Traktory a doprava I. Interní učební text. Ing. Antonín Dolan, Ph.D. ČeeeeeeeeČeeeeeeeeeeee6

Transkript

1 e e e Traktory a doprava I Interní učební text e Ing. Antonín Dolan, Ph.D. ČeeeeeeeeČeeeeeeeeeeee6

2 Úvod Předložený učební text je určen studentům Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, obor bakalářského studia Zemědělská technika, obchod, servis a služby. Je zpracováno podle osnov předmětu Traktory a doprava I. Slouží k osvojení teoretického základu, který je nutný pro praktická cvičení. Učební text obsahově zapadá do souboru skript a učebnic z oblasti motorových silničních vozidel. Jeho úkolem je seznámit posluchače s tímto oborem a získat přehled o technické terminologii. Osnova předmětu: 1. Rozdělení traktorů 2. Provedení traktorů 3. Provedení motorů 4. Spalovací motory 5. Pracovní oběh spalovacích motorů 6. Příslušenství spalovacích motorů 7. Paliva, palivový systém 8. Převodovky traktorů 9. Pojezdové ústrojí traktorů 10. Příslušenství traktorů 11. Tahové vlastnosti 12. Pohyb vozidel v terénu 13. Zemědělské nákladní automobily 14. Manipulační a speciální dopravní prostředky Úkolem praktických cvičení je názorně seznámit posluchače s probíranou látkou a ověření znalostí písemnými testy a seminárními pracemi. Garant předmětu: Ing. Dolan Antonín, Ph.D.

3 Obsah: 1. Rozdělení traktorů a jejich historický vývoj Rozdělení traktorů Historický vývoj traktorů Vývoj v Čechách Světoví výrobci Volba traktoru Hlavní rozměry a parametry traktoru Rozdělení vozidlových motorů Vývoj konstrukce motorů Rozdělení spalovacích motorů Rozdělení pístových spalovacích motorů Další konstrukce pístových motorů Základní parametry a pojmy u spalovacích motorů Základní parametry spalovacího motoru Charakteristiky spalovacích motorů (tahových souprav) Základní části spalovacích motorů Blok motoru Válec Hlava válců Těsnění hlavy válců Kliková skříň Klikové ústrojí Kliková hřídel Setrvačník Píst Ojnice Rozvody Konstrukce rozvodů Uspořádání ventilových rozvodů Ventily Sedla ventilů Pružiny ventilů Vedení ventilu Ventilová vůle 36 2

4 Vahadla Zdvihátka Vačková hřídel Vačky Variabilní rozvody Plně variabilní rozvody Příslušenství spalovacích motorů Chladící soustava Kapalinové chlazení Vzduchové chlazení Mazací soustava Tlakové oběžné Palivová souprava Způsoby hoření paliva Systémy vstřikování u zážehových motorů Způsoby vstřikování benzínu Složení soustavy vstřikování benzínu Vstřikování paliva u vznětových motorů Sací a výfukový systém Elektrická soustava vozidla Akumulátory a baterie Alternátor a dynamo Spouštěč Přenos výkonu motoru na podložku Pojezdová spojka Převodovka Stupňovité řazení s přerušením přenosu přesuvnými koly Stupňovité řazení s přerušením přenosu přesuvnými kroužky Stupňovité řazení bez přerušením přenosu planetovým převodem Stupňovité řazení bez přerušením přenosu Power Shift Stupňovité řazení bez přerušením přenosu sekvenční převodovkou Stupňovité řazení bez přerušením přenosu dvouspojkovou.. převodovkou

5 5.2.7 Stupňovité řazení bez přerušením přenosu Vario Bezstupňové řazení hydrostatické Bezstupňové řazení hydrodynamické Bezstupňové řazení variátorem Bezstupňové řazení toroidním převodem Rozvodovka Koncový převod Brzdy Rozdělení brzdových soustav Odpružení náprav Pneumatiky a pásy Paliva a maziva Uhlovodíková paliva z fosilních zdrojů kapalná Uhlovodíková paliva z fosilních zdrojů plynná Uhlovodíková paliva z biomasy Vodík Maziva a mazadla Zemědělská doprava Mechanické dopravníky Skluzy Válečkové trati Vibrační žlaby Šnekové dopravníky Pásové dopravníky Článkové dopravníky Korečkové dopravníky Pneumatické dopravníky Doprava kapalin Faremní vodovod Doprava kapalin po ose Doprava krmiv Krmní skotu Krmení prasat Krmení drůbeže Doprava výkalů

6 8. Seznam použité literatury. 73 5

7 1. Rozdělení traktorů a jejich historický vývoj Mobilní energetické prostředky v zemědělství (MEP) se rozdělují do třech základních skupin. Jsou to traktory, samojízdné stroje a nákladní automobily. Mobilní energetický prostředek má svojí charakteristickou koncepci (složení). Má vlastní zdroj energie a mechanické práce - motor s příslušenstvím, dále převody, směrové řízení, pojezdové ústrojí a místo obsluhy. 1.1 Rozdělení traktorů Hledisek pro rozdělení traktorů může být celá řada. Mezi hlavní kritéria bych zařadil rozdělení dle druhu pojezdového ústrojí (kolové až 95%, pásové a polopásové), dle počtu náprav (1, 2 i více p. Dvořák prototypy Vichr a Bouře a Fendt Trisix), dle počtu kol nebo pásů (jedno a dvě hobby, zahradnictví, parky, pásové, tři, čtyři, nejčastěji přední menší a řízená, zadní hnací - univerzální traktor, nebo stejně velká, pět a více - stavebnicové konstrukce), dle způsobu řízení (ruční směrování, natáčení kol jedné nápravy, natáčení kol dvou náprav, natáčení kol více náprav, kloubové, směrové brzdy a spojky), dle druhu rámu (bezrámový samonosný, polorámový, rámový, dělený rám, portálový a mostový), dle koncepčního uspořádání -provedení (jednoosá motorová jednotka, rider, malotraktor, univerzální standardní traktor, systémový traktor - nosič nářadí, mobilní manipulátor a speciální traktor - kultivační, viniční, horský, lesní, stavební ). U tohoto rozdělení se objevila v poslední době celá řada nepřesností, zřejmě v souvislosti snahy prodejců a některých rádoby znalců o poangličtění zavedených názvů (nebo chybného překladu). Jedná se zejména o rozdíl mezi riderem a malotraktorem a někteří uvádí i jako koncepci orební traktor. Rider (viz obrázek č. 1) je ze své definice jednoosá motorová jednotka s možností sezení (viz klasická scéna z filmu Slavnosti sněženek s komentářem: To je dost dědku, že jsi nás vyvezl na výlet), kdežto malotraktor je čtyřkolový traktor s výkonem motoru do 30 kw. Orební traktor existoval možná v době parních strojů, nebo počátcích mechanizace polních prací. Dnes jsou traktory, které se používají k orbě zcela shodné s univerzálními traktory (nikdy se nepoužívají pouze a výhradně jen k orbě). Obrázek č. 1 - Rider 6

