Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání Oddělení Expertního Inženýrství
Hodnocení závad vybrané funkční skupiny spalovacích motorů
Bakalářská práce
Vedoucí Bakalářské práce:
Vypracoval :
Ing. Adam Polcar
Petr Baka
Brno 2013
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Hodnocení závad vybrané funkční skupiny spalovacích motorů vypracoval samostatně a použil jsem jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury.
Brno, dne 1. 6. 2013 Podpis studenta…………………...
Poděkování Děkuji Ing. Adamu Polcarovi za odborné vedení, rady a náměty, které mi poskytl během vypracování bakalářské práce a Ing. Michalu Juklovi za odborné konzultace.
Abstrakt Bakalářská práce se zabývá hodnocením klikového mechanismu spalovacího motoru. Práce je členěna na tři hlavní části. První část se věnuje současnému stavu v konstrukci motorů dnešních osobních automobilů. Druhá část pojednává o stavbě a materiálovém složení jednotlivých částí klikového mechanismu. Třetí část je zaměřena na hodnocení závad vznikajících na klikovém mechanismu a jejich rozdělení podle příčiny jednotlivých defektů.
Klíčová slova klikový hřídel, motor, kluzná ložiska, automobil, downsizing
Abstrakt The bachelor work deals with the rating of clink mechanism in combustion engine. The work is divided into three main parts. The first part pays attention to the recent situation of engine construction in today´s passenger cars. The second one describes the construction and material composition of each parts of crank mechanism. The last part concentrates not only on the evaluation of the defects which arise on the crank mechanism, but also describes their dividing according to the cause of each defect.
Key words crank shaft, engine, sliding bearing, passenger car, downsizing
Obsah
1.
Úvod .......................................................................................................................................................................... 8
2.
Cíl práce ............................................................................................................................................................... 10
3.
Současný stav v konstrukci motorů.................................................................................................. 11 3.1.
3.1.1.
Snižování objemu ..................................................................................................................... 11
3.1.2.
Tvorba směsi u vznětových motorů - změna kompresního poměru ..... 12
3.1.3.
Tvorba směsi u zážehových motorů ............................................................................ 16
3.1.4.
Časování ventilů ........................................................................................................................ 18
3.1.5.
Systémy přeplňování.............................................................................................................. 20
3.2. 4.
Dowsizing ................................................................................................................................................. 22
Klikový mechanismus spalovacího motoru ................................................................................ 23 4.1.
5.
Konstrukční řešení ............................................................................................................................ 11
Klikový hřídel ........................................................................................................................................ 24
4.1.1.
Konstrukce klikového hřídele ......................................................................................... 24
4.1.2.
Používané materiály ............................................................................................................... 25
4.2.
Ojnice .......................................................................................................................................................... 28
4.3.
Ložiska klikového hřídele ............................................................................................................. 30
4.3.1.
Koncepce ložiskových uzlů ................................................................................................ 31
4.3.2.
Konstrukce kluzných ložisek ............................................................................................ 32
4.3.3.
Materiál kluzných ložisek ................................................................................................... 32
4.3.4.
Ložiskové montážní vůle ..................................................................................................... 33
4.3.5.
Montáž kluzných ložisek...................................................................................................... 33
Hodnocení závad na klikovém mechanismu .............................................................................. 34 5.1.
Koncepční chyby.................................................................................................................................. 35
5.1.1.
Uložení klikového hřídele................................................................................................... 35
5.1.2.
Prasknutý klikový hřídel ..................................................................................................... 37
5.2.
Výrobní chyby ....................................................................................................................................... 39
5.2.1. 5.3.
Montážní chyby .................................................................................................................................... 40
5.3.1. 5.4.
Broušení klikového hřídele ............................................................................................... 39 Chyby vzniklé při údržbě a opravě vozidla ............................................................. 40
Provozní chyby ..................................................................................................................................... 41
5.4.1.
Dvouhmotý setrvačník .......................................................................................................... 42
5.4.2.
Tlumiče torzního kmitání ................................................................................................... 43
5.4.3.
Chyby vzniklé nevyvážením .............................................................................................. 44
5.5.
Poškození kluzných ložisek ......................................................................................................... 44
6.
Závěr ...................................................................................................................................................................... 47
7.
Seznam literatury ......................................................................................................................................... 48
8.
Seznam obrázků............................................................................................................................................. 49
7
1. Úvod Po roce 1989 se pro mnoho našich motoristů „ změnil život“. Ze zahraničí se k nám dovážely automobily všech typů a značek. Do té doby jsme byli zvyklí jen na automobily tzv. východní provenience. Ať již šlo o čtyřdobé, nebo o dvoudobé, vždy se jednalo o automobily se zážehovými motory. Proto se samozřejmě stalo módní záležitostí vlastnit automobil se vznětovým motorem. Počítačové technologie byla u automobilů teprve na začátku. U zážehových motorů byly použity první počítače pro systém jednobodového nepřímého vstřikování paliva. Později i vícebodového nepřímého vstřikování. Konstrukčně se v nabídce automobilek objevovaly především motory s použitím dvou ventilů na jeden válec, se systémy rozvodů OHV a OHC. S rozšířením vícebodového vstřikování se rozšířila i nabídka více ventilových motorů. U vznětových motorů se používala technologie nepřímého vstřikování paliva. Tento způsob je výhodný především pro nižší hlučnost oproti systému přímého vstřiku paliva do spalovacího prostoru. Zároveň je kladen menší nárok na klikový mechanismus. To umožňovalo výrobu poměrně malých a lehkých vznětových motorů. Velikou nevýhodou těchto motorů však bylo obtížnější spuštění studeného motoru. Automobilky nabízely běžné atmosférické vznětové motory, i přeplňované turbodmychadlem. V některých případech byl systém doplněn chladičem nasávaného vzduchu, což vedlo k dalšímu zvýšení výkonu. Stejně jako u zážehových, tak i u vznětových motorů došlo zvláště po zpřísnění ekologických norem pro nové automobily k využití počítačového řízení vstřikování paliva. Na světové automobilové scéně se postupně objevili další „silní hráči“ a to jednak podniky z tzv. východní provenience, ale také korejské automobilky. Stejně tak i americké značky, které se dlouhou dobu soustředily, na jiné trhy se snaží prosadit na evropském kontinentu. Na automobilky je kladen stále větší nátlak na plnění stále přísnějších ekologických norem. Automobilový průmysl je velice důležitou součástí ekonomik mnoha zemí. Proto je zájmem všech firem, které se v tomto průmyslu pohybují co možná největší objem prodaných vozů. Stejně tak jako u elektroniky, tak i v automobilovém průmyslu se začínají objevovat prvky, které patří více do kategorie spotřebního zboží.
Tyto skutečnosti vedou k vývoji levnějších, ekologičtějších a
úspornějších automobilů. V dnešní automobilové praxi se dnes můžeme setkat s anglickým pojmem „downsizing“, což v překladu znamená snižování stavů, či 8
nákladů. V oblasti spalovacích motorů tento pojem značí nejnovější trendy v konstrukci méně objemových motorů s menším zdvihovým objemem, které za použití nejnovějších technologií dosahují stejných a často i větších výkonů, jako jejich předchůdci s vyšším zdvihovým objemem.
9
2. Cíl práce Cílem této práce je přiblížit současný stav konstrukce motorů dnešních osobních automobilů, konkrétně jejich srovnání se staršími typy motorů. Další část práce bude zaměřena na hodnocení konkrétní funkční skupiny spalovacího motoru, analýzu závad na jednotlivých částech a zhodnocení těchto defektů z hlediska jejich příčin. V závěru práce budou popsány způsoby předcházení těmto defektům.
10
3. Současný stav v konstrukci motorů Se stále stoupající cenou pohonných hmot roste zájem o automobily s nízkou spotřebou paliva. Zároveň s tím jsou úřady schvalovány stále přísnější ekologické normy pro vývoj nových automobilů. Všechny tyto věci mají vliv na vývoj nových automobilů a nových moderních motorů.
3.1.
Konstrukční řešení
Při přeměně přímočarého pohybu na vratný musí být překonány setrvačné síly, které jsou přímo úměrné velikosti páky klikového hřídele a hmotnosti celého klikového mechanismu. Snahou konstruktérů je proto eliminovat hmotnost celého klikového ústrojí. Při vývoji moderních spalovacích motorů se z tohoto důvodu volí materiály, které umožňují přenést energii vyvolanou tlakem plynu na píst i při použití klikového hřídele o slabších průměrech ložiskových čepů. Při tomto musí počítat se stále se zvyšující silou, která na klikový mechanismus působí díky použití nových technologií dopravy paliva do spalovací komory. Použití kvalitních materiálů umožňuje odlehčení dalších součástí, jako je setrvačník a torzní tlumič.
3.1.1.
Snižování objemu
U moderních motorů se dnes objevuje trend snižování objemu válců. Společně s tímto se mnohdy přistupuje i ke snížení počtu válců. Poměrně často se dnes můžeme setkat s tříválcovými motory, které se v dřívějších produkcích jednotlivých automobilek nevyskytovaly. Menší objem motoru znamená i menší motor. Menší motor má menší celkovou hmotnost, tím pádem i menší setrvačné hmoty. Takový motor má nejen menší odpor setrvačnosti, ale i menší třecí odpory. Řidič pak tyto konstrukční změny pozná ve snížené spotřebě paliva. Nižší ztráty a kvalitnější kontrola spalování poměrně malého množství směsi také vedou k nižším emisím výfukových plynů. Všechny tyto argumenty hovoří ve prospěch downsizingu. U atmosférických motorů je zdvihový objem synonymem množství směsi, kterou dokáže motor nasát během každého sacího zdvihu. Tento problém pomáhá řešit 11
turbodmychadlo. Zvýšení tlaku vzduchu na vstupu do motoru umožní nasání většího množství směsi. Přímé vstřikování paliva zase umožní přesné řízení spalování ve válci. Díky tomu může být motor s objemem objemem
3.1.2.
nahrazen přeplňovaným motorem s
. Při srovnatelných výkonových parametrech klesne spotřeba o cca 9%.
Tvorba směsi u vznětových motorů - změna kompresního poměru
„Ve vznětových motorech se spaluje motorová nafta. Ta se vstřikuje do spalovacího prostoru při dosažení kompresního tlaku. Vznícení je přitom vyvoláno teplotou vzduchu, který je ohřátý velmi vysokou kompresí.“ (Ferenc 2009, str. 281). U motorů s nepřímým vstřikem paliva jsou pro vstřikování paliva použity tzv. čepové trysky, nafta je vstřikována do vířivé komůrky. Jednotlivé pramínky vstřikovaného paliva vytvářejí tvar širokého, nebo úzkého kuželu. „Stoupnutím tlaku v komůrce se její celý obsah vytlačí velkou rychlostí do hlavního spalovacího prostoru, kde se spalování dokončí. V hlavním spalovacím prostoru vznikají silné víry a krakované palivo shoří s vytvoření minimálního množství sazí.“ (Ferenc 2009, str. 282) U tohoto typu probíhá vstřikování v jednom časovém intervalu. Kompresní poměr u popisovaných motorů se běžně pohybuje okolo ɛ = 22. Tlaky ve válcích na konci kompresního zdvihu se pohybuje v hodnotách 3,0 až 5,0 MPa. Díky tomuto kompresnímu poměru dosahují motory poměrně vysoké účinnosti. Motory s nepřímým vstřikováním se poměrně dlouhou dobu používaly vedle nových typů jako motory bez přeplňování. Později se na trhu začaly objevovat motory s přímým vstřikováním paliva. Pro dopravu paliva se používaly dvou pružinové vstřikovače. To umožnilo vstřikování paliva ve dvou časových intervalech během jednoho pracovního cyklu. Pro dávkování paliva se používalo rotační vstřikovací čerpadlo s elektronickou řídící hlavou. Řídící jednotka mohla poměrně kvalitně dávkovat palivo a měnit počátek vstřiku paliva. U našich motoristů jsou stále velice oblíbené motory VW 1,9 TDI používané, mimo jiné ve vozidlech Škoda Octavia. Kompresní poměr u těchto motorů se pohybuje okolo ɛ= 21.
