MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2014 David Kulhaj
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Odlehčovací brzdové systémy nákladních vozidel a tahačů Bakalářská práce Vedoucí práce: Prof. Ing. František Bauer, CSc. Vypracoval: David Kulhaj Brno 2014
Mendelova univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy Agronomická fakulta 2013/2014 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: David Kulhaj Zemědělská specializace Provoz techniky Název tématu: Odlehčovací brzdové systémy nákladních vozidel a tahačů. Rozsah práce: 30-40 Zásady pro vypracování: 1. Vypracujete přehled používaných odlehčovacích brzdových systémů u tahačů a nákladních vozidel. 2. U vybraných odlehčovacích brzdových systémů proveďte rozbor funkčních vlastností. 3. U vybraných typů proveďte stručné vyhodnocení.
Seznam odborné literatury: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. BAUER, F. -- SEDLÁK, P. -- ŠMERDA, T. Traktory. 1. vyd. V Brně: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2006. 192 s. ISBN 80-86726-15-0. VLK, F. Dynamika motorových vozidel : Jízdní odpory, Hnací charakteristika, Brzdění, Odpružení, Řízení, Ovladatelnost, Stabilita. 1. vyd. Brno: Nakl.Vlk, 2000. 434 s. ISBN 80-238-5273-6. VLK, F. Elektronické systémy motorových vozidel 2. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2002. 592 s. ISBN 80-238-7282-6. VLK, F. Karosérie motorových vozidel: Ergonomika, Biomechanika, Struktura, Pasivníbezpečnost, Kolize, Materiály. 1. vyd. Borno: Nakl.Vlk, 2000. 243 s. ISBN 80-238-5277-9. VLK, F. Koncepce motorových vozidel : Koncepce vozidel, alternativní pohony, komfortní systémy, řízení dynamiky, informační systémy.1. vyd. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2000. 367 s. ISBN 80-238-5276-0. VLK, F. Podvozky motorových vozidel : Pneumatiky a kola. Zavěšení kol, nápravy. Odpružení. Řídící ústrojí. Brzdové soustavy. 1. vyd. Brno: Nakl. Vlk, 2000. 392 s. ISBN 80-238-5274-4. VLK, F. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel : výkon vozidla, brzdné vlastnosti, převodová ústrojí, řízení, geometrie kol, tlumiče a pružiny, řiditelnost a ovladatelnost, životní zkoušky, motor, zapalování, elektronické systémy. 2. vyd. Brno: František Vlk, 2005. 576 s. ISBN 80-239-3717-0. Datum zadání bakalářské práce: listopad 2012 Termín odevzdání bakalářské práce: duben 2014 David Kulhaj Autor práce prof. Ing. František Bauer, CSc. Vedoucí práce Ing. Jiří Čupera, Ph. D. Vedoucí ústavu prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU
Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem práci:odlehčovací brzdové systémy nákladních vozidel a tahačů.vypracoval/a samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb.,o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom/a, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne:.... podpis
PODĚKOVÁNÍ Děkuji prof. Ing. Františkovi Bauerovi, CSc. za odbornou pomoc při zpracování bakalářské práce a za odborné konzultace. Dále děkuji panu Petru Voňkovi ze společnosti Scania Brno, panu Liboru Lošťákovi ze společnosti Volvo a panu Davidu Lušťákovi ze společnosti Mercedes-Benz za poskytnutí dat a informací potřebných k bakalářské práci.
ABSTRAKT Tématem bakalářské práce jsou odlehčovací brzdové systémy nákladních vozidel a tahačů. V této práci se budu věnovat rozdělení jednotlivých systémů odlehčovacích brzd. Jejich popisu konstrukce a funkce jednotlivých částí v různých provozních podmínkách a situacích. Podrobněji rozeberu systém, který používá Scanie, tedy hydrodynamický retardér. Systém využívající otevírání pátého ventilu v hlavě válců využívaný firmou Mercedes-Benz. Systém ovládání výfukového ventilu využívaný firmou Volvo a Mercedes-Benz. V neposlední řadě také klapkou ve výfukovém potrubí, kterou jmenovaní výrobci používají v kombinaci se svými systémy. Klíčová slova: Mmotorová brzda, retardér ABSTRACT The topic of this bachelor thesis covers engine braking systems of trucks and tractors. The thesis describes several vehicle retardation systems as well as their construction and function of individual parts as they function under various operating conditions and in specific situations. I will discuss in detail the systems used by Scania, employing a hydrodynamic retarder; Mercedes-Benz, activating the fifth valve in a cylinder head and Volvo and Mercedes-Benz, operating the exhaust valve in a cylinder head. I will also explain the function of an exhaust manifold flap valve employed by the above manufacturers in combination with their systems. Keywords: Engine brake, retarder