8 Další hlediska rozdělení traktorů mohou být dle energetického zdroje (parní, zážehový, plynový vznětový motor i s přeplňováním, elektrický pohon, nebo kombinovaný - hybridní a alternativní), dle pohonu kol a náprav (na jedno kolo jedné nápravy, na dvě kola jedné nápravy 2 WD, na čtyři kola dvou náprav 4 WD, na více kol různých náprav 6, 8 WD a kombinované), dle směru pohybu (jednosměrný vpřed s možností couvání, dvousměrný vpřed i vzad - reverzace) a dle výkonu motoru (do 30 kw malotraktory, kw nízké výkony, kw střední výkony, kw vysoké výkony, kw velmi vysoké výkony a nad 220 kw extrémně vysoké výkony). 1.2 Historický vývoj traktorů Souvisí s vývojem spalovacích motorů po roce U traktorů objevují po roce 1920 (benzínové a na petrolej), do té doby parní stroje s kovovými koly (pouze na pole), ale již mají vývodový hřídel pro pohon nářadí. V 30. létech 20. století se objevuje použití vznětového motoru, pneumatik (již na cestách v dopravě) a tříbodového závěsu pro ovládání nářadí hydraulikou. V 40. létech se objevilo použití vzduchových brzd pro přívěsy, v 50. létech se zvyšují výkony motorů a použití řazení pod zatížením, v 60. létech další zvyšování výkonů, pohon přední nápravy, radiální pneumatiky, důraz již i na ergonometrii a bezpečnost, v 70. létech motory s přeplňováním a mezichladiči, přední tříbodový závěs a vývodový hřídel, v 80. létech se zvyšuje pojezdová rychlost, odpružení kabiny, klimatizace a počátky elektroniky, v 90. létech pak nástup palubních počítačů, ohledy na emise výfukových plynů, snižování spotřeby paliva a vysoké výkony motorů. 1.3 Vývoj v Čechách První zmínka pochází z května 1851, kdy p. Bauer předvedl samojízdné parní pluhy v Židlochovicích u Brna. Před 1. světovou válkou se již objevují motorové pluhy a traktory továrny Laurin & Klement a Praga. Po 1. světové válce jsou to již motorové pluhy s možností pohonu mlátičky. Ve 20. létech byl uskutečněn dovoz amerických traktorů Fordson a John Deere. V roce 1926 vznikl první Český traktor Škoda Plzeň značky HT 30 (30 HP - viz obrázek č. 2). 7 Obrázek č. 2 Traktor Škoda HT30 Konec 20. let Kolben a Daněk traktory Praga AT 25, Wichterle a Kovařík Prostějov Wikov 22 a 32 na petrolej a Wikov diesel 22-35, V 30. létech p. Svoboda v Kosmonosech u Mladé Boleslavi. Konec 30. let a počátek 40. let univerzální kolový

9 traktor Škoda 30 (nejrozšířenější po 2. světové válce). Po 2. světové válce německá výroba a v rámci akce UNRRA dovoz z USA John Deere, Farmell, Massey - Herris a Ferguson. První prototyp Zetoru vznikl již v roce 1945, sériová výroba traktorů (model Zetor 25 ) zahájena roku 1946 ve Zbrojovce Brno, v roce 1948 Zetor 15 (viz obrázek č. 3). Obrázek č. 3 Traktor Zetor 15 4). Od roku 1951 v nové továrně v Brně Líšni Zetory 25 A a 25 K (viz obrázek č. 8 Obrázek č. 4 Zetor 25 K V roce 1949 prototyp Zetor 30, základ pro Zetor 35 a modernizované provedení Zetor 50 až do roku Unifikovaná řada UŘ I se objevila v roce 1957 s typy 20, 30 a 4011 s dvou, tří, a čtyřválcovými motory (vysoká unifikace dílů, modifikace pro vinice, s přední poháněnou nápravou, polopásové provedení a pro horské oblasti až do roku 1967). První modernizace unifikované řady 1 byla v letech , v roce 1972 druhá, třetí v letech s typy 49, 59 a 6911 (i v provedení s pohonem přední nápravy, polopásové, kloubové nebo úzké pro vinice), čtvrtá v letech s typy 50, 60 a 7011 (s novým moderním designem), pátá v roce 1984 s typy 52, 62 a 7211, v roce 1986 šestá s typy 7711 a 7745 (s maximální rychlostí 30 km.h -1 ). Unifikovaná řada UŘ II vznikala od roku 1962 (vývojové středisko Zetor a Ursus pro vyšší výkony HP), v roce 1968

10 zahájena výroba typů 80, 100, i 45 a Crystal. V 80. letech byla výroba přesunuta do ZŤS Martin a dvakrát modernizována. Unifikovaná řada UŘ III začala být sériově vyráběna od roku 1992 s typy 7520, 7540, 8520, 8540, 9520, 9540, s výkonem HP, 60,2-75,7 kw. V roce 1998 modernizace traktorů Forterra 8621, 8641, 9621, 9641, a 11641, v roce 2002 modernizace na modely 8641, 9641, a 1144 a 2004 model Proxima HP, 47,6-70,3 kw, v roce 2007 Forterra se čtyřválcovým motorem HP, 70,3-100,2 kw, v roce 2009 Maxterra výkonnostní kategorie 130 až 170 HP, 90,6-125 kw a od roku 2013 Major 60 a 80 61,5 a 75,3 HP, 45 a 55,4 kw. Na výstavě Agritechnica v Hannoveru 2015 předvedena studie ve spolupráci se studiem Pininfarina (viz obrázek č. 5), modelová řada Major a šestiválcový Crystal 144 nebo 163 HP, 106,1-120,1 kw. 1.4 Světoví výrobci Obrázek č. 5 Studie Zetor - Pininfarina Agco od roku 1990, zahrnuje Deutz, Hesston, Massey, Fendt, Caterpillar, Valtra, Sisu, Belarus - od roku 1946 největší výrobce přes 3,5 milionu kusů, Case - od roku 1842, v roce 1910 první traktor, druhý největší výrobce, od r International Harvester, 1999 koupili New Holland, Caterpillar - od roku 1890, Deutz - od roku 1907, 1989 v Agco, Fendt - od roku 1928, nejvíce v SRN, 1997 v Agco, Ferguson - od roku 1884 do 1960, tříbodový závěs a hydraulika, Ford - od roku 1928 s Fergusonem, 1985 ho koupil New Holland, od % Fiat a zbytek Fiat Agri, 1999 Case IH, JCB Joseph Cyril Bamfort od roku 1945, první sklápěcí přívěs a radlice a hydraulické rameno, Fastrac, John Deere - od roku 1825 pluhy, 1915 traktor, dnes nejprodávanější ve Světě, Lamborghini - od roku 1949, dřív než auta, 1972 do Same, Landini - od roku 1884, nejstarší Italský traktor 1925, Lanz - od roku 1860, 1956 John Deere, Massey - od roku 1847, 1953 s Fergusonem, od 1991 v Agco, McCormick - od roku 1902, 1999 do Case, New Holland každý pátý na Světě, Renault - od roku 2003 v Claas, Same - od roku 1942 v Itálii, první diesel 4x4, pak Deutz a Agco, Steyer - od roku 1864, od 1996 v Case IH. 1.5 Volba traktoru Závisí na velikosti podniku a jeho výrobním zaměření, velikosti a přístupnosti pozemků, velikosti využití (odpracované hodiny za rok), pořizovací ceny a předpokládané doby používání, dále agregace (vhodnost nářadí a strojů) a v neposlední řadě dle kvality a dostupnosti servisu. 9