12
V
automobilovém
koncernu
Volkswagen bylo posléze použito systému UIS
(Unit
Injektor
System),
jehož
vstřikovací jednotka je na obr. 3.1.2.1 Tyto motory jsou známy spíše pod názvem PD z německého Pumpedüse. „U systému UIS tvoří vstřikovací čerpadlo a vstřikovací tryska jednu jednotku. Pro každý válec motoru je v hlavě válce vestavěna jedna jednotka. Ta je poháněna přímo přes zdvihátko, nebo nepřímo přes vahadlo od vačkového hřídele motoru. Protože nejsou použita žádná vysokotlaká vedení, je možné dosáhnout podstatně vyššího vstřikovacího tlaku (až 220 MPa) než u řadových a rotačních vstřikovacích čerpadel. Počátek vstřiku a množství dávky paliva je vypočteno řídící jednotkou a řízen otevřením a zavřením vysokotlakého elektromagnetického ventilu.“ (Hromádko a kol. 2011, str. 163). Tento systém vykazoval konstrukční problémy týkající se především usazení vstřikovacích jednotek v hlavě válců. Výroba těchto motorů skončila v automobilce Volkswagen v roce 2007. Od té doby se ve všech automobilech používá u vznětových motorů systém vstřikování Common Rail, jehož hlavní díly vysokotlaké čerpadlo, zásobník paliva, vstřikovací trysky, jsou na obr. 3.1.2.2. Vstřikovací systém s tlakovým zásobníkem„ Common Rail“ je moderní ucelená soustava, kde řídící jednotka upravuje průběh vstřikování paliva podle údajů získaných z jednotlivých snímačů. „U vstřikovacího systému s tlakovým zásobníkem („Common Rail“) je odděleno vytváření tlaku a vstřikovaní. Vstřikovací tlak je vytvářen nezávisle na otáčkách motoru a vstřikované dávce. Palivo je připraveno pro vstřikování ve vysokotlakém zásobníku paliva. Vstřikovaná dávka je určena řidičem, okamžik vstřiku a vstřikovací tlak jsou vypočteny z uložených datových polí hodnot v elektronické řídící jednotce a realizovány vstřikovačem každého válce prostřednictvím řízeného elektromagnetického ventilu“ (Vlk 2003, str. 194). Řídící jednotka vyhodnocuje signály z jednotlivých snímačů a podle toho upravuje okamžik vstřiku, vstřikovací tlak a množství paliva. Výhodou tohoto systému je možnost úpravy vstřikování pro jednotlivé 13
válce. Tímto způsobem lze redukovat nerovnoměrný chod motoru například při nevyrovnaných hodnotách kompresních tlaků jednotlivých válců na konci komprese. Ovládání
vstřikovacích trysek zajišťují elektromagnetické
ventily.
Tlak
vstřikovaného paliva se liší v závislosti na otáčkách a u vstřikovačů první generace dosahuje hodnot „15 až 135 MPa“ (Vlk 2003,
str.
„Vlivem pohyblivé
198). malé
hmotnosti
ovládaných prvků je dosažen velmi rychlý spínací
čas
(asi
0,3ms). Tím je systém schopen
rychle
reagovat na změny provozních
stavů“
(Vlk 2003, str. 198). U
soudobých
motorů jsou použity vstřikovače nové generace, tzv. Piezoelektrické vstřikovače (obr. 3.1.2.3). Hlavním rozdílem oproti konvenčním vstřikovačům je způsob ovládání zdvihu jehly, kde se využívá piezoelektrického jevu. „ Piezoelektrický jev spočívá v tom, že působí-li na křemíkový krystal mechanický tlak, vyvolá na krystalu elektrické napětí. Působením tlaku se pravidelná krystalová mřížka s kladně a záporně nabitými ionty deformuje. Posunutím iontů z jejich poloh vznikne napěťový impuls“ (Ferenc 2009, str. 336). Tento jev funguje i obráceně a právě toho je využito u vstřikovačů. Pokud přivedeme na krystal elektrické napětí, ten se poté velmi rychle deformuje. Tato deformace vyvolá sílu, které je využito k překonání pružiny stlačující těsnící jehlu a vstřiku paliva do válce. Ovládací prvek vstřikovače je složen ze 400 vrstev velmi tenké keramické folie. Tyto folie jsou seskupeny do válcového stavěcího členu o výšce asi 300 milimetrů. „Přivedením napětí na svazek folií se krystaly protáhnou asi o 0,04 mm. Pohyb krystalů se převede mechanismem složeným z pístků a pružin na zdvih jehly vstřikovací trysky“ (Ferenc 2009, str. 336).
14
Odlišností
oproti
konvenčním vstřikovačům
je
také
vyloučení mechanických sil na jehle vstřikovače, ke kterým docházelo u elektromagnetických vstřikovačů tlačné
působením
tyče
na
jehlu
vstřikovače. Tím bylo možno
redukovat
setrvačné hmoty a tření a zlepšil se celkový chod vstřikovače. Další
výhodou
nových vstřikovačů je zredukování míst, kde by mohlo docházet k přímému úniku paliva z oblasti vysokého tlaku do oblasti nízkého tlaku, což bylo nejčastější závadou elektromagnetických vstřikovačů. Díky tomu je dosaženo podstatného zvýšení hydraulické účinnosti celého systému. Největší předností těchto vstřikovačů je jejich krátká doba sepnutí, která je asi čtyřikrát kratší, než u konvenčních vstřikovačů. „Díky úzké vazbě servoventilu s jehlou trysky je dosaženo bezprostřední reakce jehly na aktivaci akčního členu. Doba prodlevy mezi počátkem elektrické aktivace a hydraulickou reakcí jehly trysky činí přibližně 150 µs. V důsledku toho mohou být splněny protichůdné požadavky na vysokou rychlost jehly a současnou realizaci co nejmenších reprodukovatelných vstřikovacích množství“(Jan Hromádko, Jiří Hromádko, Hönig, Miler 2011, str. 172). Díky použití nových technologií je možné docílit děleného dávkování paliva do válce motoru až na šest fází vstřiku během jedné pracovní fáze. Díky tomu je docíleno měkčího chodu motoru, ale především zvýšení účinnosti celého motoru. Zároveň dochází k rovnoměrnějšímu spalování paliva a tím snížení emisních škodlivin. Čtvrtá generace vstřikovačů, která se již brzy objeví v nových automobilech, rovněž využívá vícenásobného vstřikování. „ Tento vstřikovač „Hydraulically Amplified Diesel Injector“ (HADI) pracuje s převodovým pístem, který zvyšuje stávající tlak v systému (1:2), a umožňuje tak vstřikovací tlak do 250 MPa. Tato nová technika 15
dává možnost pracovat v systému Common Rail i s výrazně nižším tlakem a vytvářet požadovaný maximální tlak teprve ve vstřikovači“ (Hromádko a kol. 2011, str. 176). Díky speciálnímu geometrickému dimenzování není palivo vstřikováno rázem, ale zvyšujícím se tlakem. Tím se zlepšuje průběh vstřikování a zabraňuje se nedokonalému spalování, díky kterému by vznikaly nežádoucí saze a korbon. Výhodou nových technologií je možnost snížení kompresního poměru. U prvních typů motorů se používal kompresní poměr ɛ = 18, u nejnovějších motorů je možno snížit tento poměr až na ɛ = 16. Díky tomu je umožněno snižovat hmotnost celého klikového mechanismu. Motory mají zcela jinou otáčkovou charakteristiku, jsou pružnější a zároveň dosahují díky novým technologiím vyšších výkonů u jednotlivých motorů i při zachování nízké spotřeby paliva.
3.1.3.
Tvorba směsi u zážehových motorů
U zážehových motorů jsou stále nejčastěji využívány technologie nepřímého vstřikování paliva. Jak již název napovídá, palivo je vstřikováno do sacího potrubí v blízkosti sacích ventilů. Tlak paliva je vytvořen elektrickým čerpadlem umístěným nejčastěji v palivové nádrži. Doprava paliva a zapálení směsi je počítačově řízené. Stále častěji se však objevují systémy s přímým vstřikem paliva. Z konstrukčního hlediska se jedná o podobný systém, jako u nových systémů vznětových motorů. U těchto zážehových motorů probíhá proces míchání směsi paliva se vzduchem tak, aby bylo dosaženo homogenní směsi. Pro tento účel je zkonstruován specielně tvarovaný spalovací prostor. Hlava válců je tvořena ve většině případů s použitím čtyř ventilů na jeden válec, přičemž jeden sací kanál je použit pro klasické vedení čistého vzduchu, zatímco druhý kanál je vytvořen tak, aby se při nasávání vzduchu vytvořily ve válci vzduchové víry, které zaručí potřebné promíchání směsi. „Při přímém vstřikování benzínu je známých šest druhů provozu - homogenní provoz - homogenní provoz s chudou směsí - homogenní provoz s vrstveným plněním - homogenní provoz chránící před klepáním - provoz z vrstvených plnění a zahříváním katalyzátoru
16
Tyto druhy provozu umožňují co nejlepší přizpůsobení pro každý druh provozu motoru. K přepínání druhu provozu dochází bez skokové změny točivého momentu a řidič je tak nezpozoruje. Křivky na obr. 3.1.3.1. potom ukazují, kterými druhy provozu prochází motor při silném zrychlení a při pomalém zrychlení (A,B,C) a provoz z dvojím spalováním (C,D. E).“ obr. A - homogenní provoz s λ = 1, tento druh provozu je možný ve všech oblastech B - provoz s chudou náplní, nebo homogenní provoz λ = 1 s recirkulací spalin C - provoz s plněním
a
vrstveným zahříváním
katalyzátoru; stejná oblast jako u s vrstveným
provozu
plněním
s recirkulací spalin D
–
homogenní
provoz
s vrstveným plněním E
–
homogenní
provoz
chránící před klepáním (Hromádko a kol. 2011, str. 144). Při provozu motoru je konstrukčně nejnáročnější vytvoření podmínek pro vrstvené plnění spalovacího prostoru (obr. 3.1.3.2). zatížení,
V režimu částečného
ve kterém pracuje motor
nejčastěji je do spalovacího prostoru vstřikováno
malé
množství
paliva.
Motor pracuje s velmi chudou směsí se součinitelem přebytku vzduchu λ = 2,7 až 3,4. Tomu odpovídá směšovací poměr 1: 40 až 1: 50, který je pod mezí zápalnosti. Proud vzduchu je proto 17
přiváděn do spalovacího prostoru v točivém
pohybu.
Poté
se
vychyluje o deflektor na dně pístu a stoupá šroubovitým pohybem směrem k zapalovací svíčce. Na konci komprese je do rozvířeného proudu vzduchu vstříknuto jen velmi
malé
množství
paliva.