OBSAH 1. ÚVOD 10 2. CÍL PRÁCE 11 3.0 ROZDĚLENÍ 11 3. VÝFUKOVÁ KLAPKA 11 3.1 Popis a konstrukce 11 3.2 Závislost brzdného výkonu výfukové klapky na otáčkách motoru 13 4. KONSTANTNÍ ŠKRCENÍ 14 4.1 Popis a konstrukce 14 4.2 Způsob činnosti 15 5. DEKOMPRESNÍ MOTOROVÁ BRZDA MERCEDES-BENZ 16 5.1 Popis funkce 16 5.2 Ovládací prvky dekompresní motorové brzdy 17 5.2.1 Magnetický ventil motorové brzdy 17 5.2.2 Vačka dekompresní motorové brzdy 18 5.3 Provozní podmínky motorové brzdy 19 5.3.1 Jízda bez brzdění 19 5.3.2 První stupeň dekompresní motorové brzdy 20 5.3.3 Druhý stupeň dekompresní motorové brzdy 20 5.3.4 Třetí stupeň dekompresní motorové brzdy 20 5.4 Závislost brzdného výkonu na otáčkách motoru 22 6. MOTOROVÁ BRZDA VOLVO 24 6.1 Popis 24
7. RETARDÉR 25 7.1 Popis 25 7.2 Funkce retardéru 26 7.3 Akumulátor oleje 27 7.4 Provozní podmínky retardéru 28 7.4.1 Retardér je odpojen 28 7.4.2 Retardér začíná brzdit 29 7.4.3 Retardér brzdí 30 7.4.4 Zvýšení brzdné síly 31 7.4.5 Snížení brzdné síly 31 7.4.6 Odpojení retardéru při ovládání ABS 32 7.4.7 Ochrana v případě přehřátí oleje 32 8. ANALÝZA 33 9. ZÁVĚR 37 10. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDROJŮ 39 11. SEZNAM TABULEK 39 12. SEZNAM GRAFŮ 39 13. SEZNAM OBRÁZKŮ 40
1. ÚVOD Nákladní automobilová doprava je činnost spjatá s cílevědomým přemísťováním předmětů v nejrůznějších objemových, hmotnostních a časových souvislostech za použití nákladních vozidel různých typů a provedení, určených na přepravu daného nákladu. Provoz nákladní dopravy patří k jednomu z nejrychleji rozvíjejících se oborů. Předností tohoto druhu dopravy nákladů je její relativní rychlost, dostupnost, operativnost a rychlá přizpůsobitelnost změnám poptávky. Význam nákladní automobilové dopravy stále roste. (Pernica 2001) V dnešní době téměř všechny výrobní podniky nemají skladové prostory jak pro materiál na svoji výrobu, tak i již pro hotové výrobky. Z tohoto důvodu kladou velký důraz na rychlou a přesnou dopravu nákladu. Díky těmto požadavkům rostou nároky na výrobce nákladních automobilů, kteří se snaží vyrábět co nejefektivnější a nejúspornější vozidla. Nejen s nejmenší spotřebou paliva, ale také s nejdelšími servisními intervaly. V neposlední řadě musí plnit emisní limity, které jsou vyjádřeny emisní třídou a jsou dány legislativní úpravou. Již od ledna letošního roku se nesmí vyrábět jiná vozidla než ta, která splňují emisní třídu Euro 6. Nejen uvést vozidlo do pohybu, ale také ho bezpečně, efektivně a hlavně ekonomicky zabrzdit či přibrzdit je velice důležité. K tomuto účelu se používají nejen provozní brzdy, buď to bubnové, kotoučové ale v poslední době i různé odlehčovací brzdové systémy. Dříve se používala pouze motorová brzda, která byla řešena klapkou ve výfukovém potrubí. Tento systém však nemá požadovaný brzdný účinek potřebný v dnešní rychlosti přepravy a hustotě provozu. Z tohoto důvodu začali výrobci nákladních vozidel využívat i jiné konstrukční řešení odlehčovacích brzdových systémů. Dnes se nejčastěji používá klasická motorová brzda s klapkou ve výfukovém potrubí v kombinaci s jiným druhem odlehčovací brzdy. 10
2. CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce je shromáždit technické materiály. Získané technické parametry zpracovat tabulkově a graficky. Vytvořit analýzu jednotlivých odlehčovacích brzdových systémů. V práci se zaměřím na nákladní vozidla Scania, Mercedes-Benz a Volvo. 3.0 ROZDĚLENÍ Druhy systémů odlehčovacích brzdových systémů u dnes používaných nákladních vozidel a tahačů jsou tyto: - Výfuková klapka - Konstantní škrcení - Dekompresní motorová brzda - Hydrodynamický retardér 3. VÝFUKOVÁ KLAPKA 3.1 Popis a konstrukce (obr. 3.1) Nejčastějším systémem konstrukce motorové brzdy je klapka umístěná ve výfukovém potrubí, která po svém zavření zvyšuje brzdnou sílu motoru. Brzdný výkon motoru závisí hlavně na zdvihovém objemu, otáčkách motoru při brzdění, uspořádání a polohy ventilu a brzdném účinku samotného motoru. Při zavření výfukové klapky (2) dochází k protitlaku až 4 bary proti pístu ve čtvrtém zdvihu válce tedy výfukový zdvih (Obr. 3.1). V režimu brzdění motorem působí nahromaděný protitlak ve sběrném výfukovém potrubí (3) na hřbet talíře výfukového ventilu (1). Přitom může díky velkému tlaku dojít k samovolnému otevření výfukového ventilu a následnému poškození motoru. Tento fakt omezuje výši možného protitlaku ve výfukovém vedení a tím i samotný brzdný výkon motoru. Proto je nutné při konstrukci počítat s opětovným otevřením výfukového ventilu, které musí být synchronizováno s mezerou klapky motorové brzdy (5) a dalšími parametry motoru např. ventilovou pružinou (4). (Mercedes-Benz) 11