11 1.6 Hlavní rozměry a parametry traktoru Z rozměrů jsou nejdůležitější celková délka, celková šířka, celková výška, rozvor, rozchod, umístění tažného bodu, poloha těžiště a rozměry kol a pneumatik. Do parametrů patří zejména druh vozidla, tovární značka, typ, výrobce, rok výroby, celková hmotnost, zdvihový objem motoru, počet válců a výkon motoru. 2. Rozdělení vozidlových motorů Spalovací motor je nejrozšířenější energetický prostředek pro všechna odvětví národního hospodářství (doprava, zemědělství, lesnictví, stavebnictví, těžký průmysl, letectví, lodě, armáda et c.). Spalovací motor je definován jako tepelný hnací stroj, ze kterého se odebírá mechanická energie, získaná termochemickým uvolněním tepelné energie z paliva tak, že se zvýší teplota a tlak uvnitř spalovacího prostoru. Zvýšeným tlakem plynů se při expanzi koná práce, tepelná energie se mění na mechanickou práci (posuvný pohyb pístu ve válci a jeho přenos přes klikový mechanizmus na točivý). Pracovní proces spalovacího motoru spočívá v tom, že se určité množství vzduchu se smísí s určitým množstvím paliva, tím vzniká zápalná směs, ta se stlačí a vhodným způsobem zapálí a při výbuchu (expanzi) shoří. Uvolněná tepelná energie z paliva zvyšuje teplotu a tlak plynů a ten působí na pohybové ústrojí motoru, které vytváří užitečný výkon nebo tah. 2.1 Vývoj konstrukce motorů Za počátek můžeme považovat rok 1860, kdy Francouz Lenoir de Rochas sestrojil plynový motor na principu čtyřtaktu. Roku 1878 Němec Otto na Světové výstavě v Paříži předvedl čtyřdobý jednočinný plynový motor s klikovým ústrojím a tzv. křížákem (druh rozvodového mechanizmu). Stejný rok Anličan Clerk předvedl dvoudobý motor s výfukovými otvory ve válci a pístovým dmychadlem. V 80. letech 19. století Němci Daimler, Maybach a Benz uvedli rychloběžné benzínové motory a jejich použití ve vozidlech. Konec 80. let Němec Diesel sestrojil motor na těžká paliva se zapalováním pomocí kompresního tepla (vznětové). Dodnes probíhá neustálý vývoj a modernizace všech konstrukcí spalovacích motorů, snad kromě velkých leteckých pístových motorů a stacionárních motorů na vysokopecní a koksárenský plyn. Staví se jako jednočinné a víceválcové (to umožňuje zvýšení otáček a dosáhnout lepší poměr výkonu k hmotnosti motoru). Mohou být stojaté, ležaté i šikmo položené dle potřeby. Odlišné konstrukce bez klikového mechanismu se neosvědčily nebo není dokončen jejich vývoj. Vývoj v Čechách lze datovat od roku 1870, kdy se začali objevovat první motory. Roku 1887 v Adamově a následně firmy Laurin & Klement, Walter, Tatra, Praga, Českomoravská strojírna Kolben a Daněk. 10

12 2.2 Rozdělení spalovacích motorů Dle způsobu přenosu tepelné energie se dělí na motory s vnějším spalováním (energii přenáší pára, vzduch, nebo plyny - parní motor, Stirling) a s vnitřním spalováním (pracují přímo produkty spalování - pístové motory, proudové a turbíny). Dle kontinuality procesu hoření jsou s přerušovaným procesem (pístové motory s vratným nebo rotačním pohybem pístu využívající dynamickou energii spalin) a s kontinuálním procesem (lopatkové motory, turbíny využívající kinetickou energii spalin). Dle pohybu pístu jsou s přímočarým vratným pohybem (dvou a čtyřdobé), s rotačním pohybem (rotor s otáčením kolem pevné osy - turbíny a proudové, nebo osa koná kruhový pohyb - Wankel). Dle principu činnosti se může jednat o motor zážehový (stlačuje se palivo a vzduch a směs se zapaluje elektrickou nebo laserovou jiskrou, směs se tvoří vně válce, nebo se může i palivo vstřikovat), nebo vznětový (stlačuje se čistý vzduch a palivo se vstřikuje do válce, směs se tvoří pouze ve válci, zapálení samovznícením kompresním teplem). Obě konstrukce mohou být řešeny jako dvoudobé (každý druhý takt je pracovní), nebo čtyřdobé (každý čtvrtý takt je pracovní). 2.3 Rozdělení pístových spalovacích motorů Dle druhu používaného paliva buď na kapalná paliva (benzin, petrolej, nafta, mazut, líh, estery masných kyselin a zkapalněné plyny LPG Liquided Petroleum Gases), nebo plynná paliva (propan-butan, zemní plyn CNG Compressed Natural Gases, nebo bioplyn). Existují také vícepalivové motory, např. PB - benzín, nebo metan - benzín s plynulým přechodem mezi palivy. Dle tvoření směsi s vnější tvorbou ve směšovači, karburátoru nebo vstřikování do sacího potrubí a s vnitřní tvorbou vstřikem do stlačeného vzduchu. Dle způsobu činnosti je dvoudobý, kde sání, komprese, expanze a výfuk probíhá během dvou zdvihů pístu, tj. jedné otáčky klikové hřídele, cyklus probíhá pod i nad pístem (dvojčinný píst), hrany otevírají a zavírají sací a výfukové kanály (mohou mít i ventily), nebo čtyřdobý, kde cyklus probíhá za dvě otáčky klikové hřídele, sací a výfukové ventily jsou ovládané vačkovou hřídelí, případně pneumaticky nebo magneticky. Dle zapálení směsi se dělí na zážehové (zažehnutí směsi jiskrou), vznětové (vznícení kompresním teplem), nebo kombinace (vznětové motory na plynná paliva, kde se vstřikuje s malá dávka paliva do směsi vzduchu a plynu). Dle způsobu plnění válce se dělí na atmosférické (přirozené sání pod tlakem při pohybu pístu z HÚ do DÚ), přeplňované (dmychadlem od výfukových plynů turbo, nebo mechanicky - kompresor) a s vyplachováním (u dvoudobých). Dle výměny směsi ve válci se dělí na souproudé (směr pohybu směsi nebo vzduchu a spalin má stejný směr) a protiproudé (opačné směry, písty i s deflektory, nasměrované kanály, menší únik směsi do výfuku, ventily na stejné straně hlavy nebo na opačných stranách - příčná protiproudá výměna). Dle počtu pracovních ploch pístu se dělí na jednočinné a dvojčinné. Dle počtu a uspořádání válců se dělí na jednoválcové nebo víceválcové, uspořádané jako řadové (svislé nebo skloněné), ležaté (boxer), dvouřadé (V) a třířadé (W). Číslování válců se provádí od protilehlé strany odběru výkonu a 11

13 víceřadých od levé řady. Pořadí zapalování nebo vznětu (pootočení kliky mezi dvěma po sobě jdoucími zápaly nebo vzněty) jsou u řadových 4 válců 1342, nebo 1243, u řadových 5 válců 12453, nebo 15234, u řadových 6 válců , , , nebo , u motoru do V 4 válec 1342, do V 6 válec , nebo , u do V 8 válec , nebo , u do V 10 válec , u boxera 4 válec 1432, 6 válec a u trojitého W 18 válec Dle rychloběžnosti se dělí na pomaloběžné (střední pístová rychlost do 6,5 m.s -1 ) a rychloběžné (nad). Běžné vozidlové mají tuto rychlost m.s -1. Dle chlazení se dělí na chlazené kapalinou, vzduchem nebo kombinované. Dle zdvihového poměru se dělí na krátkozdvihové podčtvercové, kde poměr zdvihu a průměru < 1 (vysoké otáčky), čtvercové, kde zdvih = průměr a dlouhozdvihové nadčtvercové, kde poměr zdvihu a průměru > 1 (nižší otáčky, ale nižší tepelné ztráty). Dle konstrukce rozvodů jsou to s ventilovými rozvody (SV - Side Valve, OHV - Over Head Valve, OHC - Over Head Camshaft Valve, SOHC Single, DOHC Double a IOE - kombinace OHV a OHC), šoupátkovými, kanálovými, smíšenými (kanál - ventil) a zvláštní desmodromický rozvod Ducati. Dle pohonu rozvodů se dělí na rozvody s pohonem mechanickým, hydraulickým, pneumatickým, nebo elektromagnetickým. Dle počtu ventilů na válec 2, 3, 4, 5 i více (pro lepší výměnu náplně válce). 2.4 Další konstrukce pístových motorů Klasická je konstrukce s klikovým ústrojím, další známou je konstrukce s rotačním pístem (Wankel). Motor Stirling je motor s vnějším spalováním, dvoupístový pro jeden válec, s přímočarým pohybem pístů, místo klikové hřídele je speciální Rhombický mechanismus (viz obrázek č. 6) Obrázek č. 6 Motor Stirling, pozice 2 stlačovač, 3 pracovní píst, 4 a 5 pístnice, 6 rhombický mechanizmus, 7 kliky, 8 hřídele spojené ozubenými koly 9, 10 horký prostor, 11 studený prostor, 12 spojovací kanál, 13 regulátor, 14 chladič, 15 - ohřívač 12

