Konstrukční celky spalovacích motorů Spalovací motor se skládá z částí pevných - skříň - válce - hlavy válců z částí pohyblivých - klikový mechanismus - rozvodový mechanismus ze systémů - chladicí - mazací - spouštěcí - palivový - sací - výfukový 1
Části pevné víko hlavy hlava válců těsnění pod hlavou skříň blok válců + kliková skříň skříň spodní díl (víko) Konstrukce skříně Skříň spalovacího motoru je odlitek ze slitiny hliníku nebo šedé litiny. V oblasti klikové hřídele je dělená. Vrchním dílem je blok válců. V odlitku jsou kanály pro chladicí kapalinu (vodou chlazený motor). Spodní díl tvoří víko klikové skříně. Obě části jsou k sobě přišroubovány, mezi nimi je vloženo těsnění. Konstrukce válců chlazených vodou 2
a/ bez vložky funkční plocha válce je vytvořena přímo v odlitku skříně používají se slitiny hliníku a na funkční ploše se vytvoří speciálními technologiemi tvrdý, otěru odolný povrch se zvýšeným obsahem křemíku (dnešní motory osobních automobilů) b/ s mokrou vložkou = vložený válec odlitý ze šedé litiny tlustá stěna c/ se suchou vložkou = vložený válec z oceli tenká stěna Na funkční plochu válce jsou kladeny vysoké požadavky : - tvrdost zajišťuje odolnost proti opotřebení - kluzné vlastnosti a udržet olejový film - odolnost proti korozi - pevnost za vysokých teplot - vysoká rozměrová a geometrická přesnost válce se honují Konstrukce hlavy chlazené vodou Hlava válce je odlitek ze šedé litiny nebo slitiny hliníku. Je to teplotně velmi namáhaný celek. Uvnitř jsou kanály, kterými proudí chladicí kapalina. V hlavě jsou vytvořena ventilová sedla a je na ní namontována většina součástí rozvodového mechanismu. U menších motorů jsou hlavy všech válců sdružené do jednoho celku, u velkých motorů má každý válec hlavu samostatnou. K bloku válců je hlava přišroubována. Mezi hlavou a blokem válců je vloženo těsnění. Na toto těsnění jsou kladeny vysoké požadavky, neboť těsní prostor s vysokým proměnlivým tlakem, při nízkých i vysokých teplotách. Utěsněn musí být nejen pracovní prostor, ale i kanály pro chladicí kapalinu a mazací olej procházející přes rovinu mezi blokem válců o hlavou. Dnes se používá speciální těsnění složené z několika materiálů. Válec a hlava chlazené vzduchem Jsou opatřeny žebrováním, tím se zvětší teplosměnná plocha. hlava válce válec skříň (kliková) 3
Části pohyblivé rozvodový mechanismus klikový mechanismus klikový mechanismus ( viz. 3. ročník SPS ) 4
rozvodový mechanismus Zajišťuje otvírání a zavírání pracovního prostoru a tím umožňuje jeho naplnění a vyprázdnění ve správný okamžik. Jako uzavíracího prvku se používají nejčastěji ventily, méně často píst motoru nebo šoupátka. ventilové rozvody U současných čtyřdobých motorů se používají následující ventilové rozvody : OHV Od klikové hřídele je poháněna vačková hřídel, která je umístěna po straně válce. Převodový poměr 2:1. Vačka přes zdvihátko pohybuje zdvihátkovou tyčkou (rotační pohyb vačky se mění na přímočarý pohyb zdvihátkové tyčky). Tyčka přes vahadlo stlačuje ventil a tím otevře pracovní prostor motoru. Zpětný pohyb ventilu a tím uzavření pracovního prostoru zajišťuje pružina. Rozvod OHV není vhodný pro současné zážehové (benzínové) motory, neboť při jejich vysokých otáčkách, vlivem setrvačné síly od zdvihátkové tyčky, pružina nestačí včas zavřít ventil. Dnes je typický pro vznětové (naftové) motory. OHC Od OHC se liší umístěním vačková hřídele nad hlavou válce. Rozvod neobsahuje zdvihátko a zdvihátkovou tyčku, čímž se sníží vznik setrvačných sil. Rozvod se používá pro zážehové motory. DOHC Je varianta rozvodu OHC. Má dvě vačkové hřídele. Neobsahuje již ani vahadla. Vačky stlačují ventily přímo přes hrníčková zdvihátka. Zdvihátka mohou mít hydraulický mechanismus pro automatické vymezování vůle, která se mění vlivem tepelné dilatace součástí motoru. Pro dokonalejší výměnu obsahu pracovního prostoru jsou na jeden válec použity 4 ventily (2 sací a 2 výfukové). 5
