UČEBNÍ TEXTY VYSOKÝCH ŠKOL
___________________________________________________________________________ Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství
Ing. Jaroslav Rauscher, CSc.
VOZIDLOVÉ MOTORY STUDIJNÍ OPORY
___________________________________________________________________________ 1
Úvod Předkládaná opora studia předmětu „ Konstrukce vozidlových motorů “ obsahuje faktografický materiál shrnující vývoj a nejnovější poznatky ze současné konstrukce vozidlových motorů. Návrhové a výpočtové metody, používané při prvotním návrhu vozidlových motorů, které bývají vždy součástí vysokoškolských učebnic a skript zaměřených na konstrukci pístových spalovacích motorů, jsou zahrnuty do přednášek předmětu „ Ročníkový projekt “.
2
OBSAH 1.
HISTORICKÝ VÝVOJ KONSTRUKCE VOZIDLOVÝCH MOTORŮ .......................... 6 1.1 Parní stroj ......................................................................................................................... 6 1.2 Spalovací motory s vnitřním spalováním........................................................................ 9 1.2.1 Zážehové motory....................................................................................................... 9 1.2.1.1 Přeplňování zážehových motorů ..................................................................... 12 1.2.1.2 Vstřikování benzínu ........................................................................................ 13 1.2.1.3 Wankelův motor.............................................................................................. 14 1.2.2 Vznětový motor....................................................................................................... 16 1.2.3 Spalovací turbína.................................................................................................... 17 1.3 Spalovací motory s vnějším spalováním...................................................................... 18 1.3.1 Stirlingův motor ..................................................................................................... 18 2. ZÁKLADNÍ KONCEPCE PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ ........................ 19 2.1 Motory malých motocyklů, mopedů ............................................................................ 19 2.2 Motory cestovních a sportovních motocyklů ............................................................... 21 2.3 Motory osobních automobilů ....................................................................................... 25 2.4 Motory nákladních automobilů, autobusů a zemědělských traktorů............................. 28 2.4.1 Motory nákladních automobilů ............................................................................ 28 2.4.2 Motory zemědělských traktorů............................................................................. 28 2.5 Velké motory stacionární ,lodní, lokomotivní , pro stavební stroje a vojenská obrněná vozidla ..................................................................................................................................32 3.1 PÍST.............................................................................................................................. 34 3.1.1 Tepelné zatížení pístu........................................................................................... 34 3.1.2. Konstrukční provedení pístů .................................................................................. 35 3.1.2.1 Píst rychloběžného dvoudobého motoru ......................................................... 36 3.1.2.2 Píst čtyřdobého zážehového motoru ............................................................... 36 3.1.2.3 Píst čtyřdobého vznětového motoru................................................................ 38 3.1.2.4 Povrchová úprava pístů ................................................................................... 40 3.1.3 Chlazení pístu.......................................................................................................... 42 3.2 Pístní kroužky............................................................................................................... 43 3.2.1 Konstrukční provedení pístních kroužků ................................................................ 44 3.2.1.1 Těsnící pístní kroužky ...................................................................................... 44 3.2.1.2 Stírací pístní kroužky ....................................................................................... 45 3.2.1.3 Osazování pístů pístními kroužky .................................................................... 46 3.2.1.4 Materiál a povrchová úprava pístních kroužků ................................................ 47 3.3 Pístní čep ...................................................................................................................... 47 3.3.1 Axiální pojištění polohy pístního čepu.................................................................... 48 4. OJNICE A KLIKOVÝ HŘÍDEL ......................................................................................... 49 4.1 Ojnice dvoudobého motoru............................................................................................ 49 4.2 Ojnice čtyřdobého motoru.............................................................................................. 50 4.3 Ojniční šrouby ................................................................................................................ 54 4.4. Klikový hřídel ............................................................................................................... 55 4.4.1 Klikový hřídel dvoudobého motoru ........................................................................ 55 4.4.2 Klikový hřídel čtyřdobého motoru.......................................................................... 56 4.4.2.1 Výroba a materiál klikových hřídelí................................................................ 59 4.4.2.1.1 Dělené klikové hřídele ............................................................................ 59 4.4.2.1.2 Kované klikové hřídele ............................................................................ 60 4.4.2.1.3 Lité klikové hřídele .................................................................................. 61 4.4.3 Tlumič torzních kmitů............................................................................................. 61 3
4.4.4 Setrvačník............................................................................................................... 62 LOŽISKA A TĚSNĚNÍ KLIKOVÉ HŘÍDELE ............................................................... 63 5.1 Ložiska spalovacího motoru......................................................................................... 63 5.1.1 Valivá ložiska....................................................................................................... 63 5.1.1.1 Ojniční ložisko dvoudobého motoru ................................................................ 63 5.1.1.2 Ložisko pístního čepu dvoudobého motoru ..................................................... 64 5.1.1.3 Axiální uložení ojnice dvoudobého motoru ..................................................... 65 5.1.2 Kluzná ložiska ........................................................................................................ 65 5.1.2.1 Konstrukce kluzných ložisek. .......................................................................... 67 5.1.2.2 Materiál a provedení tenkostěnných ocelových pánví ..................................... 68 5.1.2.3 Ložiska pístního čepu....................................................................................... 68 5.2 Těsnění klikového hřídele .............................................................................................. 69 6. KLIKOVÁ SKŘÍŇ A BLOK VÁLCŮ MOTORU............................................................. 71 6.1 Kliková skříň dvoudobých rychloběžných motorů. ....................................................... 71 6.2 Kliková skříň a blok motoru u motorů osobních a nákladních automobilů ................... 72 7. VÁLEC A HLAVA VÁLCE MOTORU ........................................................................... 80 7.1 Válec dvoudobého rychloběžného motoru..................................................................... 80 7.2 Válec čtyřdobého motoru ............................................................................................... 81 7.2.1 Válec vzduchem chlazeného čtyřdobého motoru.................................................... 81 7.2.2 Válec kapalinou chlazeného čtyřdobého motoru .................................................... 82 7.3 Opotřebení válce motoru............................................................................................... 84 7.4 Hlava válce..................................................................................................................... 85 7.4.1 Hlava válce dvoudobého rychloběžného motoru .................................................... 85 7.4.2 Hlava válců čtyřdobého zážehového motoru .......................................................... 86 7.4.2.1 Hlava válců kapalinou chlazených čtyřdobých zážehových motorů ............... 86 7.4.2.1.1 Spalovací prostory čtyřdobých zážehových motorů ................................. 87 7.4.2.1.2 Sací a výfukový kanál ............................................................................... 88 7.4.2.1.3 Sedlo ventilu.............................................................................................. 89 7.4.2.1.4 Vodítko ventilu.......................................................................................... 90 7.4.3 Hlava válců čtyřdobého vznětového motoru........................................................... 90 7.4.3.1 Hlava válců čtyřdobých vznětových motorů s přímým vstřikem paliva.......... 90 7.4.3.2 Hlava válců čtyřdobých vznětových motorů s nepřímým vstřikem paliva...... 91 7.4.4 Těsnění hlavy válců................................................................................................. 92 8. KONSTRUKCE ROZVODŮ PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ..................... 95 8.1 Rozvod dvoudobých rychloběžných motorů.................................................................. 95 8.1.1 Rozvod sání dvoudobého rychloběžného motoru ................................................... 95 8.1.1.1 Rozvod pístem.................................................................................................. 95 8.1.1.2 Rozvod válcovým šoupátkem .......................................................................... 95 8.1.1.3 Rozvod kotoučovým šoupátkem ...................................................................... 96 8.1.1.4 Rozvod jazýčkovým ventilem.......................................................................... 96 8.1.2 Rozvod výfuku a přepouštění dvoudobého rychloběžného motoru........................ 97 8.2 Rozvod čtyřdobých motorů.......................................................................................... 97 8.2.1 Ventilový rozvod s mechanickým ovládáním......................................................... 98 8.2.2 Hlavní díly ventilových rozvodů............................................................................. 98 8.2.2.1 Ventil................................................................................................................ 98 8.2.2.2 Ventilové pružiny............................................................................................. 99 8.2.2.3 Vahadla rozvodového ústrojí ........................................................................... 99 8.2.2.4 Zvedací tyčky rozvodového ústrojí OHV ..................................................... 100 8.2.2.5 Zdvihátka rozvodového ústrojí....................................................................... 100 8.2.2.6 Vačkový hřídel rozvodového ústrojí .............................................................. 102
5.
4
8.2.2.7 Ústrojí pohnu vačkové hřídele ....................................................................... 103 8.2.3 Ventilový rozvod s ovládáním hydraulickým a elektromagnetickým .................. 104 8.2.4 Variabilní řízení rozvodového mechanizmu ......................................................... 105 8.2.4.1 Fázový posun otvírání sacích případně výfukových ventilů.......................... 105 8.2.4.2 Skoková změna zdvihu ventilů ...................................................................... 106 8.2.4.3 Skoková změna zdvihu ventilů a změna fázového posunu ............................ 106 8.2.4.4 Plynulá změna zdvihu ventilů a změna fázového posuvu.............................. 107 8.2.4.5 Odpojování válců motoru............................................................................... 108 8.2.5 Šoupátkový rozvod................................................................................................ 109 9. SACÍ A VÝFUKOVÝ SYSTÉM SPALOVACÍCH MOTORŮ ....................................... 110 9.1 Sací a výfukový systém dvoudobého motoru .............................................................. 110 9.1.1 Sací systém dvoudobého motoru........................................................................... 110 9.1.2 Výfukový systém dvoudobého motoru ................................................................. 112 9.2. Sací a výfukový systém čtyřdobého motoru .............................................................. 113 9.2.1 Sací systém čtyřdobého motoru ............................................................................ 113 9.2.1.1 Rezonanční sací potrubí ................................................................................. 115 9.2.2 Výfukový systém čtyřdobého motoru ................................................................... 118 9.2.2.1 Potrubí pro recirkulaci výfukových plynů do sání motoru ............................ 120 9.2.2.2 Motorová brzda .............................................................................................. 121 10. CHLAZENÍ PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ ............................................... 123 10.1 Přímé chlazení ............................................................................................................ 123 10.2 Nepřímé chlazení........................................................................................................ 126 10.2.1 Prvky kapalinového chlazení .............................................................................. 129 10.2.1.1 Čerpadlo chladící kapaliny........................................................................... 130 10.2.1.2 Ventilátor...................................................................................................... 132 10.2.1.3 Chladič ......................................................................................................... 134 10.2.1.4 Termostat...................................................................................................... 136 11. MAZÁNÍ PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ ................................................... 138 11.1 Mazání ztrátové .......................................................................................................... 138 11.2 Mazání cirkulační....................................................................................................... 139 11.3 Prvky mazacího systému............................................................................................ 143 11.3.1 Olejové čerpadlo ................................................................................................. 143 11.3.2 Olejový filtr ......................................................................................................... 145 11.3.3 Chladič oleje........................................................................................................ 150 11.3.4 Kontrola funkce mazacího systému .................................................................... 150 11.3.5 Odvětrávání klikové skříně motoru..................................................................... 151 Literatura. ............................................................................................................................... 153
5
1. HISTORICKÝ VÝVOJ KONSTRUKCE VOZIDLOVÝCH MOTORŮ Pokrok ve vývoji lidských společenství je vázán na rozvoj energetických zdrojů. Pokud byla k dispozici pouze lidská síla bylo pro vytvoření unikátních monumentů historie nutno shromáždit velký počet jedinců, protože dlouhodobý výkon člověka nedosahuje ani 0.06 kW. Taktéž dlouhodobý výkon koně není větší než 0.5 kW. Zlepšení přineslo využití energie větru, ale průměrný výkon běžného větrného mlýnu byl kolem 2.5 kW. Větší výkon dosahovali vodní kola. Ale i největší soustava vodních kol postavená v letech 1672 -1682 v Marly na Seině k čerpání vody pro vodotrysky zahrad ve Versailles měla výkon pouhých 88 kW. Přičemž se jednalo o čtrnáct kol o průměru 8 m, pohánějících 225 čerpadel , které dodávaly 200 m3 vody za hodinu do nádrže vzdálené 5 km a s převýšením 160 m. Teprve vynález a rozšíření spalovacího motoru zabezpečil lidstvu dostatečný energetický potenciál umožňující rychlý pokrok ve všech oblastech lidské činnosti. Co je spalovací motor ? Je to tepelný stroj, který spalováním paliva získává tepelnou energii a využitím vhodného plynného média ji převádí na mechanickou práci. U leteckých proudových motorů a motorů raketových vytváří plyny přímo tažnou sílu motoru. U ostatních spalovacích motorů je energie plynného média využívána, buď jako potenciální energie (tlak) u pístových spalovacích motorů, nebo energie kinetická (rychlost proudu) u spalovacích turbin. Podle média použitého k přenosu tepelné energie dělíme tepelné motory na : a) motory s vnějším spalováním - médiem pro přenos energie je např. vodní pára, vzduch a některé plyny, b) motory s vnitřním spalováním , spalovací motory - pracovní látkou v těchto motorech jsou přímo produkty spalování. K tepelným motorům s vnějším spalováním patří např. pístový parní stroj, Stirlingův motor, využívající potenciální energii pracovního media, nebo parní turbina využívající kinetickou energii vodní páry. Pístový spalovací motor a spalovací turbína , kde energie je přenášena přímo produkty hoření paliva, spalinami, patří k motorům s vnitřním spalováním.
1.1 PARNÍ STROJ Vznik prakticky využitelného parního stroje a jeho rozšíření bylo vázáno na specifické podmínky těžby uhlí v Anglii. Nízká úroveň spodní vody vedla k nutnosti odčerpávat vodu z dolu již v poměrně malých hloubkách. První čerpadla, využívající podtlaku vyvolaného ve válci čerpadla kondenzací páry, zkonstruoval Thomas Savery1 v roce 1698 . Tyto , tzv. "ohňové stroje" na čerpání vody měly poměrně malý čerpací výkon a byly po roce 1712 nahrazovány atmosférickými stroji Newcomenovými, viz obr.1.1. Newcomen2 využil diferenčního tlaku působícího na píst k získání síly působící na vahadlo čerpadla. Na obr.1.1 a) je pára z parního kotle pouštěna otevřeným kohoutem pod píst. Čerpadlo koná nepracovní zdvih. Po dosažení horní úvrati je kohout uzavřen obr.1.1 b). Do válce je otevřením druhého kohoutu vstřiknuta studená voda, která způsobí kondenzaci páry ve válci, v důsledku čehož vznikne ve válci podtlak. Atmosférický tlak vzduchu působící na druhou stranu pístu tlačí píst dolů a čerpadlo na druhém konci vahadla koná pracovní zdvih. Tyto stroje dokázaly vykonat až 12 zdvihů za minutu. Vyráběly se poměrně dlouho. Ještě v roce 1775 postavil John Smeaton atmosférický stroj o průměru pístu 1.8 m, 1 2
Thomas Savery (1650 - 1715) Thoma Newcomen (1663 -1729)
6
výšce válce 3.2 m a výšce strojovny z žulových kvádrů 18 m. Výkon tohoto stroje byl asi 50 kW. Nedostatkem těchto strojů byl postupný pokles výkonu v důsledku zvyšování teploty stěn válce, což vedlo ke snížení velikosti podtlaku získávaného kondenzací páry. S tímto nedostatkem se seznámil při své práci strojníka i James Watt3. V roce 1769 získává patent na parní stroj s kondenzátorem odděleným od válce motoru a pomocnou vakuovou pumpou., viz schéma na obr. 1.2. Jednočinný parní stroj pracoval s nízkým tlakem páry , přibližně 25 kPa. Sériová výroba těchto parních strojů byla zahájena až v roce 1782. Tyto stroje, v porovnání se stroji Newcomenovými, se vyznačovaly až o polovinu nižší spotřebou uhlí . V dalších letech Watt pokračoval ve Obr. 1.1 Newcomenův zdokonalování svého parního stroje, zavádí chlazení válce atmosférický stroj a patentuje stroj dvojčinný, v němž je pára přiváděna střídavě na obě strany pístu. Na práce uskutečněné Wattem navazuje Richard Trevithick4 . Postavil první vysokotlaký parní stroj v němž pára pod tlakem až 0.5 MPa konala práci. Tento parní stroj zastavěl do vozidla, které poprvé vyjelo na štědrý večer roku 1801. Staví také první parní lokomotivy pro anglické železárny, viz obr. 1.3. Priorita v použití Obr. 1.2 SchemaWattova pístového parního stroje parního stroje pro pohon vozidla však přísluší francouzskému inženýru Nikolasi Josephu Cugnotovi5, který Obr. 1.3 Trewithickova lokomotiva kolem roku 1769 postavil tříkolové vozidlo poháněné svislým dvouválcovým motorem. Převod posuvného pohybu pístu na přední poháněné a řiditelné kolo byl řešen pomocí rohatkového mechanizmu. Maximální rychlost vozidla byla 4 km/h a na jedno naplnění kotle vodou pracoval parní stroj 15 minut. Toto vozidlo je dodnes vystaveno v budově pařížského Muzea umění a řemesel. Kopie ve skutečné velikosti se nachází v depozitáři pražského Národního technického muzea v Čelákovicích. I když Cugnotovy práce spadají do období, kdy James Watt v roce 1769 dostal patent na parní stroj , není možno předpokládat, že by se tito vynálezci znali. Označení vynálezce parního stroje právem patří Watovi, nejen pro patent, Obr. 1.4 Cugnotův parní dělostřelecký tahač 3
James Watt (1736 - 1819) Richard Trewithick (1771 - 1833) 5 Nikolas Joseph Cugnot (1725 - 1804) 4
7
který získal, ale obzvláště pro jeho zásluhy o rozšíření používání parního stroje a jeho další zdokonalování. Setkání s parními stroji inspirovalo i další vynálezce a tak se vozidla s parním pohonem objevila i v jiných zemích : 1803 - Henschel ( Německo), 1804 - Evans (Amerika), 1815 - Josef Božek (Rakousko Uhersko). První parní vozy určené pro dopravu osob a nákladů začal stavět v roce 1820 anglický konstruktér Robert Goldsworthy Gurney6. Parovozy tohoto konstruktéra jsou použity i na první veřejné dopravní lince z Londýna do Stratfordu otevřené v roce 1834. V roce 1815 začíná George Stephenson7 konat pokusné jízdy s první lokomotivou a v roce 1830 otevřel pravidelný provoz na trati Liverpool Manchester. Jeho parní lokomotiva Rocket dosáhla rychlosti 46 km.h-1. Železniční doprava v Anglii se rozšířila natolik, že po zavedení tzv. praporového Obr. 1.5 Škoda - Sentinel s parním motorem zákonu (Locomotive Act)8 v roce 1861 prakticky konkurenci silniční dopravy parními vozy zlikvidovala, lit.[3], [4], [6], [7]. V pozdějších letech se vozy s parními motory objevují v nákladní dopravě. Naše Škodovka vyráběla před druhou světovou válkou licenční parní vůz značky Sentinel, který v komunální dopravě hl. města Prahy sloužil ještě v padesátých letech, viz obr. 1.5, lit. [7], [8]. Bez zajímavosti není i skutečnost, že hranici 200 km/h překonal v roce 1906 jako první parní vůz vyrobený ve Spojených státech bratry Stanleyovými, lit [7]. V sedmdesátých letech tohoto století, v době doznívající ropné krize a v období nárůstu boje proti znečišťování ovzduší, se Obr. 1.6 Současný parní stroj pro pohon osobního znovu objevují konstrukce automobilu moderních parních motorů pro osobní automobily. V Americe to byla např. firma Lear Motor Corporation, v Evropě švédská automobilka Sab-Scania. Ani podstatné zvýšení pracovního tlaku páry však nezvýšilo výrazně celkovou účinnost parního stroje tak, aby mohl konkurovat moderním spalovacím motorům. V současné době se vývojem parního stroje pro pohon osobního automobilu zabývá Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr GmbH v Německu. . Cílem je motor s nulovými emisemi. Rozměrově i 6
Robert Goldsworthy Gurney (1793 - 1875) George Stephenson (1781 - 1848) 8 Zákon ukládal, že před každým vozidlem na silnici musí utíkat muž s červeným praporkem, aby varoval chodce a protijedoucí povozy. 7
8
výkonovými a ekonomickými parametry se vznětovému přeplňovanému motoru blíží parní motor pracující se vstřikem páry o teplotě 900 °C a tlaku 50 MPa. ,viz obr. 1.6.