Obr. 3.1 Výfuková klapka (Firemní materiál Mercedes-Benz) A- zdvih výfukového ventilu [mm] 1- výfukový ventil B- únosné opětovné otevření 2- klapky motorové brzdy výfukového ventilu 3- výfukové potrubí OT- horní úvrať 4- ventilová pružina UT- spodní úvrať 5- mezera klapky motorové brzdy Na nečinný výfukový ventil, tedy na ten, který není otevřen. Působí síla od tlaku ve válci, síla pružiny ventilu a protitlak ve sběrném potrubí při zavřené klapce motorové brzdy. 12
3.2 Závislost brzdného výkonu výfukové klapky na otáčkách motoru Obr 3.2 Závislost brzdného výkonu na otáčkách samotného motoru a s použitím klapky výfukové brzdy (Firemní materiál Mercedes-Benz) A- pásmo brzdného výkonu s klapkou motorové brzdy B- pásmo brzdný výkon samotného motoru Šířka pásma brzdného výkonu motoru je poměrně úzká, naproti tomu s použitím klapky motorové brzdy je pásmo brzdného výkonu znatelně větší. Graf na obrázku (Obr. 3.2) se bude nepatrně měnit podle nastavitelní parametru motoru jako např. počet výfukových ventilů, plocha mezery výfukové klapky a pořadí zapalování. 13
4. KONSTANTNÍ ŠKRCENÍ 4.1 Popis a konstrukce (Obr. 4.1) Díky konstantnímu škrcení je k brzdění motorem použit i druhý zdvih, tedy kompresní. Tento systém potřebuje ke své funkci ještě jeden ventil (1), který je integrován v hlavě válce (2) a slouží jako bypass výfukového ventilu. Pro konstantní škrcení potřebný přídavný prostor v hlavě válce snižuje kompresní poměr. U motorů s konstantním škrcením je pro zachování kompresního poměru použit zmenšený spalovací prostor ve dně pístu a modifikované sedlo sacího ventilu ke zvýšení točivosti náplně. Ventil konstantního škrcení a ovládání klapky výfukového potrubí je napojen stupňovitě. Tedy prvním stupněm se zapíná ventil konstantního škrcení a druhým stupněm se zavře klapka. Při vypnutí brzdy se nejprve otevře klapka ve výfukovém potrubí a následně je vypnut režim konstantního škrcení. Díky tomuto stupňovitému zapínání a vypínání je zamezeno poškození motoru, protože před vypnutím škrcení dochází k odvětrání pracovní komory nad pístem ventilu konstantního škrcení (4). (Mercedes-Benz MP3) Obr. 4.1 Hlava válce s konstantním škrcením (Firemní materiál Mercedes-Benz MP3) 1- ventil konstantního škrcení 2- hlava válce 3- výfukový kanál 4- pracovní komora nad pístem ventilu konstantního škrcení 14
4.2 Způsob činnosti Po zapnutí systému je ventil konstantního škrcení trvale otevřen. Při kompresním zdvihu uniká během rychlého pohybu pístu z dolní do horní úvrati pouze málo vzduchu přes konstantní škrcení do výfukového kanálu, čímž je dosaženo požadované kompresní práce. Během krátkého zastavení pístu v horní úvrati uniká stlačený vzduch ve velkém množství přes konstantní škrcení do výfukového kanálu (Obr. 4.1-3). Bez konstantního škrcení je stlačeným vzduchem podpořen pohyb pístu dolů při expanzi a tím je kompresní práce druhého zdvihu téměř získána zpět. Naproti tomu je při konstantním škrcení ve třetím zdvihu tlak na píst znatelně menší. Užitečný rozdíl kompresní a expanzní práce je proto jasně vyšší a tím je dosaženo vyššího brzdného účinku. Při působení konstantního škrcení spolu s výfukovou klapkou je zcela zabráněno nežádoucímu opětovnému otevření výfukového ventilu. Tím je výfukový ventil odlehčen. Při zapnutém konstantním škrcení nedochází ke vzněcování. Konstantní škrcení a motorová brzda jsou automaticky vypnuty při otáčkách motoru menších než 900 min -1 (Mercedes-Benz MP3) A- konstantní škrcení B- Užitečná brzdná práce konstantního škrcení C- Užitečná brzdná práce výfukové klapky Obr. 4.2 Schéma činnosti konstantní škrcení a závislost tlaku na objemu (Firemní materiál Mercedes-Benz MP3) 15
5. DEKOMPRESNÍ MOTOROVÁ BRZDA MERCEDES-BENZ 5.1 Popis funkce (Obr. 5.1) Zapnutí motorové brzdy do činnosti způsobí otevření jednoho výfukového ventilu na válec. Ventil je ovládán mechanicky přes své vahadlo s využitím tlakového oleje a samostatnou vačkou motorové brzdy. V sacím zdvihu (1) jsou výfukové ventily uzavřeny. Přes otevřené sací ventily je nasáván čerstvý vzduch do motoru. Jakmile dojde k dosažení spodní úvrati sacího zdvihu, píst se začíná pohybovat vzhůru a všechny čtyři ventily jsou uzavřeny. Ihned za spodní úvratí je jeden ze dvou výfukových ventilů otevřen. Do spalovacího prostoru je přiveden výfukový plyn ze sběrného výfukového potrubí. Po zavření tohoto ventilu je vzduch ve válci stlačován. Díky většímu množství vzduchu ve válci je nutné vykonávat větší kompresní práci a to znamená větší brzdný výkon. Těsně před horní úvratí je kompresní tlak nejvyšší, dojde k opětovnému otevření jednoho výfukového ventilu a k uvolnění kompresního tlaku takzvané dekompresi (4). Píst nemůže být urychlen. Při expanzním zdvihu (5) ve válci není další plyn a proto při pohybu pístu vzniká podtlak, který také zvyšuje brzdný účinek. (Mercedes-Benz New Actros) Obr. 5.1 Jednotlivé zdvihy pístu při užití dekompresní motorové brzdy (Firemní materiály Mercedes-Benz,Technické oddělení) 1- sání 4- dekomprese 2- plnění výfukovým plynem 5- expanze 3- komprese 6- výfuk 16