14 a - písty v krajních polohách, pracovní plyn ve studeném prostoru b stlačovač v HÚ, pracovní z DÚ do HÚ a stlačuje plyn při nízké teplotě kolem 70 C c pracovní zůstává v HÚ a stlačovač z HÚ do DÚ a tím přetlačuje plyn kanálem přes chladič, regenerátor a ohřívač do horního horkého prostoru. V regenerátoru se plyn ohřeje na 600 C a v ohřívači ještě o 100 C více 13

15 d v horním prostoru plyn expanduje a stlačuje oba písty do DÚ, pracovní zůstane v DÚ a stlačovač do HÚ tlačí plyn zpět kanálem do studeného. Plyn předá část tepla regenerátoru a ochladí se v chladiči na původní teplotu. Regulace výkonu motoru množstvím paliva v ohřívači a množstvím pracovního plynu. Výhodou je vyšší objemový výkon (tlak na píst je trojnásobný oproti klasickému pístovému), vyšší tepelná účinnost 35-45%, spalovat lze jakékoliv palivo, dokonalé spalování Přebytek vzduchu), bez emisí, tišší chod bez hluků spalování ve válci. Nevýhodou je složitá konstrukce a nízké otáčky. Motor s axiálními písty má uspořádání pístů do kruhu a klikový mechanizmus je nahrazen speciálním excentrickým mechanizmem (viz obrázek č. 7) Obrázek č. 7 Motor s axiálními písty Tento motor má velmi tichý a klidný chod (odpadají velké setrvačné hmoty klikové hřídele a setrvačníku). 14

16 Stelzerův motor (s létajícími písty) má oba písty propojeny pevnou pístnicí proměnlivého průřezu a nese uprostřed přepouštěcí píst. Přepouštěcí píst rozděluje nasávanou palivovou směs vždy pro jeden z dvou spalovacích prostorů (viz obrázek č. 8). Obrázek č. 8 Stelzerův motor Výkon není převáděn mechanicky, ale je nutné další zařízení, tento motor má o třetinu nižší spotřeba paliva oproti motoru se stejným zdvihovým objemem. Motor Koenigsegg používá otvírání ventilů pneumatickými motorky a každý ventil má svůj vlastní motorek s vlastním ovládáním. Lze odstavit jeden, dva, tři válce nebo otvírat u některých válců třeba jen jeden sací ventil místo obou (viz obrázek č. 9). Obrázek č. 9 Motor Koenigsegg Motor Honda s proměnlivým zdvihovým objemem má u každého válce jiný zdvih a lze je libovolně vypínat a zapínat (tří až šestiválcové motory). Nevýhodou, je, že při nepracovních otáčkách vypnutých válců taháme zbytečně moc železa. Obecně pro silniční vozidla dnes používají nejvíce spalovací pístové motory vznětové i zážehové, ale začínají se z důvodů snížení emisí výfukových plynů uplatňovat i elektromotory (jak ekologicky ale byla vyrobena elektřina na jejich dobíjení????), případně jejich kombinace, označovaná jako hybridní pohon. O problematice konce používání fosilních paliv se hovořilo již v době, kdy jsem seděl v lavicích jako vy dnes a dosud se toho velmi málo změnilo (stále jsou zásoby na let). Problém vidím zejména v globálním byznysu (proč by se zajímali o ekologii nebo spalování vodíku, když se petrodolary jen sypou). 15

17 3. Základní parametry a pojmy u spalovacích motorů 3.1 Základní parametry spalovacího motoru Zdvihový objem Vz je jmenovitý objem mezi horní a dolní úvratí, vypočte se dle vztahu 1: V z Kde: D z 3 [ cm ] 2 π. D =. z (1) 4 - průměr válce (vrtání) [cm] - zdvih pístu [cm] Pro celý motor se násobí počtem válců i a pak se hovoří o zdvihovém objemu motoru. Zdvihový poměr ξ se vypočte dle vztahu 2: z ξ = (2) D Souvisí s otáčkami, střední pístovou rychlostí a velikostí motoru. Snižuje tepelné ztráty, zatížení stěn válce teplem, namáhání kliky, zvyšuje mechanickou účinnost a snižuje délku motoru. U čtyřtaktního vznětového motoru bývá v rozmezí 1,1-1,5. U zážehového 0,6-1,1 (u podčtvercových motorů < 1). Poměr poloměru kliky a délky ojnice ovlivňuje výšku motoru, velký zvyšuje normálové síly na píst a zhoršuje vyvážení motoru (mívá hodnotu 0,2-0,3). Kompresní poměr ε je poměr pracovního prostoru Vmax válce a minimálního objemu kompresního prostoru Vmin a vypočte se dle vztahu 3: V max Vz + Vk ε = = (3) Vmin Vk Kde: Vk - kompresní objem [cm 3 ] Střední pístová rychlost cs je průměrná rychlost pístu mezi horní a dolní úvratí, vypočte se dle vztahu 4: 1 [. ] z cs = = 2. z. n m s (4) t Kde: t z - čas zdvihu [s] n - otáčky klikové hřídele [s -1 ] Slouží pro porovnání motorů, zvyšuje hlučnost a odpor sání. Hodnoty jsou pro: Osobní vozidla 8-15 [m.s -1 ] Nákladní 7,5-13 Traktory 5-8,5 Závodní až

18 Otáčky motoru n jsou počet otáček klikové hřídele za čas (většinou za minutu). Jmenovité jsou při jmenovitém výkonu (maximální otáčky při plném zatížení). Formule min -1 Osobní zážehové Osobní vznětové Užitkové vznětové Točivý moment (kroutící, torzní) Mk je moment vyvozený motorem na hřídeli (síla v Newtonech na metrovém rameni) [N.m]. Rozlišuje se efektivní (využitelný) a indikovaný (beze ztrát). Tlaky v motoru p se sledují jako střední indikovaný tlak pi (poměr indikované práce a zdvihového objemu při jednom cyklu) Ai výpočtem křivkového integrálu dle vztahu 5: A = p. dv W (5) 6: i i α [ ] Nebo planimometricky z p-v (oběhového) diagramu (plošný obsah) dle vzathu [ W ] A = V p (6) i z. i Skutečný oběhový pv diagram (Ottův, indikátorový) čtyřtaktního atmosférického motoru je na obrázku č. 10. Obrázek č. 10 Skutečný oběhový pv diagram, mezi body 5 1 saní směsi vzduchu a benzínu do válce je příčinou mírného podtlaku, od bodu 1 dochází ke kompresi média, v bodě 2 je směs zažehnuta elektrickou jiskrou, která zapříčiní výbuch pracovní látky a prudký nárůst tlaku až do bodu 3, směs expanduje 3 4, v bodě 4 se otevírá výfukový ventil a shořelé palivo je vytlačováno z válce 4 5 Je ovlivněn složitým průběhem přívodu tepla do oběhu, vzájemnou výměnou tepla mezi náplní a stěnami pracovního prostoru válce a řadou ztrát tlakových, mechanických a průtokových. Měří se závislost tlaku ve spalovacím prostoru na zdvihovém objemu válce nebo úhlu pootočení klikového hřídele. Měření se označuje jako indikace (indikování) motoru a zjištěná závislost je indikátorový diagram. Udává skutečný obraz změny tlaku ve válci měřeného motoru, pro teoretické posouzení motorů není vhodný. 17