1.2 SPALOVACÍ MOTORY S VNITŘNÍM SPALOVÁNÍM Parní stroj představoval technickou revoluci, která měnila celý tehdejší svět. Jeho použití však bylo vzhledem k velkým rozměrům a nákladům na jeho postavení a provoz omezeno na velké podniky. Menší manufaktury i řemeslníci potřebovali také zdroj mechanické energie pro pohon svých strojů. Již od počátku devatenáctého století existovalo palivo dostupné v dostatečném množství i v malých dílnách velkých měst a vhodné pro pohon spalovacího motoru - svítiplyn. 1.2.1 ZÁŽEHOVÉ MOTORY Francouzský vynálezce Philippe Lebon9, experimentující s plynem získávaným kokováním dříví, si v roce 1786 zažádal o patent na motor poháněný svítiplynem. Není však známo, že by takovýto motor sestrojil. První patent na vozidlo poháněné plynovým spalovacím motorem získává v roce 1807 Issac de Rivaz, obr. 1.7. Tento bývalý dělostřelecký důstojník staví vozítko poháněné výbušnou směsí vodíku se vzduchem, zapalovanou pod pístem v upravené dělové Obr. 1.7 Vozidlo hlavni elektrickou jiskrou (princip tzv. Voltovy pistole). Po výbuchu Issaca de Rivaze je píst vržen velkou silou nahoru a přes ozubenou tyč zabírající do pastorku a lanový převod roztáčí kola vozíku. Funkčnost patentované konstrukce prokázal na malém modelu. Po udělení patentu však v dalším vývoji nepokračoval a tak se jeho práce stala pouze historickou epizodou. Za tvůrce prvního použitelného plynového motoru je označován belgický vynálezce žijící v Paříži J.J.Etienne Lenoir10, obr 1.8. V roce 1860 staví dvojčinný dvoudobý motor s Obr. 1.8 Lenoirův dvojčinný dvoudobý plynový motor. šoupátkovým rozvodem a se zapalováním svítiplynu pomocí elektrické jiskry. Používání jeho motorů se značně rozšířilo. Vyrobeno bylo přibližně 3000 kusů o výkonu od jednoho do devíti koňských sil . Sám autor v letech 1860 až 1863 staví vozidlo poháněné svým plynovým motorem. U tohoto motoru nahradil svítiplyn parami získávanými odpařováním benzínu a tím jako první zavedl používání kapalného paliva pro pohon vozidlového motoru. V září 1863 uskutečnil s tímto vozidlem cestu z Paříže do Joinville-le-Pont a zpět. S plynovými motory začíná také německý vynálezce N.A.Otto11. V roce 1867 staví společně s E.Langenem atmosférický plynový motor. I přes značnou hlučnost tohoto motoru se vzhledem k nízké spotřebě plynu osvědčil a začal se v roce 1872 sériově vyrábět. Výkon těchto motorů byl od 1/4 do 3 koňských sil při šedesáti otáčkách za minutu. Zapalování bylo řešeno pomocí plynového plamínku odkrývaného ve vhodný okamžik šoupátkem. Další zvyšování výkonu u těchto 9
Philippe Lebon (1769 - 1804) Jean Joseph Etienne Lenoir (1822 - 1900) 11 Nikolas August Otto (1832 - 1891) 10
9
atmosférických motorů nebylo možné. Protože však zákazníci požadovali vyšší výkon motorů pokusil se Otto o dosažení vyššího výkonu u dvoudobého plynového motoru Leniorova.. Výsledkem byl čtyřdobý plynový motor s předběžným stlačením směsi ve válci, obr. 1.9. Na tento motor dostává Otto v roce 1877 patent č. 532. Tento rok je také uznán jako rok vzniku moderního čtyřdobého spalovacího motoru. Za vynálezce moderního dvoudobého motoru je obecně označován skotský inženýr Duglas Clerk. V roce 1878 postavil dvouválcový motor jehož jeden válec sloužil ke stlačování směsi vzduchu a plynu, a druhý válec , do nějž byla stlačená směs přepouštěna byl pracovní. Na dvoudobý plynový spalovací motor dostává v roce 1879 německý patent K. Benz12. Benz se však proslavil až svými automobily se spalovacími motory vlastní konstrukce. První tříkolové vozidlo , obr. 1.10, vyjelo z Benzovy dílny na jaře roku 1885 a patent obdržel v lednu 1886. Vozidlo Obr. 1.9 Vývoj Ottova bylo poháněno čtyřdobým motorem o výkonu 0.5 kW čtyřdobého motoru při 450 otáčkách za minutu. Tento motor měl již zapalování elektrickou jiskrou. I když v patentním spise je uveden „ vůz na pohon plynem “, byl pohonnou látkou ligroin, což je velmi starý název pro lehký benzin, v té době odpad při výrobě petroleje. Benzinové páry se získávaly zahříváním nádržky s benzínem výfukovými plyny a směšovány se vzduchem byly tak, že vzduch nasávaný do válce motoru byl přes nádržku s benzínem prosáván. Chlazení válce motoru bylo zabezpečeno odpařováním vody. Od roku 1888 jsou tyto automobily vyráběny sériově. V roce 1899 vyjíždělo z Benzova závodu v Mannheimu téměř 600 automobilů ročně. Nevýhodou Benzových motorů byl malý výkon a vysoká hmotnost. Další z německých vynálezců Gottlieb Daimler13, technický ředitel továrny na plynové motory v Deutzu, se snažil o zvýšení výkonu motorů zvýšením otáček motoru. Poznal, že základním omezením je
Obr. 1.10 První automobil sestrojený K. Benzem
Obr. 1.11 Zapalování žárovou trubkou
nízkonapěťové elektrické zapalování, u kterého jiskry přeskakují na elektrodách svíčky nepravidelně a není možno jejich intenzitu dostatečně zvýšit. Řešení nalezl v zapalování pomocí žhavící trubičky. Žhavící trubička procházející stěnou hlavy válce byla zahřívána zvenku malým plamínkem. V průběhu komprese je čerstvá směs zatlačena do trubičky a tam se od žhavé stěny vznítí. Schéma provedení takovéhoto motoru z roku 1883 je uvedeno na obr. 1.11. Spolehlivost tohoto zapalování vedla ke zvýšení otáček motoru na 900 za minutu. To umožnilo stavbu lehkého a na svou dobu i rychloběžného motoru, obr. 1.12. 12 13
Karl Benz (1844 - 1929) Gottlieb Daimler(1834 - 1900)
10
Výkonová hmotnost motoru poklesla z 220 kg. kW-1 Ottova motoru na 45 kg.kW-1 . Malých rozměrů jednoválcového motoru využil v roce 1885 Daimler k zástavbě motoru do dřevěného rámu prvního motocyklu, obr. 1.13. V roce 1886 pak Deimler postavil motorový kočár jehož motor byl chlazen ventilátorem . Přípravu směsi zajišťoval odpařovací
Obr. 1.12 Deimlerův dvouválcový motor z roku 1888 Obr.1.13 Deimlerův motocykl karburátor. Dalšího zvýšení otáček zážehových motorů bylo dosaženo v roce 1894 pomocí bateriového odtrhovacího zapalování jehož vynálezcem je francouzský hrabě de Dion. Jeho pokusný jednoválcový motorek dosahoval 3000 otáček za minutu. Dalším mezníkem ve vývoji pístového spalovacího motoru je rok 1893. Wilhelm Maybach konstruuje první karburátor využívající na tvorbu směsi paliva se vzduchem podtlaku, vytvořeného v zúženém místě sacího potrubí, a odsávajícího kapalné palivo z odměřovací trysky. Jedná se tedy o princip na němž je založena funkce novodobých karburátorů. Do té doby byly používány převážně karburátory odpařovací. Bouřlivý rozvoj motorismu a zvláště pak aviatiky způsobil , že prakticky do roku 1910 byly, z hlediska uspořádání válců, zkonstruovány všechny základní typy motorů, viz obr. 1.14. Motor s válci v jedné řadě chlazený kapalinou 4, dvouřadový motor s válci do " V " chlazený kapalinou 5, dvouřadový motor s úhlem mezi válci 180° , tzv. " boxer ", chlazený kapalinou 1, motor s třemi řadami válců uspořádanými do " W " , chlazený vzduchem 2 14 a rotační hvězdicový motor 3. Poslední motor 3, (vyráběný firmou Gnôme), je zajímavý tím, že klikový hřídel motoru je napevno spojen s Obr. 1.14 Letecké motory používané v trupem letadla a otáčí se válce s připojenou vrtulí. roce 1910 : 1 - Darracq , 2 - Anzani , 3 Důvodem byla snaha o zamezení přehřívání Gnóme ,4 - Panhard & Levassor , 5 E.N.V. motoru při startu a popojíždění na zemi.
14
S tímto motorem přeletěl Louis Blériot , jako první , 25.7.1909 Lamanšský průliv
11
První nákladní automobil, (nosnost 5t), se zážehovým motorem o výkonu 10 koňských sil vyrobila automobilka Daimler-Benz pro firmu British Motor Syndicate v roce 1896. V té době již jezdilo po evropských silnicích množství parních nákladních automobilů, které se udržely v běžném provozu až do roku 1940. 1.2.1.1 Přeplňování zážehových motorů Již v počátcích vývoje spalovacích motorů zjistili konstruktéři, že zvýšení výkonu hotového motoru je možné pouze současným zvýšením dodávky paliva a vzduchu do válce motoru. Patent na mechanicky poháněné odstředivé dmychadlo, pro zvýšení množství vzduchu dopravovaného do válce motoru, získal v roce 1902 Louis Renault. Američan Chadwick použil v roce 1907 poprvé rotační lopatkové dmychadlo pro přeplňování motoru závodního automobilu a roce 1908 pak, jako první, použil turbínou poháněné dmychadlo.Na evropském kontinentě poprvé vyhrál v roce 1921 závod Sailer Copa Florio vůz s Obr. 1.15 Motor přeplňovaný dmychadlem Roots přeplňovaným motorem. Byl to Deimler - Benz s typovým označením 28/95 PS. Tentýž motor byl montován do sériově vyráběných sportovních vozů, viz obr. 1.15. První automobil s přeplňovaným motorem startující na Grand Prix postavil pro rok 1923 Fiat. Byl to dvoulitrový osmiválcový motor přeplňovaný rotačním lopatkovým dmychadlem, které však již v tomtéž roce bylo nahrazeno dmychadlem Roots. Tato dmychadla se pak používala až do začátku druhé světové války. I když pro svůj pohon spotřebovávala až 20% jmenovitého výkonu motoru byl výsledný výkon motorů velmi vysoký. Např. nejvýkonnější Mercedes typ M 125 měl v roce 1937 výkon 475 kW. Jednalo se o řadový osmiválcový motor o objemu 5663 cm3 s čtyřventilovou hlavou, rozvodem DOHC , přeplňovaný dvěmi sériově zařazenými Rootsovými dmychadly. Takovéto výkony byly při dané úrovni stavby podvozků nezvládnutelné a docházelo často k haváriím, které postihovaly i diváky. Proto byly od roku 1938 stanoveny mezní objemy pro motory přeplňované a motory nepřeplňované, viz tab.1. Tab.1 Mezní hodnoty zdvihového objemu přeplňovaných a nepřeplňovaných motorů F1 platí přeplňované motory poměr nepřeplňované motory od roku VZ [cm3] VZ [cm3] 1938 1951 1954 1966 1987 1989
3000 1 : 1.5 4500 1500 1:3 4500 750 1: 3.3 2500 1500 1:2 3000 1500 1 : 2.3 3500 pouze nepřeplňované motory 3500 Přeplňování motorů pomocí turbodmychadla, tj. odstředivého dmychadla poháněného turbínou na výfukové plyny, navrhl v roce 1905 německý inženýr Alfred Büchi. Prakticky bylo použito, u velkého stacionárního motoru , až v roce 1925.Významného rozšíření dosáhlo použití turbodmychadel u leteckých pístových motorů druhé světové války. 12
Zážehový motor přeplňovaný turbodmychadly prokázal svoje výkonové možnosti na motorech závodních automobilů F1. V roce 1977 se objevil na závodní dráze v Silverstone automobil Renault - Elf RS 01 s přeplňovaným motorem o zdvihovém objemu 1.5 l a zahájil tak novou éru motorů formule 1. Pro přílišný nárůst výkonu těchto motorů ,motor Honda RA 166E dosahoval i při omezení plnícího tlaku na 400 kPa při otáčkách n = 11500 min-1 výkon 830 kW (1128 k), bylo od roku 1989 přeplňování motorů vozů F1 zakázáno. Tak jako u motorů závodních monopostů i u motocyklových závodních motorů objevuje přeplňování mechanickým dmychadlem. Firma DKW používá pístové dmychadlo od roku 1926. Na obr. 1.16 je ukázán motor závodního motocyklu Ure 250 z roku 1933. Jedná se jednoválcový, dvoupístový, dvoudobý U motor s pístovým kompresorem a řízením sání směsi paliva a oleje se Obr. 1.16 Motor URE 250 vzduchem jazýčkovým ventilem. V roce 1939 byl pístový kompresor nahrazen rotačním dmychadlem U současných zážehových motorů je přeplňování poměrně málo používáno. Přeplňované motory, a to jak s mechanicky poháněnými dmychadly tak i turbodmychadly, se v malých počtech objevují u vysoce výkonných sportovních automobilů. 1.2.1.2 Vstřikování benzínu První motory s přímým vstřikem benzínu do válce motoru, vyráběné sériově, byly německé letecké motory používané ve druhé světové válce. Jejich výhodou byl,v porovnání s karburátorovou verzí , výkon vyšší až o 20% a nezávislost funkce systému přípravy směsi paliva se vzduchem na směru působících setrvačných sil. Již v průběhu války byly v Německu zkoušeny automobilové motory s kontinuálním vstřikem benzínu do směšovací komory nahrazující karburátor. Na základě těchto zkušeností se v padesátých letech v Německu objevuje malý dvoudobý, dvouválcový motor s přímým vstřikem benzínu do válce motoru. Měl objem 700 cm3 a byl pohonnou jednotkou malého automobilu " Gogomobil ". Do téhož období spadá i výroba vysoce výkonného čtyřdobého motoru s přímým vstřikem benzínu do válce motoru pro sportovní automobil Mercedes 300 SL, viz obr.1.17. Zkušenosti s tímto sportovním vozem a jeho motorem, byly v roce 1954 využity ve stavbě závodního automobilu pro Formuli 1 . Jednalo se o Mercedes W 196. Konkurenční motory BMW využívaly v téže době nepřímé vstřikování benzínu do prostoru sacího ventilu. Toto řešení přinášelo výhodu v nižších vstřikovacích tlacích a v menším nebezpečí poškození vstřikovací trysky, která je u přímého Obr. 1.17 Motor automobilu vstřiku v kontaktu s horkými produkty hoření ve Mercedes 300 SL 13
válci motoru. Tento způsob tvorby směsi benzínu se vzduchem u motorů vozů F1 postupně nahradil karburátory. U motorů osobních automobilů se objevuje nepřímé vstřikování benzínu v souvislosti s nárůstem požadavků na snížení emisí . Požadovaný pokles obsahu škodlivých látek ve výfukových plynech, bylo schopno zajistit pouze elektronicky řízené vstřikování benzínu, ve spolupráci s katalyzačním tlumičem a λ-sondou. V první etapě bylo používáno tzv. "jednobodové vstřikování", při němž je palivo vstřikováno jedním vstřikovacím ventilem v místě, kde byl dříve umístěn karburátor. Dokonalejší řešení, představuje tzv. "vícebodový vstřik", při němž je palivo vstřikováno do prostoru sacího ventilu příslušného válce. Prakticky všechny nové automobilní motory využívají tento způsob tvorby směsi, který zabezpečuje plnění všech současných emisních limitů . Příprava směsi benzínu se vzduchem pomocí karburátoru je využívána pouze u některých Obr.1.18 Motor MITSUBISHI motocyklových motorů a motorů malé 4G93-DOHC-GDI mechanizace. V souvislostí s vývojem motorů zaměřeným na snížení spotřeby paliva se znovu objevuje přímý vstřik benzínu do válce motoru. První z nové generace těchto motorů byl v roce 1998 motor MITSUBISHI 4G93DOHC-GDI, viz obr. 1.18. Při nahrazení klasického motoru s vícebodovým vstřikem a rozvodem DOHC o stejném objemu ve vozidle CARISMA, došlo ke snížení spotřeby paliva o 20%, přičemž maximální výkon a točivý moment vzrostli o 10 %. V současné době vyrábí tento typ motorů většina výrobců. Potenciální úspora paliva při přechodu z nepřímého vstřiku na přímé vstřikování paliva Obr. 1.19 Potenciál přímého vstřiku do válce motoru je zřejmá z obr. 1.19. 1.2.1.3 Wankelův motor Velkou nevýhodou klasických pístových motorů je přímočarý pohyb pístu, který je pomocí klikového ústrojí převáděn na pohyb rotační. Při práci motoru vznikají setrvačné a odstředivé síly, které je nutno vyvážit. U většiny motorů je úplné vyvážení nemožné a tak se tyto síly a silové dvojice (momenty) projevují navenek ve formě vibrací a hluku. Snaha vynálezců odstranit tyto nepříjemné vlastnosti pístových motorů vedla ke konstrukci motorů s rotačním pohybem pístu. Od počátku vývoje zážehových motorů do dnešních dnů se objevuje velká řada patentů , viz lit. [9]. Z mnoha motorů se do sériové výroby dostal pouze Wankelův motor. V roce 1964 začíná vyrábět firma NSU automobil NSU-Spider s Wanklovým motorem označeným KKM-502. Princip práce Wankelova motoru, s uvedením analogických pracovních dějů u motorů s přímočarým pohybem pístu, je uveden na obr. 1.20. V ostatních dvou objemech probíhají 14
Obr. 1.20 Princip práce Wankelova motoru stejné , fázově posunuté procesy. Ukázka prvního sériově vyráběného motoru je uvedena na obr. 1.21.V současné době je ve světě sériově vyráběn pouze automobil MAZDA RX-Evolv s Wankelovým motorem o výkonu 206 kW. Důvodem poklesu zájmu automobilek o výrobu a použití tohoto motoru byly problémy s životností těsnících lišt, velkou měrnou efektivní spotřebou paliva, velkou spotřebou oleje i vyššími emisemi HC a CO v porovnání s klasickým pístovým motorem. Obr. 1.21 Řez motorem NSU 1 — skříň, 2 — píst, 3 — víko skříně, 4 — radiální těsnící lišta, 5 — těsnící kroužek, 6 — axiální těsnící lišty, 7 — spodní víko, a — sací kanál, b — výfukový kanál
15
1.2.2 VZNĚTOVÝ MOTOR Při pokusu o praktické uskutečnění ideálního oběhu Carnotova vytvořil Rudolf Diesel15 vznětový motor, který má ze všech doposud realizovaných tepelných motorů nejvyšší účinnost. Po rozsáhlých teoretických pracích, získává v roce 1892 na tento motor patent. Motor prokázal vysokou ekonomičnost, ale pro značné rozměry, hmotnost a složitost vysokotlakého kompresoru, který u prvních Dieselových motorů zabezpečoval dopravu paliva do válce v proudu stlačeného vzduchu, byly tyto motory používány, jako motory stabilní nebo motory lodní. Teprve náhrada kompresoru vstřikovacím čerpadlem umožnila zmenšení rozměrů a snížení celkové hmotnosti motoru tak, aby byl použitelný i ve vozidle. Roku 1910 vyřešil James Kechnie, ředitel anglické továrny Vickers, problém přímého vstřiku paliva do válce motoru. Vývoj a použití těchto motorů je popsán v tabulce.
Vývoj velkých vznětových motorů 1897 1898 1899 1899 1901 1903 1904 1906 1951
První chod Dieselova motoru s účinností ηe = 26,2 % ( Maschinenfabrik Augsburg). První použití dvouválcového vznětového motoru (2 x 30 k při n = 180 min-1) v továrně na zápalky v Kemptenu. První dvoudobý vznětový motor MAN . První křižákový vznětový motor , typ W ( Gasmotorenfabrik Deutz). První motor s vyplachovacím pístem MAN , typ DM 70. První zástavba dvoudobého vznětového motoru o výkonu 25 k na říční loď . První elektrárna se vznětovými motory MAN o výkonu 4 x 400 k (Kijev). První dvoudobý vznětový lodní motor o výkonu 100 k na válec (z/D = 250/155) První vysoce přeplňovaný vznětový motor (MAN 6KV30/45), ηe = 44,5 %
Vývoj rychloběžných vznětových motorů pro vozidla 1898 1910 1912 1913 1914 1924 1931 1936 1953 1978 1988 1989 1996 1997
15
První chod čtyřdobého, vznětového, dvouválcového motoru s protiběžnými písty o výkonu 5k u firmy MAN. Vysokotlaké vstřikování . První bezkompresorový vznětový motor Deutz vyráběný sériově. První lokomotiva se dvoudobým, čtyřtaktním vznětovým motorem Sulzer (1000k). První diesel elektrická lokomotiva. První motor pro nákladní automobil s přímým vstřikem paliva (MAN) , komůrkový (Deimler-Benz). První letecký vznětový motor (dvoudobý,šestiválcový s protiběžnými písty JUMO 204 firmy Junkers, výkon 530 kW, výkonová hmotnost 1,0 kg/k). První vznětový motor s předkomůrkou pro osobní automobil Deimler - Benz typ 260 D První vznětový motor s vírovou komůrkou pro osobní automobil Fiat. První komůrkový vznětový motor pro osobní automobil s turbodmychadlam (DeimlerBenz AG). První vznětový motor s přímým vstřikem paliva pro osobní automobil (Fiat). První vznětový motor s přímým vstřikem paliva a turbodmychadlem pro osobní automobil (Audi 100 DI). První vznětový motor s přímým vstřikem paliva a čtyřmi ventily na válec pro osobní automobil (Opel Ecotec). První vznětový motor s přímým vstřikem paliva přeplňovaný turbodmychadlem s proměnnou geometrií turbíny a vysokotlakým vstřikováním Common - Rail pro osobní automobil (Fiat).
Rudolf Diesel (1858 - 1913)
16
1.2.3 SPALOVACÍ TURBÍNA Všechna současná dopravní a vojenská letadla jsou poháněna spalovací turbínou. Své uplatnění našla u vrtulníků, lokomotiv i v námořní dopravě. Charakteristické pro provozní režim takto používaných spalovacích turbín je práce prakticky při ustáleném režimu, který bývá režimem návrhovým, tedy režimem s minimální spotřebou. Jakákoliv odchylka od tohoto režimu do oblasti částečných zatížení vede k prudkému nárůstu spotřeby paliva. Proto také její použití na vozidlech je omezeno na vojenská vozidla, např. americký tank Abrams. Při použití spalovací turbíny pro pohon osobních a nákladních automobilů je vhodné pouze dvouhřídelové provedení turbíny, viz obr. 1.22, které zabezpečuje výrazný nárůst točivého momentu , tedy i tahové síly, při poklesu otáček motoru vyvolaného zvětšujícím se zatížením. V padesátých letech se zdálo, že spalovací turbína bude perspektivním druhem pohonu silničních vozidel. Všechny větší automobilky zahájili vývoj a většina jich vyrobila i vzorek vozidla. Pouze automobilka Rover, která vytvořila řadu funkčních vzorků dotáhla vývoj tak daleko, že se její spalovací turbíny vestavěné do podvozků BRM zúčastnily v roce 1963 a 1965 závodu 24 hodin Le Mans. Později se objevil malý počet vozů s turbinou zabudovanou do vozu Rover 2000 i v silničním provozu. Vývoj vozidlových turbin, i když v omezeném rozsahu, pokračuje u vedoucích automobilových firem i v současné době. Hlavním směrem výzkumu je snížení měrné spotřeby paliva pomocí zvýšení teploty spalin před turbinou. Potřebné zvýšení teploty na cca. 1500 oC je možné pouze při použití keramických materiálů v rozváděcím ústrojí a na lopatkách rotoru turbíny. spaliny V
palivo PT
spaliny
R
SK
T1
K
T2
P
VB vzduch H S H - předlohový hřídel T1 - generátorová turbína T2 - hnací turbína K - kompresor V - rotační výměník tepla P - převod redukující výstupní otáčky
S - prokluzová spojka VB - volnoběžka R - ústrojí k natáčení rozváděcích lopatek turbíny T2 SK - spalovací komora PT - palivová tryska
Obr. 1.22 Schéma dvouhřídelové vozidlové turbíny 17
1.3 SPALOVACÍ MOTORY S VNĚJŠÍM SPALOVÁNÍM 1.3.1 STIRLINGŮV MOTOR Robert Stirling16, skotský pastor, si nechal v roce 1816 patentovat „stroj, který vyvíjí mechanickou sílu pomocí ohřátého vzduchu “, viz schéma na obr. 1.23. V roce 1845 byl první takovýto motor postaven v jedné dánské slévárně a pak ještě několik málo motorů v průběhu osmdesátých a devadesátých let devatenáctého století. Renesance Stirlingova motoru začala v roce 1938 a vrcholu dosáhla v osmdesátých létech, v době ropné krize. Výhodou tohoto motoru s vnějším spalováním je nízký obsah škodlivin ve spalinách, nízká hlučnost a možnost použití libovolného zdroje tepla. Nevýhodou, která brání významnějšímu rozšíření Stirlingova motoru, je značná složitost konstrukce a tedy i vysoká cena.
Obr. 1.23 Schéma Stirlingova motoru
16
Robert Stirling (1790 - 1878)
18
2. ZÁKLADNÍ KONCEPCE PÍSTOVÝCH
SPALOVACÍCH MOTORŮ
Základní koncepce konstrukčního řešení pístového spalovacího motoru je určována jeho použitím. Z tohoto pohledu dobře charakterizuje jednotlivé kategorie motorů rozpětí jmenovitého výkonu a jmenovitých otáček. Na obr. 2.1 jsou uvedeny oblasti zahrnující charakteristická rozpětí výše uvedených parametrů pro jednotlivé kategorie motorů :
Pj [kW]
A - malé modelářské motory, B - motory malých motocyklů, mopedů a malé zemědělské a stavební mechanizace, C - motory cestovních a sportovních motocyklů, D - motory osobních automobilů, E - motory nákladních automobilů, autobusů, traktorů, stacionární motory průmyslové, drážní a malé lodní motory, F - velké lodní a drážní motory, stacionární motory plynové.
F
10000 1000
E
100
D C
10
B
1
A 0 0
2
4
6
8 10 12 nj . 10-3 [min-1]
14
16
18
Obr. 2.1 Kategorie motorů dle jejich použití
2.1
MOTORY MALÝCH MOTOCYKLŮ, MOPEDŮ
Tato kategorie motorů je na obr. 2.1 vymezena oblastí B. Pro tuto kategorii motorů je charakteristický jednoválcový, dvoudobý, vzduchem nebo vodou chlazený motor se ztrátovým mazáním olejem v palivu. U starších motorů je používáno klasické tříkanálové provedení rozvodu motoru u novějších je sání motoru řízeno jazýčkovým ventilem. Tlumič hluku výfuku je opatřen rozměrným výfukovým rezonátorem a účinným tlumičem hluku. Rozsah základních konstrukčních parametrů charakteristických pro dvoudobé zážehové motory malých motocyklů a mopedů je uveden v tab. 2.1. Základní požadavky na tento typ motorů : • velké rozpětí otáček v němž je dosahován vysoký kroutící moment motoru, • velká životnost motoru, který pracuje po 70% provozní doby v režimu maximálního výkonu a maximálních otáček, • minimální nároky na obsluhu a údržbu, • snadné spouštění, • plnění legislativních požadavků pro provoz vozidla na pozemních komunikacích, tj. hluk, vibrace, emise.