5.2 Ovládací prvky dekompresní motorové brzdy 5.2.1 Magnetické ventily motorové brzdy Pro ovládání motorové brzdy jsou instalovány do hlavy válců dva magnetické ventily. Jeden se nachází v přední a druhý v zadní části hlavy válců. Tyto ventily ovládají tlakový olej. Mercedes-Benz ( New Actros) Obr. 5.2.1 Magnetický ventil ( Mercedes-Benz, Technické oddělení) 1 - cívka 2- píst magnetického ventilu Y624- magnetický ventil pro 2. stupeň motorové brzdy 17
5.2.2 Vačka dekompresní motorové brzdy (Obr 5.2.2) Každá z šesti vaček (10) motorové brzdy má dva výstupky. Prvním výstupkem (11) se otevírá výfukový ventil na začátku kompresního zdvihu. Druhým výstupkem (12) se otevírá ventil před koncem kompresního zdvihu. Mercedes-Benz ( New Actros) 10- vačka motorové brzdy 11- první výstupek 12- druhý výstupek Obr. 5.2.2 Vačka dekompresní motorové brzdy (Firemní materiály Mercedes- Benz,Technické oddělení) 18
5.3 Provozní podmínky dekompresní motorové brzdy 5.3.1 Jízda bez brzdění (Obr. 5.3.1) Pokud není zapnuta motorová brzda do činnosti, pak v olejových kanálech (4,5) není olej natlakován. Výfukové ventily (9) nemohou být ovládány vahadlem motorové brzdy (3), proto že pístky (8) hydraulických elementů jsou zatažené a brzda nebrzdí. (Mercedes- Benz New Actros) Obr. 5.3.1 Hlava válců a vahadlo dekompresní motorové brzdy (Firemní materiály Mercedes-Benz,Technické oddělení) 2- vahadlo výfukového ventilu s hydraulickým elementem 9- výfukový ventil 3- vahadlo motorové brzdy 10- vačka motorové brzdy 4- olejový kanál pro 1. až 3. válec 13- zpětný ventil 5- olejový kanál pro 4. až 6.válec Y624- magnetický ventil pro 6- čep vahadel výfukových ventilů 2. stupeň 8- píst Y625- magnetický ventil pro 1. stupeň 19
5.3.2 První stupeň dekompresní motorové brzdy (Obr. 5.3.1) Při otevření magnetického ventilu (Y625) dochází k tlakování olejového kanálu pro čtvrtý až šestý válec (5) a příslušných hydraulických elementů. Tlakový olej vysunuje píst (8) hydraulického elementu a vytěsňuje vůli mezi vahadlem a ventilem. To umožní ovládat výfukový ventil (9) přes vahadlo motorové brzdy (10). Kvůli dosažení žádaného brzdného momentu je při brzdění motorovou brzdou ovládán ovladač EGR ventilu (Obr. 5.3.3- Y624). Tento ventil ovlivňuje naplnění válce a tím snižuje nebo zvyšuje brzdný moment motoru. Také otevřením proporcionálního regulačního ventilu (Obr. 5.3.3-17) se omezuje brzdný moment, díky poklesu tlaku ve sběrném výfukovém potrubí. (Mercedes-Benz New Actros) 5.3.3 Druhý stupeň dekompresní motorové brzdy (Obr. 5.3.1) Po otevření druhého magnetického ventilu (Y624) se začne tlakovat druhý olejový kanál (4), tedy pro první až šestý válec. Ve druhém stupni jsou otevřeny oba magnetické ventily a jsou tlakovány všechny hydraulické elementy. Ovládání výfukových ventilů je stejné jako u prvního stupně. Také u tohoto stupně je brzdný moment ovládán EGR ventilem a mírou otevření proporcionálního ventilu. (Mercedes-Benz New Actros) 5.3.4 Třetí stupeň dekompresní motorové brzdy Při použití třetího stupně motorové brzdy jsou otevřeny oba magnetické ventily stejně jako u druhého stupně. Od druhého stupně se odlišuje mírou naplnění válce, které je tu maximální a tudíž i maximální brzdný moment. To je dosaženo cílenou regulací EGR ventilu a proporcionálního regulačního ventilu plnícího tlaku. (Mercedes-Benz New Actros) 20
Obr. 5.3.2 Hlava válců a uspořádání vahadel dekompresní motorové brzdy (Firemní materiály Mercedes-Benz,Technické oddělení) 14,15- olejové kanály Y 625, Y624- magnetický ventil Obr. 5.3.3 Regulace motorové brzdy (Firemní materiály Mercedes-Benz,Technické oddělení) Y621- EGR ventil 17- proporcionální regulační ventil 21
5.4 Závislost brzdného výkonu na otáčkách motoru. Mercedes-Benz používá dva druhy dekompresní motorové brzdy, buď standardní která dosahuje na nejvyšší stupeň (Obr. 5.4.1 -C) brzdného výkonu 100 kw při 1300 min -1 a 300 kw při 2300 min -1 (Obr. 5.4.1) nebo vysoce výkonnou která má brzdný účinek na nejvyšší stupeň (Obr. 5.4.2 C) 150 kw při 1300 min -1 a 400 kw při 2300 min -1 (Obr. 5.4.2). Tyto hodnoty platí pro 12.8 litrový 6. válcový řadový motor o výkonu 330 kw montovaný do vozidel Actros. (Mercedes-Benz New Actros) Obr. 5.4.1 Standardní motorová brzda (Firemní materiály Mercedes-Benz,Technické oddělení) A- 1 stupeň motorové brzdy B- 2 stupeň motorové brzdy C- 3 stupeň motorové brzdy 22