Pohon vačkové hřídele Vačková hřídel je od klikové hřídele poháněna v převodu 2:1 pomocí řetězu, ozubeného řemene nebo ozubených kol. Rozvodový diagram časování ventilů Graficky znázorňuje, v kterých okamžicích se otvírají a zavírají ventily v závislosti na úhlu pootočení klikové hřídele. Ventily se otevírají dříve a zavírají později než v úvratích pístu, což umožňuje dokonalejší výměnu plynů v pracovním prostoru. Využívá se setrvačnosti proudícího plynu. Na obrázku je rozvodový diagram nakreslen v čelním pohledu na klikovou hřídel. Modře je znázorněna dráha klikového čepu při které je otevřen sací ventil a červeně výfukový ventil. pístový rozvod Toto řešení se používá u dvoudobých motorů. Kanály ve stěně válce (sací, přepouštěcí a výfukový) jsou uzavírány překrytím pláštěm pístu. 6
Chlazení spalovacích motorů Úkolem chlazení je odvod tepla z konstrukčních částí motoru, a tím zabránit jejich poškození vlivem změn vlastností materiálů za vysokých teplot. Chladí se především válce a hlavy válců. Existují dva odlišné druhy chlazení. Chlazení kapalinné (vodou) a chlazení vzduchem. Tomu musí být přizpůsobena konstrukce skříně motoru, válců a hlav válců. VÁLEC CHLAZENÝ VODOU VÁLEC CHLAZENÝ VZDUCHEM Chlazení kapalinné Chladící systém automobilového motoru se skládá ze dvou okruhů. Po spuštění studeného motoru kapalina proudí pouze ve vnitřním okruhu. Ten je tvořen kanály ve skříni a hlavě. Proudění chladicí kapaliny zajišťuje čerpadlo. Po zahřátí motoru na provozní teplotu otevře termostat cestu do okruhu chladiče. Dalším přídavným okruhem je okruh přes výměník tepla pro vytápění vnitřního prostoru automobilu. Chladící kapalinou je nemrznoucí vodní roztok glykolu. Radiální čerpadlo (viz. kapitola čerpadla) je poháněné řemenem od klikové hřídele motoru. Chladič je žebrovaný výměník tepla, v kterém se kapalina chladí proudícím vzduchem. Vzduch je přiváděn náporem při jízdě automobilu, pokud nápor nestačí a teplota kapaliny stoupá pak tepelný spínač automaticky zapne elektromotor ventilátoru. Vyrovnávací nádržka je opatřena víčkem s přetlakovým a podtlakovým ventilem. Ventily udržují v okruhu mírný přetlak, čímž se zvýší teplota varu chladící kapaliny. Kapalinné chlazení je konstrukčně složitější. Má větší tepelnou setrvačnost, to znamená, že teplota motoru se mění pozvolna. Chlazení vzduchem Válce motoru jsou vysunuty nad klikovou skříní motoru, jsou stejně jako hlavy opatřeny žebrováním, aby se zvětšila teplosměnná plocha. Chladí se proudícím vzduchem. Proudění vzduchu je zajištěno náporem pří jízdě vozidla, nebo ventilátorem poháněným řemenem od klikové hřídele motoru. Chlazení vzduchem je jednoduché, motor je lehčí. Nevýhodou je hlučnost ventilátoru, malá tepelná setrvačnost a problematická regulace. 7
Mazání spalovacích motorů Úkolem mazání je snížit tření pohybujících se součástí a tím zvýšit mechanickou účinnost motoru. Mazací olej též těsní píst ve válci a odvádí část tepla. Je nutno zajistit kapalinné tření. (viz.1. a 2. ročník MEC a STS druhy tření). Maže se píst ve válci, pístní čep v ojnici, kluzná ložiska na klikové hřídeli, součásti rozvodového mechanismu. U čtyřdobých motorů se používá tlakové oběhové mazání olejem. U běžných automobilových motorů je zásoba oleje ve spodní části skříně. Zde se olej rozstřikuje rotující klikovou hřídelí na stěny válců a také je čerpadlem