanou litinovou vložku s vysokým obsahem niklu. I ojnice je z duralového výkovku a je uložena na válečkovém ložisku vlastní výroby. Kovaný píst má dva těsnicí a jeden stírací kroužek. Dva vačkové hřídele jsou v hlavě válce uloženy na valivých ložiskách a pohánějí ventily pomoci hrníčkových zdvihátek. Vůle na ventilu se seřizuje vyměnitelnými podložkami. Pohon vačkových hřídelů je válečkovým řetězem. Motor má při otáčkách /min výkon 46 kw. Odpovídá to měrnému výkonu 93 kw/dma, a přitom je průběh točivého momentu příznivý. Střední pístová rychlost je 21,9 m/s a p e = 1,215 MPa. Matra Dvanáctiválcové motory Matra patří k nejvýkonnějším motorům formule 1. Celkové uspořádání motoru je na obr. 142 a data motoru jsou uvedena v tab. 15. Rozvod 2 x OHC je čtyřventilový a rozevření válců je 60. Vačkové hřídele jsou poháněny ozubenými koly od předního konce klikového hřídele. Sací a výfukové ventily svírají úhel 33 30'. Původní sací kanály byly vedeny mezi oběma vačkovými hřídeli (r. 1968). Přestože vstup směsi do válců byl téměř v ose válců, vyplachování nebylo dokonalé, a proto jsou po úpravě z r sací kanály vyvedeny bokem do středu V motoru. Mercedes-Benz Závodní motory Mercedes-Benz byly vždy v čele svou pokrokovou konstrukci. Bylo u nich využíváno zkušeností z leteckých motorů téže firmy, např. navařování plechových vodních plášťů na válec. Tato konstrukce je použita např. u motoru W 125. Také pozdější motor W 163 s objemem 2,96 dm 3 (obr. 143) představuje typickou konstrukci předválečných závodních motorů Mercedes-Benz. Z příčného řezu tímto dvanáctiválcovým motorem je vidět pohon ventilů vloženými pákami od čtyř vačkových hřídelů v hlavě válce. V sacím potrubí uprostřed motoru je pojistný ventil, který zabraňuje vzniku vysokého tlaku v sacím potrubí, např. při zapálení směsi v tomto potrubí, a poškození dmýchadla. Tento motor měl vrtání Ø 67 mm a zdvih 70 mm, což u dvanáctiválců dává objem cm 3. Výkon motoru při otáčkách /min byl 355 kw. Čtyři ventily v hlavě válce byly ve dvou řadách, svírajících úhel 60. Vačkové hřídele byly podobně jako u motoru W 125 poháněny ozubenými koly od klikového hřídele na straně setrvačníku. 176

177 Klikový hřídel je uložen v sedmi válečkových ložiskách. Ojniční ložiska byla rovněž válečková, ale hlava ojnice byla dělená, takže klikový hřídel dělený být nemusel. Dvoustupňové dmýchadlo Roots dodávalo směs pod absolutním tlakem 286 kpa. Palivo obsahovalo 86 % methylalkololu. Obr Příčný řez dvanáctiválcovým motorem Matra 1 - čtyři ventily v hlavě válce, 2 - pohon vodního čerpadla, 3 - pohon olejových čerpadel. (Autocar) Poválečný motor Mercedes-Benz W 196 byl řadový osmiválec s desmodromickým rozvodem. Příčný řez hlavou tohoto motoru se dvěma ventily ve válci je na obr. 50. Popis rozvodu je uveden na str. 65. Motor měl vrtání Ø 76 mm a zdvih 68,8 mm, což znamenalo objem cm 3, a výkon 213 kw při /min. Vstřikování benzinu Bosch bylo přímo do válců. 177

178 Tento motor se montoval i do vozů 300 SLR s objemem zvýšeným na cm 3, s vrtáním 78 mm a zdvihem 78 mm. Výkon tohoto motoru byl 220 kw při /min. V obou případech se jedná o motor nepřeplňovaný. Ve voze byl motor zamontován se sklonem 60. Obr Příčný fez motorem Mercedes-Benz W 163 Další závodní motory již firma Mercedes-Benz nevyráběla a nezúčastňovala se rychlostních závodů GP. Porovnání s výkony některých současných závodních motorů je možné podle tab. 19. Offenhauser O vzniku závodních vozů a firmy Offenhauser bylo již pojednáno na str Je nutno ještě dodat, že Miller po úspěších se čtyřválcovým motorem již r vyrobil osmiválcový řadový motor s objemem dva litry. U toho použil jen dva ventily na válec, což umožňovalo použít půlkulový spalovací prostor. O tři roky později byl 178