Obr. 5.4.2 Vysoce výkonná motorová brzda (Firemní materiály Mercedes-Benz,Technické oddělení) A- 1 stupeň motorové brzdy B- 2 stupeň motorové brzdy C- 3 stupeň motorové brzdy 23
6. MOTOROVÁ BRZDA VOLVO 6.1 Popis (Obr. 6.1) Systém motorové brzdy se u automobilky Volvo nazývá systém VEB. Tento systém do sebe zahrnuje dva systémy, klasickou motorovou brzdu, tedy klapku ve výfukovém potrubí. Ta je u vozidla Volvo řešena hříbkem ve výfukovém potrubí, který je tlačen tlakovým vzduchem do sedla a tím se snižuje průchod výfukových plynů. Díky tomu roste tlak ve výfukovém potrubí. Tento systém se nazývá EPG. Druhý systém se nazývá VCB a jedná se o dekompresní motorovou brzdu. Tato brzda pracuje na podobném principu jako dekompresní motorová brzda Mercedesu-Benz. Rozdíl je pouze ve vedení tlakového oleje (10), který je zde veden přímo vačkovou hřídelí motorové brzdy a konstrukcí vahadel výfukových ventilů (5). Volvo pro regulaci brzdného momentu nepoužívá postupné zapínání jednotlivých válců, ale klapku ve výfukovém potrubí, která má až šest poloh, tedy šest stupňů brzdného momentu motorové brzdy. (Volvo FH) Obr. 6.1 Dekompresní motorová brzda Volvo (Firemní materiál, Konstrukce a funkce FH, D13A520/motor, červen 2013) 5- vahadlo 10- olejový kanál 15- omezovací ventil 6- pružná planžeta 11- píst 7- zpětný ventil 12- pružina 8- pístek vahadla 13- kulička 9- podložka 14- sedlo 24
7. RETARDÉR 7.1 Popis (Obr. 7.1) Retardér je hydraulická brzda, která je poháněna od výstupní hřídele převodovky. Nejlépe a nejefektivněji pracuje retardér ve vysokých otáčkách. Retardéru je možno využívat už od 20 km za hodinu díky řídící jednotce, která při klesajících otáčkách navyšuje množství oleje v turbíně reaktoru. Stálý brzdný účinek může být 400 kw krátkodobě pak až 650 kw. Při provozu retardéru se vytváří velké množství tepla, které musí být odvedeno. K chlazení retardéru se používá vodní chladicí okruh motoru, který přes výměník tepla ochlazuje olej retardéru. Vodní pumpa motoru poskytuje dostatečné množství chladící kapaliny na chlazení retardéru v plném provozu až při otáčkách 1500 min -1. Z tohoto důvodu musí řidič při brzdění udržovat tyto otáčky a vyšší. Pokud dojde k přehřívání retardéru, bude brzdný výkon automaticky omezen, aby nedošlo k poškození retardéru. Po opětovném ochlazení na provozní teplotu začne retardér brzdit plným brzdným výkonem. Retardér je upevněn ke koncové části planetové převodovky. Turbína retardéru (1) je namontována na hřídeli turbíny (3) a je poháněna přes vložené kolo (6) výstupním hřídelem převodovky (5). Výstupní hřídel převodovky se otáčí dvakrát pomaleji, něž hřídel turbíny. Součástí retardéru je vlastní olejový systém s olejovou vanou (8) a čerpadlem (11). Ve spodní části olejové vany je obal ventilu (7) a olejový filtr (9). (Scania) 25
Obr. 7.1 Retardér (Firemní materiál, retardér, Scania) 1- turbína retardéru 6- vložené kolo 2- rotor 7- obal ventilu 3- hřídel turbíny 8- olejová vana 11- olejové čerpadlo 9- olejový filtr 5- výstup převodovky 10- obal retardéru 7.2 Funkce retardéru (Obr. 7.2) V režimu brzdění protéká olej mezi pevnou částí turbíny statorem (1) a pohyblivou částí turbíny rotorem (2). Olej proudí kolem lopatek statoru díky lopatkám rotoru. Protékající olej brzdí pohyb rotoru. Takto je brzděna hřídel retardéru (3). Rychlost vozidla je přímo úměrná otáčkám rotoru, čím vyšší otáčky rotoru tím vyšší průtok oleje. Aby zůstal brzdný moment konstantní je zapotřebí se vzrůstajícími otáčkami snížit průtok oleje. To znamená, že množství oleje se musí zvyšovat podle toho, jak se snižuje rychlost, aby zůstal požadovaný brzdný moment. Pomocí řídící jednotky je ovládán proporcionální ventil, který pomocí stlačeného vzduchu ovládá hydraulický ovládací ventil. Tento ventil zajišťuje průtok rotorem a dvěma statory. Velikost tlaku oleje nastavuje ovládací ventil pro požadovaný brzdný moment. (Scania) 26