dopravován ke kluzným ložiskům na klikové hřídeli a součástem rozvodového mechanismu. Čerpadlo je poháněno od klikové hřídele ozubeným soukolím nebo řetězem. Za čerpadlem je zařazen čistič oleje, v kterém se zachycují pevné částice vznikající opotřebením součástí motoru. Používá se i řešení mazacího okruhu s oddělenou olejovou nádrží. PRINCIP ZUBOVÉHO OLEJOVÉHO ČERPADLA FILTRAČNÍ PAPÍROVÁ VLOŽKA OLEJOVÉHO ČISTIČE U dvoudobých motorů s pístovým rozvodem nelze shromažďovat olej ve spodku skříně, neboť se sem nasává palivová směs. Proto se olej přidává do paliva v předepsaném poměru (např. 1:40). Olej se však spaluje, což má negativní vliv na obsah škodlivin ve výfukových plynech a nelze použít katalyzátor výfukových plynů. Motorové oleje K mazání motorů se používají oleje minerální nebo syntetické. Výchozí surovinou všech olejů je ropa. V rafinériích se ropa zpracovává v atmosférické destilační koloně, kde se na základě rozdílných teplot varů rozdělí do několika frakcí, které se využívají převážně na výrobu paliv. Minerální oleje se vyrábí z mazutu (zbytek z destilace atmosférické). Mazut se zpracovává vakuovou destilací, tj, za sníženého tlaku. Získá se surový olej. Ten se ochladí na nízkou teplotu, při které se začnou vylučovat pevné parafíny, které by později vadily v provozu. Ty je nutno odfiltrovat. Po konečném dočišťovacím procesu získáváme minerální oleje různých viskozit s bodem tuhnutí v rozmezí 6 až 15 C. Do olejů se přidávají přísady = aditiva za účelem zlepšení vlastností pro daný účel použití. Přísady proti oxidaci - stárnutí (antioxidanty) Inhibitory koroze Modifikátory viskozity Přísady proti pěnění Zlepšovače bodu tuhnutí (depresanty) a další Syntetické oleje se vyrábějí chemickou cestou. Získávají se speciální uhlovodíkové molekuly a jejich vzájemné vazby. Lze tak vyrobit produkt libovolné molekulární struktury a délky řetězce s vynikajícími a stálými vlastnostmi. Výchozí surovinou je ovšem opět ropa. Syntetické oleje mají v motoru minimálně dvojnásobnou životnost než minerální. Polosyntetické oleje vznikají mícháním minerálních se syntetickými. 8
Spouštění spalovacích motorů Úkolem spouštění je roztočit motor pomocí vnější energie na spouštěcí otáčky, při kterých je motor schopen začít sám pracovat. Spouštěcí zařízení musí překonat třecí odpory mechanismů motoru, odpor komprese a setrvačné síly a momenty. Dle zdroje energie lze rozdělit způsoby spouštění na : Lidskou silou - lankem (např. motory travních sekaček) - klikou (např. motocyklové motory) Elektricky - elektrickým spouštěčem (startérem). Základem je elektromotor s velkým točivým momentem. Má však velký odběr proudu a smí pracovat pouze krátkou dobu. (rychlé vybíjení akumulátoru a spouštěč se zahřívá). Na hřídeli elektromotoru je pastorek, který se zasouvá do ozubeného kola na setrvačníku motoru a tím ho roztáčí. Pastorek se zasune elektromagnetem v okamžiku přivedení proudu do spouštěče (otočení klíče). Ze záběru se vysouvá automaticky, jakmile motor začne pracovat. (např. automobilové motory) Stlačeným vzduchem - pneumatickým spouštěčem. Základem je turbína, která přes převod do pomala roztáčí motor na spouštěcí otáčky. (např. velké stacionární motory) - vzduchem vedeným do válců motoru. Stlačený vzduch je přiveden sacím ventilem nad píst ve fázi sání, čímž píst tlačí dolů a roztáčí klikovou hřídel. Po přivedení paliva začne motor sám pracovat. (např. lodní motory) Stačený vzduch je v tlakových lahvích, které se plní kompresorem nebo z jednoho válce pracujícího motoru. Do tohoto válce se za chodu přeruší dodávka paliva a nasátý vzduch se přes speciální ventil vytlačuje do lahve. 9