179 Tab.19. Data předválečných přeplňovaných motorů Rok Vrtání (mm) Zdvih (mm) Počet válců Objem válců (cm 3 ) Výkon (kw) Otáčky (1/min) Auto Union V Auto Union V Auto Union V Alfa Romeo BRM ,53 48,3 16V Cisitalia ,5 12P Mercedes-Benz V Mercedes-Benz V Mercedes-Benz V Závodní vozy formule 1, obsah válců 2500 cm 3 Mercedes-Benz 76 68, Maserati Ferrari-Lancia 76 68,5 8V Ferrari 625/F Ferrari 625/F , Gordini Bugatti 75 68, později byl objem tohoto osmiválcového motoru snížen na 1,5 dm 3 a motor byl přeplňován odstředivým dmýchadlem. Tento motor byl používán i pro závodní čluny. Pro čluny byl používán i nepřeplňovaný dvouventilový osmiválcový motor s objemem válců 5,1 dm 3. Z něj byl r odvozen i šestnáctiválcový motor s objemem 10,2 dm 3. V té době přišel závodník Dick Loynes za Millerem a požadoval po něm motor s objemem 2,47 dm 3, podle tehdy platné formule pro závodní čluny. Nechtěl však osmiválec pro automobilové závody, ale solidní a spolehlivý čtyřválec, který by vydržel několik sezón a dával dostatečný moment pro projeti zatáčky kolem bóje. Gossen podle těchto pokynů vytvořil motor robustní a trvanlivý, s požadovanou akcelerací. S ním byl Loynes neporazitelný na národních i mezinárodních závodech. Po těchto úspěších zamontoval závodník Bill White tento motor do svého závodního vozu. Jel s ním poprvé závod r a umístil se na druhém místě v závodě 500 mil. Tak se Miller navrátil ke čtyřválci. Po Millerově bankrotu a prvních těžkých počátcích Offenhauserových se situace změnila r. 1933, když čtyřválec obsadil v Indianopolis druhé a třetí místo. Důvěra ke čtyřválcům se vrátila a objednávky na motory Offenhauser se množily. Tomuto čtyřválci potom zůstal Offenhauser věrný. Když zestárl, předal svůj závod zdarma 179