Pomocí vířivé směšovací trysky vstřikovacího tlaku (3 až 10 MPa) se
palivo
jemně
rozpráší
„
Šroubový pohyb vzduchu a vhodně směřovaný
výstřik
tryskou
rozprášeného paliva vytváří ve válci vrstvy s různými směšovacími poměry“ (Vlk 2003, str. 113). V okolí zapalovací svíčky se vytvoří bohatá směs, která je obklopena velmi chudou směsí. Vnější vrstvy se mohou skládat z čistého vzduchu a nehořlavých horkých směsí výfukových plynů zpětného vedení. Zápalná směs se tak bez problémů zapálí a zapálí i zbytek chudé směsi. Tím dochází ke kvalitnímu spalování s nízkými emisními hodnotami. Při provozu ve vysokém zatížení je potom palivo rozstříknuto do širokého kuželu (obr. 3.1.3.3) a to již v době sání. V průběhu sání se díky tvarovanému pístu smísí palivo se vzduchem a utvoří tak homogenní směs. „Elektronická regulace zapalování a přímé vstřikování benzinu zaručuje plynulý přechod z režimu provozu s chudou směsí s vrstveným plněním k režimu provozu s plným zatížením v oblasti stechiometrického směšovacího poměru (1 : 14,8), bez vynechání zážehů“ (Vlk 2003, str. 114).
3.1.4.
Časování ventilů
U moderních motorů se používají rozvodové systémy OHC, DOHC, případně jejich různé další odvozeniny. Pro pohon rozvodového ústrojí se u současných motorů používá rozvodových řemenů, rozvodových řetězů, rozvodových soukolí, popřípadě kombinace jednotlivých typů. U většiny konstrukcí motorů je použito technologie čtyř ventilů na jeden válec.
Při tomto technickém řešení dochází k lepšímu plnění 18
spalovacího prostoru i s potřebným prouděním proudu vzduchu. Zároveň dochází k účinnějšímu vyprazdňování válců. Často se však můžeme setkat s variabilními rozvody. Jedná se o proměnné časování sacího vačkového hřídele. Tento systém lze samozřejmě použít v případě odděleného sacího a výfukového vačkového hřídele. „Okamžik uzavření sacího ventiluje rozhodující pro maximální plnění válce v závislosti na otáčkách. Při dřívějším uzavření sacího ventilu je dosaženo nejlepšího plnění při nízkých otáčkách, při pozdějším uzavření se posouvá do vyššího rozsahu otáček“ (Vlk 2003, str. 401). Při proměnném časování otevření a zavření sacích ventilů se zlepší plnění spalovacího prostoru ve všech otáčkách. To zlepšuje průběh točivého momentu, snižují se škodliviny ve výfukových plynech a zároveň se snižuje spotřeba paliva díky kvalitnější tvorbě směsi a tím i lepšímu spalování.
U
výkonnějších
motorů se používá plně variabilní systém, kdy se mnění poloha vačkového
hřídele
sacích
i
výfukových ventilů proti poloze klikového hřídele. Konstrukce
variabilního
časování ventilů jsou použity u každého motoru jiné. V zásadě lze tyto mechanismy rozdělit variabilní časování vačkového hřídele hydraulické,
mechanické,
nebo
elektromechanické. Na obrázcích 3.1.4.1 a 3.1.4.2 je potom znázorněn nejčastější systém,
který využívá
mazací tlak
motorového oleje, jehož tok je řízen elektromagnetickým ventilem. Často používanou technologií u moderních motorů jsou posuvné vačky na vačkovém hřídeli. Jednotlivé vačky 19
jsou asymetricky tvarovány na různý zdvih ventilů a na různé časování ventilů. Nejnovější motory Volkswagen řady 1,4 TSI mají tímto způsobem řešeno vypínání dvou válců na čtyřválcovém motoru TSI. Při nízkém zatížení se aktivuje systém ACT (Active Cylinder Management). Elektromagnetický mechanismus přesune jednotlivé vačky na hřídeli do polohy, kdy na vahadla ventilů působí jen kulaté vačky. Ventily jsou proto po celou dobu uzavřeny. Při aktivaci tohoto systému jsou samozřejmě deaktivovány elektromagnetické vstřikovače i systém zapalování vypnutých válců. Tyto systémy jsou známi již delší dobu, až v současnosti je však použit u nízko objemového, čtyřválcového motoru.
3.1.5.
Systémy přeplňování
„Účelem přeplňování spalovacích motorů je dopravit do válců více vzduchu a tím umožnit i vyšší dávku paliva. Přeplňované motory mají vyšší výkon při srovnatelné nižší spotřebě paliva. Vykazují také nižší podíl škodlivin ve výfukových plynech“ (Vlk 2003, str. 458). U vznětových motorů se poměrně často objevovaly přeplňované motory. Ve většině případů byly v nabídce jednotlivých automobilů motory s nižším výkonem tzv. atmosférické a stejně tak motory o velice podobné konstrukci, u kterých zajišťovalo větší výkon pomocí přeplňování. V případě zážehových motorů se tyto způsoby objevovali pouze u velmi výkonných motorů. Využití přeplňování patří mezi součásti podporující moderní trendy při stavbě nových motorů. U zážehových motorů se tento trend začíná projevovat především při nejnovějším systému přímého vstřikování paliva. Zatímco u nepřímého vstřikování paliva do válce proudila zápalná směs paliva, která musela být dostatečně bohatá, aby mohlo dojít k jeho zapálení, u systému přímého vstřikování paliva lze zapálit i velmi chudou směs. Použitím turbodmychadla společně s tímto druhem vstřikování lze dosáhnout vysokých výkonů při nízké spotřebě paliva a tím i nízkých spodinách obsažených ve výfukových plynech. Nejvyužívanějším způsobem přeplňování je použití turbodmychadla. U těchto konstrukcí je využito dynamických účinků výfukových plynů. Tyto plyny roztáčejí lopatky turbíny. Na stejném hřídeli je umístěno kolo kompresoru, jehož lopatky vhánějí stlačený vzduch do sacího potrubí.
20
Starší typy turbodmychadel byly konstrukčně řešeny tak, aby dosahovaly velkého výkonu při poměrně nízkých otáčkách. Moderní turbodmychadla mají menší rozměry. Tím je dosaženo nižší hmotnosti turbinového a kompresorového kola, což umožňuje mnohem
lepší
dynamiku
přechodu
z nízkých
otáček
do
vysokých
otáček
k maximálnímu výkonu turbodmychadla. Nižší hmotnost společně s menším obsahem plochy při stejné rychlosti výfukových plynů dosáhnout vyšších otáček turbodmychadla a tím i většího výkonu. Regulace tlaku je řešena usměrňováním toku výfukových plynů vedoucích do turbínové skříně na lopatky, nebo přímo do výfuku. Nejjednodušším řešením je použití přepouštěcího ventilu (obr. 3.1.5.1), při jehož otevření odchází plyny cestou nejmenšího odporu,
tedy
do
výfuku.
Ventil
je
ovládaný
přetlakem,
který stlačí pružinu a otevře
tento
ventil,
nebo nepřímo pomocí elektromagnetického ventilu.
Ten
přepouštěcí
ovládá ventil
turbodmychadla. Další možností je plynulá regulace
toku
plynů
přímo
v turbínové skříni (obr. 3.1.5.2). Rotačně uložené lopatky se mohou otáčet na stěně turbíny, tím je usměrňováno množství a rychlost proudících
plynů.
Při
malém
natočení lopatek je průřez pro proudění plynů malý, tím se zvýší rychlost proudění a otáčky turbíny. Při vyšších otáčkách se vstupní průřez zvětší, proto se turbínové kolo otáčí pomaleji a sníží se tlak
21
přeplňování. „Toto řešení umožňuje co nejlepší využití energie výfukových plynů a dosažení rychlého nárůstu točivého momentu motoru při jeho akceleraci“ (Hromádko a kol. 2011, str. 284). Tato konstrukce je využívána především u výkonnějších verzí. Nevýhodou systému je postupné zatuhnutí otočných lopatek, ke kterému dochází především při krátkých jízdách a při „velmi úsporné jízdě“, kdy jsou lopatky nastaveny v jedné poloze a nedochází k jejich otáčení. V případě prudké akcelerace se lopatky neotočí dostatečně rychle, proto nenaroste tlak v sacím potrubí v dostatečné velikosti a v dostačující rychlosti. Řídící jednotka tuto prodlevu vyhodnotí jako možnou závadu na řízení turbodmychadla a proto celý systém odpojí. O tomto stavu se hovoří, jako o nouzovém stavu chodu motoru. Ovládání popsané regulace zajišťuje podtlakový regulační ventil. Velikost podtlaku je potom řízen řídící jednotkou pomocí elektromagnetického ventilu. U některých automobilů je pro přesnější regulaci použita elektrický akční člen, který ovládá natáčení lopatek přímo, bez využití podtlaku. Při stlačení vzduchu dojde ke zvýšení jeho teploty Z termomechanické rovnice pro izobarický děj „
“ ( Groda, Vítěz, 2008) je patrné, že zvýšení účinnosti
turbodmychadla lze dosáhnout ochlazením nasávaného vzduchu. Proto se často vkládá mezi dmychadlovou skříň a sání motoru vkládá chladič stlačeného vzduchu, tzv. mezichladič. „Snížením teploty stlačeného vzduchu se zvýší jeho objemové množství, tlačené do válce motoru. Ochlazení je prováděno na teplotu blízkou teplotě před stlačením“(Vlk 2003, str. 478).
3.2.
Dowsizing
Všechny
systémy
popsané
v předchozím textu jsou dnes využívány při vývoji a výrobě moderních motorů. Na obrázcích 3.2.1 a 3.2.2 je patrný výsledek provedených změn. Jedná se o otáčkové charakteristiky zážehového motoru 1,4 TSI a vznětového motoru 1.6 TDI, montovaných například
ve
vozech
Škoda
Octavia.
22
Především u zážehového motoru1,4 TSI, který dosahuje výkonu 92 KW je vidět nárůst točivého momentu již v nízkých otáčkách. Od 1500 min.
-1
točivý moment konstantní
až do otáček 4000 min. -1. Díky tomu lze s automobilem jezdit v nízkých otáčkách. V tomto režimu lze s automobilem jezdit za velice příznivé spotřeby paliva při tvorbě nízkých emisí ve výfukových plynech. Vznětový motor je 1,6 TDI, dosahující výkonu 72 KW dosahuje maximálního točivého momentu od 1900 do otáček 2500 min.
-1.
Díky
dostatečnému výkonu již při otáčkách 2500 min. -1 lze i s tímto motorem jezdit velice
efektivně
již
při
nízkých
otáčkách. Oba zmiňované motory jsou velice
dobrým
dowsizingu
ve
příkladem vývoji
využití
konstrukce
moderních spalovacích motorů.
4. Klikový mechanismus spalovacího motoru Zvyšování výkonu moderních motorů zároveň znamená větší nárok na únosnost materiálu. Nejvíce namáhanou skupinou je píst společně s ojnicí, která působí na klikový hřídel. „Klikový hřídel pístového spalovacího motoru zabezpečuje spolu s ojnicí kinematický převod přímočarého pohybu pístu na pohyb rotační. Klikový hřídel přejímá na čepu kliky sílu převedenou z pístů přes pístní čepy a přes ojnici a předává ji dále na setrvačník, spojku apod. Současně zabezpečuje konstrukce klikového hřídele i částečné vyvážení setrvačných sil a momentů posuvných a rotujících částí pomocí protizávaží, pohon rozvodu, příslušenství a pomocných agregátů motoru.“(Vlk 2003, str. 282).