Obr. 7.2 Turbína retardéru (Firemní materiál, retardér, Scania) 1- stator 2- rotor 3- hřídel retardéru 7.3 Akumulátor oleje (Obr. 7.3) Akumulátor oleje zajišťuje rychlou reakci retardéru. Akumulátor oleje je aktivován stlačeným vzduchem z elektromagnetického ventilu (1). Díky oleji (2) z akumulátoru dochází k rychlému plnění retardéru při začátku brzdění. Akumulátor má za úkol při začátku brzdění udržovat v retardéru dostatečně vysoký tlak oleje. Při nefunkčnosti akumulátoru může dojít v počáteční fázi brzdění k poklesu tlaku, který může způsobit zastavení průtoku oleje a tak nefunkčnost retardéru. Na výstup z akumulátoru oleje je zabudován škrtící ventil (3). Škrtící ventil zajišťuje ochranu před poklesem tlaku v olejovém systému, když je deaktivován elektromagnetický ventil a akumulátor je zpětně plněn olejovým čerpadlem retardéru. Při vyprazdňování akumulátoru je škrtící ventil otevřen a tím pádem zvětšuje průtok.(scania) Obr. 7.3 akumulátor oleje (Firemní materiál, retardér, Scania) 1- elektromagnetický ventil 2- olej 3- škrtící ventil 27
7.4 Provozní podmínky retardéru 7.4.1 Retardér je odpojen (Obr. 7.4.1) Ventil kompenzace (19) a elektromagnetický ventil (17) plnění vzduchu nejsou aktivní. Stlačený vzduch je odpouštěn pod ovládacím ventilem (10) a bezpečnostním ventilem (22). Olej proudí od čerpadla (7) přes ovládací ventil do chladiče oleje (11) a zpět do retardéru přes obtokový ventil (21) do olejové vany (8). V akumulátoru (16) zajišťuje tlak obtokový ventil. Mazání a chlazení retardéru je zabezpečeno určitým množstvím oleje, které přes mezeru úniků (14) je čerpáno do prostoru retardéru. Akumulátor je plný oleje a píst akumulátoru je v počáteční poloze. (Scania) Obr. 7.4.1 Retardér je odpojen (Firemní materiál, retardér, Scania) 7- čerpadlo 16- akumulátor oleje 8- olejová vana 17- elektromagnetický ventil 10- ovládací ventil 19- ventil kompenzace 11- chladič oleje 20- ventil plnění vzduchu 12- prostor retardéru 21- obtokový ventil 14- mezera úniku 22- bezpečnostní ventil 28
7.4.2 Retardér začíná brzdit (Obr. 7.4.2) Aby mohl retardér začít brzdit, elektromagnetický ventil (17) musí umožnit průchod stlačeného vzduchu přes ventil kompenzace (19). Pro požadovaný brzdný moment dodává ventil kompenzace daný tlak vzduchu. Ovládací ventil (10) se přepne pro plnění a bezpečnostní ventil (22) se uzavře. Olejové čerpadlo (7) začne čerpat olej do prostoru turbíny. Elektromagnetickým ventilem je otevřen akumulátor (16) a olej z něj plní retardér ze strany výstupu. Díky tomuto jevu je retardér rychle aktivní. V horní části ovládacího ventilu se začíná zvyšovat tlak oleje pomocí kanálu (23), který vede skrz píst. Obtokový (21) a bezpečnostní ventil zůstávají uzavřeny. (Scania) Obr. 7.4.2 Retardér začíná brzdit (Firemní materiál, retardér, Scania) 7- čerpadlo 16- akumulátor oleje 8- olejová vana 17- elektromagnetický ventil 10- ovládací ventil 19- ventil kompenzace 20- ventil plnění vzduchu 21- obtokový ventil 22- bezpečnostní ventil 23- pomocný kanál 29
7.4.3 Retardér brzdí (Obr. 7.4.3) Pro dosažení požadovaného brzdícího momentu dodává ventil kompenzace (19) odpovídající tlak vzduchu. Od ovládacího ventilu (10) pomocí kanálu (23) se zvyšuje tlak oleje nad pístem. Zvyšující se tlak oleje zatlačuje píst dolů pro vyrovnání polohy odpovídající požadovanému brzdnému momentu. V této poloze protéká olej přes retardér (12) a chladič oleje (11). Olejové čerpadlo (7) vždy dodává větší množství oleje než je potřeba, část oleje plní akumulátor. Přebytečný olej je přepouštěn obtokovým ventilem (21) zpět do olejové vany. (Scania) Obr. 7.4.3 Retardér brzdí (Firemní materiál, retardér, Scania) 7- čerpadlo 20- ventil plnění vzduchu 19- ventil kompenzace 21- obtokový ventil 10- ovládací ventil 25- kužel 11- chladič oleje 12- prostor retardéru 22- bezpečnostní ventil 23- pomocný kanál 30
7.4.4 Zvýšení brzdné síly (Obr. 7.4.4) Ventil kompenzace (19) zvyšuje tlak vzduchu ovládacího ventilu (10). Průchod kuželem (25) ovládacího ventilu se zmenší a méně oleje tak prochází obtokovým ventilem (21). Olej místo toho prochází lopatkami retardéru (12). Díky zvýšení průtoku oleje na lopatky retardéru se zvyšuje brzdný výkon. (Scania) 10- ovládaví ventil 19- ventil kompenzace 12- prostor retardéru 21- obtokový ventil 25- kužel Obr. 7.4.4 Zvýšení brzdné síly (Firemní materiál, retardér, Scania) 7.4.5 Snížení brzdné síly (Obr. 7.4.5) Ventil kompenzace (19) snižuje tlak vzduchu pro ovládací ventil (10). Průchod kuželem (25) ovládacího ventilu se zvětší a více oleje tak prochází obtokovým ventilem (21). Dojde ke snížení brzdného výkonu díky snížení množství oleje na lopatkách retardéru (12). (Scania) 19- ventil kompenzace 10- ovládací ventil 25- kužel 21- obtokový ventil 12- prostor retardéru Obr. 7.4.5 Snížení brzdné síly (Firemní materiál, retardér, Scania) 31