19
Tab. 2.1 Meze konstrukčních parametrů dvoudobých zážehových motorů malých motocyklů a mopedů PARAMETR
ROZSAH
počet válců vrtání [mm] zdvih [mm] zdvihový objem [cm3] měrný výkon [kW.dm-3] měrná hmotnost [kg.kW-1] jmenovitý výkon [kW] otáčky jmenovitého výkonu [min-1]
1 36 ÷ 50 36 ÷ 50 50 ÷ 100 20 ÷ 100 0.8 ÷ 4 1 ÷ 10 3000 ÷ 11 000
Vzhledem ke konstrukci rámů mopedů a malých motocyklů, řešených z hlediska snadného nastupování, bývá válec motoru značně skloněn, často až do vodorovné polohy. To však přináší problémy s ohřevem klikové skříně motoru. Horký vzduch ohřátý na žebrech hlavy motoru proudí na žebra válce motoru, kde se dále ohřívá. Takto ohřátý vzduch obtéká klikovou skříň motoru a zvyšuje teplotu její stěny. V důsledku ohřevu nasávané směsi klesá objemová účinnost a tím i výkon motoru. Toto, tak zvané „vadnutí motoru“ se projevuje zvláště při vyšších teplotách vzduchu a při jízdě do kopce. Příklad provedení dvoudobého, kapalinou chlazeného, zážehového motoru malého motocyklu je uveden na obr. 2.2. Zapalovací svíčka 1 je centrálně umístěna v půlkulovém spalovacím prostoru hlavy válce 2. Hlava válce z hliníkových slitin je spolu s válcem motoru 3 přišroubována dlouhými svorníky ke klikové skříni motoru 7. Válec 3 bývá odlit buď z litiny, nebo z hliníkové slitiny opatřené litinovým pouzdrem, případně s vnitřní plochou pochromovanou nebo upravenou metodou nikasil. Píst z hliníkové slitiny 5 je opatřen jedním nebo dvěma pístními kroužky. Je spojen ojnicí se skládaným klikovým hřídelem 6, který je uložen v bloku motoru 7 na kuličkových ložiscích. Vzduch je nasáván do spodního kompresního prostoru klikové skříně motoru přes uklidňovací komoru se vzduchovým filtrem 11. Směs paliva se vzduchem vytvářená v karburátoru 12 je sacím potrubím 13 přiváděna k jazýčkovému ventilu, který řídí průběh sání. U starších provedení motorů, tzv. tříkanálových, je sání řízeno spodní hranou pístu. Rozmezí rozvodových úhlů je uvedeno v tab. 2.2. Tab. 2.2 Časování rozvodu dvoudobých motorů mopedů a malých motocyklů ROZVOD
ÚHEL OTEVŘENÍ [ ° ]
výfuk přepouštění sání - symetrický rozvod řízený spodní hranou pístu
110 ÷ 160 100 ÷ 120 140 ÷ 175
20
Přepouštění stlačené směsi ze spodního kompresního prostoru nad píst přepouštěcími kanály 15 je řízeno horní hranou pístu. Taktéž výfuk je ovládán horní hranou pístu. Spaliny, odcházející z válce motoru, jsou přiváděny výfukovým kolenem 4 do výfukového rezonátoru 8 a z něj pak do tlumiče hluku 10 . Ve výfukovém rezonátoru 8 může být zabudován katalyzační tlumič 9. vzduch
11
12
13
14
15
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Obr. 2.2 Konstrukční provedení motoru malého motocyklu nebo mopedu
2.2
MOTORY CESTOVNÍCH A SPORTOVNÍCH MOTOCYKLŮ
Základní parametry těchto motorů odpovídají skupině C , uvedené na obr. 2.1. Jedná se o jednoválcové nebo víceválcové vysokootáčkové dvoudobé nebo čtyřdobé zážehové motory. V objemové třídě do 250 cm3 převládají motory dvoudobé, nad tento objem pak motory čtyřdobé. Moderní dvoudobé motory jsou chlazeny vzduchem nebo kapalinou, sání je řízeno jazýčkovým ventilem, zapalování je elektronické bezkontaktní s regulací předstihu zážehu. Rezonanční výfukové potrubí s automaticky řízenou přívěrou ve výfukovém kanále rozšiřuje otáčkovou oblast vysokého kroutícího momentu. Směs paliva se vzduchem je v převážné míře připravována pomocí karburátoru. Čtyřdobé motocyklové motory se vyznačují rozvodem OHC nebo DOHC, převážně kapalinovým chlazením a širokým využitím elektroniky pro řízení práce motoru. Přípravu směsi paliva se vzduchem zabezpečuje karburátor. Objevují se však i motory se vstřikem paliva do sacího potrubí a motory přeplňované turbodmychadlem. Meze konstrukčních parametrů motocyklových motorů jsou natolik široké, že je není možno specifikovat rozmezím v tabulce, jako u předchozích motorů. Základní požadavky na tento typ motorů : • dosažení vysokého objemového výkonu motoru [kW.l-1], • nízká měrná hmotnost motoru [kg.kW-1], • co nejširší otáčkový rozsah v němž je dosahován vysoký kroutící moment, • vysoká provozní spolehlivost,
21
• splnění legislativních požadavků na hlučnost, vibrace a obsah škodlivých exhalátů ve výfukových plynech. Na obr. 2.3 je schematicky uvedeno základní uspořádání válců motocyklových motorů. Řadové motory a ÷ d, motory do „V “, nebo-li vidlicové motory e, g, případně j. Zvláštním případem vidlicového motoru je motor h s úhlem rozevření válců 180°, tzv. „boxer“. Uspořádání motoru s dvěmi klikovými hřídeli je označeno i. Maximální počet válců řadových a vidlicových motorů je 6. V rámu motocyklu jsou motory uloženy tak, že směr jízdy motocyklu vzhledem k uspořádání válců je I nebo II. U tříválcového motoru i je směr jízdy obrácený směru I. I
a
b
c
e
d
g
II h
i
j
Obr. 2.3 Základní uspořádání válců motocyklových motorů 2.2.1 DVOUDOBÝ MOTOR SPORTOVNÍCH A CESTOVNÍCH MOTOCYKLŮ Nejčastější uspořádání dvoudobého motocyklového je uvedeno na obr. 2.4. Vzduch nasávaný do klikové skříně motoru vstupuje přes komoru tlumiče hluku sání 1, v níž je zabudován čistič vzduchu, do karburátoru 2. Pryžovým spojovacím kolenem 16 je směs 5
4
3
2
1
6
vzduch
7 8 9 10 16 11 13
12
14
15
Obr. 2.4 Konstrukční schéma dvoudobého motocyklového motoru 22
paliva se vzduchem vedena přes jazýčkový sací ventil 4 do klikové skříně motoru. Se sacím kolenem může být propojena pulsační komora 3, která zlepšuje bohatost směsi nasávané do klikové skříně při prudké akceleraci motoru. Soustavou přepouštěcích kanálů se komprimovaná směs dostává do válce motoru 8. Kapalinou, nebo vzduchem chlazený válec bývá odlit z hliníkové slitiny, přičemž vnitřní činná plocha, po které se pohybuje píst bývá galvanicky pokovena chrómem, nebo nikasilem. Spalovací prostor motoru uzavírá hlava z lehké slitiny 5. Kompaktní, symetrický spalovací prostor v hlavě má centrálně umístěnou zapalovací svíčku. Hlava 3 a válec motoru 8 jsou ke klikové skříni 11 připevněny dlouhými svorníky. U kapalinou chlazených motorů zabezpečují těsnost mezi hlavou 5 a válcem 8 silikonové „O“ kroužky 6 . Vratné vyplachování válce motoru zabezpečuje, vedle soustavy přepouštěcích kanálů a vhodného tvarování dna pístu 9, i systém výfukových kanálů s regulačním šoupátkem 7. Šoupátko , buď ploché, nebo rotační, mění výšku výfukového kanálu, čímž dochází ke změně počátku a konce otevření výfukového kanálu. Poloha šoupátka je řízena v závislosti na otáčkách motoru tak, aby rozsah otáček v němž je zabezpečena funkce výfukového rezonátoru a motorem je tak dosahován vysoký točivý moment byl co největší. Píst 9 z hliníkových slitin je odléván, případně u vysoce namáhaných pístů kován. Je opatřen jedním, maximálně dvěma úzkými ocelovými pístními kroužky. S ojnicí je propojen pístním čepem, který je v pístu uložen volně ( plovoucí pístní čep) a v ojničním oku pomocí jehlového ložiska. Spodní, nedělené oko ojnice je uloženo pomocí jehlového ložiska na ojničním čepu skládaného klikového hřídele 10. Klikový hřídel 10 je uložen na valivých ložiscích zalisovaných do klikové skříně 11. Ložiska jsou mazána olejem přiváděným do skříně ve směsi paliva a vzduchu. U výkonných motorů je v některých případech dodáván tlakový olej pomocí olejového čerpadla přímo k ložiskům. Utěsnění klikové skříně 8 , v místě průchodu klikového hřídele vůči okolí, nebo u víceválcových motorů mezi jednotlivými prostory spodní komprese, je zabezpečeno hřídelovými těsnícími kroužky. Dosažení vhodného průběhu točivého momentu motoru zabezpečuje výfukový rezonátor 13 v součinnosti s výfukovou přívěrou 7. Utlumení hluku odcházejících spalin zabezpečuje tlumící koncovka 15. Snížení škodlivin obsažených ve výfukových plynech je řešeno pomocí oxidačního katalyzátoru 14. Vzhledem ke značnému odvodu tepla z odcházejících spalin velkým povrchem výfukového rezonátoru, by ohřátí katalyzátoru 14 na provozní teplotu bylo zdlouhavé. Rychlejší náběh teploty katalyzátoru 14 zabezpečuje pomocný oxidační katalyzátor 12 umístěný blízko výfukového kanálu válce motoru. Časování rozvodu dvoudobých motocyklových motorů je uvedeno v tab. 2.3. Tab. 2.3 Časování rozvodu dvoudobých motocyklových motorů ROZVOD
ÚHEL OTEVŘENÍ [ ° ]
výfuk přepouštění sání - symetrický rozvod řízený spodní hranou pístu - šoupátkový rozvod
155 ÷ 200 115 ÷ 132 130 ÷ 190 SO*) 25 ÷ 45 ° po DÚ SZ*) 40 ÷ 80 ° po HÚ
*) SO - sací kanál se otvírá, SZ - sací kanál se zavírá Příklad řešení vzduchem chlazeného dvoudobého motoru cestovního motocyklu MZ 175 cm 3 je uveden na obr. 2.5. Hlava válce 2 s půlkulovým spalovacím prostorem 1 s centrálně umístěnou zapalovací svíčkou je dlouhými svorníky spolu s válcem 4 připevněna k motorové skříní. Válec motoru 4 je z hliníkové slitiny a opatřen zalitou litinovou vložkou 3. Skládaný klikový hřídel 5 je uložen ve valivých ložiscích 8. Mazání ložisek je zabezpečeno olejovou náplní v převodovce motoru o čemž svědčí umístění hřídelových ucpávek 7. Mazání
23
ojničního jehlového ložiska 6 je řešeno olejem přiváděným do skříně motoru ve směsi paliva se vzduchem. 2.2.2 ČTYŘDOBÝ MOTOR SPORTOVNÍCH A CESTOVNÍCH MOTOCYKLŮ Konstrukce čtyřdobého motocyklového motoru je charakterizována ventilovým
Obr. 2.5 Dvoudobý motocyklový motor MZ 175 cm-3 rozvodem. Nejčastěji bývá použit rozvod OHC s jednou vačkovou hřídelí v hlavě válců. Motory jsou chlazené vzduchem, nebo kapalinou a konstrukčně jsou velmi podobné nízkoobjemovým karburátorovým motorům pro osobní automobily. Na rozdíl od automobilních motorů je v některých případech použit dělený klikový hřídel uložený v klikové skříni motoru na valivých ložiscích. V tomto případě je velké oko ojnice nedělené a na klikovém čepu bývá uloženo na jehlových ložiscích. Časování rozvodu je uvedeno v tab. 2.4. Na obr. 2.6 je uvedeno uspořádání čtyřdobého dvouválcového motoru Honda o celkové objemu válců 250 cm3. Klikový hřídel uložený na valivých ložiscích je slisován z pěti dílů. Ojnice jsou na klikovém hřídeli uloženy pomocí jehlových ložisek, k nímž je olej z oběhového čerpadla přiváděn kanálky vrtanými v klikovém hřídeli. Pevný pístní čep zalisovaný do ojničního oka se otáčí v nálitcích pístu z hliníkové slitiny. Píst je opatřen dvěmi těsnícími a jedním stíracím kroužkem. Kliková skříň je dělená v horizontální rovině a je společná se skříní převodovky. Tab.2.4 Časování rozvodu čtyřdobých motocyklových motorů ROZVOD
ÚHEL OTEVŘENÍ [ ° ]
sání otvírá sání zavírá výfuk otvírá výfuk zavírá *) DÚ - dolní úvrať pístu, HÚ - horní úvrať pístu
24
30 ÷ 60 40 ÷ 80 50 ÷ 90 40 ÷ 80
před HÚ*) po DÚ*) před DÚ*) po HÚ*)
Obr. 2.6 Čtyřdobý motocyklový motor Honda 250 cm-3 Hlava válce motoru 1 je připevněna spolu s válci 6 ke klikové skříni dlouhými svorníky. Ventilový rozvod OHC je řízen vačkovým hřídelem 2 uloženým v tlakově mazaných ložiscích. Ventily 9 jsou ovládány vahadly 10 , přenášejícími pohyb od vačkových palců 3. Pohon vačkového hřídele zabezpečuje válečkový řetěz 5 spojující hnací kolo na klikovém hřídeli 8
2.3
MOTORY OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ
Na obr.2.1 jsou tyto motory zahrnuty do skupiny D. V současné době je charakteristickým zástupcem této skupiny je čtyřdobý, víceválcový, kapalinou chlazený, zážehový, nepřeplňovaný motor s vícebodovým vstřikem paliva a rozvodem OHC. V roce 1996 se znovu objevuje v sériové výrobě zážehový motor s přímým vstřikem benzinu do válce motoru. Z hlediska snížení spotřeby paliva při částečných zatíženích motoru se jeví jako velmi perspektivní. U vznětových motorů je z téhož důvodu perspektivní motor s přímým vstřikem paliva , přeplňovaný turbodmychadlem. Hlavní požadavky na motory pro osobní automobily jsou : • vysoký objemový (litrový) výkon motoru [kW.l-1], • malá měrná hmotnost [kg.kW-1], • malé zástavbové rozměry motoru, • nízká spotřeba paliva na všech provozních režimech motoru, • vysoká spolehlivost, životnost a minimální údržba, • splnění emisních limitů, • technologičnost konstrukce motoru umožňující automatickou montáž. Typické provedení současného zážehového motoru pro automobil střední třídy je motor Opel 1,8 l , který je uveden v podélném a příčném řezu na obr. 2.7. Motor charakterizuje střechovitý spalovací prostor 9 se čtyřmi ventily 10 a 14 ovládanými dvojicí vačkových hřídelí 13 a 15 umístěných v hlavě válců 11. Jedná se tedy o
25
Obr. 2.7 Příčný a podélný řez motorem Opel 1,8 l 26
rozvod DOHC*) s automatickým vymezováním ventilových vůlí pomocí hydraulických zdvihátek 22. Pohon vačkových hřídelí je zabezpečen ozubeným řemenem 23 chráněným proti vlivů vnějšího prostředí krytem 24. Ventilový rozvod je chráněn víkem ventilů 21. Přípravu směsi paliva se vzduchem nasávaným do válce motoru rezonančním sacím potrubím 1 zabezpečuje vícebodové vstřikování paliva (MPI**) ) pomocí vstřikovacích trysek 16. Centrálně umístěná zapalovací svíčka 12 zapaluje směs ve válci motoru . Píst 2 přenáší sílu od tlaku spalin pomocí ojnice 3 na klikový hřídel 5 uložený v kluzných ložiscích v klikové skříni 4. Zásoba mazacího oleje je uložena ve spodním víku motoru 6 odkud je přes sací koš 7 a sací potrubí 19 přiváděna do trochoidního oběhového čerpadla 18. Chlazení hlavy i válců motoru je oběhové, kapalinové. Kapalina cirkuluje v chladících prostorech 4 , přičemž pro snížení celkové délky motoru nejsou mezi jednotlivými válci vytvořeny chladící prostory. Při vrtání válců D = 80.5 mm je rozteč mezi válci pouhých 86 mm. Pohon vodního čerpadla a pomocných agregátů je zajišťován vícenásobným klínovým řemenem od řemenice 17 umístěné na předním konci klikového hřídele. Na zadním konci je pak umístěn setrvačník 20. Zážehový motor s přímým vstřikem paliva do válce motoru GDI***) uvedený na
Obr. 2.8 Příčný řez motorem Mitsubishi 4G93-DOHC-GDI obr. 2.8 se vyznačuje mimořádně nízkou spotřebou paliva a vysokým výkonem.
*)
DOHC - Double Overhead Camshaft MPI - Multi Point Injection ***) GDI - Gasoline Direct Inection **)
27
2.4 MOTORY NÁKLADNÍCH AUTOMOBILŮ, AUTOBUSŮ A ZEMĚDĚLSKÝCH TRAKTORŮ Na obr. 2.1 jsou tyto motory zahrnuty do skupiny E. Nejčastěji je v této skupině motorů používán čtyřdobý, vznětový motor s přímým vstřikem paliva. U větších výkonů jsou tyto motory přeplňovány turbodmychadlem. Pouze u motorů malých výkonů, pro dodávkové automobily, jsou používány motory zážehové. Hlavní požadavky na motory pro nákladní automobily a traktory jsou : • vysoká spolehlivost a životnost ( až 1000 000 km, nebo 15 000 provozních hodin do generální opravy motoru), • vysoký objemový (litrový) výkon motoru [kW.l-1] • malá měrná hmotnost [kg.kW-1] u motorů nákladních automobilů, • malé zástavbové rozměry motoru, • nízká spotřeba paliva a motorového oleje na všech provozních režimech motoru, • splnění emisních limitů, • technologičnost konstrukce motoru umožňující automatickou montáž. V současné době je nutno rozlišovat mezi motory pro zemědělské traktory a ostatní aplikace. Traktorové motory jsou ve většině případů konstruovány jako součást nosného systému podvozku traktoru, tzv. monobloková konstrukce traktoru. Motorový blok, případně hlava a spodní víko motoru přenáší síly a momenty mezi přední nápravou a tělem traktoru. Proto je konstrukce těchto dílů podstatně robustnější a tedy i hmotnější než u automobilních motorů. 2.4.1 MOTORY NÁKLADNÍCH AUTOMOBILŮ Požadavky na konstrukční provedení a parametry motorů nákladních automobilů závisí na nosnosti vozidla. Vybrané parametry motorů nákladních automobilů byly zpracovány na základě údajů převzatých z lit. [6]. Podle nosnosti automobilu byly motory rozděleny do šesti skupin. Počet zpracovávaných motorů v jednotlivých skupinách byl následující : dodávkové automobily 25, automobily o nosnosti do 3.5 tuny - 44, do 7.5 t - 25, do 11 t - 26, do 18 t - 30 a do 40 t 63. Celkem tedy 223 motorů nákladních automobilů. Charakteristické parametry jsou shrnuty v tab. 2.5 , kde značí : Vz - zdvihový objem motoru, nj - jmenovité otáčky, Pj jmenovitý výkon, ∆Mk - narůst kroutícího momentu, ∆n - procentuální pokles otáček při dosažení maximálního krouticího momentu ve vztahu k otáčkám jmenovitým, Vv - objem válce motoru, Pv - výkon válce, Pl - objemový („litrový“) výkon, pe - střední efektivní tlak na jmenovitém režimu, pe,max - střední efektivní tlak při Mk,max , mpe - minimální hodnota měrné efektivní spotřeby paliva a následující ∆n - procentuální vyjádření otáček režimu minimální měrné spotřeby ve vztahu k otáčkám jmenovitým. Velikost těchto parametrů pro jednotlivé skupiny motorů je v tabulce charakterizována mediánem, modem a průměrem. Proměnnost pak charakterizují maximální a minimální hodnoty. 2.4.2 MOTORY ZEMĚDĚLSKÝCH TRAKTORŮ Hodnoty charakteristických parametrů motorů současných zemědělských traktorů byly zpracovány na základě výsledků 117 testů zemědělských traktorů, prováděných dle metodiky OECD, lit. [7]. Jsou uvedeny v tab. 2.6, kde Vm – zdvihový objem motoru, Z/D – poměr zdvidu k průměru pístu, CS – střední pístová rychlost, pe – střední efektivní tlak, Pl – objemový výkon, mpe – měrná efektivní spotřeba paliva. 28
Tab 2.5 Charakteristické parametry motorů nákladních automobilů automobilů
[l]
[min ]
[kW]
∆Mk [%]
median mód dodávkových průměr maximum minimum
1.5 1.4 1.6 3.1 0.4
4600 4600 4800 6200 3600
44.0 44.0 45.5 80.0 10.0
21 26 21 38 9
42 40 43 57 32
0.42 0.35 0.43 0.78 0.23
11.0 11.0 11.9 20.0 7.3
25.9 24.4 28.7 39.3 22.4
0.71 0.75 0.72 0.87 0.59
0.86 0.77 0.87 1.03 0.69
do 3.5 tuny
median mód průměr maximum minimum
2.4 2.5 2.31 2.9 1.7
4250 4000 4342 5500 3800
61.5 51.0 63.2 88.0 43.0
24 16 24 41 9
44 47 42 56 20
0.60 0.63 0.56 0.63 0.40
15.0 13.8 15.5 22.0 8.5
27.2 22.0 27.5 40.0 19.6
0.75 1.07 0.76 1.07 0.55
0.92 1.23 0.92 1.3 0.68
do 7.5 tuny
median mód průměr maximum minimum
2.5 2.5 3.2 6.0 2.3
3800 3800 3570 5100 2600
70.0 58.0 74.3 115.0 51.0
24 32 25 41 10
42 47 40 50 20
0.63 0.63 0.74 1.23 0.40
16.5 14.5 17.5 28.8 8.5
24.1 30.4 24.4 34.0 15.8
0.80 0.96 0.83 1.19 0.60
0.99 1.19 1.01 1.57 0.72
do 11 tun
median mód průměr maximum minimum
5.9 5.9 5.5 6.9 3.9
2600 2700 2581 2800 2400
116 75 117 162 65
22 17 21 32 14
41 48 40 48 22
1.0 1.0 1.1 1.5 0.9
22.2 18.8 23.4 38.0 16.2
20.8 23.5 21.2 25.8 15.6
0.97 1.17 0.99 1.28 0.69
do 18 tun
median mód průměr maximum minimum
6.9 6.7 7.7 11.0 5.5
2375 2400 2338 2700 2000
179 200 177 208 107
24 26 23 37 12
41 42 39 48 23
1.2 1.1 1.3 2.0 0.9
24.2 29.5 23.7 29.9 15.5
24.2 29.5 23.7 29.9 15.5
do 40 tun
median mód průměr maximum minimum
11.6 11.6 12.0 18.3 8.7
2000 1900 1982 2300 1700
272 309 280 390 180
22 17 23 54 9
35 40 33 42 16
1.8 2.0 1.9 2.7 1.5
23.3 25.5 23.3 29.1 16.4
23.3 25.5 23.3 29.1 16.4
motory
parametr
Vz
nj
Pj -1
∆n [%]
Vv [l]
[kW]
[kW/l]
[MPa]
[MPa]
29
Pv
Pl
[g.kWh ]
∆n [%]
1.20 1.21 1.21 1.58 0.80
208 210 207 221 197
61 60 60 70 42
1.21 1.36 1.21 1.63 0.69
1.50 1.57 1.50 2.06 0.79
198 198 200 222 192
68 66 67 77 53
1.41 1.33 1.42 1.70 1.03
1.74 1.88 1.73 2.07 1.23
195 198 196 208 186
67 70 67 83 41
pe
pe,max
mpe -1
Tab. 2. 6 Charakteristické parametry traktorových motorů
Šestiválcové motory. veličina průměr medián max min
Vm l
Z/D
Cs m/s
pe MPa
Pl kW/l
mpe g/kWh
6.509 6.234 8.268 5.419
1.14 1.13 1.36 1.00
9.2 8.9 11.5 7.7
0.86 0.85 1.54 0.59
16.3 15.9 27.0 10.8
230 231 255 209
Vm l
Z/D
Cs m/s
pe MPa
Pl kW/l
mpe g/kWh
4.143 4.086 5.005 3.456
1.16 1.14 1.40 1.00
9.2 9.3 11.2 8.1
0.78 0.77 1.17 0.63
14.8 14.7 22.5 12.2
234 233 266 204
Z/D
Cs m/s
pe MPa
Pl kW/l
mpe g/kWh
Čtyřválcové motory. veličina průměr medián max min
Tříválcové motory veličina
Vm l
2.762 1.14 9.1 0.74 14.4 244 průměr 3.000 1.14 9.2 0.70 14.7 243 medián 3.310 1.39 10.4 0.92 17.3 263 max 2.356 1.00 8.0 0.58 12.0 217 min Na obr. 2.9 je schematicky zobrazen příčný a podélný řez přeplňovaným vznětovým traktorovým motorem Zetor 1001. Jedná se o čtyřválcový vodou chlazený motor s přímým vstřikem paliva pro traktory Zetor 9520 a 9540. Ventilový rozvod OHV je řízen vačkovou hřídelí 24, která přes zdvihátko , zvedací tyčku 23 a vahadlo 8 ovládá příslušný ventil. Motor má dva ventily na válec , sací 20 a výfukový 21. Ventily jsou uspořádány v řadě, osa ventilů je rovnoběžná s osou válce. Vzduch je do válce dodáván turbodmychadlem 15, umístěným na straně výfukových kanálů motoru , pomocí plnícího potrubí 9 a sběrného potrubí pro vstup vzduchu do sacích kanálů hlavy válců 3. Spaliny pohánějící turbínu turbodmychadla jsou vedeny do tlumiče hluku potrubím 22. Palivo je z vysokotlakého vstřikovacího čerpadla 4 dopravováno vysokotlakým vstřikovacím potrubím 1 do vstřikovače 2 , který je víceotvorovou tryskou rozprašuje do spalovací komory vytvořené ve dně pístu 14. Píst se pohybuje v mokrém vloženém válci s horní dosedací plochou 13. Síla od tlaku plynů působící na píst je přenášena ojnicí 16 na klikový hřídel 18. Odběr výkonu motoru je zajišťován ze zadního konce klikového hřídele přes spojkovou lamelu 27 přitlačovanou talířovou pružinou 28. Celá spojka je uložena ve vnitřním prostoru setrvačníku 25. Na předním konci klikového hřídele je uložena řemenice pro pohon pomocných agregátů motoru 17. Jedná se o pohon čerpadla chladící kapaliny a ventilátoru chlazení 12, alternátoru, případně kompresoru klimatizace kabiny řidiče. Regulaci kapalinového chlazení motoru zajišťuje termostat 11. Na předním konci klikového hřídele je také umístěno trochoidní olejové čerpadlo 19 zabezpečující tlakové mazání motoru. Olej je nasáván se zásoby ve spodním víku motoru přes sací koš 26. Čerpadlem 19 je dopravován do plnoprůtočného olejového filtru s papírovou filtrační vložkou 7 a přes mezichladič olej-chladící kapalina do hlavního mazacího kanálu motoru. Množství oleje v zásobníku, tvořeném spodním víkem motoru, je kontrolováno pomocí měrky 5. Pohon vačkového hřídele 24, vysokotlakého vstřikovacího čerpadla 4, 30
Obr. 2.9 Traktorový motor Zetor 1001 vyvažovacích hřídelí 6 a pístového kompresoru 10, je řešen pomocí soustavy ozubených kol zakreslených na příčném řezu motoru čerchovanou čarou.