23
4.1.
Klikový hřídel
Stále větší požadavky na snižování vibrací motorů vede k tomu, že klikové hřídele moderních spalovacích motorů jsou navrhovány s ohledem na minimalizaci torzního a ohybového kmitání. Samozřejmostí také zůstává správné dimenzování klikového hřídele z pevnostního a únavového hlediska. Uložení klikového hřídele je pro nejčastější čtyřválcový motor provedeno na pěti hlavních ložiscích.
4.1.1.
Konstrukce klikového hřídele
Klikový hřídel se skládá z hlavních čepů, které rotují po kluzných ložiskách v klikové skříni. Tyto čepy jsou umístěny v ose otáčení klikového hřídele. Další součástí jsou ojniční čepy, na kterých jsou uloženy hlavy ojnic. Hlavní a ojniční čepy jsou spojeny rameny kliky. Na výstupní straně klikového hřídele je upevněn setrvačník, na kterém je nejčastěji umístěn spojkový mechanismus. Na protilehlé straně se nachází hnací kolo vačkového hřídele, případně i pohon olejového čerpadla. Zcela na konci je potom umístěn torzní tlumič kmitů, jehož součástí je řemenice pro pohon ostatních agregátů jako například alternátor, vodní čerpadlo apod. Konstrukční řešení klikových hřídelí je určeno mnoha faktory a to počet válců, vzájemná poloha os válců a pořadí zapalování motoru. „Podle typu motoru je možné rozlišit klikové hřídele určené pro řadové motory, pro motory se skloněnými válci (V motory) a motory s protiběžnými písty (Box motory)“ (Hromádko a kol. 2011, str. 95). Dalším rozdělením klikových hřídelů je na dělené a nedělené. V případě motorů pro osobní automobily mohou být protizávaží konstrukčně vyřešeny jako součást součástí klikového hřídele, nebo jsou na klikový hřídel namontovány. Tato technologie se používá jen v ojedinělých případech, kdy konstrukce motoru nedovoluje jinou možnost. Ve většině případů se používají monolitické klikové hřídele, jejichž výroba je ekonomicky výhodnější. Hlavní čep slouží pro uložení klikového hřídele do klikové skříně. Rozměry čepu jsou určeny pevností materiálu, tlakem na povrchu čepu, velikostí torzního namáhání způsobené točivým momentem a velikostí torzním kmitání klikového hřídele. Ojniční čep přenáší síly z pístu přes ojnici na klikový hřídel. Na jednom ojničním čepu je uložena jedna ojnice. U šestiválcových motorů s umístěním válců do“V“ jsou 24
dva ojniční čepy umístěny přímo vedle sebe. Jejich osy jsou však předsazené. Díky tomuto řešení jsou pootočení klikové hřídele mezi jednotlivými zážehy stejná. Díky tomu je docíleno rovnoměrnějšího chodu motoru. Pro rozměr ojničního čepu je rozhodující především jeho pevnost vůči maximálnímu tlaku plynů, které na něho působí přes píst a ojnici. Čep je namáhán také na ohyb, zároveň je zatěžován kmitočtem vlastního klikového hřídele. Velikost redukovaných hmotností torzní soustavy je ovlivněna hmotností ojničního čepu, proto je snahou konstruktérů použití co možná nejmenších ojničních čepů. Rameno klikového hřídele spojuje jednotlivé hlavní a ojniční čepy. V případě staršího uložení klikového hřídele na třech hlavních ložiscích, případně u šestiválcových motorů spojují ramena dva ojniční čepy s hlavními čepy. Těžiště ramene se umísťuje co možná nejblíže k ose rotace. Proti ramenům jsou umístěny protizávaží. Ty slouží k odlehčení hlavních ložisek od zatížení způsobeného odstředivými silami. S ohledem na konstrukci jednotlivých motorů a klikových hřídelů se ramena a protizávaží obrábějí pouze v případě nutnost. V opačném případě se jejich povrch vzhledem k jejich poměrně složitému tvaru nijak neobrábí. Další rozdíl je způsob rozvodu mazacího oleje. Buď je olej přiváděn z horní části jednoho ložiskového uzlu hlavního čepu, odkud je rozveden dále do jednotlivých ložiskových uzlů, nebo je přívod mazacího oleje do jednotlivých hlavních ložiskových uzlů, odkud je rozváděn mazacími kanály v klikovém hřídeli pouze do ložiskových uzlů ojničních ložisek. Tento způsob je rozšířen především pro menší zeslabení materiálu. V některých případech se používá kombinace obou způsobů. Tím je umožněno použití mazacích kanálů o menších průměrech.
4.1.2.
Používané materiály
Materiály pro klikové hřídele se volí podle zátěže a výkonu motoru a podle výrobního procesu. Klikové hřídele v motorech určených pro osobní automobily jsou kované, nebo lité.
25
Litiny Výhodou litinových klikových hřídelů je především jejich větší ohybová tuhost a schopnost použitého materiálu tlumit přenášené vibrace. Nevýhodou je nutnost navrhování větších průměrů jednotlivých čepů a zároveň větších přechodových poloměrů mezi jednotlivými rameny a čepy. Z výrobního hlediska jsou výhodné malé přídavky na následné opracování, které jsou při odlévání dostatečné. Lité klikové hřídele se používají u vznětových i zážehových motorů, převážně jsou však použity u méně zatížených motorů s menším výkonem. Materiál používaný pro výrobu klikových hřídelů je například vysoce kvalitní litina s kuličkovým grafitem, což je vysoce jakostní materiál, u kterého lze najít přednosti ocelí na odlitky a zároveň předností litiny s lupínkovým grafitem. Tento materiál má velmi vysoké hodnoty meze kluzu a tažnosti. Při spojení s vysokou pevností v tahu jsou litiny s kuličkovým grafitem srovnatelné s ocelí. Zároveň si zachovává vlastnosti litiny s lupínkovým grafitem, jako je schopnost tlumit přenášené vibrace, menší vrubová citlivost a výborné třecí vlastnosti. Litina je samozřejmě velice dobře slévatelná s výbornou obrobitelností.
„Předností těchto litin je rovněž vyšší
hodnota modulu pružnosti E, která se pohybuje mezi 160 000 až 180 000MPa. V porovnání s litinou s lupínkovým grafitem jsou pevnostní charakteristiky u litin s kuličkovým grafitem méně závislé na tloušťce stěny odlitku.(Ptáček a kol. 2002, str. 167). Příklady použití tohoto druhu litiny s kuličkovým grafitem uvádí tabulka 2.1.2.1
Tab. 4.1.2.1 Použití litiny s kuličkovým grafitem (Ptáček a kol., 2002) Označení litiny
Tloušťka
stěny
Použití odlitků
odlitku[mm] Součásti silničních vozidel a
EN-GLS-400-18
5 až 100 i více
(ČSN 42 2303)
zemědělských strojů, na tělesa armatur a jiné dynamicky namáhané odlitky Součásti silničních vozidel a
EN-GLS-400-15
5 až 100 i více
(ČSN 42 2304)
zemědělských strojů, na převodové skříně, tělesa armatur a jiné dynamicky namáhané odlitky Součástky staticky
EN-GLS-500-7
5 až 100 i více 26
dynamicky namáhané, na vodící a kluzné lišty, tělesa armatur, na
válečky rovnaček a podávací
(ČSN 42 2305)
válečky, na převodové skříně Součásti namáhané
EN-GLS-600-3
5 až 100
(ČSN 42 2306)
mechanicky a otěrem, na klikové a vačkové hřídele, na ozubená kola, válce, na písty a pístní kroužky apod. Součásti značně namáhané mechanicky a otěrem, na ozubená
EN-GLS-700-2 (ČSN 42 2307)
kola a vačkové hřídele, na oběžná a
5 až 75
rozváděcí kola čerpadel, na brzdové bubny
EN-GLS-800-2
5 až 35
Součásti značně mechanicky namáhané a odolné proti otěru
(ČSN 42 2308)
Kované klikové hřídele
Další možností je výroby klikových hřídelí pomocí kování. Této technologie je použito především při konstrukci vidlicových motorů s umístěním válců do „V“, nebo motorů o menším objemu, ale s velkým výkonem. Právě tyto parametry jsou sledovány u moderních motorů, proto jsou dnes tyto klikové hřídele velice často používány. „Kované hřídele se vyrábí nejčastěji z materiálů 12050, 15131, 16342, 16720“ (Hromádko a kol. 2011, str. 96). U více zatěžovaných motorů jsou pro výrobu určeny materiály 14 240, 15260. Ty jsou poté zušlechtěny na pevnost 800 až 950 MPa. Oceli k lití
U moderních motorů jsou dnes často používány klikové hřídele lité z oceli. Jedná se o legované oceli. Tyto mají dostatečné parametry pro použití v nových motorech. Tvrdost materiálů se pohybuje na hranici 300 HV, což odpovídá pevnosti 940 MPa. U více zatížených motorů jsou jednotlivé čepy kaleny. Tím je dosaženo tvrdosti až 500 HV (tvrdost podle Vickerse, ČSN 42 0374), což odpovídá pevnosti 1480MPa. (přepočet proveden dle ČSN EN ISO 18265). V přiložené tabulce 4.1.2.2 a 4.1.2.3 je popsán
27
materiál pro výrobu klikové hřídele používané v motorech Mercedes 2,2 CDi, které dosahují výkonů od 65 až 120 KW. Jedná se o materiál 30 Mn5, respektive 1.1165.
Tab. 4.1.2.2 Materiálový rozbor klikového hřídele Mercedes 2,2 CDi, 1. část ( Přečková, 2012) Prvek %
C 0,40
S 0,054
Mn 1,49
Si 0,53
P 0,009
Cu 0,12
Si 0,087
Cr 0,11
Tab. 4.1.2. 3 Materiálový rozbor klikového hřídele Mercedes 2,2 CDi, 2. část ( Přečková, 2012) Prvek %
Mo 0,022
4.2.