7.4.6 Odpojení retardéru při ovládání ABS (Obr. 7.4.6) V případě, že při používání retardéru dojde k blokování kol, řídící jednotka ABS/EBS zaznamená tuto skutečnost a odešle požadavek do řídící jednotky retardéru, která okamžitě odpojí napájení elektromagnetického ventilu (20). Ovládací tlak poklesne, čímž se ventil vrátí do základní polohy a retardér je vyřazen z činnosti. Po uvolnění kol je retardér opět automaticky aktivován. (Scania) 20- elektromagnetický ventil Obr. 7.4.6 Odpojení retardéru při ovládání ABS (Firemní materiál, retardér, Scania) 7.4.7 Ochrana v případě přehřátí oleje (Obr. 7.4.7) Pokud dojde k poškození hadice chlazení a retardér se začne přehřívat je velké nebezpečí poškození retardéru. Pro tento případ pracuje bezpečnostní ventil (22) jako pojistka. V případě přehřátí se tento ventil přemostí a otevře se zpětné vedení, olej protéká do olejové vany a opouští část turbíny. Retardér je vyřazen z provozu. (Scania) 22- bezpečnostní ventil Obr. 7.4.7 Ochrana v případě přehřátí oleje (Firemní materiál, retardér, Scania) 32
8. ANALÝZA Tab. 8 Nejvyšší brzdný výkon při daných otáčkách motoru (firemní materiál Scania, Volvo, Mercedes-Benz) Brzdný výkon [kw] Otáčky motoru Výfuková klapka Konstantní škrcení Dekompresní motorová Dekompresní motorová Hydrodynamický retardér Scania [min -1 ] Mercedes- Benz brzda Mercedes- Benz brzda Volvo 1000 60 50 75 140 650 1200 65 75 130 175 650 1400 80 105 178 212 650 1600 100 125 220 245 650 1800 120 160 265 275 650 2000 143 200 315 310 650 2200 165 250 370 360 650 2300 175 275 400 375 650 Veškeré zjištěné údaje jsou u 13. litrových motorů, pouze u hydrodynamického retardéru na zdvihovém objemu nezáleží. Podle tabulkových hodnot má největší brzdnou sílu retardér. Tento systém má nespornou výhodu v tom, že brzdný výkon nezáleží na otáčkách motoru. Z následujících grafů vyplývá, že všechny systémy až na retardér, mají téměř lineární závislost brzdného výkonu na otáčkách. Na (grafu 6) je srovnání průběhu brzdného výkonu na otáčkách motoru dekompresní motorové brzdy vozidel Mercedes- Benz a Volvo. Průběh momentů je u obou vozidel jiný. 33
Pb- brzdný výkon[kw] Pb-brzdný výkon[kw] 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Výfuková klapka Pb= 0,093n - 44,76 R² = 0,982 0 500 1000 1500 2000 2500 n-otáčky motoru [min -1 ] Graf 1: Závislost otáček motoru na brzdném výkonu výfuková klapka (Firemní materiál Mercedes-Benz) 300 Konstantní škrcení Mercedes-Benz 250 Pb = 0,171n - 133,7 R² = 0,979 200 150 100 50 0 0 500 1000 1500 2000 2500 n-otáčky motoru [min -1 ] Graf 2: Závislost otáček motoru na brzdném výkonu konstantního škrcení Mercedes- Benz(Firemní materiál Mercedes-Benz) 34
Pb- brzdný výkon[kw] Pb- brzdný výkon[kw] 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Dekompresní motorová bezda Mercedes- Benz Pb= 0,243n - 167,2 R² = 0,998 0 500 1000 1500 2000 2500 n-otáčky motoru [min -1 ] Graf 3: Závislost otáček motoru na brzdném výkonu dekompresní motorové brzdy Mercedes-Benz (Firemní materiály Mercedes-Benz,Technické oddělení) 400 350 300 Dekompresní motorová brzda Volvo Pb = 0,179n - 41,46 R² = 0,996 250 200 150 100 50 0 0 500 1000 1500 2000 2500 n-otáčky motoru [min -1 ] Graf 4: Závislost otáček motoru na brzdném výkonu dekompresní motorové brzdy Volvo (Firemní materiál, Konstrukce a funkce FH, D13A520/motor, červen 2013) 35
Pb- brzdový výkon [kw] Pb- brzdný výkon[kw] 700 600 500 Hydrodynamický retardér Scania Pb = 650 R² = 1 400 300 200 100 0 0 500 1000 1500 2000 2500 n-otáčky motoru [min -1 ] Graf 5: Závislost otáček motoru na brzdném výkonu retardéru Scania (Firemní materiál, retardér, Scania) Dekompresní motorová brzda Mercedes-Benz a Volvo 450 400 350 300 250 200 150 100 50 Pb = 34,45n+ 106,4 R² = 0,995 Pb= 46,79n + 33,53 R² = 0,997 dekompresní motorová brzda Mercedes-Benz dekompresní motorová brzda Volvo 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2300 n- otáčky motoru [min -1 ] Graf 6: Srovnání brzdného výkonu v závislosti na otáčkách motoru dekompresní motorové brzdy Mercedes-Benz a Volvo (Firemní materiály Mercedes- Benz,Technické oddělení, Firemní materiál, Konstrukce a funkce FH, D13A520/motor, červen 2013) 36
9. ZÁVĚR V první části práce je přehled a popis používaných odlehčovacích systémů nákladních vozidel a tahačů, které se v dnešní době používají. Jako nejběžnější a svou konstrukcí nejjednodušší odlehčovací brzdou je klapka ve výfukovém potrubí. Tento systém je sice nejlevnější, ale na dnešní hmotnosti vozidel a rychlost dopravy však nedostačující. Proto se klapka ve výfukovém potrubí používá většinou v kombinaci s jiným druhem odlehčovací brzdy. Systém konstantního škrcení byl jeden z prvních systémů, kdy kvůli zvýšení brzdného účinku motoru byl proveden zásah do konstrukce motoru a to přidáním pátého ventilu do hlavy válce. Používá se v kombinaci s klapkou ve výfukovém potrubí. Dekompresní motorová brzda je zatím