19 Teploty a tlaky v oběhu (pv diagramu) jsou v tabulce č. 1 Tabulka č. 1 Teploty a tlaky v oběhovém diagramu T [ºC] p [MPa] 1 na konci sání 390 0,08 2 na konci komprese na konci hoření na konci expanze ,5 Střední efektivní tlak pe se vypočte dle vztahu 7: pe = pi η. m[ Pa] (7) Kde: pi - indikovaný tlak [Pa] ηm - mechanická účinnost, nebo dle vztahu 8: 2. π. τ pe =. M t [ Pa] (8) Vz. i Kde: τ - taktnost motoru (pro dvoutaktní 1, pro čtyřtaktní 2) Mt - krouticí moment motoru [N.m] Ideální pracovní oběh je platný za těchto zjednodušujících předpokladů: - oběh je uzavřený, náplň se nevyměňuje, je konstantní a oběh je dokonale vratný, - pracovní látkou je čistý dvouatomový plyn, jeho měrné teplo je konstantní a plyn se řídí stavovou rovnicí, - komprese a expanze probíhají adiabaticky (bez předání tepla mezi plynem a okolím), s konstantním exponentem změny stavu K = 1,4 - přívod tepla do oběhu probíhá jen za stálého objemu izochoricky (při stálém objemu), nebo za stálého tlaku nebo v této kombinaci, odvod tepla probíhá za stálého objemu - stěny pracovního prostoru jsou tepelně indiferentní, teplo neabsorbují, nepropouštějí ani nevydávají, stejně tak píst, který se ve válci pohybuje bez tření, - neexistují ztráty netěsnosti spalovacího prostoru ani žádné jiné ztráty. Teoretický Ottův pracovní oběh zpřesňuje ideální oběhu, liší se tím, že: - náplň válce se vyměňuje, - pracovní látkou jsou náplně skutečných plynů nebo směsí se stálými nebo proměnnými měrnými teply, - komprese a expanze probíhají polytropicky, s exponentem změny stavu n, zpravidla empiricky zjištěným a závislým na parametrech motoru. Dovoluje posouzení motoru stejného typu a je zobrazen na obrázku č

20 Obrázek č Teoretický Ottův pracovní oběh, mezi body 1 2 adiabatická komprese, 2 3 izochorický přívod tepla, 3 4 adiabatická expanze, 4 1 izochorický odvod tepla Zážehové motory se blíží oběhovým diagramům s přívodem tepla za stálého objemu (izochorickým) - Ottův cyklus. Vznětové spíše s oběhem se smíšeným přívodem tepla částečně za stálého objemu a částečně za stálého tlaku (izobarickým) Dieselův, nebo Sabatův cyklus. Dieselův cyklus je rovnotlaký s velmi vysokými tlaky před vstřiknutím rozprášené nafty do válce, která hoří za téměř konstantních tlaků. Je podobný Ottově cyklu liší se ve způsobu přívodu tepla (viz obrázky č. 11 a 12). Obrázek č. 11 Skutečný Dieselův cyklus 19

21 Obrázek č. 12 Teoretický Dieselův cyklus, mezi body1 2 adiabatická komprese, 2 3 izobarický přívod tepla, 3 4 adiabatická expanze, 4 1 izochorický odvod tepla Sabatův cyklus je zmodernizovaný Dieselův oběh, kde je smíšený přívod tepla a rychlá indukce nafty do válce, hoří částečně při konstantním objemu a částečně i při konstantním tlaku. Průběh viz obrázky č. 13 a 14. Obrázek č Skutečný Sabatův cyklus 20

22 Obrázek č Teoretický Sabatův cyklus, mezi body 1 2 polytropická komprese, 2 3 izochorický přívod tepla, 3 4 izobarický přívod tepla, 4 5 polytropická expanze, 5 1 izochorický odvod tepla Indikovaný výkon motoru Pi se vypočte dle vztahu 9: A P = 1 i 1 [ kw ] t (9) 1 Kde: čas t1 závisí na počtu zdvihů za jeden oběh dle vztahu 10: 1 [ ] τ. n t1 = s (10) 2 Efektivní výkon motoru Pe se vypočte dle vztahu 11: Pe = Pi Pztr [kw ] (11) Kde: Pztr - ztrátové výkony [kw] Volba efektivního a indikovaného výkonu závisí na tom, že indikovaný Pi přesněji určí závady, měří se při ustálené teplotě chlazení a viskozitě mazacího oleje. Efektivní Pe je skutečný (snížený o ztrátové výkony), je rozhodující pro uživatele, lze z něj určit měrnou spotřebu mpe [g.kw -1.h -1 ]. 21

23 Velikost mechanických ztrát v motoru je v tabulce č. 2 Tabulka č. 2 Mechanické ztráty v motoru Podíl ztrát v % zážehový vznětový tření pístu tření kliky výměna náplně pohon rozvodů 6 6 pohon přísl. 6 6 Efektivní výkon v místě odběru Pe se vypočte dle vztahů 12 a 13: 22 [ kw ] Pe = M k. ω = M k.2π. n (12) Vz. n. pe Pe =. i[ kw ] τ (13) Kde: ω - úhlová rychlost [rad.s -2 ] Litrový výkon Pl se vypočte dle vztahu 14: Pe 3 Pl = [ kw. cm ] (14) Vz Hmotnostní výkon Pm se vypočte dle vztahu 15: Pe 1 PM = [ kw. kg ] (15) mm Kde: - hmotnost motoru[kg] mm Jmenovitý výkon je výkon při jmenovitých otáčkách. Tahový výkon se vypočte dle vztahu 16: [ kw ] P = F v (16) t t. Kde: p Ft - tahová síla [N] vp - pojezdová rychlost [m.s -1 ], nebo ze vztahu 17: =. [ ] (17) Kde: ηc - celková účinnost Výkon motoru se používá i jako diagnostický signál o pístní skupině, rozvodech, palivové soustavě a zapalování s ohledem na hospodárnost a vedlejší nežádoucí důsledky. Určuje se u celého motoru (anonymní neurčí přesně vadný válec), nebo u jednotlivých válců (přesné určení závady). Zde se měří se otáčky, na kterých se ustálí nezatížený motor při plném sešlápnutí akcelerátoru (dodávka paliva do