V <0,003
Ti <0,005
Co 0,013
Nb <0,001
W <0,005
As 0,007
Sn 0,010
Ojnice
Ojnice slouží k přenosu sil mezi pístem a klikovým hřídelem. U čtyřdobého motoru je ojnice namáhána proměnnou silou na tah i na tlak. Při provozu vzniká na ojnici: -
tlakové namáhání působící podélně přes píst a ojniční čep
-
ohybové namáhání na dřík ojnice z důvodu neustálého kývavého pohybu dříku kolem ojničního čepu
-
namáhání vzniklé od setrvačných sil, vznikající následkem periodicky se měnící rychlosti pístu, Tyto síly se projevují jako tlakové a tahové síly v podélném směru „Vzhledem k časové proměnlivosti působících silových účinků je ojnice
namáhána únavově“ (Hromádko a kol. 2011, str. 92). Základním požadavkem na ojnici je vysoká torzní tuhost horního oka pro uložení pístního čepu a spodního oka sloužící jako ložiskový uzel pro uložení ojničního ložiska na klikovém hřídeli. Při konstrukci je na ojnici z hlediska minimalizace posuvných sil kladen důraz na co možná nejmenší hmotnost. Zároveň jsou pro ojnici jasně vymezeny požadavky a to zejména na velikost spodního ojničního oka. Jeho velikost musí být dostatečná, aby byly dodrženy požadavky na dostatečnou tuhost. 28
Zároveň je tato
velikost limitována průměrem válce, kterým se musí toto oko při montáži prosunout při montáži a demontáži ojnice a pístu. „ Přílišné dimenzování ojničního oka zvětšuje nevyváženou rotující hmotu klikového ústrojí, což se může nepříznivě projevit na zatížení ložisek a na dynamice motoru (torzní kmitání)“ (Matějovský, Novák, Němec 1994, str. 72). Pro výrobu ojnic jsou použity velmi kvalitní materiály, které jsou schopny přenést zmiňované tlaky a síly při poměrně malé velikosti ojnic. Nejčastěji jsou použity chromniklové oceli, případně temperované oceli. U závodních vysokootáčkových motorů jsou používány ojnice vyrobeny z titanových slitin. Pro výrobu ojnic se používá technologie zápustkového kování. Další možnou technologií je slinutí práškové oceli. Použití této technologie je výhodnější pro možnou redukci velikosti dílu a zároveň snížení její hmotnosti. Konstrukčně lze ojnici rozdělit na tři díly: - ojniční oko (oko pro pístní čep) - hlava ojnice (slouží jako ložiskový uzel pro ojniční ložisko na klikovém hřídeli) - dřík ojnice (spojuje ojniční oko a hlavu ojnice) Ojniční oko
V ojničním oku je uložen pístní čep, který spojuje ojnici s pístem. Toto spojení je kluzné, v ojničním oku je zalisováno pouzdro, které slouží jako kluzné ložisko pro zmiňované kluzné uložení čepu. U zážehových motorů se často používá pevné uložení pístního čepu, kdy je pístní čep uložen v ojničním oku s přesahem. Pístní čep je v tomto případě suvně uložen v pístu. Ojniční oko se konstruuje jako nedělené. Dřík ojnice
Tento díl ojnice slouží ke spojení ojničního oka a hlavy ojnice. Zároveň je zatěžován tlakem a tahem. Pro odlehčení ojnice je použit profil dříku
I. Toto provedení
splňuje nejlépe potřebné nároky. Pro omezení možné únavové deformace jsou všechny přechody mezi dříkem a ostatními díly hladké a zaoblené. 29
V některých případech je dříkem veden mazací kanál na přívod mazacího oleje. U moderních motorů se od tohoto kanálu ustupuje z důvodu možného snížení pevnosti celé ojnice. Hlava ojnice
V hlavě ojnice je umístěno kluzné ojniční ložisko. Z tohoto důvodu je třeba zachovat její dostatečnou tuhost a tvarovou stálost tak, aby nedocházelo k nadměrnému opotřebení ojničního ložiska. Hlava ojnice je ve většině případů dělená. Obě části jsou spojeny pomocí šroubového spoje. Pro přesné spojení obou dílu při jejich kompletaci je použito různých druhů zajištění. V dřívější praxi se využívalo kalibrovaných šroubů, kolíků, případně ozubených dělících ploch. Nejčastějším dnes využívaným způsobem je využití řízeného lomu při výrobě ojnice. To zajišťuje zcela přesnou identifikaci jednotlivých dílů a zároveň jejich usazení proti sobě. „Vzniklý lom musí být křehký a nesmí nastat žádná plastická deformace“(Vlk 2003, str. 279). Šroubové spoje jsou utaženy na předepsaný utahovací moment odpovídající spoji s dynamickým zatížením. Dělení je provedeno kolmo k ose dříku ojnice. V některých případech je použito dělení hlavy ojnice šikmo od osy dříku a to pod úhlem
až
. Tento způsob je využit
především u vidlicových a boxerových motorů a to z montážních důvodů.
4.3.
Ložiska klikového hřídele
Klikový hřídel je uložen v kluzných ložiscích. Jejich výhodou je tišší chod, větší životnost, především nižší náklady na výrobu. Další předností proti valivým ložiskům je menší zastavěný prostor potřebný pro jejich použití. Jejich nevýhoda spočívá ve větších nárocích na dostatečné mazání. Dále vyžadují větší tuhost ložiskových uzlů. Pro styk s kluzným ložiskem jsou na klikovém hřídeli jednotlivé čepy. Ty jsou povrchově opracovány tak, aby hrubost povrchu těchto funkčních ploch dosahovala „ Ra = 0,2 až 0,4 µm“. Přesnost opracování ložiskových pánví je potom „ Ra =0,4 až 0,8 µm“. „ Makro- i mikrogeometrie funkčních ploch ložiskových uzlů musí být tím lepší, čím tvrdší je povrch čepu a ložiskový materiál a čím vyšší jsou provozní otáčky“ (Matějovský, Novák, Němec 1994, str. 67).
30
4.3.1.
Koncepce ložiskových uzlů
Pro spolehlivost a funkčnost kluzného uložení je důležitá celková konstrukce ložiskových uzlů. Celá konstrukce musí být dostatečně dimenzovaná tak, aby zůstala po celou dobu provozu tuhá a aby nedocházelo k jejich deformaci. Tuto podmínku lze poměrně snadno splnit u hlavních ložisek klikového hřídele. U ojničních ložisek je tento problém vyřešen tenkovrstvými ložisky. Díky tomu lze zachovat dostatečnou šířku ojničních těles tak, aby byla zaručena jeho dostatečná tuhost. Víka pro uložení ložisek jsou konstrukčně řešeny jako jednotlivé díly a jsou vyrobeny z oceli, případně litiny a to i při požití bloku motoru z hliníkové slitiny. V některých případech je pro uložení klikového hřídele použito děleného bloku motoru. Dělící plochy bloku jsou umístěny ve středu uložení klikového hřídele. Tento způsob je více odolný proti normálovému i smykovému napětí. V případě použití bloku z lehkých hliníkových slitin je tento materiál použit na oba díly bloku motoru. Otvory pro uložení kluzných ložisek jsou opracovány ve staženém stavu. Ložisková víka musí přesně dosedat na protilehlou část ložiskového tělesa. Pro zajištění geometrické přesnosti uložení ložiskových pánví se používá zajištění pomocí šikmých zámků, pravoúhlých zámků, šikmým zubeným zámkem, nebo lícovanými kolíky, případně lícovanými šrouby. U moderních motorů se často používá u ojničních uložení dělení ojničního oka řízeným lomem. Tato technologie je výhodná pro jedinečnost jednotlivých lomů, které zaručuje nezaměnitelnost jednotlivých dílů a zároveň je dostatečně zaručena odolnost proti posunu jednotlivých dílů. Ke spojení ložiskových vík s ložiskovými tělesy se používají předepsané šrouby, nebo matice. Na každou ložiskovou pánev jsou určeny ve většině případů dva šrouby či matice. U moderních motorů se častěji používají šrouby a to na upevnění hlavních i ojničních ložiskových pánví. Osy ojničních šroubů jsou umístěny co možná nejblíže čepu klikového hřídele. „Šrouby se utahují asi na trojnásobek největší dynamické provozní síly, který zajišťuje trvalý silový styk obou částí ( předepjatý šroubový spoj s tahovým přepjetím)“ (Matějovský, Novák, Němec 1994, str. 68). V případě hlavních ložiskových pánví především u motorů s uspořádáním válců do „V“ se doplňuje spojení pomocí bočních šroubů pro zvětšení této silové vazby. Utažení jednotlivých dílů ložiskových uzlů je nutné provést přesně podle montážních pokynů. Ty jsou vypočteny podle rovnice v tahu. U starší konstrukce motorů byly využívány šrouby, jejichž utažení bylo vypočteno s nižším předpětím, u 31
moderních konstrukcí je využita montáž šroubů s předpětím. U těchto šroubů dochází k deformaci. Proto je nutné při montáži jednotlivých ložiskových uzlů použít vždy nové.
4.3.2.
Konstrukce kluzných ložisek
Kluzná ložiska pro klikovou hřídel lze rozdělit na ojniční, hlavní radiální ložiska a axiální ložiska, které jsou uloženy v hlavním uložení klikového hřídele. Ojniční ložiska – podle způsobu mazání válce motoru mohou být vybaveny otvory pro rozstřikové mazání a nejsou vybaveny mazací drážkou pro přívod mazacího oleje. U starších motorů byly ložiska vybaveny zajišťovacím výstupkem, který se vsadil do vyfrézované drážky v hlavě ojnice. Toto zajištění sloužilo k přesnému usazení ojničního ložiska a zároveň bránilo proti otočení ložiska v uložení ojnice při provozu. U moderních motorů se tyto zámky ve většině případů již nepoužívají. Hlavní ložiska – podle způsobu přívodu mazacího oleje šířky ložiskových uzlů jsou ve středu ložiskových pánví vytvořeny mazací drážky, které slouží k přívodu oleje z horního uložení klikového hřídele do spodní pánve, které je více namáhaná. Ložiska jsou vybaveny zajišťovacím výstupkem popisovaným u ojničního ložiska. Axiální ložiska – na klikový hřídel působí podélné síly a to především od strany setrvačníku, kde je ve většině případů upevněna spojka. Proto musí být součástí uložení klikového hřídele i axiální ložiska. Tyto ložiska jsou nejčastěji dělená ve tvaru půlměsíce. Ložiska jsou usazena v jednom uložení hlavního radiálního ložiska a to z obou stran tak, aby bylo zaručeno přesné axiální uložení klikového hřídele. Ložiska jsou uložena v horním či spodním uložení hlavního ložiska, případně po celém obvodu uložení jednoho ložiskového uzlu. Ložisko je uloženo jako plovoucí, proto je vždy zajištěno proti otočení. V častých případech je axiální ložisko konstrukčně vyřešeno jako součást hlavního radiálního ložiska.
4.3.3.
Materiál kluzných ložisek
Základní materiál kluzných ložisek je ocel, která je u radiálních ložisek vytvarována do tvaru pánve. Do této ocelové pánve se „nalijí nebo naspékají olověné bronzy, hliníková výstelka se naválcuje“ (Matějovský, Novák, Němec 1994, str. 68). 32
Kluzná ložiska lze rozdělit podle počtu vrstev materiálu na dvouvrstvé a třívrstvé. Dvouvrstvá ložiska jsou složena z ocelové pánve a hliníkové výstelky, která slouží jako kluzná plocha. Požití těchto ložisek je možné u motorů s menším zatížením klikového hřídele. U dnešních moderních motorů jsou použity jen výjimečně. Třívrstvá ložiska jsou složena z ocelové pánve, do které jsou nanesené tenké nosné vrstvy z ložiskového kovu o tloušťce 0,2 až 0,3 mm, odolného proti vysokému zatížení. Poslední kluzná vrstva o tloušťce 0,012 až 0,020 mm, je vytvořena z materiálu s velmi dobrými kluznými vlastnostmi. Ložiskový kov je používaný podle uložení ložiska v ložiskovém uzlu. U ojničního oka je horní strana oproti spodní mnohem více namáhána, proto jsou v častých případech použity v jednom páru dva druhy ložisek. U hlavních radiálních ložisek je tento stav přesně opačný, systém dvou druhů materiálu v jednom ložiskovém uzlu je však podobný.
4.3.4.
Ložiskové montážní vůle
Při konstrukci jednotlivých ložiskových uzlů je třeba dodržet stanovené montážní vůle. Ty jsou stanoveny „na základě pevnostního a hydrodynamického výpočtu a zvolených základních údajů mazacího oleje“ (Matějovský, Novák, Němec 1994, str. 66). U soudobých motorů se montážní vůle jednotlivých čepů klikového hřídele v ložiskových uzlech pohybují v rozmezí 0,02 až 0,04 mm.
4.3.5.