31
2.5 VELKÉ MOTORY STACIONÁRNÍ ,LODNÍ, LOKOMOTIVNÍ , PRO STAVEBNÍ STROJE A VOJENSKÁ OBRNĚNÁ VOZIDLA Jedná se o motory uvedené na obr.2.1 v poli F. Konstrukční řešení : motory vznětové s přímým vstřikem paliva, přeplňované čtyřdobé, nebo u největších výkonů dvoudobé. U stavebních strojů, lokomotiv,říčních lodí , vojenských obrněných vozidel , navazují výkonově na motory nákladních automobilů . Používají se motory do výkonu 2000 kW . Konstrukční řešení motoru je stejné jako u automobilních motorů. Pro nejvyšší výkony jsou nejčastěji používány motory do V s maximálním počtem válců 16. Ukázka parametrů takovéhoto typu motorů je uvedena v tab. 2.7 . Jedná se o motory do V vodou chlazené o počtu válců 8, 12 a 16. Jsou přeplňovány turbodmychadlem s mezichladičem plnícího vzduchu. Mají dva sací a dva výfukové ventily. Základní konstrukce všech motorů je stejná. Z ní jsou poté odvozeny, jak vznětové motory naftové, tak i zážehové motory plynové. U větších lodních motorů , elektrických generátorů a kogeneračních jednotek se pak vyskytují čtyřdobé přeplňované vznětové motory až do výkonu cca 24000 kW . Ukázka konstrukčního uspořádání řadového motoru do V na obr. 2.10. Tab. 2.7
Motory DEUTZ řady 616.
parametr
typ motoru
TBD 616 V8 TBD 616 V12 TBD 616 V16
vrtání/zdvih [mm] zdvihový objem [l]
výkon/otáčky*) [kW/min-1]
lodní generátorový pohon lodní motor hlavní průmyslový vznětový motor pohon el.generátoru vznětový motor 50 Hz 60 Hz pohon el.generátoru plynový motor 50 Hz***)
mpe při otáčkách [g.kWh-1/min-1] rozměry (d/š/v) [mm] hmotnost **) [kg] *) dle ISO 3046/1 **) dle DIN 700 20 A ***) platí pro palivo s metanovým číslem >70
132/160 17,5 432/1800
132/160 26,3 648/1800
132/160 35,0 864/1800
480/2100 480/2100
720/2100 720/2100
960/2100 960/2100
403/1500 454/1800
605/1500 680/1800
806/1500 907/1800
350/1500
525/1500
700/1500
190/1500 1700/1250/ 1160 1720
190/1500 2110/1250/ 1160 2100
190/1500 2450/1260/ 2600 2600
Velké lodní motory a motory energetických centrál o výkonu až 69 000 kW jsou ve většině případů řešeny jako jednočinné, dvoudobé, přeplňované, vodou chlazené, vznětové motory spalující těžké topné oleje do viskozity 500 mm2.s-1 při 50 °C. Charakteristický pro ně je křižákový klikový mechanismus. Použití křižáku pro zachycení normálové síly na horním
32
Obr. 2. 10 Vidlicový vznětový motor o velkém výkonu oku ojnice klikového mechanismu je vyvoláno vysokými tlaky působícími na píst takovéhoto motoru. Charakteristické parametry těchto typů motorů jsou uvedeny v tab. 2.8. Tab. 2.8
Parametry dvoudobých křižákových motorů DMR-MAN B&W
Typ
počet válců
L50MC L60MC L70MC L80MC L90MC K98MC
4÷8 4÷8 4÷8 4÷12 4÷12 6÷12
vrtání
zdvih
otáčky
výkon válce
[mm]
[mm]
min-1
kW
500 600 700 800 900 980
1620 1944 2268 2592 2916 2660
111÷148 92÷123 81÷108 70÷93 62÷82 84÷94
33
výkonový rozsah kW
hmotnost 103kg
640÷1330 2560÷10640 168÷276 920÷1920 3680÷15360 280÷451 1355÷2830 5420÷22640 395÷705 1750÷3640 7000÷43680 620÷1520 2070÷4310 8280÷51720 785÷1999 4090÷5720 24540÷68640 1280÷2270
3.
PÍSTNÍ SKUPINA Píst s těsnícími a stíracími kroužky, pístním čepem a pojistkami tvoří pístní skupinu na kterou jsou kladeny následující požadavky : • zabezpečení přenosu síly od tlaku plynů na ojnici , • zachycení boční síly vyvolané klikovým mechanizmem a její přenos na stěnu válce , • utěsnění spalovacího prostoru tak , aby byl omezen únik spalin do klikové skříně motoru a průnik motorového oleje do spalovacího prostoru , • zabezpečení odvodu tepla ze dna pístu do chlazených stěn spalovacího prostoru , • u dvoudobých motorů řídí rozvodové orgány pro výměnu náplně .
3.1 PÍST Při práci motoru je píst zatěžován mechanicky, silami od tlaku plynů a setrvačnými silami vyvolanými vratným pohybem pístu a tepelně , vysokými teplotami spalin ve spalovacím prostoru motoru. Charakter zatěžujících účinků je rázový , vyvolaný prudkým nárůstem tlaku a teploty ve spalovacím prostoru . Současně, v důsledku cyklických změn těchto zatěžujících účinků, dochází k únavovému namáhání materiálu pístu . Na obr.3.1 je uvedeno základní konstrukční schéma pístu. 1 2
Hk
4
3 5 8
Hp
9 7
Obr. 3.1 Konstrukční provedení pístu
6
1 - dno pístu , 2 - horní můstek , 3 - drážky pro těsnící pístní kroužky , 4 - můstky mezi drážkami pro kroužky, 5 - drážka pro stírací pístní kroužek, 6 - plášť pístu , 7 - nálitek pro pístní čep , 8 - uložení pístního čepu , 9 - drážka pojistky pístního čepu ,
3.1.1
TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PÍSTU V důsledku přímého kontaktu se spalinami je nejvíce tepelně namáháno dno pístu, horní můstek a obzvláště pak přechodové hrany mezi dnem pístu a horním můstkem U nechlazených pístů běžné konstrukce je hlavní část tepla , 40 až 60 %, odváděna přes těsnící pístní kroužky, 20 až 30 % je odváděno pláštěm pístu. Přes mezikroužkové můstky může být odvedeno až 30% tepla za předpokladu, že je dosažen velmi dobrý styk můstku s povrchem stěny válce . Mimo teplo, které píst přejímá ze spalin, je tepelně zatěžován i částí tepla vznikajícího třením pístu a pístních kroužků o stěny válce. Je třeba si uvědomit, že třecí ztráty pístní skupiny rychloběžných motorů představují 45 až 65 % celkových třecích ztrát. Písty vznětových motorů jsou tepelně více zatíženy než písty motorů benzinových. Rozložení teplot na dně a plášti pístu u motorů chlazených vzduchem a kapalinou je uvedeno na obr. 3.2. Maximální povrchová teplota pístů z hliníkové slitiny by neměla překročit u běžných litých pístů hodnotu cca. 320 °C, kdy již dochází k výraznému poklesu pevnosti hliníkových slitin. U pístů kovaných je tento pokles pevnosti poněkud nižší.
34
Z hlediska tepelného stavu pístu je vedle maximální teploty dna pístu rozhodující pro správnou funkci pístní skupiny i maximální teplota v drážce pro první pístní kroužek. Tato teplota nesmí překročit teplotu karbonizace použitého oleje. U běžných minerálních olejů je tato teplota přibližně 220 °C , u olejů syntetických jsou uváděny hodnoty 240 až 260 °C.
Obr. 3.2 Rozložení teplot na dně a plášti pístu
V důsledku rozdílné teploty a rozložení objemu materiálu pístu dochází při jeho postupném ohřevu za provozu motoru ke změně tvaru. Dno pístu a oblast pístních kroužků se v důsledku vyšších teplot roztahují více než spodní části pístu. Taktéž oblast nálitků pro pístní čep, kde je soustředěn větší objem materiálu se roztahuj více ve směru osy pístního čepu než kolmo na tuto osu. Protože požadujeme, aby po úplném prohřátí pístu na maximálním výkonu motoru byl tvar pístu kruhový, s minimální vůlí ve válci , musíme jej podle rozdílné roztažnosti jednotlivých částí pístu za studena natvarovat. Vytvořit určitou boční křivku pístu po výšce pístu a určitou ovalitu pístu v příčných průřezech pístu tak , jak je uvedeno například na obr. 3.3 . Menší vůli pístu ve válci studeného motoru umožňují písty s regulovanou deformací, nejčastěji písty bimetalické, obr. 3.3
Obr. 3.3 Tvar boční křivky a ovalita jednokovového a bimetalického pístu
3.1.2. KONSTRUKČNÍ PROVEDENÍ PÍSTŮ Z hlediska konstrukčního provedení se významně liší písty dvoudobých rychloběžných motorů od motorů čtyřdobých zážehových a motorů vznětových. Samostatnou skupinu tvoří písty velkých pomaloběžných motorů stacionárních a lodních.
35
3.1.2.1 Píst rychloběžného dvoudobého motoru Charakteristický tvar pístu je uveden na obr. 3.4. Jednotlivé číselné pozice označují základní konstrukční detaily. 1 Pozice 1 - označuje dno pístu, jehož mírně 8 2 vypuklý tvar usměrňuje, při vratném výplachu, proud čerstvé náplně a odcházejících výfukových 3 plynů. Pozice 2 - horní můstek pístu, který 4 bývá u dvoudobých motorů velmi nízký je na 7 rozdíl od čtyřdobých motorů navrhován pouze z hlediska pevnostního. Pozice 3 - drážka pro 6 pístní kroužek. U současných motocyklových motorů a motorů malé mechanizace jsou 5 používány jeden nebo dva těsnící pístní kroužky. 8 Pozice 4 - kolík zajišťující polohu zámku pístního kroužku. Zamezuje pootočení zámku pístního kroužku do některého z rozvodových Obr. 3.4 Tvar pístu rychloběžného oken a následnému zlomení pístního kroužku. dvoudobého motoru Pozice 5 - spodní vybrání v plášti pístu. 1 Umožňuje konstrukci kratších přepouštěcích 2 3 kanálů. Pozice 6 - u některých konstrukcí pístu 4 dvoudobého motoru jsou v plášti pístu vytvořeny 5 otvory , např. píst motoru Wartburg 353, kterými 11 prochází směs do přepouštěcích kanálů. Pozice 7 - je-li výfukový otvor dělený 10 přepážkou je nutno povrch válce na této přepážce mazat. Za tímto účelem je v pístu vyvrtán mazací otvor o průměru 1 až 1.5 mm, kterým se dostává 8 9 palivová směs s olejem z vnitřního prostoru pístu na stěnu válce. Pozice 8 - výztužná žebra zvyšující tuhost pláště pístu. 6
3.1.2.2 Píst čtyřdobého zážehového motoru
Charakteristický tvar pístu čtyřdobého motoru je uveden na obr. 3.5. Konkrétní provedení pístů zážehových motorů osobních automobilů na obr. 3.6 až obr. 3.10. Obr. 3.5 Tvar pístu čtyřdobého Pozice 1 - dno pístu zážehového zážehového motoru motoru, obr. 3.5 , bývá u většiny současných motorů rovné. Pro zlepšení průběhu spalování je u některých motorů vytvořena ve dnu pístu část spalovacího prostoru. U motorů s ventily skloněnými vůči ose válce jsou ve dnu pístu vytvořena vybrání pro talířky ventilů tak, aby ve fázi překrytí ventilů (doběh pístu do HÚ na konci výfuku a na počátku sání) nedošlo ke styku ventilu se dnem pístu. Pozice 2 - horní můstek. Jeho výška je určována teplotou povrchu drážky pro první pístní kroužek. Pozice 3 - první můstek. Jeho výška je určována značným mechanickým namáháním vyplývajícím z rozložení tlaku spalin, které působí z horní a spodní strany na plochu můstku. Pozice 4 - drážky pro těsnicí pístní kroužky. U současných pístů jsou používány dva těsnicí kroužky. U starých zážehových motorů, vyráběných do sedmdesátých let minulého století, byly v závislosti na velikosti vrtání válce používány 3 až 4 těsnicí kroužky. 7
36
Obr. 3.6 Litý píst z hliníkové slitiny
Obr. 3.7 Kovaný píst z hliníkové slitiny
Obr. 3.8 Bimetalický píst
Obr. 3.9 Píst se stabilizujícím ocelovým kroužkem
Obr. 3.10 Bimetalický píst
37
Pozice 5 - drážka pro stírací pístní kroužek. Vzhledem ke konstrukci stíracích pístních kroužků je poněkud vyšší a je opatřena otvory 11, spojujícími její dno s vnitřním prostorem pístu. Pozice 7 - nálitky pro pístní čep. Jsou spojeny se dnem pístu pomocí žeber, nebo jednoho souvislého bloku materiálu. U současných pístů jsou pro snížení hmotnosti pístu používány krátké pístní čepy, které umožňují zapuštění nálitku pro pístní čep do obrysu pístu. Současně bývá odstraněna i část pláště pístu a dochází tedy k dalšímu odlehčení pístu. Rozměry otvorů pro pístní čep jsou voleny tak, aby byl pístní čep u studeného motoru v nálitku bez vůle a teprve po prohřátí pístu na provozní teplotu se uvolnil, tzv. plovoucí pístní čep. Pozice 6 - drážka pro axiální pojištění polohy plovoucího pístního čepu. V současné době se používají pojistné drátěné kroužky dle ČSN 02 2925. Proto i drážka má půlkruhový průřez a snadné vyjímání pojistky je zabezpečeno vyfrézovanou, nebo odlitou drážkou, 9. Pozice 10 - plášť pístu. Zachycuje normálovou sílu klikového mechanismu. 3.1.2.3 Píst čtyřdobého vznětového motoru Liší se od pístů zážehových motorů větší kompresní a celkovou výškou, větší tloušťkou stěn a větším průměrem pístního čepu. Uvedené rozdíly jsou vyvolány vyššími spalovacími tlaky a umístěním části nebo celého spalovacího prostoru do dna pístu. 1
2 3
4
5
6
7
Obr. 3.11 Píst vznětového motoru
Pozice 1 - spalovací prostor vytvořený ve dnu pístu. U motorů s neděleným spalovacím prostorem, tj. s přímým vstřikem paliva, obr. 3.11 , tvoří spalovací prostor ve dnu pístu celý kompresní objem. U motorů s děleným spalovacím prostorem, motorů komůrkových, činí část spalovacího prostoru vytvořená ve dnu pístu 40 až 60 % z celkového kompresního objemu. Zbytek objemu zaujímá komůrka v hlavě válce. Tvar spalovací komory pro vznětové motory s přímým vstřikem paliva obr. 3.12 , je u jednotlivých výrobců velmi rozdílný. Obecně nelze říct, že některý z tvarů příčného průřezu komory je lepší než druhý, nebo, že určitý tvar je optimální. Výhodnost tvarového řešení spalovací komory je možno posoudit pouze na konkrétním motoru na základě měření indikovaných, nebo efektivních parametrů a posouzení obsahu škodlivých emisí ve výfukových plynech.
Obr. 3.12 Spalovací komory vznětových motorů s přímým vstřikem paliva Tvarování dna pístu u motorů s děleným spalovacím prostorem je uvedeno na obr. 3.13 Charakteristickým tvarem části spalovacího prostoru ve dnu pístu u motorů s vírovou komůrkou, jsou tzv. " brýle “ , obr. 3.13 a). Tvar spalovacího prostoru motorů s tlakovou
38
komůrkou je charakterizován větším počtem paprskovitě se rozbíhající prohloubenin ve dnu pístu, odpovídajících uspořádání výstupních otvorů tlakové komůrky, obr. 3.13 b). a)
b)
5
Obr. 3.13 Spalovací prostory komůrkových motorů Pozice 2 - horní můstek mezi dnem pístu a prvním těsnicím kroužkem bývá u vznětových motorů vyšší, než u motorů zážehových. Toto vyplývá z vyššího tepelného toku pístem a požadavku na dodržení maximální teploty v 1 drážce 1. kroužku 220 oC. 75ì Jemné drážkování horního můstku, které je uvedeno na obr. 3.14 , usnadňuje přizpůsobení pístu nekruhovitosti průměru 0 .2 válce. V počáteční fázi záběhu pístu zachycují drážky mazací olej a 0 .1 vrcholky drážkování se tvarují. Při další práci motoru vyplňuje drážky a částečně i povrch můstku karbon, který přispívá k utěsnění pístu. Nevýhodou tohoto řešení může být zalešťování povrchu válce Obr. 3.14 velmi tvrdým karbonem vznikajícím z pronikajícího oleje. Vede Drážkování k zahlazení honování povrchu válce a k nárůstu spotřeby oleje. Tento horního můstku jev se často objevuje u přeplňovaných motorů. Pozice 3 - nosič pístního kroužku je v x x současné době používán u přeplňovaných vznětových motorů. Vzhledem k vyššímu mechanickému a tepelnému zatížení pístu a prvního pístního kroužku je často osazován do první drážky trapézový těsnicí kroužek. Jeho výhodou je, že při překlápění pístu a tedy i radiálním pohybu pístu vůči Obr. 3.15 Axiální pohyb trapézového kroužku kroužku dochází při zasouvání kroužku do klínovité drážky k axiálnímu posuvu kroužku v drážce, při němž se zmenšuje axiální vůle kroužku x, viz obr. 3.11. To samozřejmě vede k drcení napečeného karbonu a trvalému zachovávání axiální vůle kroužku v drážce. Nosič pístního kroužku je vyroben z vysoce legované austenitické šedé litiny s obsahem 20%Ni+Cu+Cr s obchodním názvem "nirezist". Velmi příznivou vlastností tohoto materiálu, vedle pevnosti a odolnosti proti opotřebení, je i přibližně stejná tepelná roztažnost
39
jako u slitin Al-Si. Součinitel tepelné roztažnosti nirezistu se pohybuje v rozmezí (17 až 18.5)*10-6K-1. Do pístu je zalit metodou "Alfin". Pozice 4 - drážky pro pístní kroužky. U současných motorů jsou používány dva těsnicí a jeden kroužek stírací. Tomu odpovídá i počet a tvarování drážek. Pozice 5 - nálitky pro uchycení pístního čepu. Vzhledem k vyšším přenášeným silám je vnější průměr pístního čepu větší než u pístů motorů zážehových. Taktéž ukotvení nálitku do vnitřních stěn pístu bývá mohutnější, přičemž je nejčastěji používána bloková koncepce spojení nálitku se dnem pístu, obr. 3.16 b). U méně zatížených motorů jsou pro snížení hmotnosti pístu používána výztužná žebra, obr.3.16 c). Pro rovnoměrnější zatížení oka ojnice i nálitků pro pístní čep v pístu je používán trapézový tvar příčného průřezu oka ojnice, kterému odpovídá i tvarování vnitřního zakončení nálitků, obr. 3.16 a).
a)
b)
c)
Obr. 3.16 Tvary nálitků pro pístní čep a jejich ukotvení ke dnu pístu Pozice 6 - nálitky pro vyvažování pístů na stejnou hmotnost. Vyvažování je prováděno odfrézováním spodní plochy nálitků. Tolerance hmotnosti pístu závisí na celkové hmotnosti pístu. Např. u motorů Zetor UŘ III jsou písty vyvažovány v tolerančním rozmezí ±3.5 g. Pozice 7 - technologická plocha pro uchycení pístu při obrábění. Písty motorů nákladních automobilů jsou vyráběny z hliníkových slitin. Používají se písty jednokovové. Jejich tvarové řešení je obdobné jako u motorů s přímým vstřikem paliva používaným v osobních automobilech. Klasické provedení pístu je ukázáno na obr. 3.17 Používají se výhradně písty s dvěma těsnícími a jedním stíracím pístním kroužkem. Axiální pojištění plovoucího pístního čepu je provedeno pomocí plochého kroužku pro díry dle ČSN 2 2931. Vysoce přeplňované motory vyžadují chlazení oblasti pístních kroužků. Provedení takovéhoto pístu je na obr. 3.18. Zvláštním případem jsou tzv. písty křižákové, obr. 3.19, používané u vozidlových motorů velkých výkonů. Koruna pístu je oddělena od pláště, což umožňuje kombinaci hliníkového pláště s litinovou, nebo ocelovou korunou. Spojení obou dílů je zabezpečeno pístním čepem. U přeplňovaných pomaluběžných čtyřdobých motorů lodních, spalujících těžké topné oleje, jsou používány buď písty litinové, obr. 3.21, nebo písty skládané. U skládaných pístů je koruna pístu vyrobena z oceli, nebo litiny a je přišroubována k plášti z litiny , obr. 3.22, nebo hliníkových slitin, obr. 3.20. 3.1.2.4 Povrchová úprava pístů Povrch pláště pístu byl dříve broušen. Ukázalo se však, že vhodnější, z hlediska záběhu a třecích vlastností, je povrch s jemnými drážkami po soustružení diamantovým nožem, ve kterých se udržuje zásoba oleje pro mazání stykové plochy.