180 180

181 svému mladému příteli Louisi Meyerovi, který vyhrál Indy 500 třikrát a vždy s motorem Offenhauser, a stejně dobrému příteli Dalu Drakovi, výrobci ventilových pružin, a od nich žádal pouze, aby závod vedli k bývalé slávě. Tak od r až do r dostal závod nové jméno, Meyer & Drake Engineering. Čtyřválcové motory Offenhauser měly tu výhodu, že byly levnější než konkurenční motory osmiválcové. Vyráběly se ve dvojím provedení. Motor s kratším zdvihem 70 mm měl vrtání 109 mm a motor s delším zdvihem 78 mm měl vrtání 102 mm. Konstrukce typického motoru Offenhauser je jasná z obr. 85. Motory Offenhauser se r prodávaly za dolarů a motory osmiválcové Fordl za dolarů. Je nutno poznamenat, že r dostala společnost Meyer & Drake Engineering objednávku od Forda na 10 nových závodních osmiválcových motorů. Při tom se oba vedoucí rozešli v názorech, a výsledek byl ten, že Meyer přešel do závodního oddělení Ford a Drake vedl závod dále v Offenhauserově tradici pod novým názvem Drake Engineerign & Sales Corp. Data motorů Offenhauser jsou v tab. 20. Porsche Doktor Ferdinand Porsche se zapsal do dějin automobilů několika zdařilými konstrukcemi. Závodní vozy byly jeho koníčkem a v mládí i sám aktivně závodil. Jíž ve 23 letech mu bylo u vídeňské firmy Lohner, vyrábějící kočáry, svěřeno oddělení pro vývoj elektromobilů a zde realizoval svůj první vůz r Brzy potom postavil svůj první závodní vůz s elektromotory v předních kolech, který dosahoval rychlosti 90 km/h. Potom pracoval u firmy Austro Daimler, Daimler Benz a Steyr. Všude po sobě zanechal význačné konstrukce. Zejména, u firmy Mercedes navrhl mnoho úspěšných motorů a typy SSK a SSKL jsou stále klasickým vzorem přepl ňovaných závodních motorů. Z předválečných závodních motorů navrhl úspěšný Auto Union. Řezy tímto motorem jsou na obr. 144 a 145 a data jsou v tab. 13. Výkon přeplňovaného šestnáctiválce dosahoval až 400 kw při /min. Původně byl klikový hřídel z jednoho kusu bez vývažků. Po obtížích s ojničními kluznými ložisky přešel k ložiskům válečkovým a k nedělené hlavě ojnice. Proto musel být klikový hřídel rozdělen a jednotlivé díly byly spojeny v ojničních čepech Hirtovým ozubením. Zajímavý je ventilový rozvod pouze s jedním vačkovým hřídelem. Po druhé světové válce se Porsche osamostatnil a na objednávku navrhl a vyrobil pro firmu Cisitalia závodní vůz. Byl to plochý dvanáctiválec s objemem dm 3. Příčný řez tímto motorem je na obr. 146 a data jsou v tab. 19. Pro finanční potíže firmy Cisitalia se závodů nezúčastnil. Nejprve se Porsche zabýval úpravou motorů VW na větší výkon. Brzy však navrhl vlastni vzduchem chlazené motory, z nichž nejúspěšnějším byl typ Carrera. Příčný řez tímto motorem je na obr. 33. Úspěchy vozů Porsche na závodech vzbudily zájem a továrna se začala věnovat závodění. Velké úspěchy dosáhly vozy Porsche 917 CanAm s přeplňovanými vzduchem chlazenými dvanáctiválcovými motory, které dosáhly výkonu až 810 kw. 181

182 Příčný řez motorem 917 je na obr. 147 a v textu již o něm byla často zmínka. Je to plochý dvanáctiválcový motor s klikovým hřídelem šestkrát zalomeným po 120. Klikový hřídel je uložen v osmi ložiskách, šesti s Ø 57/26 mm a dvou s Ø 66/26 mm. Výkon se odebírá z ozubeného kola uprostřed hřídele. Se stejnými úspěchy se zkoušel hřídel z jednoho kusu i hřídel ze dvou polovin, uprostřed spojených ozubeným kolem a svářením. Na každém ojničním čepu s Ø 52 mm jsou vedle sebe dvě titanové ojnice. Malý počet ložisek zajistil dobrou mechanickou účinnost. Ze středu klikového hřídele je odvozen i pohon čtyř vačkových hřídelů. Obr Příčný řez motorem Auto Union Ozubené kolo je v uzlu torzních kmitů, a proto se do rozvodu nepřenášejí žádné vibrace. Zmínka o přívodu oleje do klikového hřídele z obou stran byla již ve stati o mazání. Olejové čerpadlo má pohon od klikového hřídele s převodem 0,55 do pomala. Spalovací prostor je půlkulový, jak tomu u dvou ventilů ve válci bývá, sací ventil je od osy válce odkloněn o 30 a výfukový o 35. Hlavy jsou odlévány do kokily a jsou z hliníkové slitiny. U výfukového ventilu jsou hlavy více žebrovány. Těsnění pod hlavou válce je na obr. 89. Data o rozvodu jsou v tab. 20. časování: SO 104, SZ 104, VO 105 a VZ 75. Kliková skříň je elektronová a šrouby spojující její obě poloviny jsou z titanové slitiny se stejnou tepelnou roztažností jako materiál skříně. Stejné šrouby jsou použity i pro připevnění hlavy válce ke skříni. Chladicí ventilátor se svislou osou je poháněn kuželovými koly u středu pomocného hřídele. Ventilátor je uprostřed motoru, takže rozdělení vzduchu na válce je rovnoměrné (obr.96). 182