Montáž kluzných ložisek
Přesné parametry pro rozměry otvorů pro uložení ložisek a rozměrů jednotlivých čepů klikového hřídele jsou předepsány výrobcem. Při montáži klikového hřídele a jednotlivých komponentů je třeba zkontrolovat všechny tyto rozměry. Zvláště důležité je dbát na přesné utažení jednotlivých spojů na ložiskových uzlech, které musí být provedeno speciálními nástroji, jako jsou momentové klíče a úhlové klíče. Pokud jsou šrouby nedostatečně dotaženy, může při provozu dojít ke ztrátě předpětí, vzniku rázů a únavovému porušení šroubů. Na dosedacích plochách se objeví hloubkový pitting a zhorší se přestup tepla a celkovému zhoršení makrogeometrie a kluzné plochy.
33
V případě přetažení spoje v ložiskovém uzlu hrozí překročení pevnosti materiálu a k možnému poškození šroubu. V případě kdy šroub při přetažení zůstane nepoškozen, hrozí deformace celého ložiskového uzlu a zmenšení ložiskových vůlí ve směru osy šroubů. To nepříznivě ovlivňuje hydrodynamické poměry v ložisku.
5. Hodnocení závad na klikovém mechanismu Soudobé motory jsou konstruovány pro maximální možný výkon při malé velikosti jednotlivých funkčních uzlů a posléze i celého motoru. To má za význam větší měrné zatížení jednotlivých součástí. Při provozu motoru proto může dojít k dosažení mezních stavů, díky kterým vznikají nejrůznější defekty. Ty mají za následek znemožnění provozu motorového vozidla. Při zkoumání charakterů závad klikového mechanismu se ve většině případů lze setkat s poškozením kluzných ložisek. Před opravou je však důležité zjistit příčinu tohoto poškození, aby bylo možné vznik další takové poruchy minimalizovat. „Při šetření poruchy je třeba postupovat systematicky a seznámit se se všemi okolnostmi poruchy včetně historie dosavadního provozu, posoudit technickou dokumentaci, výpočet ložisek, technologii jejich výroby i montáže, kvalitu obsluhy i údržby motoru“ (Matějovský, Novák, Němec 1994, str. 84). Toto šetření musí být prováděno komplexně. Nejdříve se jedná o vizuální prohlídku poškozených dílů. Poté následuje podle
potřeby
mikrometrážní
kontrola
částí
ložiskového
uzlu
chemické
a
metamorfologické laboratorní testy a to včetně rozboru použitého oleje. Na základě provedených šetření lze určit příčinu vzniku poruchy a postup jejího odstranění. Závady na klikovém mechanismu lze rozdělit podle příčin jejich vzniku na: koncepční chyby – ty mohou mít mnohdy skrytý charakter a k jejich rozpoznání je třeba zkušeností a teoretických znalostí, patří sem například nevhodná tuhost ložiskového uzlu, případně špatná volba materiálu výrobní chyby – ty mohou vzniknout důsledkem nedodržení správného technologického postupu zpracování, použití nevhodných měřidel apod. montážní chyby – jejich vznik je zapříčiněn především nedodržením montážních pokynů, použití nevhodných pracovních nástrojů, popřípadě špatné očištění dosedacích ploch pro kluzná ložiska, mazací otvory apod. 34
provozní chyby – tyto poruchy patří k nejčastějším příčinám defektů klikového mechanismu, často mohou být způsobeny nedodržením servisních intervalů, použitím nevhodného maziva apod.
5.1.
Koncepční chyby
Tyto chyby vznikají již při samotném projektování a konstrukci motoru. Vady nejčastěji souvisejí se zátěží vznikající na klikovém mechanismu. V mnohých případech jsou tyto poruchy spojeny s umístěním motoru do určitého typu automobilu. Další možností pro vznik těchto koncepčních chyb je použití dílů při opravě motoru. V tomto případě se často jedná o výrobu náhradních dílů pro určený typ motoru kde je původní materiál nahrazen jiným levnější, který však nesplňuje potřebné parametry originálního náhradního dílu. Pro odhalení takové poruchy je třeba zkušeností a teoretických znalostí. Pro jejich rozpoznání je často třeba porovnání poruch na více motorech stejného typu. Tyto chyby se mohou projevit po určité době provozu. Jejich odstranění v některý není možné, podle jejich charakteru je však lze eliminovat. Často proto stačí pouze změnit například styl jízdy apod.
5.1.1.
Uložení klikového hřídele
Jak již bylo popsáno v předchozích kapitolách, uložení klikového hřídele, které je provedeno v bloku motoru musí být souosé a má předepsané rozměry děr pro uložení jednotlivých kluzných ložisek. Neméně důležité je dodržení předepsaného utažení jednotlivých šroubů. Při tom musí být dodržen stále častěji se objevující požadavek na výměnu jednotlivých šroubů. Při jejich dotažení se počítá s velkým předpětím, to vede k jejich deformaci. Případné opakované použití šroubů může znamenat nedostatečné dotažení jednotlivých ložiskových uzlů, případně vznik únavových lomů nejčastěji v kořenu závitu těchto šroubů. Při popisu jednotlivých dílů klikového mechanismu bylo v kapitole 2. popsáno použití velmi jakostních materiálů pro jejich výrobu. Ten se při vývoji nových stále menších, ale zároveň výkonnějších motorů neustále mnění a zkvalitňuje. Vždy se však jedná o materiály na výrobu klikového hřídele, ojnice a jednotlivých kluzných ložisek. 35
Zároveň jsou v laboratořích testovány nové druhy motorových olejů, které mají být schopny dostatečně namazat jednotlivé ložiskové uzly při všech běžně dosahovaných teplotách i při vysokém zatížení jednotlivých skupin. Pro uložení klikového hřídele jsou konstruovány stále menší ložiskové uzly. Dochází ke zmenšování jednotlivých čepů klikového hřídele, zároveň však dochází k jejich zúžení. Tím dochází k navýšení měrného zatížení jednotlivých ložisek. Toto zatížení dále přechází přímo do klikové skříně. Při konstrukci nových motorových celků je kladen důraz na kvalitní materiály pro přenos sil z pístu přes klikový hřídel až do převodového ústrojí. Při zmenšování jejich velikosti, dochází ke snižování jejich hmotnosti. To má za význam snižování schopnosti absorpce dynamického kmitání, které se proto přenáší do uložení klikového hřídele. Toto kmitání společně s vysokým měrným zatížením způsobuje v klikové skříni deformace jednotlivých průměrů uložení kluzných ložisek. Defekty jsou zapříčiněny především materiálovou strukturou klikových skříní, které se oproti jiným dílům používá stále stejné. Mění se jen konstrukce jednotlivých ložiskových uzlů tak, aby zajištěna dostatečná tuhost uložení kluzných ložisek. Deformace jednotlivých průměrů pro uložení kluzných ložisek způsobuje zhoršení makrogeometrie celého
ložiskového
uzlu,
změnu
hydrodynamických poměrů
v ložiskovém uzlu a zhoršení mazání celého motoru. Zároveň dochází ke změně styku jednotlivých dosedacích ploch a tím změně zatížení jednotlivých ploch. Postupným uvolňováním celého ložiskového uzlu může v závažných případech dojít až k závažnému poškození klikového hřídele. S popisovaným poškození klikové skříně úzce souvisí použití šroubů pro utažení jednotlivých ložiskových uzlů. V rámci stavby moderních motorů jsou prosazovány zásady redukce velikosti a hmotnosti celého motoru. Z tohoto důvodu se konstruktéři snaží navrhnout takové šrouby, které by dostatečně odolaly zatížení vznikajícímu při provozu motoru i při jejich zeslabení, což umožňuje konstrukci menších závitových těles. V mnohých případech je potom možné se v opravářské praxi setkat s uvolněnými šrouby hlavního uložení klikového hřídele, ke kterému dochází při postupné deformaci jednotlivých šroubů. Při vzniku této závady dochází opět ke změně makrogeometrie ložiskového uzlu a změně hydrodynamických poměrů v ložiskovém uzlu. To může způsobit závažnou deformaci klikového hřídele.
36
5.1.2.
Prasknutý klikový hřídel
Prasknutí klikového hřídele může nastat z několika příčin. Hovoříme-li o defektu vzniklému díky koncepční chybě, potom porucha nastane především při umístění motorů určených pro osobní automobily do dodávek, případně terénních automobilů, kde je klikový hřídel zatěžován více. Stejný efekt nastává při koncepci motoru s atmosférickým
plněním
a
následnému
zvýšení
výkonu
například
montáží
turbodmychadla. Ve všech popisovaných případech dochází ke vzniku mikroskopických prasklin, případně celkovému prasknutí klikového hřídele únavovým lomem. K těmto defektům dochází po poměrně dlouhé době životnosti motoru a ve většině případů nejsou tyto poruchy předmětem záručního servisu. Těmto poškozením lze poměrně snadno předejít změnou stylu jízdy. Především je však třeba již při výběru automobilu zhodnotit jeho velikost, možnost jeho celkové hmotnosti a uvědomit si, zdali tyto parametry korespondují s velikostí obsahu zvoleného motoru. Při volbě vozu a volbě motoru se často provozovatelé zaměřují pouze na výkon motoru a nízký obsah motoru vnímají jako pozitivní. V opravárenské praxi lze však tyto kombinace spatřovat jako velmi nevhodné. Další možnou příčinou prasknutí klikového hřídele je výměna dílu při opravě a použití náhradního dílu, který je výrobcem určen pro daný typ motoru a stanovený výkon, jeho materiálová struktura však neodpovídá struktuře materiálu původního klikového hřídele. Tím se mění vlastnosti celého dílu, který nedosahuje potřebných pevnostních a tvrdostních vlastností. Jako příklad lze uvést porovnání dvou materiálů klikových hřídelí, které jsou obě určeny na přesný typ motoru. Jedná s díly pro motor Mercedes 2,2 CDi o výkonu 110 KW. Daný motor je osazován do osobních automobilů, stejně tak do užitkových automobilů. Motor je vyráběn v několika variantách výkonu. Klikový hřídel je použit stejný pro všechny typy těchto motorů. V případě umístění motoru v osobních automobilech a v menších užitkových vozech jsou vlastnosti klikového hřídele dostačující pro jeho bezproblémový provoz. Při jeho umístění do užitkových dodávkových automobilů však dochází k únavě materiálu vlivem sil působících na tento klikový hřídel a jeho prasknutí. V případě výměny vadného dílu jsou nabízeny výrobci náhradní klikové hřídele, které jsou často prodejci prezentovány jako originální náhradní díly. Tyto náhrady jsou i podle výrobního katalogu určeny pro daný typ motoru a pro přesně specifikovaný typ automobilu. Nabízené díly jsou však často vyráběny z materiálů určených pro výrobu 37
klikových hřídelů pro méně namáhané motory, jejich parametry jsou proto naprosto nedostačující pro jejich montáž do zmiňovaných motorů. Při jejich montáži poté v poměrně krátké době provozu opraveného motoru klikový hřídel praskne. V tabulce 4. jsou znázorněny výsledky měření tvrdosti materiálů originálního a náhradního klikového hřídele. Měření bylo provedeno vždy ve třech vzorcích, aby byl omezen výskyt možný výskyt chyb vzniklých při měření. Při materiálovém rozboru byl posléze určen materiál pro výrobu originálního klikového hřídele, kde se jednalo o ocel, kterou lze podle chemického rozboru zařadit pod značku 30Mn5, resp. 1.1165. Na základě změřené tvrdosti na povrchu ojničního čepu byl proveden přepočet dle ČSN EN ISO 18265, podle kterého lze určit pevnost klikového hřídele přibližně na 1480 MPa. U náhradního klikového hřídele bylo stejným způsobem zjištěno použití materiálu GGG 60, resp. 0.7060. Její pevnost byla stanovena pouze na 813 MPa. Podle odebraných vzorků tvrdosti originálního dílu je velice dobře patrný rozdíl tvrdosti ve středové části, která je podstatně nižší oproti tvrdosti měřené na povrchu. To je dáno dříve tepelným zpracováním popsaném v předchozí kapitole (2.1.2.). Tím jsou zlepšeny únavové vlastnosti celého klikového hřídele. U náhradního díl se tyto vlastnosti neobjevují. Porušená klika, vyrobena jako náhradní díl, je naproti tomu vyrobená z litiny, podle chemického rozboru je možné ji zařadit pod značku GGG 60, resp. 0.7060. Z provedeného měření tvrdosti je možné konstatovat, že její pevnost je pouze 813 MPa (přepočet proveden dle ČSN EN ISO 18265). Hodnoty tvrdosti byly rovněž změřeny na vzorcích odebraných pro kontrolní chemický rozbor v místě odpovídajícímu ose kliky. V této lokalitě byla naměřena u neporušené kliky tvrdosti 300 HV, což odpovídá pevnost 940 MPa. Na zlomené klice byla naměřena tvrdost 254 HV, což odpovídá pevnosti 790 MPa. Nižší rozdíly v tvrdosti středové části souvisí s provedeným tepelným zpracováním, kdy vždy na povrchu součásti je tvrdost vyšší než v jejím středu. Z uvedených měření (tab. 5.1.2.1), je velmi dobře patrné, že ocelová původní klika byla tepelně zpracována tak, aby její povrchová část dosáhla vysoké tvrdosti, tato skutečnost významně zlepšuje únavové vlastnosti.