40
Obr. 3.17 píst vznětového motoru nákladního automobilu
Obr. 3.18 Chlazený píst vznětového motoru nákladního automobilu
Obr. 3.19 Křižákový píst motoru nákladního automobilu
Obr. 3.21 Litinový píst velkého pomaluběžného motoru
Obr. 3.20 Skládaný píst : ocelová koruna, plášť Al slitina
Obr. 3.22 Skládaný píst : ocelová koruna, litinový plášť
Ochranná a záběhová vrstva na plášti pístu. Snižuje nebezpečí zadření pístu při záběhu a omezuje oxidaci povrchu při skladování. Dříve byla používána galvanicky nanášená vrstva cínu nebo olova. Tloušťka nanášené vrstvy 1 µm až 2 µm. V současné době se používá povlak grafitu o tloušťce 10 až 20 µm. Na povrch pláště je nanášen nástřikem, nebo metodou sítotisku a za zvýšené teploty vypálen. Zlepšení přilnavosti grafitové vrstvy na povrch pláště pístu je možno dosáhnout jeho fosfátováním. 41
U vysoce namáhaných pístů se často pro zvýšení únavové pevnosti pístu používá kuličkování, které únavovou pevnost zvyšuje o 5 až 15 %. V souvislosti s touto metodou je nutno uvést i zvyšování únavové pevnosti povrchu otvoru pro pístní čep, kterého se dosahuje pomocí protlačování ( kalibrování ) tohoto otvoru za studena. U naftových motorů s přímým vstřikem paliva je kritickým místem z hlediska únavového namáhání okraj spalovací komůrky ve dnu pístu. Zde v důsledku značného tepelného a mechanického namáhání , jeho proměnnosti a tepelných šoků vyvolávaných stykem studeného nasávaného vzduchu s horkým povrchem pístu, dochází ke vzniku únavových trhlinek. Jejich vzniku je možno zamezit eloxováním, tj. vytvořením anodickou oxidací tvrdé vrstvy oxidu hliníku na kritických místech povrchu dna pístu . Tloušťka této vrstvy se pohybuje v rozmezí 40 až 80 µm.Obdobná úprava se používá i pro povrch drážky prvního pístního kroužku. U zážehových motorů , u kterých se objevuje detonačním hoření (klepání motoru) , dochází k místnímu poškozování dna pístu, horního můstku, případně drážky pro první pístní kroužek. Poškozování povrchu pístu v tomto případě zabrání galvanicky vytvořená vrstva chrómu, případně chemicky nanesená vrstva niklu o tloušťce 10 až 15 µm. 3.1.3 CHLAZENÍ PÍSTU Překročí-li teplota v drážce prvního pístního kroužku 240 oC je nutno zabezpečit její snížení. Další zvětšení výšky horního můstku je nepřijatelné, protože se současně zvyšuje i škodlivý objem nad pístem v horní úvrati, což vede ke snížení ekonomičnosti provozu a nárůstu obsahu zbytkových uhlovodíků ve výfukových plynech motoru. Další z možností je chlazení pístu. V současné době se používá prakticky u všech přeplňovaných motorů a to jak zážehových, tak i vznětových a je použito i u některých značně zatížených motorů nepřeplňovaných. U méně zatížených motorů se používá nástřik dna pístu, obr. 3.23, u motorů více zatížených jsou vytvořeny chladicí kanály v hlavě pístu, viz obr. 3.24. Z tohoto obrázku je patrný i vliv výrobních nepřesností směrování trysky na plnění kanálu. Podíly jednotlivých složek odvodu tepla na chlazení pístu, podle použitého způsobu chlazení, jsou shrnuty v tab. 3.1.
hornã ê vrať
2ì
2 mm
zdvih
dolnã ê vrať
mazacã kanÖl motoru
Obr. 3.23 Nástřik dna pístu
Obr. 3.24 Chladící kanál v hlavě pístu
42
Tab. 3.1 Odvod tepla z pístu v závislosti na způsobu jeho chlazení.
chladící olej kroužky vzduch a olej v klikové skříni plášť pístu
3.2
nechlazený píst
nástřik dna pístu
chladící kanál
62 % 24 % 14 %
45 % 41 % 8% 6%
68 % 18 % 8% 6%
PÍSTNÍ KROUŽKY
Pístní kroužky zabezpečují utěsnění spalovacího prostoru , odvod tepla z pístu do stěn válce a řídí výšku mazací vrstvy oleje mezi pláštěm pístu a stěnou válce. Těsnost spalovacího prostoru, z hlediska průniku spalin do klikové skříně motoru , zabezpečují pístní kroužky těsnící. Ty se v podstatné míře také podílejí na odvodu tepla z pístu do stěn válce, viz tab. 3.1 . Zabránění průniku oleje nad píst a vytvoření vhodné tloušťky mazací vrstvy mezi pístem a válcem zabezpečuje kroužek stírací. Pístní kroužky jsou při provozu motoru namáhány silami setrvačnými, silami od tlaku plynů a třením o stěnu válce motoru. Tyto síly jsou časově proměnné a působí na kroužek, který je ohřátý na poměrně vysokou teplotu , jednak průtokem tepla z pístu , jednak teplem vyvolaným třením o stěnu válce. Za h p 3 těchto obtížných provozních podmínek je nutno zabezpečit a odpovídající funkčnost a životnost Ft 1 pístního kroužku. Základní prvky pístního kroužku jsou vyznačeny na φD S obr. 3.25. Pozice 1 - zámek pístního kroužku umožňuje navlečení pístního Ft kroužku do drážky v pístu a dilataci kroužku při jeho ohřevu. Vůle v 2 2 zámku pístního kroužku zv musí Obr. 3.25 Základní prvky pístního kroužku být volena tak, aby při maximálním ohřevu kroužku nedošlo k vymezení zámkové vůle. Pokud tento jev nastane projeví se většinou lomem pístního kroužku. U nových těsnících pístních kroužků s přímým zámkem, viz obr.3.26 a), se volí vůle v zámku zamontovaného pístního kroužku v rozmezí : 0,006 . D < zv < 0, 012 . D . Vzhledem k maximální výšce teploty za provozu se volí vůle prvního pístního kroužku větší než u druhého pístního kroužku. V průběhu provozu motoru dochází postupným opotřebením pístního kroužku ke zvětšování zámkové vůle. Zvětšení mezery v zámku u těsnících pístních kroužků vede ke zvýšení profuku spalin do klikové skříně motoru. U stíracích pístních kroužků dochází k poklesu přítlačné síly kroužku na stěnu válce a k nárůstu množství oleje pronikajícího nad píst, což se projeví jeho zvýšenou spotřebou. Většina výrobců motorů také definuje maximální dovolené opotřebení pístních kroužků hodnotou maximální velikosti vůle v zámku zamontovaného pístního kroužku, ( poznámka : měří se při vložení volného kroužku do vývrtu válce motoru v místě minimálního opotřebení stěny válce). 43
Na obr. 3.26 jsou uvedeny základní konstrukce zámků těsnících pístních kroužků. Obr. 3.26 a) až c) jsou zámky kroužků čtyřdobých motorů. Běžně je používán kolmý zv zámek dle obr. 3.26 a). Zámek šikmý obr. 3.26 b) a tvarový obr. 3.26 c) je používán e) pouze u velkých motorů drážních, lodních d) nebo stacionárních.Obr. 3.26 d) a 3.26 e) ukazují zámky dvoudobých motorů jejichž poloha je na pístu zajišťována čárkovaně naznačeným kolíčkem. Pozice 2 - boční dosedací plocha kroužku, Obr. 3.26 Konstrukční provedení zámků přenáší síly mezi kroužkem a stěnami drážky v pístních kroužků. pístu a zabezpečuje těsnost proti průniku spalin a oleje. Bývá jemně broušená. Pozice 3 - hlavní těsnící plocha. Dále na obr. 3.25 značí h - tloušťka kroužku, a - šířka kroužku, s - vůle v zámku volného kroužku, p - měrný tlak vyvolaný zamontováním kroužku do válce a Ft - tangenciální síla.
a)
b)
c)
3.2.1 KONSTRUKČNÍ PROVEDENÍ PÍSTNÍCH KROUŽKŮ Podle základní funkce rozdělujeme pístní kroužky na kroužky těsnící a stírací. 3.2.1.1 Těsnící pístní kroužky Základní charakteristické tvary příčných průřezů těsnících pístních kroužků jsou uvedeny na obr. 3.27. Pístní kroužek s válcovou těsnící plochou obr. 3.27 a), nazývaný také pravoúhlý pístní kroužek, bývá velmi často používán v a) kroužek s válcovou těsnící plochou (pravoúhlý) první drážce pístu. Dříve měla hlavní těsnící 30 © 50 plocha čistě válcový tvar. Takto řešené kroužky b) kroužek s kuželovou těsnící plochou (minutový) se zachovaly u málo výkonných motorů α dvoudobých a motorů malé mechanizace. Pro c) lichoběžníkový kroužek (trapézový) snížení opotřebení bývá tato plocha pokryta α galvanicky nanesenou vrstvou tvrdochromu. d) jednostrannÀ trapâzovÀ kroužek Poměrně vysoké třecí ztráty i nevhodné vlastnosti z hlediska regulace výšky olejové minutovÀ kroužek torzní e) vrstvy na stěně válce vedly k zavedení zaoblené těsnící plochy, tzv. provedení „ballig“, viz obr. 3.28 a). Zaoblení povrchu může být buď pravoê hlÀ kroužek torzní f) symetrické k ose příčného profilu kroužku, obr. 3.28 a), nebo asymetrické , jak je ØL Ø kroužek g) naznačeno u trapézového kroužku na Obr. 3.27 Charakteristický tvar obr. 3.28 b). Požadavky charakterizující ostrou příčného průřezu těsnících pístních spodní hranu , zabezpečující omezení průniku kroužků oleje nad kroužek a tedy i snížení spotřeby oleje motorem, je uvedeno na obr. 3.28 a). Pístní kroužek s kuželovou těsnící plochou (minutový) , obr. 3.27 b), se vyznačuje tím, že v počáteční fázi záběhu kroužku ve válci motoru se kroužek stýká se stěnou válce jen malou plochou, prakticky břitem. Vysoký měrný tlak zabezpečuje rychlé přizpůsobení tvaru kroužku případné ovalitě válce a současně i dobré setření olejové vrstvy ze stěny válce při pohybu pístu do dolní úvrati. Při pohybu pístu do horní úvrati usnadňuje kuželová plocha průnik oleje pod kroužek. I když úhel sklonu stěny kroužku je malý, 30’ ÷ 50’, vede obrácené zamontování kroužku ke značnému nárůstu spotřeby oleje. Z těchto důvodů je kroužek v ®
®
TOP
TOP
TOP
TOP
44
oblasti zámku popsán z horní strany kroužku značkou „TOP“. Z horní strany 0.3 ± 0.1 znamená, že tento nápis je po zamontování kroužku na píst umístěn na max. 0.01 straně bližší dnu pístu. Není jej možno 1 © 6 µm 45ì použít jako první těsnící kroužek. To proto, že působením tlaku plynů na b) a) hlavní těsnící plochu kroužku dochází k třepetání kroužku při velmi nízkých Obr. 3.28 Kroužky „ballig“ : a) válcový, otáčkách Bývá tedy na pístu umístěn do b) trapézový druhé drážky. Lichoběžníkový pístní kroužek (trapézový) , obr. 3.27 c), má horní i spodní dosedací plochu kroužku kuželovou, se sklonem α = 3°, nebo α = 7,5°. Stejný příčný profil má i drážka v pístu. Rozměry drážky a vůle v zámku kroužku jsou voleny tak, aby bylo možno celý kroužek zamáčknout o 0.1 mm pod úroveň povrchu pístu. Lichoběžníkový pístní kroužek jednostranný , obr. 3.27 d), má pouze horní plochu kuželovou s úhlem α = 7°. Pro svou vysokou odolnost proti rozkmitání je určen pro vysokootáčkové motory. Výhodou je, že v důsledku nesymetrického příčného profilu u něj po zabudování do válce dochází k torznímu natočení, takže v počáteční, záběhové fázi účinně těsní spodní hrana kroužku. Torzní kroužky, obr. 3.27 e) a f) mají výrazné vnitřní skosení, nebo vybrání. které způsobuje, že tyto kroužky se po zabudování do válce motoru kolem neutrální osy příčného profilu kroužku natočí. Kroužek tak dostane talířkovité prohnutí. V počáteční fázi záběhu je v kontaktu se stěnou válce pouze spodní hrana kroužku, což zajišťuje vlastnosti popsané u kroužku minutového. Kroužek ve tvaru „L“ , obr. 3.27 g) se používá pro zlepšení činnosti řídící hrany pístu dvoudobého motoru. Horní hrana kroužku, umístěného tak , aby byla v úrovni dna pístu, zajišťuje exaktní otvírání a zavírání výfukového a přepouštěcích kanálů. Přímý účinek tlaku plynů ve spalovacím prostoru na vnitřní stranu kroužku zvyšuje radiální přítlak kroužku na stěnu válce a současně zvyšuje odolnost kroužku proti rozkmitání. Tento typ kroužku se používá u vysokootáčkových motorů závodních motocyklů. 14 © 28 µm
45ì
3.2.1.2 Stírací pístní kroužky U čtyřdobých motorů regulují stírací pístní kroužky tloušťku olejové vrstvy na stěně válce tak, aby byla styková plocha válce a pístu co nejlépe mazána a spotřeba oleje v důsledku jeho spálení byla co nejmenší. Podle konstrukčního provedení je můžeme rozdělit na : • litinové pístní kroužky využívající pro přítlak na stěnu válce vlastní pružností, • litinové, nebo ocelové pístní kroužky se zvýšeným přítlakem vyvolaným expanderem, • skládané ocelové kroužky. Stírací pístní kroužky s pracovní plochou osazenou jsou uvedeny na obr. 3.29 a) a b). Někdy jsou také nazývány kroužky polostírací, nebo kroužky s nosíkem. V zásadě se jedná o těsnící válcový, nebo minutový kroužek u něhož je pro zvýšení stíracího účinku vytvořeno osazení s břitem. V důsledku nesymetričnosti příčného průřezu dojde po zamontování kroužku k torznímu natočení, které způsobí, že v kontaktu se stěnou válce je v počátečním období záběhu motoru pouze ostrá spodní hrana kroužku. Tím se zvýší, jak těsnost, tak i stírací účinek kroužku. Stíraný olej se shromažďuje ve vybrání kroužku. Tyto kroužky bývají používány ve druhé drážce pístu.
45
Stírací pístní kroužky s výřezy jsou uvedeny na obr. 3.29 c) , d), e). U těchto kroužků jsou v kontaktu se stěnou válce pouze dva břity, které mohou mít různý příčný profil. V důsledku vysokého měrného tlaku, mezi břity a stěnou válce, je stírací účinek kroužku velký. Setřený olej je středními výřezy v kroužku odváděn do drážky v pístu a vrtanými otvory vnitřkem pístu do klikové skříně motoru. U motorů s vysokou střední pístovou rychlostí jsou stírací břity kroužku pokryty tvrdochromem. Stírací pístní kroužek s výřezy a expanderem je uveden na obr.3.29 f). Zvýšení stíracího účinku u těchto kroužků je dosaženo použitím šroubového pera , které po zamontování kroužku do válce se stlačí a zvyšuje tak sílu vyvolávající měrný tlak mezi břity kroužku a stěnou válce. Vzhledem k vysokým hodnotám měrného tlaku jsou stykové plochy těchto kroužků vždy pokryty galvanicky nanesenou vrstvou tvrdochromu. Pro snížení třecích ztrát mezi šroubovým perem a stěnou pístního kroužku bývá povrch pružiny broušen, případně bývá tato pružina uložena v teflonovém obalu. Stírací pístní kroužek skládaný, obr. 3.29 g) a a) f) h), je tvořen dvěmi ocelovými lamelami a rozpínací pružinou. Stykové povrchy lamel s válcem jsou pokryty b) tvrdochromem. Pro snížení opotřebení povrchu rozpínací pružiny v kontaktní ploše s lamelami bývá c) g) pružina i lamely nitridovány. Takto řešené stírací kroužky jsou velmi nízké a tedy i lehké. Používají se v d) současné době u zážehových motorů osobních automobilů. Nevýhodou je podstatně strmější h) e) charakteristika rozpínací pružiny v porovnání se šroubovou pružinou pístního kroužku s výřezy. Při opotřebení povrchu kroužku dochází k rychlejšímu Obr. 3.29 Stírací pístní kroužky poklesu měrného tlaku a nárůstu spotřeby oleje. 3.2.1.3 Osazování pístů pístními kroužky Mimo písty velkých motorů lodních, drážních a stacionárních jsou písty všech ostatních motorů v současné době osazeny třemi pístními kroužky. V prvních dvou drážkách jsou kroužky těsnící a ve třetí drážce pak kroužek stírací. Na obr. 3.30 je ukázáno jedno 1. drÖžka 1,2
2. drÖžka 1,5
1. drÖžka
1.2 mm vysoký ocelový kroužek s třecí plochou „ballig“, nitridovaný na celém povrchu
2,5
1.5 mm vysoký minutový kroužek s nosíkem materiál : standardní šedá litina 3,0
3. drÖžka 3
3 mm vysoký skládaný kroužek s pružinou a lamelami s třecím povrchem tvrdochromovaným, nebo s nitridovanou pružinou a ocelovými lamelami nitridovanými po celém povrchu
2.5 mm vysoký pravoúhlý kroužek s asymetricky zaoblenou třecí plochou (asymetrický ballig), pokrytou tvrdochromem a ostrou spodní hranou, speciálně lapovaný materiál : tvárná litina se zrnitým grafitem, nebo pro vysokâ tepelnâ zatãžení : 3 ,0 mm vysoký trapézový kroužek, tvar třecí plochy : asymetrický ballig pokrytý tvrdochromem, nebo molybdenem, s ostrou spodní hranou, speciálně lapovaný materiál : tvárná litina se zrnitým grafitem
2. drÖžka 2,0
Obr. 3. 30 Osazení pístu zážehového motoru osobního automobilu
3. drÖžka
z možných osazení pístu zážehového motoru osobního automobilu a na obr. 3.31 pak motoru vznětového pro nákladní automobil. U motorů přeplňovaných se používá v první drážce kroužek trapézový.
46
3,0
2,0 mm vysoký, minutový negativně se natáčející kroužek s vnitřní fasetou, materiál : šedá litina , legovaná
3,0 mm vysoký dvoubřitý stírací kroužek s expandérem tvořeným šroubovou pružinou, břity pokryty tvrdochromem, materiál : standardní šedá litina
Obr. 3.31 Osazení pístu vznětového motoru nákladního automobilu
3.2.1.4 Materiál a povrchová úprava pístních kroužků Na materiál pístních kroužků jsou kladeny značné a mnohostranné nároky vyplývající z jejich tepelného a mechanického zatížení. Je to pevnost za zvýšené teploty, nízký pokles tangenciální síly kroužku , jak v důsledku působících teplot, tak i dlouhodobého únavového namáhání. Dále pak požadavek na dobré kluzné vlastnosti ve vztahu k materiálu stěny válce při nedostatečném mazání a malé opotřebení povrchu kroužku. Těmto požadavkům vyhovují kroužky litinové a ocelové. Litinové kroužky se vyrábí buď ze šedé litiny, nebo temperované litiny se zrnitým grafitem. Tvrdost kroužků má být o 15 až 25 HB vyšší, než tvrdost stěny litinového válce. Výhodou pístních kroužků ze šedé litiny je jejich cena. Nevýhodou pak křehkost, ztráta pružnosti při vyšších teplotách a poměrně rychlé opotřebení hlavní těsnící plochy. Kroužky z temperované litiny se zrnitým grafitem mají výrazně vyšší pevnost a jsou méně náchylné k praskání. Ocelové pístní kroužky jsou dražší, vyznačují se však vyšší pružností a pevností. Hlavní třecí plocha kroužků musí být pro práci v litinovém válci opatřena vrstvou tvrdochromu. Vnější plochy kroužků musí být chráněny proti korozi a proti opotřebení, které vyvolává pohyb kroužku v drážce pístu. Fosfátování vytváří na povrchu kroužku nekovovou vrstvu o tloušťce 0.002 až 0.005 mm. Vedle výborné korosní odolnosti drží tato vrstva dobře mazací olej a zlepšuje tak záběhové vlastnosti kroužku. Při ferooxidaci je při určité teplotě na povrchu kroužku vytvořena vrstva Fe3 O4 o tloušťce 0.003 mm. Tvrdé částice oxidu , tvořící povrch hlavní třecí plochy kroužku, se v počáteční fázi záběhu uvolňují a způsobují rychlejší záběh kroužků ve válci motoru. Pod povrchovou vrstvou je pak tvrdá vnitřní zóna, která zabezpečuje malé opotřebení kroužku při dalším provozu. Pocínování povrchu kroužku vytváří vrstvu o minimální tloušťce 0.002 mm. Tato vrstva má výbornou odolnost proti korozi a usnadňuje záběh kroužků. Nitridace povrchu kroužků do hloubky 0.08 mm u litinových kroužků a 0.1 mm u kroužků ocelových snižuje jejich opotřebení , jak na hlavní třecí ploše , tak i na bočních dosedacích plochách. Hlavní třecí plocha kroužku bývá proti opotřebení chráněna vrstvou tvrdochromu, nebo molybdenu, obr. 3.28. Galvanicky nanášená vrstva chrómu má tloušťku u kroužků pro motory osobních automobilů 0.1 až 0.18 mm a pro motory nákladních automobilů 0.16 až 0.25 mm. Poslední část chromové vrstvy, o tloušťce 0.05 mm, je tvořena porézním chrómem , který lépe udržuje olej. Záběhové vlastnosti tvrdochrómové vrstvy jsou zlepšovány pocínováním. Žárový, nebo plazmatický nástřik vrstvy molybdenu na hlavní třecí plochu kroužku zabezpečuje zlepšení mazacích poměrů ve stykové ploše kroužků se stěnou válce u tepelně velmi namáhaných pístů. Z hlediska životnosti třecí dvojice však klade vyšší požadavky na kvalitu honovaného povrchu válce, než kroužky chromované.Vývojově jsou zkoušeny vrstvy keramické a kovokeramické.