24 ostatních válců se odstaví). U zážehových motorů je nutné těsné sací a výfukové potrubí (exploze nespáleného paliva) a odstavit katalyzátor, nebo měřit pouze několik sekund (nespálené palivo ho ničí). Měří se otáčky n rotujících částí a krouticí moment (torzní) Mk, který vyvolávají. Otáčky se měří u traktorů z vývodového hřídele (nemusí být přenášen celý výkon), u silničních vozidel z hnacích kol (válcové brzdy dražší a náročnější). Krouticí moment se měří z deformačních členů (tenzometrické snímače), změnou magnetických vlastností (vířivý dynamometr), změnou pohybové energie na teplo (hydraulické a vzduchové absorpční brzdy) a změnou pohybové energie na elektrickou (elektrické dynamometry). Velikost dynamometru se volí pro celý motor dle užitečného výkonu a pro jednotlivé válce přibližně jedna třetina užitečného výkonu (nižší investice). Akcelerační měření výkonu motoru se provádí tak, že se měří úhlové zrychlení u nezatíženého motoru nebo jednotlivých válců, které se rozbíhají z volnoběhu při plném sešlápnutí akcelerátoru, nebo naopak z plného klesají na volnoběh zpomalení (pouze pro celý motor signál ztrátových výkonů). Vypočte se pak podle vztahu 18: ωi = ωe ωo[rad.s -2 ] (18) Kde: ωi - indikované zrychlení celého motoru [rad.s -2 ] ωe - efektivní zrychlení celého motoru [rad.s -2 ] ωo - zpomalení celého motoru [rad.s -2 ] Lze měřit i pro jednotlivé válce, kdy se vypíná pouze jeden válec (motor pracuje v příznivějších podmínkách než při chodu pouze na jeden válec). Spotřeba paliva mp vychází z palivem přivedená energie Ep dle vztahu 19: E [ J ] = m H (19) p p. Kde: H - skupenské teplo paliva, pro naftu 42,7 MJ.kg -1 Hmotnostní (hodinová) spotřeba paliva Mp se vypočte dle vztahu 20: M p 1 [ kg. ] V ρ = s t. p p Měrná (specifická) spotřeba paliva mpe,pi se vztahuje k výkonu (indikovanému, nebo efektivnímu) a vypočte se dle vztahu 21: m pe Kde: ηe 1 [ g. kw ] 1. M p = = h P η. H e e 1 - účinnost spalování paliva Měrná spotřeba se používá k porovnávání jednotlivých motorů u MEP, kde se nesleduje ujetá vzdálenost, nebo přepravené jednotky. (20) (21) 23

25 Spotřeba paliva vztažená k ujeté dráze mkm (u dopravních prostředků) se vypočte dle vztahu 22: 1 [ l. ] M P mkm = km (22) km U stacionárních strojů se sleduje spotřeba paliva vztažená ke zpracovanému množství Q dle vztahu 23: [ l. ] 1 M P mt = t (23) Q Účinnost η se stanoví jako poměr užitečného výkonu a palivem přivedené energie za čas dle vztahu 24: P η = (24) M p. H Mechanická účinnost ηm se vypočte dle vztahu 25: P p η η = e e e m = = (25) Pi pi ηi U zážehový motorů je 75-92%, u vznětových %. Efektivní účinnost ηpe se vypočte dle vztahu 26: 3600 η e = ηi. ηm = (26). H m Pe Spotřeba vzduchu je velmi důležitá, neboť výkon závisí i na plnění válce. Rozlišujeme teoretický stupeň plnění λp a teoretický stupeň naplnění λn. λp je vlastně poměr hmotnosti čerstvé náplně md přivedené do válce za jeden oběh a teoreticky možné čerstvé náplni mt při konstantním tlaku a teplotě v sání dle vztahu 27: md md λ p = = (27) mt Vz. ρt Kde: ρt - teoretická objemová hmotnost náplní [kg.m -3 ] md u zážehového motoru = mp +mv (palivo + vzduch), md u vznětového = mv. λn je poměr čerstvé náplně me ve válci před zážehem k hmotnosti čerstvé náplně mt odpovídající Vz dle vztahu 28: me me λn = = (28) m V. ρ t z t Skutečný stupeň plnění se určuje pomocí přibližovacích metod. U zážehových skutečný ~ teoretickému. Bez přeplňování < 1, s přeplňováním > 1. U vznětových bez přeplňování > 1, s přeplňováním > > 1. Směšovací poměr se určuje jako teoretický (poměr vzduchu a paliva vstupujícího do motoru), nebo skutečný (poměr existujícího vzduchu ve válci před zážehem paliva dopraveného do válce za jeden oběh. 24

26 Pro stechiometrické (úplné) spálení paliva je směšovací poměr u vznětového motoru 14,5 kg vzduchu na 1 kg paliva, u zážehového motoru 14,7. Tepelnou bilanci motoru zobrazuje Sankveyův diagram na obrázku č. 15. Obrázek č. 15 Sankveyův diagram 3.2 Charakteristiky spalovacích motorů (tahových souprav) Je možné získat experimentálně, tj. měřením při tahových zkouškách (experimentální charakteristika), nebo výpočtem, při využitím poznatků o standardních podmínkách (výpočtová). K výpočtové charakteristice musíme znát regulátorovou charakteristiku motoru (otáčkovou viz obrázek č. 16), tíhu vozidla a její rozložení, rozměry vozidla (rozvor, výška tažného bodu, poloměr hnacích kol et c.), převodové poměry a mechanickou účinnost a podmínky podložky (součinitel přilnavosti, součinitel využití záběru, druh hnacího ústrojí, počet hnaných kol, odpor valení.). 25 Obrázek č. 16 Otáčková charakteristika motoru Způsoby získání výpočtové charakteristiky vychází ze vztahu 16 a 17 pro výpočet tahového výkonu. Pojezdová rychlost vozidla vp se do těchto vztahů vypočte dle vztahu 29:

27 =.1 [. ] (29) Kde: vt - teoretická pojezdová rychlost vozidla [m.s -1 ] δ - prokluz hnacích kol [%] Teoretická pojezdová rychlost vozidla vt se vypočte dle vztahu 30: =..2. [. ] (30) Kde: nm - otáčky motoru [s -1 ] ic - celkový převodový poměr - poloměr hnacího kola [m] rk Tahová síla Ft do vztahu 16 lze vypočítat ze vztahu 31: =.!["] (31) Kde: Mk μ - krouticí moment na hnacím kole [Nm] - součinitel přilnavosti k podložce. Experimentální charakteristiky (tahové zkoušky) se provádí nejčastěji při nižších převodových stupních, kde je vyšší převodový poměr a dosahuje se vyšší tahové síly, ale na úkor pracovních výkonů motoru a zvýšení hodinové spotřeby paliva a poklesu pojezdové rychlosti (plošné výkonnosti). Přehledné je pak grafické znázornění vybraných provozních veličin motoru na vyvinuté tahové síle (osa x viz obrázek č. 17), které dává ucelený pohled o tahových vlastnostech vozidel. Jedná se o závislost technicko expoatačních parametrů (Pt, δ, vp, Mp, mpe, na Ft) pro různé převodové stupně za daných podmínek (na určitém povrchu) při rovnoměrném pohybu na rovině (vyloučení vlivu svahu). 26

28 Obrázek č. 17 Tahová charakteristika traktoru ŠT 180 na strništi Požadovaných parametrů tahové soupravy a její efektivní využití (co nejvíce výkonu při nejnižší spotřebě paliva) můžeme dosáhnout, jestliže se správně zvolí parametry vozidla a celé soupravy. Jedná se hlavně o volbu parametrů jako je efektivní výkon motoru, tíha vozidla a její působiště, pojezdová rychlost, pracovní záběr stroje, měrný odpor půdy et c. Možnosti ovlivnění tahové charakteristiky v praxi spočívá zejména ve změně výkonu motoru, tíhy soupravy (celkové a její rozložení na nápravy), působení tahové síly (směr a působiště) a podvozku a podložky. Změna výkonu motoru spočívá prvotně ve správném energetickém sestavení tahové soupravy podle zatížení (s režimem motoru v optimálních otáčkách) s ohledem na opotřebení (nepřetěžování motoru) a s vhodnou volbou zálohy krouticího momentu (přeplňované motory). Změna tíhy spočívá zejména v dotížení hnacích kol přídavným závažím nebo plnění pneumatik vodou, vhodném zavěšení nářadí (přední závěs) a volbě regulace hydrauliky tříbodového závěsu (polohová, silová, smíšená). Zde tahový výkon zůstává stejný, úměrně s tíhou se mění tahová síla, pojezdová rychlost se mírně sníží. Rozložení tíhy u pohonu 4x4 neovlivní tahovou účinnost u 4x2 ano zvýší se tahová síla, mírně i odpor valení. Při dotěžování tahových souprav je nutné nezanedbat riziko nadměrného utužení půdy. Změna působiště tahové síly spočívá ve vhodné agregaci (zavěšení) s nářadím. Za hnacími koly dotěžuje a zvyšuje tahovou účinnost, před předními nebo uprostřed ji snižuje. Změna podvozku a podložky spočívá ve volbě konstrukce pojezdového ústrojí energetického prostředku. Kolové pojezdové ústrojí je 27