38
Tab. 5.1.2.1 Naměřené hodnoty při zkoušce tvrdostí klikových hřídelů (Kander, 2012) Povrch ložiskového
Osa kliky čepu Originální díl
297,301,301
260, 262, 261
Náhradní díl
257,252,252
476, 487, 481
5.2.
Výrobní chyby
Výrobní chyby vznikají, jak již samotný název napovídá, při výrobním procesu. Tento proces se děje při samotné výrobě jednotlivých dílů. Mohou vzniknout „důsledkem nedodržení technologických postupů a kázně, nebo použití špatného strojního a měřícího zařízení. Projevují se vadami materiálu“ (Matějovský, Novák, Němec 1994, str. 84). Především však ke vzniku těchto chyb dochází v případě opravy jednotlivých dílů.
5.2.1.
Broušení klikového hřídele
V případě opravy klikového hřídele je nutné při opotřebení čepů klikového hřídele tyto plochy obrobit na přesně stanovený rozměr potřebný pro použití opravné sady kluzných ložisek. Při této činnosti je možný především vznik špatných makro a mikrogeometrií funkčních ploch, které vznikají především použitím nepřesných měřidel, případně špatné technologie obrábění. Zároveň však mohou vzniknout deformace v důsledku lokálního tepelného namáhání jednotlivých opracovaných čepů. Použití nových druhů materiálů a celkové zeslabení jednotlivých dílů vede k jejich náchylnosti právě k těmto deformacím. Celý klikový hřídel potom vykazuje vyosení jednotlivých hlavních čepů. Při montáži takto zdeformovaného klikového hřídele hrozí zvýšení otěru jednotlivých kluzných ložisek vedoucím ke zhoršení hydrodynamických poměrů v jednotlivých ložiskových uzlech a k následnému abrazivnímu poškození jednotlivých kluzných ložisek.
39
Při opracování jednotlivých čepů proto musí být použita technologie, která tento problém v co možná největší míře eliminuje.
5.3.
Montážní chyby
Chyby vzniklé při montáži mohou vzniknout při sestrojování ve výrobních podnicích. V těchto případech jsou tyto vady odstraněny již při zkušebních provozech. Častěji se však defekty vzniklé na základě zmiňovaných montážních chyb objevují při kompletaci motorů při opravách.
5.3.1.
Chyby vzniklé při údržbě a opravě vozidla
Tyto chyby mohou vzniknout nesprávným dotažením šroubů při usazování jednotlivých ložiskových uzlů.
Následkem toho dochází k porušení správné
makrogeometrie ložiskových uzlů. Přetažení šroubů může způsobit jejich poškození, které se nemusí projevit ihned. Při provozu vozidla dochází k uvolnění jednotlivých šroubů. To může způsobit další defekty na jednotlivých ložiskových uzlech. Špatné dotažení šroubů může souviset z nedodržení montážních pokynů, může být však způsobeno použitím momentového klíče, který je nesprávně seřízen. Další montážní chybou, která způsobuje defekty na klikovém mechanismu je nedodržení montážních pokynů a použití původních šroubů. U soudobých motorů jsou použity šrouby o vysoké pružnosti a pevnosti. Jak již bylo zmíněno, při jejich dotahování je použito velkého předpětí. To způsobuje jejich deformace, které znemožňuje je použití vícekrát. Při jejich opětovném použití může dojít k nesprávnému nedostatečnému dotažení. Pro utažení těchto šroubů jsou předepsány utahovací momenty, které jsou déle nahrazeny utažením úhlovým klíčem o určený úhel. Při tomto druhu utažení lze jen stěží rozpoznat nesprávné utažení použitých šroubů. Při montáži takto poškozených šroubů hrozí jejich uvolnění, případně ulomení únavovým lomem. To potom vede k závažným defektům na jednotlivých ložiskových uzlech. Při montáži jednotlivých kluzných ložisek musí být dodrženy zásady čistého, bezprašného pracoviště, přesné usazení jednotlivých ložiskových pánví do uložení, naolejování jednotlivých čepů a ložisek a očištění jednotlivých dosedacích ploch. Nedodržení jednotlivých popsaných zásad vede ke zhoršení hydrodynamického poměru 40
v jednotlivých ložiskových uzlech, abrazivnímu poškození kluzných ložisek apod. To nakonec způsobuje závažné defekty v celém motoru.
5.4.
Provozní chyby
Jedná se o nejčastější příčinu všech poruch motorů a také klikového mechanismu. Tyto chyby „rozhodujícím způsobem ovlivňují spolehlivost a životnost kluzných ložisek“ (Matějovský, Novák, Němec 1994, str. 84). Nejčastěji vznikají nedostatečnou, nebo špatnou údržbou motoru, použitím nesprávných druhů oleje. Další častou chybou vedoucí ke vzniku poruchy je potom nesprávná jízda. Pro dnešní moderní motory jsou doporučovány plně syntetické oleje, jejichž viskozita je ve srovnání s minerálními oleji poměrně stabilní při různých teplotách. Při doporučeném intervalu výměny motorového oleje po ujetí vzdálenosti 15 až 30 tisíc kilometrů je však olej natolik znečištěn, že se i jeho viskozita natolik změní a to především při teplotách pod bod mrazu, že doporučení výrobců automobilů pro jízdu v zátěži, bez jakéhokoliv zahřátí motoru, může mít pro kluzná ložiska velmi vážné následky a to díky jejich velmi špatnému mazání ihned po startu. Další častou chybou je výběr motorového oleje. Ten často provozovatelé vybírají pouze podle klasifikace SAE (Society of Automotive Engineers), neboli viskózního čísla. Důležitým parametrem je však maximální možné zatížení, které se projevuje právě na uložení klikového mechanismu. Zde se jedná o normy americké API (American Petroleum Institute), nebo evropské ACEA (European Automobile Manufacturers' Association). Pro zjednodušení správného výběru motorového oleje dnes používá každá automobilka svou specifickou normu. Tyto jsou potom uvedeny na etiketě každého oleje. U moderních motorů se však stále častěji objevují defekty vzniklé z příčin zdánlivě nesouvisejících. A to především při poruše tzv. „dvouhmotého setrvačníku, nebo torzního tlumiče kmitů.
41
5.4.1.
Dvouhmotý setrvačník
„Nerovnoměrné, periodické spalovací procesy u motorů s posuvně vratným pohybem pístu podněcují kmitání v hnacím prostředku. Způsobují rušivé hluky jako dunění karoserie, nebo rachocení převodovky.“ (Vlk 2003, str. 301). K potlačení hluku a vibrací se u moderních automobilů namísto klasického setrvačníku používá tzv. dvouhmotový setrvačník. ( Přečková, 2012)„Změnou hmotnostních poměrů pomocí dvouhmotového setrvačníku se rezonanční oblast posune do počtu otáček volnoběhu a dostane se tak mimo oblast provozního počtu otáček motoru. K této změně dojde, pokud je konvenční setrvačník rozdělen a mezi obě části integrován tlumič torzních kmitů spojkového kotouče.“
(Vlk
2003,
301).
str.
Hmota setrvačníku je
rozdělena
primární
na a
sekundární. Primární
část
setrvačníku
je
sešroubována klikovou
s
hřídelí.
Sekundární část je otočně
uložena
pomocí
kluzného
ložiska na primární části
setrvačníku.
Sekundární zároveň
část vytváří
třecí plochu pro lamelovou spojku. Sekundární hmota musí být uložena v toku momentu před spojkou, protože jinak by se musela při každém řazení synchronizovat. Pootáčení mezi primární a sekundární částí pomáhají planetová kola. Pružiny jsou zapojeny sériově na největším průměru. Převedení síly pružin je realizováno pomocí kluzných patek. Je tedy možné použít běžné přímé šroubové pružiny. Sériové uspořádání pružin umožňuje kombinaci různých pružin a tím dosáhnout potřebnou pružinovou 42
charakteristiku. Pokud jsou pružiny unavené nebo poškozené, závada se projevuje formou úderů při řazení. V krajních polohách natočení setrvačníku jsou umístěny dorazy. Sekundární setrvačník a spojkový mechanismus mají potom tichý chod. Z porovnání průběhu změny otáček na obrázku 5.4.1.1. je vidět že „při použití dvouhmotového setrvačníku dochází ke zmenšení amplitud torzních kmitů klikového hřídele“(Vlk 2003, str. 301).
5.4.2.
Tlumiče torzního kmitání
„Oscilace vyvolané nárazy spalin na klikový hřídel jsou u některých motorů vyrovnány protizávažím. Přesto však mohou torzní kmity zapříčinit neklidný chod motoru, hluk a způsobit opotřebovávání klikového hřídele a jeho ložisek. Tomu zabraňují zvláštní tlumiče kmitů, namontované většinou na protilehlém konci klikového hřídele k setrvačníku.“ (Vlk 2003, str. 304). Konstrukčně je tento tlumič řešen ve většině případů jako železný náboj, který je pevně připevněn ke klikovému hřídeli. Na tento náboj je navulkanizována pryžová vrstva, které slouží jako pružící a tlumící člen. Z druhé strany je tato vrstva navulkanizována na setrvačnou, odstředivou hmotu v podobě malého setrvačníku. Součástí torzního tlumiče je často řemenice, sloužící k pohonu dalších připojených dílů, jako je alternátor apod. Další možností je použití hydraulického tlumiče torzních kmitů. Ten snižuje torzní kmitání pomocí hydrodynamického vytlačovacího efektu. Torzní vibrace způsobují v tlumiči vzájemný pohyb mezi primární hmotou (náboj) a sekundární hmotou. V důsledku tohoto vzájemného pohybu je olej vytlačován zúženým otvorem. Výsledný rozdíl tlaků odpovídá hydraulickému úbytku výkonu. V případech, kdy není možno použít tlumič torzních kmitů na konci klikových hřídelů, jsou umístěny přímo v klikové skříni. Tento případ je použit například u motoru 2,5 TDi použitý ve vozech Volkswagen. Při tomto řešení je použito pružinového tlumiče torzních kmitů.