3.3
PÍSTNÍ ČEP
Pístní čep přenáší silové účinky mezi pístem a ojnicí. V důsledku proměnnosti směru i velikosti zatěžujících sil, od tlaku plynů a setrvačných hmotností pístu a pístních kroužků, je pístní čep namáhán únavově. Malý relativní pohyb třecích ploch pístního čepu , nálitků v pístu a ložisku ojničního oka působí nepříznivě na mazání stykových ploch. Většinou bývá uložen volně v oku ojnice i nálitcích v pístu. V tom případě mluvíme o „ plovoucím “ pístním čepu. Pro snížení hlučnosti studeného motoru, kdy vůle v uložení pístního čepu v pístu by mohla způsobovat klepání, dosáhne pístní čep suvného uložení až po ohřevu pístu v oblasti pístního čepu na cca 110 °C.
47
U zážehových motorů je v některých případech použit pístní čep, který je za tepla nalisován do ojničního oka. V tomto případě se jedná o tzv. „ pevný “ pístní čep. Výhodou tohoto řešení je možnost zmenšení vnějšího průměru čepu, protože dochází k výraznému snížení ovalizace pístního čepu. Dosáhneme tak snížení hmotnosti pístního čepu a současně odpadají axiální pojistky pístního čepu. Pístní čepy pro zážehové motory jsou normalizovány normou ČSN 302130 a pro motory vznětové normou ČSN 302131. Na obr. 3.32 je uvedeno základní provedení pístního čepu. 1 2 Pozice 1 - vnější válcová plocha pístního čepu 4 je cementován a kalena do hloubky 0.5 až 1 mm, poté je broušena, lapována a leštěna. Pozice 2 -přechod je tvořen poloměrem o 3 ∅ Di ∅ Da velikosti 0,5 až 1 mm. Pozice 3 - vnitřní povrch čepu je taktéž cementován a kalen do hloubku 0.5 až Obr. 3.32 Pístní čep 1.5 mm . Pozice 4 -boční plochy bývají u plovoucích pístních čepů broušeny, pro omezení opotřebení axiálních pojistek. Pístní čepy se zhotovují z cementačních ocelí např. 12010, 14120, 15220, 16420. U vznětových motorů ,u nichž je pístní čep zatěžován většími silami v porovnání s motorem zážehovým , jsou jeho rozměry pro stejný průměr pístu výrazně větší. 3.3.1 AXIÁLNÍ POJIŠTĚNÍ POLOHY PÍSTNÍHO ČEPU Axiální pojištění pístního čepu zabraňuje kontaktu pístního čepu se stěnou válce. Pokud by tento stav nastal dojde v důsledku tření pístního čepu o stěnu válce k takovému ohřevu pístního čepu, že materiál pístu z hliníkové slitiny se v oblasti oka pro pístní čep roztaví.
a)
c
b)
b m
e
c)
m
b
n
d3
n
d1 = D - a
d2 d5
1+0.2
d1
h=D-a d
a
d
D2 = D + c r
t j=D+e
Obr. 3.33 Axiální pojištění pístního čepu K pojištění pístních čepů velkých průměrů, např. pístní čepy naftových motorů pro nákladní automobily, se často používají pojistné kroužky pro díry dle ČSN 022931, viz obr. 3.33 a). Nevýhodou je zápich s ostrými hranami, který zvláště u menších průměrů pístních čepů může vyvolávat únavové trhlinky. Proto u plovoucích pístních čepů pístů menších průměrů jsou používány pojistné drátěné kroužky zahnuté dle ČSN 022928, viz obr. 3.33 b). Při výraznějším axiálním pohybu pístního čepu může dojít v důsledku únavového ohybového namáhání k odlomení montážního zobáčku. Ulomená část se zaklíní mezi stěnu pístu a válce a v důsledku tření vzroste teplota stěny pístu v okolí natolik, že se materiál pístu roztaví a píst ve válci se zadře. V současné době se proto používají pojistné drátěné kroužky dle ČSN 022925. V nálitku pro pístní čep musí být u těchto pojistných kroužků vytvořena vybírací drážka, viz obr. 3.33 c).
48
4. OJNICE A KLIKOVÝ HŘÍDEL Ojnice zabezpečuje přenos sil mezi pístem a klikovou hřídelí motoru. U čtyřdobých motorů je namáhána proměnnou silou tah - tlak u dvoudobých motorů je namáhána pouze na tlak. Vzhledem k časové proměnnosti působících silových účinků je ojnice namáhána únavově. Z těchto důvodů musí být potlačeny všechny vrubové účinky. Přechody mezi dříkem ojnice a ojničními oky musí být plynulé.
4.1
OJNICE DVOUDOBÉHO MOTORU
Charakteristickým znakem ojnic převážné většiny dvoudobých motorů je nedělené spodní oko ojnice. To je dáno tím, že většina dvoudobých motorů má skládaný klikový hřídel, což umožňuje navlečení spodního ojničního oka na čep kliky před jeho zalisováním do ramene. Ojnice dvoudobého motoru je schematicky znázorněna na obr. 4.1 . Pozice 1 - dřík ojnice. U dvoudobých motorů musí rozměr to1 být co neužší . Je to dáno požadavkem na co nejmenší vzdálenost mezi rameny klikového hřídele, určující velikost parazitního objemu, který snižuje účinnost spodní komprese. Průřez dříku bývá eliptický, nebo má tvar profilu I. Přechody do ojničních hlav musí být plynulé a povrch dříku je kontrolován na výskyt trhlinek. U vysoce namáhaných motorů závodních motocyklů bývá povrch dříku ojnice leštěn. Pozice 2 - horní oko ojnice, nebo oko pro pístní čep. U motorů s malým výkonem, mazaných olejem ve směsi paliva a vzduchu s mazacím poměrem nejvýše 1 : 30, je možno použít bronzové pouzdro opatřené mazací drážkou 4, nebo mazacími otvory. Toto pouzdro je zalisováno do ojničního oka a poté vystruženo na příslušný průměr. U motorů s vyšším výkonem a tedy i zatížením ložiska pístního čepu je používáno jehlové ložisko. Vnitřní povrch oka pak tvoří vnější kroužek ložiska. Musí být odpovídajícím způsobem tepelně zpracován a obroben. Vnitřní povrch oka bývá cementován do hloubky 0,4 ÷ 0,8 mm , kalen a broušen. Drsnost povrchu a úchylky tvaru odpovídají požadavkům ložiskového kroužku. Vnitřní kroužek ložiska tvoří povrch pístního čepu. U takového uložení pístního čepu je možno použít mazací poměr až 1 : 150. I v tomto případě musí být oko opatřeno mazací H drážkou. 4 Nejnovější konstrukce mají ložisko pístního čepu tvořeno kontaktní dvojicí ocel – ocel, není ∅D ∅D tedy použito pouzdro ani jehlové ložisko. Předpokladem použití takovéhoto uložení je t 2 honování ojničního oka s velmi vysokou kvalitou 1 povrchu. Výhodou je snížení výrobních nákladů, t 3 menší vnější rozměry oka a tedy i menší setrvačné L 4 hmoty. 5 Pozice 3 - spodní oko ojnice, nebo oko ojničního čepu. Vnitřní povrch oka tvoří vnější kroužek jehlového ložiska na němž je uložena ojnice na ∅D čepu kliky. Musí tedy splňovat požadavky na ∅D úchylky geometrického tvaru a kvality povrchu odpovídající požadavkům na ložiskový H kroužek.Boční plochy ojnice zajišťují axiální vedení ojnice a jsou v kontaktu s broušenými Obr. 4.1 Schéma ojnice plochami ramene klikového hřídele. Tyto plochy dvoudobého rychloběžného motoru jsou cementovány a kaleny do hloubky 0.6 až H
H1
H2
o
o1
oj
D2
D1
D
49
1.2 mm. V některých případech jsou ve stykové ploše ojnice a klikového hřídele použity vymezovací podložky, viz obr. 4.2. Pozice 4 - mazací drážky. Zabezpečují průnik olejových kapiček rozptýlených ve směsi palivových par a vzduchu v klikové skříni do ložiska pístního čepu a ojničního čepu klikového hřídele. Pozice 5 - boční mazací drážky. V případě spodního vedení ojnice zabezpečují mazání vodících ploch ojnice a ramene kliky, viz obr. 4.2. Ojnice dvoudobých motorů jsou ve většině případů kovány z cementačních ocelí třídy 14 , 16. Pro malé rychloběžné motory jsou zkoušeny ojnice jejichž dříky jsou vyrobeny z hliníkových slitin, nebo kompozitních plastů. Titanové ojnice , použité např. u motorů Bimota, vykazují snížení hmotnosti, v porovnání s ocelovými kovanými ojnicemi, o 40 %. Nevýhodou titanových ojnic je vysoká cena a obtížné obrábění. Obr. 4.2 Ojnice dvoudobého rychloběžného motoru Podobně jako Al slitiny nemá titan mez pevnosti při únavovém namáhání, má pouze časovou pevnost. Nevýhodou jsou i špatné třecí vlastnosti ve vztahu k oceli. Proto jsou plochy , které jsou v kontaktu s klikovou hřídelí galvanicky pokovovány.
4.2
OJNICE ČTYŘDOBÉHO MOTORU HH
1
2
φDH1
φDH2
3
to1
Loj
T
to
4 6
φDD1 HD
φDD2
7 5 1
Obr. 4.3 Schéma ojnice čtyřdobého motoru
Na rozdíl od ojnice dvoudobého rychloběžného motoru má dělené spodní oko, protože klikový hřídel čtyřdobých motorů bývá v převážném případě konstrukcí nedělený. Příklad ojnice čtyřdobého motoru je uveden na obr. 4.3. Pozice 1 - vyvažovací nákovky. Při sériové výrobě ojnic umožňují odbrušováním materiálu dosáhnout stejné hmotnosti posuvných a rotačních hmot ojnice. U naftových motorů je, vzhledem ke kompresní výšce pístu, vytvořen tento nákovek na boku oka pro pístní čep. Pozice 2 - oko pro pístní čep. Uložení pístního čepu může být vytvořeno dvěma způsoby. U plovoucího pístního čepu může být tvořeno bronzovým pouzdrem zalisovaným do otvoru v oku ojnice. Po vyvrtání mazacího otvoru , případně zajištění pouzdra proti pootočení je vystružen vnitřní průměr ložiska. Další možností je zalisování tenkostěnné ocelové pánve s výstelkou z olověného bronzu do vystruženého otvoru v oku ojnice. V tomto 50
případě se vnitřní povrch ložiska již neupravuje a vzhledem k větším přesahům při lisování není nutné pouzdro pojišťovat proti pootočení. V případě, že ložisková pouzdra jsou stáčena z pásku je nutno spojovací spáru umístit do roviny kolmé k ose ojnice, tedy do místa minimálního zatížení. Z mazacího otvoru je olej rozváděn po celé šířce ložiska rozváděcími drážkami. U značně zatížených, přeplňovaných vznětových motorů, bývá v některých případech použito řešení s lichoběžníkovým tvarem příčného průřezu ojničního oka, viz obr. 4.4 . Obdobně jsou uspořádány i nálitky pro pístní čep v pístu. Výhodou je , že velké měrné tlaky vyvolávané vysokými spalovacími tlaky jsou přenášeny větší stykovou plochou pístního čepu a oka ojnice či
Obr. 4.4 Ojnice vznětového motoru nálitku v pístu. Menším sílám setrvačným odpovídá menší styková plocha. Současně se tím vyrovnává i tloušťka mazací vrstvy oleje mezi čepem a ložiskovým pouzdrem. U pevného pístního čepu je do vystruženého otvoru v oku ojnice je zalisován za tepla pístní čep. Tento způsob uložení pístního čepu je používán méně často. osa kývání ojnice Pozice 3 - dřík ojnice. V současné době je používán pro běžné zážehové a vznětové motory příčný profil ve tvaru I , pro některé Obr. 4.5 Průřez dříku motory závodních automobilů pak profil H, viz obr. 4.5. Poměr ojnice výšky a šířky profilu I bývá v rozmezí 1,3 až 1,6. Provedení ojnice s dříkem ve tvaru H , je ukázáno na obr. 4.6. Tak jako u dříku dvoudobého motoru je nutno zabezpečit, vzhledem k únavovému namáhání, hladké přechody mezi dříkem a ojničním okem pro pístní čep a hlavou ojnice , zaoblení všech hran a stoprocentní kontrolu dříku ojnice na výskyt trhlinek. U některých motorů závodních vozů se v poslední době objevují dříky tvarované podle obr. 4.7. Pozice 4 - hlava ojnice. Má být lehká a tuhá tak, aby nedocházelo k deformaci ložiskových pánví. Tuhost zvyšují plynulé přechody do dříku ojnice. Je u převážné většiny všech čtyřdobých motorů dělená, protože klikový hřídel čtyřdobých motorů bývá vykován nebo odlit vcelku.
Obr. 4.6 Ojnice s dříkem profilu H Poznámka : U některých čtyřdobých motocyklových motorů bývá , dle technologických zvyklostí firmy vyrábějící převážně dvoudobé motocyklové motory, používán dělený klikový hřídel a v tom případě bývá spodní oko ojnice vcelku.
51
Obr. 4.7 Ojnice s dříkem vyztuženým žebrem
Dělící rovina hlavy ojnice bývá u motorů o průměru ojničního čepu do 0.65 D kolmá na osu ojnice. Omezení vyplývá z 999 požadavku na možnost demontáže ojnice a pístu z motoru vývrtem válce, což 999 umožňuje výměnu pístu a vloženého válce v případě zadření bez demontáže klikového hřídele a tedy i c) bez demontáže motoru z d) vozidla. Při větších průměrech ojničního čepu vychází již hlava s takto umístěnou dělící rovinou již příliš široká. Řešením je umístění dělící roviny hlavy ojnice do roviny šikmé k ose ojnice pod úhlem 30°, 45° nebo 60°, viz obr. 4.8 d). Hlava ojnice se šikmou dělící rovinou však vychází, vzhledem k nepříznivému Obr. 4.8 Polohování víka ojnice : a) válcovou plochou na rozložení napětí a nutnosti dříku ojničního šroubu, b) dvojicí válcových kolíků, c) , d) konstrukčního řešení broušenou vložkou. zachycení sil působících v dělící rovině hlavy, hmotnější. Zachycení sil v dělící rovině zabezpečuje ozubení vyfrézované v dělící rovině. Pozice 5 - víko ojnice . Je připevněno k hlavě ojnice ojničními šrouby. Poloha víka ojnice vůči hlavě ojnice je zabezpečena středící válcovou plochou ojničního šroubu , viz obr. 4.8 a). Přesné polohování víka ojnice vůči hlavě ojnice zabezpečuje , že po obrobení otvoru pro uložení ložiskových pánví , který je vyráběn ve smontovaném stavu , bude i při montáži na kliku motoru zachována potřebná kruhovitost a válcovitost ložiskové pánve . Aby nedošlo k záměně a přetočení víka ojnice, jsou stejné strany víka a hlavy ojnice označeny stejným číslem. Na obr. 4.8 a), c) je uvedeno označení používané firmou Škoda, kde uvedené číslice značí číslo válce ve kterém je ojnice namontována. Další výrobci, např. Zetor, Tatra používají značení pomocí čísel 100 až 999 na boku hlavy a víka ojnice, viz obr. 4.8 b). Výhodou je , že při opravách většího počtu stejných motorů Obr. 4.9 Dělící rovina ojničního oka vytvořená řízeným nemůže dojít k záměně . lomem Všechny tyto problémy řeší vytvoření dělící roviny hlavy a víka ojnice řízeným lomem, viz obr. 4.9 . Nejen, že není možno zaměnit víko jedné ojnice za víko jiné ojnice a přetočit víko ve vztahu k ojniční hlavě, ale náklady na výrobu jsou podstatně nižší. Porovnání výkovků ojnice s klasickým řešením středění víka ojnice a a)
b)
2
2
4 4
52
výkovku ojnice se středěním řízeným lomem je uvedeno na obr. 4.10 a), b).Všechny obráběné plochy jsou vyrobeny již před roztržením . Je tedy zřejmé, že vzniklý lom musí být křehký a nesmí nastat žádné plastické deformace. Poprvé byl tento způsob výroby použit u ojnice ze spékaného kovu u firmy BMW. Později byly vyvinuty materiály umožňující vytvoření křehkého lomu u ojnic litých i kovaných. Pozice 6 - ojniční šroub. Osa ojničního šroubu má být umístěna co nejblíže k ose čepu kliky. Tloušťka stěny mezi šroubem a ložiskovou pánví v dělící rovině je jen 1 až 1.5 mm. Umístění šroubů do těsné blízkostí ložiskových pánví omezují rozevírání dělící roviny a tím i deformace ložiska. Pro omezení ohybového namáhání ojničního šroubu by se osa šroubu měla nacházet v těžišti styčné plochy víka a hlavy ojnice.
a) b) Obr. 4.10 Výkovek ojnice: a) klasické b) s dělící plochou tvořenou křehkým lomem Pozice 7 - středící zářezy. Zabezpečují polohování tenkostěnných ocelových pánví při montáži ojnice na klikový čep. Proti pootočení za provozu motoru jsou ložiskové pánve chráněny celkovým přesahem vnějšího průměru obou polovin pánví ve vztahu k průměru vývrtu v hlavě ojnice. Přesah dosahuje hodnoty (0.04 ÷ 0.08) mm, a volí se podle tloušťky pánve a průměru klikového čepu. Prakticky všechny ojniční ložiska jsou tvořeny tenkostěnnými ocelovými pánvemi. Ve většině případů je vrchní a spodní pánev zaměnitelná, i když zatížení obou pánví je rozdílné. Horní pánev v hlavě ojnice je zatěžována krátkodobě silami od tlaku plynů (na konci komprese a na začátku expanze). Spodní pánev ve víku ojnice je dlouhodobě zatěžována silami setrvačnými od posuvných i rotačních hmotností. Toto zatížení představuje 75% času pracovního oběhu. Radiální vůle ojničních ložisek bývá ( 0.0005 ÷ 0.001) průměru ojničního čepu. Minimální vůle v ložisku je omezena průtočností pro mazací olej a je 0.0005 mm. Axiální vůle, představovaná možností posunu hlavy ojnice na klikovém čepu, nemá být vyšší než 0.1 ÷ 0.15 mm. Větší vůle může způsobovat odstředivé odstřikování oleje z ložiska. To způsobuje pokles tlaku v olejové vrstvě a snížení únosnosti ložiska. Délka ojnice Loj má zásadní vliv na celkovou výšku motoru a příčné rozměry klikové skříně motoru. Současnou tendencí je snižování délky ojnice . Tomu napomáhá i současný trend snižování výšky pláště pístu , protože jedním z limitujících faktorů je i potřebná vůle mezi spodní hranou pístu a protizávažími na klikovém hřídeli při poloze pístu v dolní úvrati. Šířka horního oka HH musí být uvažována i ve vztahu ke vzdálenosti nálitků pro pístní čep v pístu. Ojnice čtyřdobých motorů bývá axiálně vedena bočními plochami ojniční hlavy . Proto vůle mezi okem ojnice a nálitky pro pístní čep musí zabezpečit volné tepelné roztahování klikového Obr. 4.11 Titanová ojnice hřídele. Je nutno ověřit zda zvolená vůle pokryje , ve vztahu k axiálnímu uložení klikového hřídele, nejen
53
teplotní prodloužení, ale i výrobní tolerance délkových rozměrů klikového hřídele. Ocelové ojnice jsou kovány v zápustce. Používají se oceli třídy 11 až 15. Pro vysoce namáhané ojnice přeplňovaných motorů se používají oceli tř. 16. Po obrobení se v některých případech provádí tepelné zušlechťování. Pro zvýšení únavové pevnosti se povrch vysoce namáhaných ojnic kuličkuje nebo leští. Litinové ojnice z kujné nebo tvárné litiny se používají u malých motorů . U těchto motorů se objevují i ojnice lisované z plechu, ojnice z lehkých slitin a ojnice z kompozitních plastů. Ojnice ze slinutých kovů umožňují snížení hmotnosti až o jednu třetinu, v porovnání s ojnicí ocelovou kovanou. Obdobné snížení hmotnosti vykazují i ojnice vyrobené z titanu, viz obr. 4.11.
4.3 OJNIČNÍ ŠROUBY b)
a)
1
c) r
0.01 A
0.03 A
0.01 A
r
2
r
3 ∅d
A
A
A
2
r
r ≥ 0.2 d BROUŠENO
r 3
4 M9 x 1 - 4h 0.01 A
M14 x 1.5 - 4h
M9 x 1 - 4h
0.06 A
0.01 A
Obr.4.12 Příklady provedení ojničních šroubů. Konstrukční řešení : a) zavrtaného ojničního šroubu s válcovou středící plochou, b) zavrtaného ojničního šroubu se středěním víka ojnice kolíky, trubkovým čepem nebo řízeným lomem, c) průchozího šroubu s válcovou středící plochou. Ojniční šrouby jsou namáhány proměnným dynamickým zatížením. Hlavní zatížení vyvolávají setrvačné síly posuvných hmot pístní skupiny a ojnice a rotačních hmot ojnice bez jejího víka.Při malé tuhosti hlavy ojnice dochází k deformaci, která vyvolává přídavné ohybové namáhání ojničních šroubů. Taktéž nedodržení kolmosti dosedací plochy hlavy šroubu obr. 4.12 c) pozice 1, k ose šroubu, nebo dosedacích ploch hlavy ojnice k ose šroubu vyvolává přídavné ohybové namáhání. Vzhledem k tomu, že toto namáhání není při výpočtu uvažováno může způsobit utržení šroubu. Průměr dříku ojničního šroubu, pozice 3, by měl být menší než vnitřní průměr závitu. Prakticky se volí plocha průřezu dříku 80 % plochy jádra závitu. Délka dříku o tomto průřezu má být co nejdelší. Při ohybovém namáhání dlouhých, pružných dříků je amplituda napětí nižší a šroub tak lépe odolává únavovému namáhání. Závit šroubu 4 bývá metrický s upraveným profilem pro snížení koncentrace napětí. Je na dříku šroubu naválcován. Pro ojniční šrouby zážehových motorů se používají závity s jemným stoupáním, např. M8 x 1 a M10 x 1. U vznětových motorů pak M12 x 1.5 a M14 x 1.5. Materiál : vysoce legovaná ocel zušlechtěná na 1000 MPa, např. 13240, 15260.
54
4.4. KLIKOVÝ HŘÍDEL Klikový hřídel pístového spalovacího motoru zabezpečuje spolu s ojnicí kinematický převod přímočarého vratného pohybu pístu na pohyb rotační. Současně zabezpečuje konstrukce klikového hřídele i částečné vyvážení setrvačných sil a momentů posuvných a rotujících hmot pomocí protizávaží, náhon rozvodu, příslušenství a pomocných agregátů motoru. U čtyřdobých motorů je klikový hřídel využíván i k rozvodu mazacího oleje do ojničních ložisek. Klikový hřídel je zatěžován současným působením prostorové soustavy sil od tlaku plynů na písty a sil setrvačných. Silové účinky časově proměnné, jak z hlediska velikosti, tak i směru nositelky sil vyvolávají v hřídeli pružné kmity , které jej namáhají na ohyb, krut , tah a tlak. Konstrukce klikového hřídele musí zajišťovat tuhost ve vztahu k ohybovému a kroutícímu zatěžování, pevnost vůči působícím silovým účinkům, odolnost proti opotřebení čepů ložisek a dlouhou životnost při cyklickém zatěžování (vysokou únavovou pevnost). 4.4.1 KLIKOVÝ HŘÍDEL DVOUDOBÉHO MOTORU to TR
1 2 3
φ DL
φDR
φDH
broušen
broušen
broušen
TO
Příklad klikového hřídele jednoválcového dvoudobého motoru je uveden na obr. 4.13. Klikový hřídel dvoudobých motorů bývá u současných konstrukcí skládaný. Je skládán lisováním. U víceválcových motorů, obr. 4.14, musí být před lisováním na vnitřní hlavní čepy nasazeny ložiska a těsnění oddělující kompresní prostory jednotlivých válců. Na ojniční čepy, kterými jsou spojována ramena klikového hřídele jsou na jehlových ložiscích uloženy ojnice. Hlavní i ojniční ložiska jsou valivá, mazaná olejovou mlhou.
broušen
Obr. 4.13 Klikový hřídel dvoudobého motoru Na obr. 4.13 značí : Pozice 1 - rameno klikového hřídele. Vedle propojení ojničního a hlavního čepu zabezpečuje i částečné vyvážení rotačních hmot ( přibližně z 50 ÷ 70 %) . U motorů se spodní kompresí musí pro snížení velikosti parazitních objemů ramena klikového hřídele vyplňovat prostor klikové skříně co nejdokonaleji. V současné době je rameno většinou vykováno vcelku s hlavním čepem. Vyrábí se např. z Obr. 4.14 Klikové ústrojí motoru cementačních ocelí 12010, 12020, 14220. Vnější automobilu Wartburg 353 W. povrch ramen bývá broušený, viz obr.4.13. Broušené plochy umožňují použití úchylkoměrů pro vystředění klikového hřídele po slisování.