29 možné vybavit hřeby, dvojmontáží, nebo plnit vodou. Pásové pojezdové ústrojí má při stejné tíze a tahové síle nižší prokluz (má větší styčnou plochu s podložkou umožňuje i přenos většího tahového výkonu) a nižší kontaktní tak na půdu. Druh a stav podložky ovlivňuje prokluz a odpor valení (prší tak hurá jde se orat, mrzne a napadnul sníh, ale kvůli dotacím musí být zoráno). Prokluz hnacích kol u pohonu 4x4 nemá překročit 10% u pohonu 4x2 20%. Optimální tahová souprava má kromě exploatačních parametrů plnit i další požadavky, jako jsou zabezpečení dobré řiditelnosti a bezpečnosti při přepravě (dotížení předních řídících kol minimálně 25%), nepřekročení předepsaného zatížení pneumatik, dodržení agrotechnických podmínek bez nároků na pozornost obsluhy, dobrá manévrovatelnost, minimalizace utužení půdy, jednoduchá agregace s různým nářadím et c. Kromě otáčkových a tahových charakteristik se můžeme ještě setkat se seřizovací charakteristikou (závislost Pe na mpe případně i dalších veličinách seřízení motoru předstih, nebo předstřik, časování ventilů et c.) nebo úplnou charakteristikou (soustava závislostí dalších veličin většinou na otáčkách vzniklých měřením ze soustavy otáčkových a zátěžových charakteristik). V provozních podmínkách se můžeme setkat i se soupravami, kde energetický zdroj nemusí vyvíjet pouze tahovou sílu, ale může i pohánět pracovní mechanizmy stroje, tedy tzv. kombinovaný přenos výkonu motoru. Rozdíly v mechanických ztrátách při možnostech kombinovaného přenosu výkonu motoru jsou znázorněny v tabule č. 3. Tabulka č. 3 Ztráty při kombinovaném přenosu výkonu motoru Druh přenosu Mechanická účinnost [%] Vývodovým hřídelem Hydraulickým pohonem Elektromotorem Při kombinovaném přenosu výkonu motoru mají potom charakteristiky změněný průběh, mírně se snižuje pojezdová rychlost a podstatně se snižuje tahová síla (tím i tahový výkon). Od původního krouticího momentu motoru, který by se využil na tahovou sílu, se odečítá část převedená kombinovaným přenosem. Kritéria hodnocení souprav (fyzikální veličiny, které je možné použít pro hodnocení a porovnání souprav a energetických prostředků). Taková účinnost ηt dle vztahu 32: P t η t = (32) Pe Tahový výkon Pt dle vztahu 16. Tahová síla Ft dle vztahu 33: [ N] F = B r (33) t. z Kde: B - pracovní záběr stroje [m] rz - záběrový odpor [N.m -1 ] 28

30 Plošná nebo objemová (hmotnostní) výkonnost W dle vztahu 34 a 35: W = B. v m. s, ha. h (34) [ ] 1 h[ kg ] W = B. v p. s (35) Kde: h - měrná hmotnost hmoty procházející strojem [kg.m -3 ] Měrná spotřeba paliva mpe dle vztahu 21. Tahová měrná spotřeba paliva mpt dle vztahu 36: m pt p 1 [. ] 1 g kw. mpe = h η t Sestavení souprav by se mělo provádět dle příkonu pro pohon strojů, dle průchodnosti (objemové nebo hmotnostní), dle plošné výkonnosti a dle tahové účinnosti a odporech půdy a nářadí. Často se provádí jen mírně kvalifikovaným odhadem s velkou rezervou, kdy se obsluha smaží šetřit energetický prostředek, což vede k nevyužití výkonu motoru a vysoké měrné spotřebě paliva. 4. Základní části spalovacích motorů (36) Pevné nepohyblivé části kam patří blok motoru, kliková skříň, hlava válců, víka, kryty a těsnění, pohyblivé části, kam patří klikové ústrojí a rozvody a příslušenství (chlazení, mazání, palivový systém, zapalování, sací potrubí a příprava směsi, výfukové potrubí). 4.1 Blok motoru Je hlavní nosná část s válci (vložené nebo vložky) a vloženým klikovým ústrojím (viz obrázek č. 18). Jedná se nejčastěji o odlitek z litiny nebo lehkých slitin. Obrázek č. 18 Blok osmiválcového motoru V 29

31 4.2 Válec Ohraničuje spalovacího prostoru, vede, maže a utěsňuje píst. Působí v něm vysoké tlaky a teploty, je vystaven agresivitě paliva a musí umožnit kluzné tření. Proto je vyroben z vysoce pevných, tvarově stálých, vodivých materiálů s dobrými kluznými vlastnostmi a odolných opotřebení (jemnozrná litina, odstředivě litá, honovaný povrch). Chlazení je provedeno vzduchem nebo kapalinou. Konstrukčně se u vodou chlazených může jednat o vložku válců (není v kontaktu s chladicí kapalinou), nebo vložený válec (viz obrázek č, 19). 4.3 Hlava válců Obrázek č. 19 Vložený válec Uzavírá spalovací prostor, k bloku je připevněna šrouby nebo svorníky, mezi nimi je těsnění, uvnitř sací a výfukové kanály s ventily a rozvodovými mechanizmy, zapalovací, žhavící svíčky, nebo vstřikovače (viz obrázek č. 20). Vyrobena bývá z šedé litiny nebo slitiny lehkých kovů s vloženými sedly a vedením ventilů a závity pro svíčky nebo vstřikovače. 4.4 Těsnění hlavy válců Obrázek č. 20 Hlava válců Těsní spalovací prostor i proti úniku chladicí kapaliny a oleje. Je vyrobeno z kombinovaného materiálu (kov kolem válce), nebo i celokovové. 30

32 4.5 Kliková skříň Je určena pro uložení klikové hřídele. S blokem a hlavou tvoří základní nosný systém pro zachycení sil a momentů za spalovacího prostoru. Může mít různé roviny dělení a utěsnění. Vyrobena může být z šedé litiny, nebo slitiny lehkých kovů. Nutné je odvětrání výparů, spodní část tvoří vanu na zachycení stékajícího oleje od mazaných míst se sacím košem oleje a příčkami, vypouštěcí šroub oleje a venkovní žebra pro větší odvod tepla. 4.6 Klikové ústrojí Tvoří kliková hřídel, setrvačník a tlumič torzních kmitů, píst a ojnice. Rozvody tvoří vačková hřídel, její pohon, zdvihátka ventilů, vahadla a ventily s pružinami Kliková hřídel Převádí přímočarý pohyb pístu na točivý pomocí vyoseného čepu, vyváženého protizávažím a setrvačníkem (i pro start). Pohání rozvody a příslušenství. Přivádí mazací olej k ložiskům a uložením. Má hlavní čepy v ose rotace, uložené v pánvích nebo valivých ložiscích, klikové čepy pro uložení hlavy ojnice, ramena kliky jako spojení hlavních a klikových čepů a na nich mohou být i protizávaží (viz obrázek č. 21) Obrázek č. 21 Kliková hřídel Přední část bývá určena pro pohon rozvodů a příslušenství, zadní část pak pro setrvačník a tlumič torzních kmitů. Oba konce jsou utěsněny proti úniku mazacího oleje. Uspořádání hřídele je podle počtu válců a hlavních ložisek, konstrukce válců a jejich provedení, konstrukce hlavy, uspořádání motoru, pořadí zapalování, výkonu použitého materiálu, způsobu výroby a uložení ložisek Setrvačník Slouží pro akumulaci energie pro nepracovní zdvihy (klidný a rovnoměrný chod motoru). Tvoří jednu třecí plochu pojezdové spojky, je v něm ložisko spojkové hřídele, po obvodu ozubený věnec pro pastorek spouštěče. Musí být vystředěný, staticky a dynamicky vyvážený. Pro tlumení rázů se používají tzv. dvouhmotové setrvačníky (viz obrázek č. 22). 31