43
5.4.3.
Chyby vzniklé nevyvážením
Při špatném stavu dvouhmotého setrvačníku, případně torzního tlumiče kmitů dochází k nevyváženému chodu klikového hřídele. To vede k větším, u opotřebení kluzných ložisek a opotřebení jednotlivých čepů klikového hřídele. Při delším provozu s tímto poškozením může dojít k únavovému lomu klikového hřídele a dalším poškozením z toho vzniklých.
5.5.
Poškození kluzných ložisek
Poškození a opotřebení kluzných ložisek lze rozdělit na sedm druhů. Abrazivní (jemné a hrubé obvodové rýhování, šípovité rýhy, vydírání ) Jedná se o postupnou degradační poruchu v celé ploše. Toto poškození vzniká vlivem nečistot a cizích volných a vázaných těles v kluzné ploše. Případně špatně opracovaný povrch klikových čepů. Toto poškození částečně vzniká při prvním záběhu motoru. Pro předcházení tohoto opotřebení je třeba zlepšit vnitřní čistotu motoru, zlepšit filtraci motorového oleje. Erozivní (rozbrázdění, zvrásnění, zjizvení, vymílání) Tato postupná porucha se objevuje především v okolí mazacích cest, která je zapříčiněna proudícím špatně filtrovaným znečištěným olejem. Při vzniku této poruchy je třeba zkvalitnit filtraci motorového oleje, případně upravit mazací cesty Únavové
(vlasové
trhlinky,
rozpad
výstelky,
vypadávání
částic
výstelky) V tomto případě jde o postupnou havarijní poruchu v nejvíce zatížené oblasti ložiska. Poškození vzniká při dynamickém přetížení materiálu, kdy vzniká v ložiskové výstelce elastická deformace. Pro předcházení vzniklých deformací materiálu je třeba snížit dynamické zatížení, případně změnit materiál kluzného ložiska za únosnější (Tato varianta vzniká 44
v některých případech, kdy opravné ložisko klikového hřídele je vyrobeno z méně kvalitního materiálu proti originálnímu ložisku). Kavitační (místní zmatnění, zdrsnění, houbovitý povrch, mikrokrátery) Kavitační porucha se vyskytuje obvykle na méně zatížených plochách ložiska podle mechanismu vzniku a projevu lze rozlišit na průtokovou, výtokovou, nárazovou při konstantních otáčkách, a kavitaci sáním. Za závažnou lze považovat zejména kavitaci nárazovou ve spodních polovinách hlavních ložiskových pánví. Ostatní kavitace nejsou sami o sobě nebezpečné, lze však podle jejich vzniku indikovat chybu v konstrukci ložiskových uzlů. Kavitace „je vyvolána vznikem kavit v oleji při náhlém podtlaku a jejich zánikem při opětovném stoupnutí tlaku“ (Matějovský, Novák, Němec 1994, str. 86). Příčiny kavitačního poškozeni jsou velké ložiskové vůle. Vibrace klikového hřídele, případně špatný ložiskový materiál. Může se projevit u starších opotřebených motorů. Adhezivní
(oleštění,
vyválcování
výstelky,
vytrhávání
výstelky,
tepelné přetížení, zadírání, vytavení) Velmi závažná porucha projevující se na části a postupně na celém obvodu ložiska. V konečné fázi se projevuje „prudkým zvýšením třecího tepla, mikrosvary, vytavením výstelky a tepelnou smrtí ložiska“ (Matějovský, Novák, Němec 1994, str. 87). Tyto poruchy jsou ve většině případů zapříčiněny poruchou mazání motoru, které jsou způsobeny snížením mazacího tlaku, použitím nesprávného mazacího oleje, porušením servisních intervalů pro jeho výměnu. Závada snížení mazacího tlaku může nastat také použitím špatného olejového filtru, kdy především filtry pro vznětové motory jsou opatřeny obtokovým ventilem, u filtrů pro zážehové motory se tento obtokový ventil nepoužívá. Další možnou příčinou je studený start motoru, kdy jsou kluzná ložiska na krátkou dobu nenamazaná. Tato doba se prodlužuje s použitím vyšší viskozity oleje. Mezi kluzným ložiskem a klikovým čepem je vytvořen mazací olejový film. Při jeho porušení dojde ke styku obou kluzných ploch. Tím se naruší výstelka ložiska, která nemá dostatečnou regenerační schopnost. Postupně potom nastává vydírání celého ložiskového kovu. 45
Tato závada může nastat i u starších dlouhodobě používaných motorů a to i přes jejich pravidelný správný servis. Příčinou takové poruchy je většinou kumulace více drobných poruch, z nichž žádná sama o sobě nemá na chod motoru závažný význam. Těmto poruchám lze za provozu jen stěží předcházet a zároveň je nelze dostatečně včas diagnostikovat při pravidelných servisních prohlídkách. Vibrační
(šedočerné,
červenohnědé
zbarvení,
zdrsněný
povrch,
mikrosvary, pitting) Toto poškození se objevuje u tenkostěnných ložiskových pánví a to zejména při jejich malém přesahu uložení. Obvykle však není samo o sobě havarijního typu, dochází při něm však ke zhoršení přestupu tepla mezi materiály. Korozivní (zbarvení a rozrušení kluzného povrchu, vypadávání částic výstelky, vyplavování částiček výstelky) Výskyt koroze lze pozorovat u olověných bronzů. Tato degradační porucha se objevuje v celé ploše ložiska. Je podmíněna znehodnocením motorového oleje přítomností vody. Při této poruše je třeba vyměnit olej a zamezit jeho další znehodnocování vodou.
46
6. Závěr Nově vznikající motory jsou vyvíjeny s ohledem na snižování ekologické zátěže a podle pravidel downsizingu také pro snižování nákladů spojených s jejich provozem. Pro tyto nové trendy spojené s výrazným snižováním hmotnosti jednotlivých dílů jsou používány kvalitnější materiály, které jsou schopny odolat zátěžím na ně působících. S tím souvisí stále se zvyšující nároky na pevnost celého klikového mechanismu, který patří k nejvíce namáhaným funkčním uzlům spalovacího motoru. Souběžně se vznikem nových konstrukčních řešení motorů jsou vyvíjeny stále kvalitnější motorové oleje, které zvyšují odolnost jednotlivých konstrukčních skupin. Jejich správné použití je potom nezbytnou podmínkou pro optimální provoz motoru. Soudobé automobily jsou vybavovány také dalšími funkčními díly, které slouží ke snižování přenosu vibrací z motoru dále do celého automobilu. Jejich nesprávná funkce vede ke vzniku dalších nevyhnutelných defektů na klikovém mechanismu. Při provozu motorového vozidla je třeba dodržovat zásady pravidelného servisu, alespoň mírného ohřátí motoru především v zimním období a nepodceňování jednotlivých projevů poruchy, jako například prosvěcující kontrolka mazání motoru při volnoběžných otáčkách, neboť následné opravy jsou u moderních motorů mnohdy spojeny s výměnou celých montážních celků. Proto je třeba se již při výběru automobilu volit vhodný motor nejen podle výkonu a točivého momentu, ale zároveň aby velikosti a celkové hmotnosti vozu odpovídal motor i svým obsahem. Tato správná kombinace se nakonec vyplatí v následném podstatně méně poruchovém provozu alespoň s ohledem na závady vzniklé únavou a přetížením jednotlivých součástí.
47
7. Seznam literatury
ABEL, Bernd. Nejúspornější motory Škoda. Živě [online]. 2013, duben [cit. 21. dubna 2013]. Dostupné na WWW: https://media.skoda - auto. com/cs/ _layouts/ Skoda.PRPortal/search.aspx?q=motor&scope=APV FERENC, Bohumil. Spalovací motory: karburátory, vstřikování paliva a optimalizace parametrů motoru. Vyd. 3. Brno: Computer Press, 2009, 388 s. Automoto-profi (Computer Press). ISBN 978-80-251-2545-8 HROMÁDKO, Jan. Spalovací motory: komplexní přehled problematiky pro všechny typy technických automobilních škol. 1. vyd. Praha: Grada, 2011, 296 s. ISBN 978-80-247-3475-0 KANDER Ladislav. Protokol o zkoušení č. 07/12/51/189 MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., Ostrava: Ing. Ladislav Kander, Ph.D. MATĚJOVSKÝ, Vladimír, Karel NOVÁK a Karel Jiří NĚMEC. Spalovací motory III: Určeno pro stud. fak. strojní. 2. vyd. Praha: ČVUT, 1990, 159 s. ISBN 80010-0250-0 MATĚJOVSKÝ, Vladimír, Karel NOVÁK a Karel Jiří NĚMEC. Spalovací motory III. Vyd. 3., přeprac. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1994, 165 s. ISBN 80-0101116-X PTÁČEK, Luděk. Nauka o materiálu. 2. opr. a rozš. vyd. Brno: CERM, 2002, 392 s. ISBN 80-7204-248-32 PŘEČKOVÁ. Pavlína. Protokol o provedení akreditované zkoušky č. 34/2012 MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., Ostrava: Pavlína Přečková, Ing. Šárka Štefanišinová SAJDL, Jan. Variabilní časování ventilů. Živě [online]. 2013, duben [cit. 23. dubna 2013]. Dostupné na WWW: http://cs.autolexicon.net/articles/variabilni-casovaniventilu/ SAJDL, Jan. Dvouhmotový setrvačník. Živě [online]. 2013, duben [cit. 26. dubna 2013]. Dostupné na WWW: http://cs.autolexicon.net/articles/dvouhmotovy-setrvacnik/ VLK, František. Vozidlové spalovací motory. 1. vyd. Brno: František Vlk, 2003, 580 s. ISBN 80-238-8756-4 VLK, František. Dynamika motorových vozidel /. vyd. 2. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2006, 432 s. ISBN 80-239-0024-2 48
ZELENÝ, Jiří. Stavba strojů - strojní součásti: učebnice pro střední průmyslové školy. Vyd. 2. Praha: Computer Press, 2003, 157 s. Edice strojaře. ISBN 80-722-6311-0
8. Seznam obrázků Obr. 3.1.2.1. Integrovaný vstřikovač pro systém UIS Obr. 3.1.2.2. Hlavní systém Common Rail Obr. 3.1.2.3. Nová generace vstřikovačů Obr. 3.1.3.1. Mísení paliva podle zatížení motoru Obr. 3.1.3.2. Přívod vzduchu a jeho rozvrstvení ve válci pomocí klapky umístěné v sání Obr. 3.1.3.3. Přívod vzduchu do válce a rozvrstvení do širokého kužele Obr. 3.1.4.1. Systém pootáčení vačky na rozvodovém kole použitý u motorů Renault Obr. 3.1.4.2. Rozvodové kolo pro proměnné časování Obr. 3.1.5.1. Regulace tlaku pomocí přepouštěcího ventilu Obr. 3.1.5.2. Regulace tlaku pomocí změny toku výfukových plynů Obr. 3.2.1. Graf otáčkové charakteristiky motoru 1,4 TSI, 92 KW Obr. 3.2.2. Graf otáčkové charakteristiky motoru 1,6 TDI, 72 KW Obr. 5.4.1.1. Přenos kmitání vyvolané motorem přes klasický a dvouhmotý setrvačník
49