55
Pozice 2 - ojniční čep. Je zalisován do ramene kliky s přesahem 0.08 ÷ 0.12 mm. Vyrábí se z cementačních ocelí např. 14220, 16420, 16720. Vzhledem k tomu, že jeho povrch tvoří vnitřní kroužek jehlového ložiska je cementován do hloubky 1 ÷ 1.4 mm. Požadavkům na ložiskový kroužek odpovídá i předepsaná kruhovitost a válcovitost čepu. Pro zmenšení nevyvážených rotujících hmot a zvýšení únavové pevnosti je ojniční čep dutý a hrany na čelech jsou zaobleny a lapovány. Pozice 3 - hlavní čep. Většinou bývá vyroben s ramenem vcelku. 4.4.2 KLIKOVÝ HŘÍDEL ČTYŘDOBÉHO MOTORU Uspořádání ramen a vývažků klikových hřídelí čtyřdobých motorů je dáno počtem válců, koncepcí motoru (řadové, vidlicové, hvězdicové, X, H motory) a požadavky na vyvážení setrvačných sil a momentů. Na obr. 4.15 a) je zobrazeno schéma klikového hřídele čtyřválcového motoru . Klikový hřídel je uložen na třech hlavních ložiscích. Takovéto uspořádání klikového hřídele měly motory osobních automobilů po druhé světové válce . Výhodou byly nižší výrobní náklady a menší délka motoru. Vzhledem k nízké tuhosti uložení se již od počátku osmdesátých let u nově konstruovaných motorů toto uspořádání nepoužívá a klikové hřídele čtyřválcových řadových motorů jsou uloženy na pěti hlavních ložiscích, viz obr. 4.15 b). V období před druhou světovou válkou existovaly čtyřválcové řadové motory jejichž klikový hřídel byl uložen pouze na dvou hlavních ložiscích, na př. u motoru Praga Picolo. . 6 7 a) 5 b) 3
2
4
1
Obr. 4.15 Schéma klikového hřídele čtyřválcového motoru
Na obr. 4.15 a) značí : Pozice 1 - volný konec klikového hřídele, obr. 4.16, je využíván pro uložení kola náhonu rozvodového mechanismu , olejového čerpadla a řemenice náhonu pomocných agregátů, jako jsou alternátor, vodní čerpadlo, ventilátor chlazení, čerpadlo posilovače řízení, kompresor klimatizace a další. Součástí řemenice náhonu pomocných agregátů bývá v některých případech i tlumič torzních kmitů, případně u komunálních vozidel a některých traktorů příruba pro připojení náhonu předního vývodového hřídele. Pozice 2 - náhonový konec klikového hřídele, obr. 4.17, Je opatřen přírubou pro připevnění setrvačníku. U vozidlových motorů v něm bývá uloženo opěrné ložisko spojkového hřídele převodovky. Pozice 3 - příruba setrvačníku. Setrvačník bývá většinou středěn na obvodě příruby a připevněn šrouby, které jsou proti uvolnění pojišťovány různými typy plechových pojistek. Utažením šroubů musí být ve stykové ploše setrvačníku a příruby dosaženo tření, které přenese s dvojnásobnou bezpečností maximální kroutící moment vyvíjený motorem. Vzhledem k tomu, že u současných motorů je vyvažován klikový hřídel současně s namontovaným setrvačníkem je poloha setrvačníku vůči klikovému hřídeli určena pomocí kolíku, nebo nesymetrickým rozdělením šroubů.
56
Obr. 4.17 Náhonový konec hřídele
Obr. 4.16 Volný konec klikové hřídele
Pozice 4 - zalomení klikového hřídele. Jak bylo výše uvedeno jsou u současných motorů hlavní ložiska umístěna za každým zalomením klikového hřídele. Je tak zabezpečena požadovaná tuhost uložení a tedy i nízké vibrace a hluk motoru. Průměr hlavních čepů se volí dle zkušenosti. Obecně však platí, že řadové motory mají tím větší průměr hlavních čepů čím větší je počet válců motoru. Důvodem je potřeba dosažení takové torzní tuhosti klikového hřídele , aby vlastní frekvence torzních kmitů byla s dostatečnou rezervou vyšší než je maximální frekvence otáčení klikového hřídele. Délka všech hlavních čepů, bývá u méně zatížených zážehových motorů stejná, což umožňuje použití stejných ložiskových pánví pro všechny ložiska. U vznětových motorů a některých zážehových motorů bývá hlavní čep u náhonového konce hřídele, tedy u setrvačníku delší . U víceválcových řadových motorů se někdy zvětšuje délka středního ložiska , protože toto ložisko je značně zatíženo odstředivými silami vyvolanými tím, že zalomení klikového hřídele po obou stranách ložiska jsou na jedné straně. 7 5 6 9 10 Při návrhu je však třeba brát do úvahy fakt, že čím kratší jsou hlavní čepy tím větší je R ohybová a torzní tuhost klikového hřídele. R Maximální hodnota měrného tlaku by neměla překrytí čepů překročit 50 MPa. Úzká ložiska zmenšují R opotřebovávání okrajů ložiskových pánví při R průhybu hřídele. Pro zabezpečení požadované teploty ložiska však vyžadují zvýšený průtok 8 oleje. Ukazuje se, že i ložiska o relativní šířce pouze 0.25 průměru čepu pracují v blocích o vysoké tuhosti spolehlivě. Obr. 4.18 Zalomení klikové hřídele 2
1
1 2
57
Pozice 6 - ojniční (klikový) čep. Přenáší síly od ojnice na klikový hřídel. Měrný tlak by neměl překročit 25 ÷ 30 MPa. Jeho velikost je určována použitým materiálem a provedením výstelky ložiska. U vznětových vidlicových motorů, majících společný čep pro dvě ojnice, se objevují hodnoty měrného tlaku 30 ÷ 38 MPa. Torzní i ohybová tuhost klikového hřídele se zvětšuje překrytím hlavního a ojničního čepu, viz obr.4.18. Se zmenšováním poměru Z/D ( krátkozdvihové motory ) se překrytí zvětšuje. Pozice 7 - rameno klikového hřídele. Spojuje hlavní a ojniční čep. U motorů u nichž jsou hlavní ložiska přes dva válce (tříložiskový čtyřválcový motor) spojuje rameno i dva ojniční čepy. Vzhledem ke složitému tvaru se toto rameno neobrábí. Těžiště ramene by mělo být umístěno co nejblíže ose rotace. U motorů s hlavními ložisky za každým zalomením se ramena většinou obrábí. Součástí ramen bývají i protizávaží. U současných klikových hřídelí automobilních motorů jsou většinou vykována, nebo odlita vcelku s klikovým hřídelem. U starších motorů, nebo velkých motorů jsou protizávaží na klikový hřídel připevněna pomocí šroubových svěrných spojů. Ramena klikového hřídele mají většinou eliptický tvar dobře odolávající kroutícímu a ohybovému namáhání. Šířka ramene bývá u zážehových motorů v rozmezí (1.0 ÷ 1.25) D*), u vznětových motorů pak (1,05 ÷ 1,3) D. Přechody od hlavního čepu a klikového čepu do ramene je tvořen rádiusem o minimálním poloměru 0.06 ÷ 0.08 průměru čepu. Přechod z čepu do ramene je významným zdrojem koncentrace napětí.. Pomocí nákružků o tloušťce 0.5 ÷ 1 mm je možno rozdělit přechod na dva poloměry R1 a R2 , viz obr. 4.18 , což přispívá ke snížení koncentrace napětí. Další zvýšení únavové pevnosti je možno dosáhnout vyleštěním přechodových rádiusů, nebo jejich povrchovým zpevněním pomocí válečkování. Čepy klikového hřídele (ojniční i hlavní) se indukčně kalí do hloubky 3 ÷ 5 mm na tvrdost 50 ÷ 60 HRC. Kalící obrazec je volen tak, aby nedošlo k prokalení přechodu čepu do ramene klikového hřídele. Čepy se brousí a leští, přičemž přípustná kuželovitost a ovalita je 0.01 mm. Hloubka kalené vrstvy určuje počet možných přebroušení čepů při generální opravě motoru. Podrobněji je tato problematika rozebrána u ložisek klikového hřídele. Pozice 8 - protizávaží klikového hřídele. Odlehčují hlavní ložiska klikového hřídele od zatížení, které způsobují odstředivé síly. Je však nutno respektovat, že klikový hřídel není absolutně tuhý a v důsledku jeho pružnosti se momenty odstředivých sil rotujících hmotností a protizávaží částečně přenášejí ložisky na klikovou skříň a zatěžují ji. Nevýhodou použití protizávaží je , že zvyšují celkový hmotnostní moment setrvačnosti klikového hřídele, což snižuje vlastní frekvenci kmitání soustavy klikového hřídele. Hmotnost protizávaží dosahuje 70 ÷ 80 % celkové rotující hmotností. Protizávaží bývají u klikových hřídelí zážehových motorů a menších motorů vznětových vykována, nebo odlita vcelku s klikovým hřídelem. U větších motorů vznětových a starších konstrukcí motorů jsou k ramenům připevněna pomocí Obr. 4.19 Protizávaží vyfrézovaných drážek, které přenáší odstředivé i tečné síly. Proti uvolnění jsou protizávaží pojištěny pomocí šroubů, nebo svěrným spojením se šrouby, viz obr. 4.19 . Šrouby jsou zajištěny pojistkami. Klikový hřídel je vyvažován staticky i dynamicky po namontování protizávaží a u vysokootáčkových zážehových motorů i po připevnění setrvačníku **). Při vyvažování se odvrtává materiál na obvodě protizávaží a věnce setrvačníku. Aby bylo možno provést
58
přebroušení čepů hřídele po jejich opotřebení bez snímání protizávaží, nemá být tloušťka protizávaží větší než tloušťka ramene klikového hřídele. Pozice 9 - kanálky pro rozvod mazacího oleje. Zabezpečují přívod oleje z hlavních do ojničních ložisek. Na obr. 4.20 a) je uvedeno řešení používané u klikových hřídelí s dutými čepy. U klikových hřídelí ocelových kovaných jsou mazací kanálky vrtány způsobem vedeným na obr. 4.20 b) a 4.20 c) .Vyústění mazacích kanálků vyvolává v čepu značnou koncentraci napětí . Obr. 4.20 Přívod mazacího oleje Mělo by být v místě minimálního napětí . Pro z hlavního do ojničního ložiska snížení vrubového účinku jsou hrany vyústění mazacího kanálku zaobleny, leštěny případně zpevňovány kuličkováním. Pozice 10 - nákružek. Nákružky slouží jako axiální opěrná plocha hlavy ojnice u ojničního čepu, a současně zabezpečují potřebnou boční plochu pro výběh brusného kotouče při broušení poloměru přechodového poloměru mezi čepem a ramenem klikové hřídele. 4.4.2.1 Výroba a materiál klikových hřídelí Klikové hřídele čtyřdobých motorů rozdělujeme podle způsobu výroby na dělené, kované a lité. 4.4.2.1.1 Dělené klikové hřídele Dělené klikové hřídele pro čtyřdobé motory vyráběné stejnou metodou jako klikové hřídele dvoudobých motorů, tj. slisováváním ramen a čepů, používají nejčastěji výrobci motocyklových motorů, nebo motorů malé mechanizace. Mají tuto technologii dokonale zvládnutou a umožňuje jim zvýšení sériovosti výroby. Hlavní i ojniční ložiska klikového hřídele bývají valivá.
Obr. 4.21 Dělený klikový hřídel TATRA *)
D – vrtání válce motoru
**)
u závodních motorů je vyvažován klikový hřídel spolu se setrvačníkem a kompletní spojkou
59
Další metodou výroby dělených klikových hřídelí je spojování základních prvků pomocí šroubových spojů. Příkladem může být dělený klikový hřídel motorů TATRA, obr. 4.21. Je charakteristický tím, že kruhová ramena klikového hřídele slouží pro uložení vnitřních kroužků valivých ložisek. Tato ložiska pak jsou uložena v tzv. tunelové klikové skříni. Výhodou tohoto řešení je značná tuhost klikové skříně motoru a možnost stavebnicového řešení motoru. Změnou klikové skříně je možno poskládat motor o potřebném počtu válců. Klikový hřídel a tedy i celý motor je v důsledku absence hlavních čepů velmi krátký. Kompaktnost takto řešených motorů vyniká obzvláště u motorů do V. Přední díl klikového hřídele a zadní konec klikového hřídele jsou ocelové kované. Jednotlivé ojniční čepy s rameny jsou odlity z ocelolitiny. Životnost valivých ložisek je prakticky stejná, jako u ložisek kluzných. Výhodou jsou nižší třecí ztráty valivých ložisek a malý odpor proti otáčení při startování studeného motoru. Nevýhodou pak nárůst hlučnosti uložení klikové hřídele v důsledku provozního opotřebení. 4.4.2.1.2 Kované klikové hřídele Kovaný klikový hřídel motoru automobilu Fiat 128 je uveden na obr. 4.22.
Obr. 4.22 Kovaný klikový hřídel motoru Fiat 128 Ocelové kované klikové hřídele se vyrábí nejčastěji z materiálů 12050, 15131, 16342, 16720. Hřídel je předkován a zušlechtěn na pevnost 650 ÷ 800 MPa. Pro méně zatížené zážehové motory se čepy nekalí. U motorů vznětových a více zatížených motorů zážehových jsou na výrobu klikových hřídelí používány legované oceli, např. 14240, 15260 , zušlechtěné na pevnost 800 ÷ 950 MPa . Čepy jsou kaleny na tvrdost 54 ÷ 60 HRC. Tvar kalené vrstvy a provedení přechodů z čepů do ramen je ukázáno na obr. 4.22 Požadavky na přesnost výroby charakterizuje obr. 4.23. Obr. 4.23 Přesnost výroby klikové hřídele
60
4.4.2.1.3 Lité klikové hřídele V posledních letech se objevila řada motorů (zážehových i vznětových) pro osobní automobily, u kterých byl použit litý klikový hřídel. Vzhledem k menší pevnosti se lité klikové hřídele používají u méně zatížených motorů. V porovnání s ocelovými kovanými hřídeli mají větší průměry ojničních i hlavních čepů a větší přechodové poloměry, viz obr. 4.24. Výhodou odlévaných klikových hřídelí jsou malé Obr. 4.24 Litý klikový hřídel motoru Fiat 126p přídavky materiálu na opracování, větší ohybová tuhost a schopnost materiálu tlumit přenášené vibrace. Používá se tvárná litina i ocelolitina. 4.4.3 TLUMIČ TORZNÍCH KMITŮ V důsledku prostorové a časové proměnnosti zatížení klikového hřídele dochází k jejich torznímu rozkmitání. Výkmit předního konce klikového hřídele, kde je amplituda kmitů největší, nesmí překročit 2° (celý kmit 4°). Pro snížení amplitudy kmitů bývá na předním konci klikového hřídele umístěn tlumič torzních kmitů. Pracuje na principu odběru části kinetické energie torzních kmitů pro vykonání třecí práce. Tím dojde k poklesu amplitudy kmitání a tím i velikosti vznikajících torzních napětí. Nejčastěji jsou tlumiče torzních kmitů integrovány do tělesa řemenice náhonu pomocných agregátů motoru. Podle konstrukčního provedení rozlišujeme tlumiče : a) s vnitřním třením v pružných materiálech (silikonová pryž, obr. 4.25 a), b) se suchým třením (třecí tlumiče), obr. 4.25 b), c) s kapalinovým třením, obr. 4.25 c). Tlumič torzních kmitů klikového hřídele zobrazený na obr. 4.25 a) je tvořen setrvačnou hmotou 1 spojenou s unášečem 3 navulkanizovanou pryží 2. Unášeč 3 je přišroubován k řemenici na předním konci klikového hřídele, nebo bývá setrvačná hmota 1 navulkanizována přímo na řemenici . Při pružné deformaci pryže 2 se v důsledku vnitřního tření spotřebovává část energie vybuzující torzní kmity klikového hřídele a amplituda kmitů se snižuje. Nevýhodou tohoto typu tlumiče jsou nestabilní vlastnosti pryže, která svou tuhost i velikost vnitřního tření mění v závislosti na teplotě a velikosti deformace. Při nárůstu teploty klesá vnitřní tření i tuhost pryže. Obr. 4.25 Tlumiče torzních kmitů Dalším typem je tlumič torzních kmitů se suchým třením , obr. 4.25 b). Tento tlumič byl používán již na počátku století u dlouhých klikových hřídelí řadových motorů. Setrvačná hmota 4, tvořená dvěma disky otočně uloženými na pouzdru 7 je pružinami 5 rozepínána a přitlačována k třecímu obložení 6.
61
Princip práce je obdobný jako v předchozím případě, pouze vnitřní tření pryže je nahrazeno třením kmitající hmoty o obložení. Posledním typem tlumiče torzních kmitů je tlumič hydraulický, obr. 4.25 c). Setrvačná hmota 8 uložena na bronzovém pouzdru 9. Vnitřní objem hermeticky uzavřeného tělesa 10 je vyplněn kapalinou. Při kmitavém pohybu setrvačné hmoty 8 dochází v důsledku vnitřního tření v kapalině k odběru energie budícím kmitům. Jako kapalina je používán silikonový olej, který se vyznačuje velkou viskozitou a malou změnou viskozity při změně teploty. K potlačení negativních vlivů torzních kmitů dlouhých klikových hřídelí na rozvodový mechanizmus bývá, u řadových vznětových motorů s počtem válců větším jak čtyři, někdy řešen náhon rozvodu od zadního konce klikového hřídele. V blízkosti setrvačníku se nachází uzel torzních kmitů což zabezpečuje klidný chod a dlouhou životnost rozvodového mechanizmu. 4.4.4 SETRVAČNÍK Setrvačník bývá připevněn na zadní přírubu klikového hřídele. U motorů s malým počtem válců slouží k vyrovnávání úhlové rychlosti otáčení klikového hřídele, překonávání mrtvých poloh klikového mechanizmu a dodávání energie pro pomocné zdvihy pracovního oběhu. Při šesti a větším počtu válců se pracovní zdvihy válců dostatečně překrývají, takže motor může pracovat prakticky bez setrvačníku. Kinetická energie setrvačníku víceválcových motorů však ulehčuje jejich spouštění a je potřebná i pro plynulý rozjezd vozidla. U vozidlových motorů tvoří vnitřní plocha setrvačníku třecí povrch kotoučové spojky. Během provozu dochází k jejímu opotřebovávání, tepelné deformaci a popraskání. Je možno ji přebrousit při zachování předepsané rovinnosti , házivosti a drsnosti povrchu. U vozidel s automatickou převodovkou plní funkci setrvačníku rotor čerpadla hydrodynamické spojky. Součástí setrvačníku je i ozubený věnec tvořící prvek převodu mezi elektrickým startérem a klikovým hřídelem motoru.. Převodový poměr 1 : 13 až 1 : 15 umožňuje konstrukci spouštěče s malými vnějšími rozměry. Ozubený věnec bývá nahřát na teplotu 190 ÷ 240 °C a nalisován na obvod setrvačníku. Na povrchu setrvačníku některých motorů bývá umístěna značka určující polohu horní úvrati prvního válce motoru a úhlová stupnice pro nastavení velikosti základního předstihu zážehu, nebo předstihu vstřiku. Značky pro HÚ a polohu základního předvstřiku mohou být u vznětových motorů nahrazeny otvory pro polohovací kolík. U větších vznětových motorů je setrvačník před montáží na klikový hřídel staticky a dynamicky vyvážen. Vzhledem k dobrým třecím vlastnostem šedé litiny a materiálů používaných na obložení spojkové lamely jsou setrvačníky jejichž obvodová rychlost nepřekročí 70 m.s-1 odlévány z tohoto materiálu. Při obvodových rychlostech do 100 m.s-1 se používá ocelolitina a při rychlostech do 110 m.s -1 ocel. Dvouhmotový setrvačník používaný u pohonných jednotek některých osobních automobilů slouží k potlačení hluku a vibrací přenášených do prostoru posádky. Snížení hlučnosti a vibrací je vyvoláno zmenšením amplitudy torzních kmitů převodového systému. Při použití dvouhmotového setrvačníku je nutno počítat s nárůstem amplitudy torzních kmitů klikového hřídele motoru.
62
5. LOŽISKA A TĚSNĚNÍ KLIKOVÉ HŘÍDELE Pro uložení klikového hřídele v klikové skříni se v převážné míře u čtyřdobých motorů používají ložiska kluzná a u motorů dvoudobých ložiska valivá. Totéž platí i pro uložení ojnic na čepu klikového hřídele.Těsnění klikového hřídele zamezuje úniku oleje z klikové skříně do okolního prostředí. Stelně jako u jiných rotujících hřídelí jsou i zde požívány hřídelové těsnící kroužky.
5.1 LOŽISKA SPALOVACÍHO MOTORU Použití kluzných ložisek u čtyřdobých motorů je umožněno tlakovým cirkulačním mazáním motoru, které v ložiscích vytváří hydrodynamickou mazací vrstvu, zabezpečující nízké opotřebení a vysokou životnost ložiska. Toto uložení se dále vyznačuje schopností omezit přenos vibrací klikového hřídele na blok motoru a tedy i nízkou úrovní hluku vyzařovaného motorem. U dvoudobých motorů využívajících klikovou skříň motoru jako kompresní prostor pro stlačení nasáté směsi paliva se vzduchem, je použití tlakového mazání kluzných ložisek spojeno se značnými problémy s odstraněním oleje odstřikujícího z ložisek do směsi paliva se vzduchem tak , aby se olej nedostal při přepouštění nad píst. Proto převažuje u těchto motorů použití valivých ložisek umožňujících mazání jemnými kapičkami oleje rozptýlenými ve směsi paliva se vzduchem . Množství oleje potřebné pro mazání valivých ložisek je podstatně menší než u ložisek kluzných. Olej tedy není ze směsi paliva se vzduchem při jejím přepouštění nad píst odstraňován a je spálen. Mluvíme o mazání ztrátovém. 5.1.1
VALIVÁ LOŽISKA Pro uložení klikových hřídelí dvoudobých motorů bývají používána převážně jednořadá radiální kuličková ložiska , nebo kombinace radiálního kuličkového ložiska s ložiskem válečkovým. Uložení těchto ložisek v klikové skříni z hliníkových slitin je značně problematické. Velký rozdíl roztažnosti ocelového kroužku ložiska a materiálu klikové skříně způsobuje, že ložiska musí být zalisována do skříně s velkým přesahem, což vede k nutnosti používat ložiska s větší radiální vůlí. Při častější demontáži a opětovném zalisování ložisek však dochází k jejich uvolnění. Řešením je použití dělící roviny klikové skříně procházející osou klikového hřídele a umožňující tak stažení ložisek mezi poloviny klikové skříně pomocí šroubů. Druhou možností je uložení ložisek v ocelových vložkách zalitých do materiálu skříně pomocí metody Alfin . Mazání těchto ložisek je zabezpečováno dvěmi způsoby. Jsou-li hlavní ložiska klikového hřídele v klikové skříni uložena v prostoru spodní komprese slouží k jejich mazání kapičky oleje přiváděné k ložiskům buď v palivové směsi, nebo je tlakový olej ze samostatné olejové nádrže pomocí olejového 1 čerpadla přiváděn tryskami přímo k ložiskům. Jsou-li ložiska od prostoru spodní komprese oddělena těsnícími kroužky slouží k mazání olej , který současně maže i primární převod a převodovku 2 motocyklu. 5.1.1.1 Ojniční ložisko dvoudobého motoru Ojniční ložiska dvoudobého motoru jsou namáhána silovými účinky od tlaku plynů , odstředivými silami, teplem vyvolávaným třením klece ložiska o vedení v ojničním oku. Všechny tyto účinky jsou časově proměnné a vyvolávají únavové namáhání ložiska. Na obr. 5.1 je uveden příklad provedení ojničního ložiska
63
3
Obr. 5.1 Ojniční ložisko
dvoudobého motoru. Vnitřní povrch ojničního oka 1 tvoří oběžnou dráhu po níž se pohybují valivé elementy ložiska. Povrch je cementován, tepelně zpracován a broušen tak , aby vyhovoval povrchovým a tvarovým požadavkům na ložiskový kroužek. Jen výjimečně je zalisováno do měkké ojnice kalené ocelové pouzdro. U tohoto řešení je nepříznivé, že v důsledku jeho zalisování vznikají přídavná napětí v materiálu oka ojnice. Tab. 5.1 Doporučené rozměry jehlových ložisek .