posledním vývojovým stupněm odlehčovacích brzdových systémů. S tímto systémem začala firma Volvo, která do svých tahačů a nákladních vozidel instaluje tento systém v kombinaci s klapkou ve výfukovém porubí. Tento systém se vyznačuje velkým brzdným účinkem a co je také velice důležité tak nízkou hmotností celého systému na rozdíl od retardéru. U nákladních vozidel a tahačů se používá hydrodynamický retardér. Největší výhoda tohoto řešení odlehčovací brzdy je ta, že brzdný moment není závislý na otáčkách motoru jako u předchozích systémů. Brzdný moment je téměř konstantní a nezáleží na rychlosti jízdy. Nevýhodou hydrodynamického retardéru je další olejová náplň, kterou je potřeba ošetřovat, větší a složitější chladící okruh motoru kvůli odvodu tepla z retardéru. Největší nevýhodou je hmotnost celého systému, která je kolem 200 kilogramů. Zmiňovaní výrobci vozidel nabízí všichni možnost instalace retardéru na svá vozidla. U vozidel Volvo a Mercedes-Benz se retardér montuje pouze na speciální vozidla a těžké tahače. Pouze firma Scania dodává retardér do vozidel v základní výbavě v kombinaci s klapkou ve výfukovém potrubí. V druhé části práce je tabulkové a grafické zhodnocení jednotlivých odlehčovacích brzdových systémů v závislosti brzdného výkonu na otáčkách motoru. Podle zjištěných parametrů má největší brzdný účinek hydrodynamický retardér. Tento systém má konstantní brzdný výkon, téměř nezáleží na otáčkách motoru. Ze systému, které zvyšují svou funkcí brzdný výkon motoru je nejúčinnější dekompresní motorová brzda. Tento systém sem porovnával od dvou výrobců. Z grafu vyplývá, že dekompresní motorová brzda od firmy mercedes-benz je účinnější a má konstantnější průběh než od firmy Volvo. 37
Jednoznačně říci, který systém je nejlepší a nejekonomičtější nelze. Všechny splňují základní požadavky a to odlehčit provozním brzdám. Při intenzivnějším používání zajistit brzdný výkon bez slábnutí a přehřívání jak tomu je u provozní brzdy a hlavně zajistit brzdění bez nadměrného opotřebení brzdového obložení. Největší brzdný výkon má hydrodynamický retardér ale kvůli své konstrukci je složitý a zbytečně svou váhou zvyšuje hmotnost vozidla a tudíž snižuje množství nákladu, které může vozidlo převážet. Podle mého názoru má největší budoucnost systém dekompresní motorové brzdy. Trend nákladní dopravy je co nejvíce zkrátit čas cesty a snížit ekonomickou náročnost na přepravu nákladu. Odlehčovací brzdové systémy tomu jednoznačně napomáhají, ale brzdný výkon nejde zvyšovat do nekonečna. Všechny jmenované systémy brzdění přenáší brzdnou sílu pomocí hnací nápravy a to má za následek zvýšené opotřebení pneumatik na hnací nápravě. 38
10. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDROJŮ INFORMACÍ [1] PERNICA, P. a kol Doprava a zasilatelství 1. Vyd. Praha: ASPI Publishig, 2001. 479s. ISBN 80-8639513-8. [2] Mercedes-Benz technické oddělení [3] Mercedes-Benz technické oddělení, 2012 dopněno 2014 [4] Volvo popis, Konstrukce a funkce/ FH, D 13A520/ Motor, červen 2013 [5] Scania retarder, mechanický a hydraulický system 11. SEZNAM TABULEK 8. Nejvyšší brzdný výkon při daných otáčkách motoru 34 12. SEZNAM GRAFŮ 1. Závislost otáček motoru na brzdném výkonu výfuková klapka 34 2. Závislost otáček motoru na brzdném výkonu konstantního škrcení Mercedes-Benz 34 3. Závislost otáček motoru na brzdném výkonu dekompresní motorové brzdy Mercedes-Benz 35 4. Závislost otáček motoru na brzdném výkonu dekompresní motorové brzdy Volvo 35 5. Závislost otáček motoru na brzdném výkonu retardéru Scania 36 6. Srovnání brzdného výkonu v závislosti na otáčkách dekompresní motorové brzdy Mercedes-Benz a Volvo 36 39
13. SEZNAM OBRÁZKŮ 3.1 Výfuková klapka 12 3.2 Závislost brzdného výkonu na otáčkách samotného motoru a s použitím klapky výfukové brzdy 13 4.1 Hlava válce s konstantním škrcením 14 4.2 Schéma činnosti konstantního škrcení a závislost tlaku na objemu 15 5.1 Jednotlivé zdvihy pístu při užití dekompresní motorové brzdy 16 5.2.1 Magnetický ventil 17 5.2.2 Vačka dekompresní motorové brzdy 18 5.3.1 Hlava válců a vahadlo dekompresní motorové brzdy 19 5.3.2 Hlava válců a uspořádání vahadel dekompresní motorové brzdy 21 5.3.3 Regulace motorové brzdy 21 5.4.1 Standardní motorová brzda 22 5.4.2 Vysoce výkonná motorová brzda 23 6.1 Dekompresní motorová brzda Volvo 24 7.1 Retardér 26 7.2 Turbína retardéru 27 7.3 Akumulátor oleje 27 7.4.1 Retardér je odpojen 28 7.4.2 Retardér začíná brzdit 29 7.4.3 Retardér brzdí 30 7.4.4 Zvýšení brzdné síly 31 7.4.5 Snížení brzdné síly 31 7.4.6 Odpojení retardéru při ovládání ABS 32 7.4.7 Ochrana v případě přehřátí oleje 32 40