33 4.6.3 Píst Obrázek č. 22 Dvouhmotový setrvačník Zachycuje tlaky plynů a sílu přes pístní čep přenáší na ojnici a klikovou hřídel, těsní únik spalin do klikové skříně a odvádí teplo do válce. Skládá se z dna pístu, žárového můstku, hlavy, pláště a uložení pístního čepu (viz obrázek č. 23). 32 Obrázek č. 23 Části pístu Dno pístu má tloušťku dle tepelného a mechanického zatížení, různý tvar pro lepší výměnu náplně nebo vstřikování paliva. Odvádí % tepla. Žárový můstek je část pístu od dna k prvnímu kroužku, chrání ho před přehřátím. Odvádí 30 % tepla. V hlavě jsou drážky pro kroužky (počet těsnících je podle otáček, stírací stačí jeden). Plášť má mít dostatečnou délka pro dobré vedení, odvádí % tepla. Oko pro pístní čep je vyoseno o 0,5-1,5 mm od svislé osy na stranu zatíženou tlakem (píst se klopí) z důvodu snížení hluku při přechodu HÚ, otvor je kalibrovaný za studena. Píst má mírnou ovalitu a kuželovitost. Ovalita průřezu znamená, že kratší osa je v ose čepu (více se zahřívá). Mohou být použity i bimetalické materiály (slitiny Al a Si). Kuželovitost znamená, že vůle pístu ve válci za studena je v hlavě < než v plášti (0,2 mm). Mohou být řešeny jako jednodílné (lité nebo kované) i skládané u vysoce namáhaných motorů (ocelové dno spojené s Al pláštěm). U vznětových motorů má píst větší výšku, tloušťku stěn a průměr čepu oproti stejnému vrtání u zážehových. Chlazení a mazání rozstřikem oleje na vnitřní povrch a kanály v pístu. U přímého vstřiku je ve dnu komůrka. Pístní kroužky utěsňují válec, odvádějí teplo do válce, řídí olejový film na stěně. Výška kroužku má vliv na odvod tepla, šířka na těsnění. Zámky pro navlečení

34 do drážky na dalších kroužcích nad sebou jsou vždy o 180º pootočeny. Vyrobeny jsou z oceli nebo šedé litiny, odstředivě lité a obráběné, ale i titanové pokovení, nebo keramika. Plocha mezi drážkou a kroužkem je jemně broušená (při opotřebení vzniká čerpací účinek). Pístní čep slouží pro přenos sil na ojnici, může vznikat únavové namáhání, má malý pohyb třecích ploch. Válcový otvor je kuželovitě rozšířený uprostřed uzavřený, otvory a drážky pro mazací olej. Uložení v pístu může být plovoucí, pevné, nebo kombinace. Čep má kalený cementovaný povrch, lapovaný a leštěný, čela broušená pro pojistky. U vznětových motorů má větší průměr pro stejném zdvihovém objemu válce Ojnice Spojuje pístní čep s klikovým čepem. Oko ojnice je nedělené, čep se provléká zároveň s pístem, má otvory pro mazací olej. Hlava je dělená šikmo s drážkami proti střihu a ojniční šrouby s pojistkou, dotažené předepsaným momentem. Dřík má I profil, hladké přechody do oka a hlavy a otvory pro mazací olej. Materiály jsou legovaná ocel kovaná v zápustkách, prášková ocel, slinuté výkovky, kujná nebo tvárná litina, lehké slitiny a kompozity. Pánve ložisek klikových čepů jsou dnes konstruovány jako tenkostěnné z ocelového plechu a naneseným kluzným kovem, se zajištěním proti pootočení a otvory a drážkami pro mazací olej. Mimo kluzného uložení je možno použít i jehličková a kuličková ložiska Rozvody Řídí výměnu náplně ve válci, což má velký vliv na výkon motoru (využití energie z paliva). Nejčastěji jde o přenos zdvihu, rychlosti a zrychlení z vačky na ventil, píst vstřikovacího čerpadla nebo zapalování. Pohon je odvozen od klikové hřídele ozubenými koly, řetězem (duplex, triplex) nebo ozubeným řemenem a má poloviční otáčky oproti klikové hřídeli (pro čtyřtakt) Konstrukce rozvodů U dvoutaktního motoru je řešena konstrukčně tak, že vlastním rozvodem je píst (dvoučinný), který otvírá a zavírá kanály (ty mohou ale být opatřeny i ventily). U čtyřtaktního motoru mohou být řešeny jako mechanické (ventilové, šoupátkové, kanálové, se samočinným nebo vázaným pohybem), hydraulické, pneumatické, nebo elektrické. Důležitý je vždy okamžik (úhel ve vztahu k otočení klikové hřídele) a doba otevření sacího a výfukového ventilu. Tyto stavy jednoduše znázorňuje časovací diagram (viz obrázek č. 24). 33

35 Obrázek č. 24 Časovací diagram čtyřtaktního spalovacího motoru Uspořádání ventilových rozvodů Se dělí podle umístění vačkové hřídele a ovládání ventilů (viz obrázek č. 25). Obrázek č. 25 Uspořádání ventilových rozvodů Rozvod SV (Side Valve - boční ventil) má vačkovou hřídel v bloku a postranní ventil ovládaný zdvihátky se seřízením vůle. Tento rozvod má nepříznivý tvar spalovacího prostoru, malý kompresní poměr (podobně i IOE viz obrázek č. 26). 34

36 Obrázek č. 26 Ventilový rozvod IOE Rozvod OHV (Over Head Valve - ventil nad hlavou) má ventily navrchu hlavy, vačkovou hřídel v bloku, zdvihátka a vahadla se seřízením vůle. Spalovací prostor je již optimální, možno umístit i více ventilů, má velkou vzdálenost vačky a ventilu, více součástek (hmotnost), umožňuje lehkou demontáž hlavy. Rozvod OHC (Over Head Camshaft - vačkový hřídel v hlavě) má vačkový hřídel i ventily navrch hlavy, ta je složitější, ale odpadají zdvihátka, někdy i vahadla. Rozvod má nižší hluk, větší přesnost, umožňuje umístit více ventilů (DOHC duo se dvěma vačkovými hřídeli). Má také optimální spalovací prostor. Limitem ventilových rozvodů při vysokých otáčkách motoru je setrvačnost pružin. Tento problém originálně řeší desmodromický rozvod u firmy Ducati, kde pružiny nahrazují zvihátka (otevírají i zavírají ventily viz obrázek č. 27). Obrázek č. 27 Desmodromický ventilový rozvod Více ventilů na válec se používá z důvodu lepšího plnění válce. Průměr ventilů a zdvih má být dostatečný, aby byla výměna náplně co nejoptimálnější. Výfukové jsou vždy menší (nebo jejich počet), např. u provedení 3V jsou dva menší sací, jeden výfukový, u 4V jsou dva a dva i dvě vačky, u 5V jsou tři sací. 35