30 ÷ 50
Zdvihový objem válce motoru [cm3] 50 ÷ 100 100 ÷ 150 150 ÷ 200 200 ÷ 300
nad 300
ojniční ložiska
14x18x10 12x17x10 16x22x12
16x22x12 18x24x12 18x24x13
18x24x15 20x26x15 20x26x17
20x26x17 22x28x16 22x29x15
22x29x16 25x31x17 25x32x16
25x32x16 30x37x16 35x42x20
ložiska pístního čepu
12x15x15 12x15x17 12x16x13
12x16x16 14x18x15 14x18x17
14x18x21 15x19x20 16x20x20
16x20x20 18x22x22 18x22x23
18x22x23 18x22x25 20x24x30
20x24x30 20x25x22
V tab. 5.1 jsou uvedeny doporučené rozměry jehlových ložisek ve vztahu ke zdvihovému objemu válce motoru, jak pro ložiska ojniční, tak i pro ložiska pístního čepu. Radiální vůle ložiska je určována rozměry ložiska, otáčkami, tuhostí klikového hřídele a jeho uložení. V závislosti na velikosti ložiska se pohybuje v rozmezí 0,012 až 0,030 mm. Radiální vůle je předepisována v úzké toleranci, kterou zabezpečuje výběrová montáž vycházející z rozměrů ojničního čepu, vnitřního průměru ojničního oka a odpovídající volby průměru jehel . Průměry jehel jsou tříděny do více výběrových skupin (Wartburg - 9 skupin). Jehla ojničního ložiska 2 obr. 5.1 má průměr 2 až 4 mm. V jednom ložisku musí být jehly jejichž průměr se nachází v tolerančním rozmezí 0.002 mm. Hrany jehel jsou zaobleny a celý povrch je lapován. Klec ojničního ložiska 3 je zhotovena u nízkootáčkových málo zatížených motorů z hliníkových slitin, u vysokotáčkových motorů z pérové oceli (např. 14260) . Pro lepší odvod tepla z ložiska bývá povrch klece galvanicky poměděn, nebo postříbřen. Klec ložiska je vedena v oku ojnice na vnějším povrchu. Šířka je menší než šířka ojničního oka. Mazání ložiska je zabezpečeno frézovanými výřezy ve stěně oka, kudy do ložiska proniká parovzdušní směs benzinu s kapičkami oleje. 5.1.1.2 Ložisko pístního čepu dvoudobého motoru Ložisko pístního čepu bývá u méně namáhaných motorů tvořeno 4 bronzovým pouzdrem. U dvoudobých motorů nedochází ke změně smyslu působící síly jako u motorů čtyřdobých . Není zde sací zdvih a síla 3 působí pouze ve směru od pístu na ojnici. Nedochází tedy k čerpání oleje do měnící se mezery mezi pístním čepem a ložiskem. Musí tedy být 2 zabezpečen dostatečný přívod směsi s olejovými kapičkami do stykových ploch ložiska frézovanými výřezy v oku ojnice 4, obr. 5.2. Rychloběžné motory s větším zatížením mají ložisko jehlové. 1 Horní oko ojnice 1 má vnitřní povrch upraven dle požadavků ložiskového kroužku. Radiální vůle ložiska se pohybuje v rozmezí 0,005 až 0,015 mm. Obr. 5.2 Úzká tolerance radiální vůle je zabezpečována výběrovou montáží. Na Ložisko příklad motor Wartburgu 353 W při výběrové montáži používá třídění pro pístního čepu dva průměry pístního čepu, devět průměrů oka pro pístní čep a devět průměrů jehel.
64
Jehly ložiska pístního čepu 2 mají průměr 1 až 2 mm. V jednom ložisku se mohou nacházet jehly v tolerančním pásmu 0,002 mm.Klec ložiska 3 je ocelová fosfátovaná. Jehly jsou v ní umístěny nerozebíratelně. Pro zvýšení únosnosti ložiska se v některých případech používají jehly bez klece, tzv. sypané jehly. I v tomto případě je mazání ložiska pístního čepu zabezpečeno frézovanou drážkou. 5.1.1.3 Axiální uložení ojnice dvoudobého motoru Axiální vedení ojnice je zajištěno buď spodním, nebo horním vedením ojnice. V případě spodního vedení ojnice je ojnice axiálně vedena broušenými čely velkého ojničního oka dosedajícími na broušené vnitřní plochy ramen klikového hřídele. Vůle mezi okem a rameny je 0,3 až 0,6 mm. Kluzný styk zabezpečuje buď intenzívní mazání bočními výřezy na obou stranách oka ojnice, nebo jsou použity bronzové podložky vkládané mezi oko ojnice a ramena klikového hřídele. Horní vedení je zabezpečováno axiální vůlí mezi malým okem ojnice a nálitky v pístu pro pístní čep. Velikost vůle je stejná jako v předchozím případě. 5.1.2 KLUZNÁ LOŽISKA Používají se jako hlavní a ojniční ložiska klikového hřídele a ložisko pro uložení pístního čepu v oku ojnice u motorů s tlakovým cirkulačním mazáním. U těchto motorů jsou dále používána kluzná ložiska pro uložení vačkového hřídele, vahadel , případně kol náhonu ventilového rozvodu. Dříve používaná ložiska pro uložení klikového hřídele v bloku motoru i ložiska ojniční byla vyráběna v podobě dvoudílné bronzové pánve vylité 2 ÷ 3 mm silnou vrstvou ložiskového kovu. Vnitřní , kluzný povrch ložiska se opracovával pouze nahrubo a k příslušnému čepu se přizpůsoboval zaškrabáváním. Životnost těchto ložisek byla v důsledku deformace ložiska a vrstvy ložiskového kovu poměrně malá a v průběhu životnosti motoru se musela často renovovat. Po druhé světové válce se rozšířilo používání hydrodynamických ložisek s tenkostěnnými nebo tlustostěnnými ocelovými pánvemi jejichž životnost odpovídala životnosti pístní skupiny motoru. Hydrodynamické ložisko je řešeno tak, že za provozu je mezi čepem a stěnou motor v klidu start motoru provoz ložiska trvale udržována vrstva mazacího oleje a tření je pouze kapalinné. V kontaktu Obr. 5.3 Hydrodynamické kluzné ložisko se stěnou ložiska je čep pouze za klidu, klikového hřídele. startování a doběhu motoru , viz obr. 5.3. Ukázka tenkostěnné ocelové pánve je uvedena na obr. 5.4. Základním nosným prvkem je ocelový nosič. U tenkostěnných ocelových pánví je poměr tloušťky stěny pánve k jejímu průměru menší jak 0,2 až 0,3. Tlustostěnné pánve mají tento poměr vyšší a používají se převážně u velkých vznětových motorů. Tenkostěnné ocelové pánve o tloušťce 1,5 až 2 mm se používají u běžných vozidlových motorů. Jsou tvořeny ocelovým nosičem na němž je nalita, naválcována případně sintrována základní vrstva ložiskového kovu tzv. výstelka. První ocelové pánve byly dvouvrstvé nyní se používají tří čtyř a vícevrstvé pánve. Požadavky na výstelky ložiskových Obr. 5.4 Tenkostěnná ložisková pánev 65
pánví vyplývají z jejich zatížení. Třecí plocha ložiska je namáhána dynamickými tlakovými účinky za zvýšené teploty. Musí být tedy odolná proti únavovému namáhání . V důsledku mazání olejem, který je postupně znehodnocován zplodinami hoření a palivem proniklými do klikové skříně motoru ze spalovacího prostoru,musí být povrch ložiska odolný proti korozi. Dále musí povrch výstelky pohlcovat tvrdé částice, které se do ložiska dostanou s mazacím olejem a musí taktéž dobře snášet mezní stavy provozu ložiska , jako je polosuché tření při startu a doběhu motoru. Silové zatížení ložiska je možno stanovit z polárního diagramu . Maximální silový účinek Fmax vyvolává v ložisku maximální měrný tlak pmax vyjádřený vztahem : F max p max = [MPa], l*d kde l [mm] - šířka ložiskové pánve, d [mm] - průměr ložiska. Pro zážehové motory současných vozidlových motorů dosahují povolené hodnoty maximálních tlaků pro : hlavní ložiska klikového hřídele 40 [MPa], ojniční ložiska 50 [MPa], ložiska pístního čepu 100 [MPa]. Pro motory naftové jsou tyto údaje rozšířené o maximální tlak v mazací vrstvě a minimální bezpečnou tloušťku mazací vrstvy uvedeny v tab. 5.2. Maximální dovolená hodnota měrného tlaku u ložisek pístního čepu těchto motorů je 140 MPa. Nižší dovolené hodnoty měrného tlaku v hlavních ložiscích v porovnání s ložisky ojničními vyjadřují respektování možností deformace klikového hřídele a klikové skříně. Tab. 5.2 Charakteristické parametry ložisek naftových motorů. použití
ložisko
motory osobních automobilů
motory nákladních automobilů
drážní a lodní motory
průměr hřídele ≤ 70 mm životnost cca 3000 h
průměr hřídele ≤ 150 mm životnost cca 15 000 h
průměr hřídele ≥ 350 mm životnost cca 50 000h
ojniční
hlavní
ojniční
hlavní
ojniční
hlavní
maximální 90 65 90 60 42 30 měrný tlak [MPa] maximální 700 350 650 280 400 230 tlak v mazací vrstvě [MPa] minimální 0.2 0.24 0.3 1.0 3.2 4.0 tloušťka mazacího filmu [µm] Teplotní režim ložiska je určen střední teplotou oleje v mazací vrstvě. U hydrodynamických ložisek je teplota omezena poklesem viskozity oleje, v jehož důsledku dochází k rychlejšímu výtoku oleje z ložiska a tím i ke snižování tloušťky mazací vrstvy. Je tedy nutno při návrhu ložiska předepsat viskozitní třídu oleje a uvažovat i změnu viskozity v průběhu provozu motoru . Olej s vysokou viskozitou při nízkých teplotách zhoršuje startovatelnost motoru. Podrobnější popis návrhu a výpočtu ložiskových uzlů spalovacích motorů je uveden v lit. [39], [40].
66
5.1.2.1 Konstrukce kluzných ložisek. Ložiskový uzel hlavního ložiska klikového hřídele je tvořen vývrtem v klikové skříni motoru uzavřeným ložiskovým víkem, viz obr. 5.5 a obr. 5.6. Vývrt všech hlavních ložisek se provádí najednou, přičemž šrouby ložiskových vík jsou utaženy předepsaným momentem. Poloha víka vůči skříni je zajišťována různými typy zámků, pomocí lícovaných šroubů, válcových vložek , tedy stejně jako v případě ojničních vík. Taktéž použití řízeného lomu v dělící rovině hlavního ložiska se u používá u litinových bloků, viz obr. 5.7. Obdobně jako u ojničních vík musí být provedeno i zde jednoznačné označení víka určující jeho přiřazení k příslušnému ložisku.. Pro zachycení a přenos sil působících v hlavních čepech klikového hřídele na klikovou skříň motoru se používají radiální ložiska. Axiální síly působící na klikový hřídel při provozu motoru a hlavně pak při vypínání spojky jsou zachycována ložiskem axiálním. Počet a rozložení radiálních ložisek vyplývá z konstrukce klikového hřídele, jak bylo uvedeno výše. Šířka radiálních ložisek bývá u zážehových motorů většinou stejná. Pouze u dlouhých šestiválcových motorů bývá střední Obr. 5.5 Radiální a axiální ložisko ložisko, které je značně zatížené , širší. U klikové hřídele vznětových motorů bývá často širší ložisko u setrvačníku. Axiální ložiska jsou umístěna po stranách jednoho ložiska radiálního, obr. 5.5, nebo jsou s ním integrována, obr. 5.6. U vznětových motorů jsou nejčastěji umísťována u posledního ložiska u setrvačníku. U motorů zážehových a motorů řadových s větším počtem válců jsou často umísťována u předního konce klikového hřídele. Důvodem je omezení vlivu teplotní dilatace hřídele na polohu náhonové soustavy vačkového hřídele poháněné od předního konce klikového hřídele. Axiální ložiska Obr. 5.6 Integrované ložisko však mohou být umístěna i u středního ložiska klikového hřídele, což rozdělí tepelnou deformaci hřídele . Poloha tenkostěnných ocelových pánví v ložisku je při montáži zajišťována prolisovanými jazýčky, které zapadají do vyfrézovaných vybrání ve víku a tělese ložiska, obr. 5.5 a obr. 5.6. Proti pootočení při startování a doběhu motoru, kdy dochází ke kontaktu čepu s ložiskovou pánví , jsou však zabezpečeny vysokým měrným tlakem vyvolaným přesahem pánve ve vývrtu. Tento přesah odpovídá uložení H6/r6 případně u6. Vysoký měrný tlak Obr. 5.7 Víka ložisek mezi pánví a tělesem ložiska zabezpečuje i dobrý přestup vytvořená řízeným lomem tepla s pánve do stěn klikové skříně. 67
5.1.2.2 Materiál a provedení tenkostěnných ocelových pánví Základní provedení tenkostěnných ocelových pánví hlavních a ojničních ložisek klikového hřídele bylo uvedeno na obr. 5.4. Na ocelový nosič o tloušťce 1.5 až 2 mm je nanesena jedna nebo více vrstev ložiskového kovu , tzv. výstelka. Provedení výstelky závisí na zatížení ložiska a požadované životnosti ložiska, obr. 5.8. Dvouvrstvá ložisková pánev sestává z ocelového nosiče a vrstvy bílého kovu (cínové kompozice), která je na nosič odlita. Druhou možností je vrstva hliníkové kompozice, která bývá na nosič naválcována, nebo odlita metodou ALFIN , viz obr. 5.8. Používají se pouze pro malá ztížení např. ložiska klikového hřídele velkých pomaluběžných čtyřdobých motorů, případně ložiska vačkových hřídelí. Třívrstvá ložisková pánev se běžně používá pro ložiska automobilních motorů. Na ocelovou pánev je Obr. 5.8 Konstrukční řešení nalita nebo naválcována, jako základní ložiskový kov, tenkostěnných pánví vysoce pevná hliníková kompozice, nebo kompozice z olověného bronzu. Její tloušťka je 0.2 až 0.4 mm. Na tento základ je galvanicky nanesena protidifuzní vrstvička niklu o tloušťce 7 µm a dále záběhová vrstva olovnaté kompozice o tloušťce 10÷15 µm. Tato velmi měkká vrstva usnadňuje záběh ložiska a současně pohlcuje tvrdé částice, které prošly olejovým filtrem . Další dva typy tenkostěnných ocelových pánví Obr. 5.9 Drážkovaná uvedených na obr. 5.8, se vyznačují mimořádnou odolností ložisková pánev proti opotřebení. Obdobné vlastnosti vykazuje i drážkovaná pánev uvedená na obr. 5.9. Nevýhodou těchto pánví je však značná cena. Proto se v některých případech můžeme setkat s kombinací vysoce odolné pánve na straně vyššího zatížení , např. u vysoce přeplňovaných vznětových motorů je to pánev ve víku hlavního ložiska, a běžné třívrstvé pánve v tělese bloku motoru. 5.1.2.3 Ložiska pístního čepu Pístní čep je kluzně uložen v nálitcích pístu pro pístní čep a u plovoucího pístního čepu v ložiskovém pouzdru malého oka ojnice. Ve většině případů je uložení pístního čepu v nálitcích pístů z Al slitin bez ložiskových pouzder, tedy přímo v materiálu pístu. U pístů vysoce přeplňovaných vznětových motorů a pístů z litiny se požívají ložisková pouzdra z olovnatých bronzů, obr. 5.10. Materiálem ložiskových pouzder bývá olovnatý bronz. U Obr. 5.10 Pouzdro pístního čepu větších motorů pak ocelové pouzdro s výstelkou z olovnatého bronzu. Ložisková pouzdra jsou stáčena z pásku. U monometalických ložisek z bronzu je polotovar pouzdra zalisován do oka ojnice, u větších průměrů čepů pojištěn proti pootočení a vystružen na předepsaný rozměr. Tenkostěnná ocelová pouzdra se nevystružují a proti pootočení jsou zajištěna přesahem při zalisování. Mazání kluzného uložení pístního čepu v ojničním oku je zabezpečováno nasáváním oleje z akumulačního otvoru v oku ojnice.
68
5.2 TĚSNĚNÍ KLIKOVÉHO HŘÍDELE Těsnění klikového hřídele zamezuje úniku oleje z klikové skříně do okolního prostředí. Stelně jako u jiných rotujících hřídelí jsou i zde požívána hřídelové těsnící kroužky. První hřídelové těsnící kroužky vyráběla v roce 1929 firma Simmering a pro utěsnění klikového hřídele motoru byly použity v roce 1935. Vlastní provedení uložení hřídelových těsnění je patrné z obr. 5.11. Těsnící kroužky jsou na předním konci zalisovány do předního víka motoru. Na zadním konci klikového hřídele pak většinou do pomocného zadního víka přišroubovaného k bloku motoru. Přední i zadní pomocné víko jsou vzhledem k bloku motoru polohovány kolíky. Toto řešení zajišťuje potřebnou souosost otvoru pro těsnící Obr. 5.11 Těsnění klikového hřídele motoru kroužek s osou rotace klikového hřídele. Přesah kroužku na čepu se pohybuje v rozmezí 0.1 ÷ 0.2 mm. Tvrdost čepu v místě styku s těsněním musí být vyšší než 30 ÷ 45 HRC. Drsnost povrchu čepu bývá Ra = 0.2 ÷ 0.5 µm. Materiál těsnících kroužků je nutno zvolit s ohledem na maximální obvodové rychlosti těsněného průměru a na teploty dosahované za provozu. Vhodnost jednotlivých typů materiálu je uvedena na obr 5.12. Tab 5.4 Maximální provozní teploty těsnění označení pryže pryž provozní dle ČSN 62 0004 teplota [°C] NBR
butadién100 akrylnitrilová ACN polyakrylátová 130 MVQ silikonová 150 Obr. 5.12 Materiál FKM fluorkaučuková 160 hřídelových těsnících kroužků Princip práce těsnícího kroužku je patrný z obr. 5.13. Je zřejmé, že za provozu není břit v kontaktu s povrchem hřídele. Meniskus kapilární vrstvy se v důsledku dynamických dějů může v některém místě odtrhnout a dojde pak k úniku oleje. Aby k tomu nedocházelo je vnější plocha břitu na straně vzduchu opatřena výstupky, které uniklý olej vrací zpět do kapilární vrstvy. Těsnění s nálitky skloněnými na jednu stranu jsou určena pouze pro jeden směr otáčení.Těsnění bez nálitků, nebo s oboustranně skloněnými nálitky je možno použít pro oba směry otáčení. 69
I když těsnící kroužky jsou vybaveny prachovkou omezující průnik prachu do kapilární vrstvy oleje, jemné částice do oleje pronikají a po delší době provozu dochází k vybroušení drážky pod břitem těsnění. Aby bylo možno při opravě zabezpečit těsnost tohoto uzlu jsou na předním konci hřídele často nalisovány výměnné kroužky, nebo je těsnící kroužek součástí řemenice.U těsnění zadního konce klikového hřídele se často u motorů zemědělských traktorů lisuje těsnění do různých hloubek. Při první montáži , u výrobce, dozadu a při opravách se pak zalisovává do menší hloubky. Hřídelová těsnící kroužky je nutno do víka vždy lisovat. Lisovací přípravek musí mít doraz a při lisování je nutno dodržovat na konci Obr. 5.13 Těsnící břit hřídelového lisování časovou prodlevu umožňující pryži kroužku vyrovnat deformace vzniklé při lisování. Pro správnou funkci těsnícího kroužku je důležitá souosost vnějšího průměru pro uložení těsnění a hřídele, malá házivost hřídele za provozu a kolmost zalisování k ose hřídele. Uvedené problémy řeší kazetová ucpávka na obr. 5.14, nebo těsnění s teflonovou manžetou na obr 5.15. Na obr. 5.14 značí A vnější kroužek lisovaný do víka s teflonovou prachovkou, B
A D
B
ztrÖtovÀ vÀkon [W]
C
Obr. 5.15 Teflonová těsnící manžeta Obr. 5.14 Kazetové hřídelové těsnění těsnící břit ze silikonové pryže, C vnitřní kroužek lisovaný na hřídel a D těsnící plochu. Nespornou výhodou těsnících kroužků 250 s teflonovou manžetou jsou nižší mechanické ztráty. 200 Porovnání klasického hřídelového těsnícího 150 kroužku a kroužku se sníženým přítlakem 100 s kroužkem s teflonovou manžetou pro práci motoru 50 na jmenovitém režimu při otáčkách n = 6000 min-1 0 teflonovâ standardnã stadardnã je provedeno na obr. 5.16. se snã«enÀm pÌ ãtlakem
Obr. 5.16 Ztrátový výkon hřídelových těsnících kroužků
70
6. KLIKOVÁ SKŘÍŇ A BLOK VÁLCŮ MOTORU Kliková skříň pístového spalovacího motoru slouží k uložení klikového hřídele. Motorový blok je tvořen dvěmi komponenty. Je to kliková skříň a blok válců. V počátcích výroby motorů bylo obtížné dokonale odlít tak složitý výrobek a proto byla samostatně odlévána kliková skříň motoru a k ní pak byly přišroubovány jednotlivé válce. Později byly válce odlévány ve dvojicích a nebo u čtyřválcových motorů jako jeden celek , blok válců. Společný odlitek klikové skříně a bloku válců tvoří motorový blok. Doposud je řešení se samostatnou klikovou skříní a k ní přišroubovanými válci užíváno u motorů chlazených vzduchem , případně u velkých motorů lodních. Kliková skříň spolu s válci motoru, případně blok motoru s a hlavou válců vytváří základní nosný systém sloužící k vyrovnání vnitřních sil a momentů vycházejících z procesu spalování a určených konstrukcí klikového mechanizmu. Taktéž zachycuje i vnější silové účinky působící za provozu na motor. Nemusí to být jen reakční moment, ale např. u monoblokové konstrukce traktoru i síly působící na přední nápravu traktoru, nebo u motorů motocyklových může být součástí nosného rámu. Dalším úkolem bloku motoru je vytvoření potřebných vazeb a propojení systému mazání a chlazení motoru, uložení a náhonu rozvodových mechanizmů a pomocných agregátů motoru. Základní požadavek na konstrukci klikové skříně a bloku motoru vychází z tuhosti uložení klikového mechanizmu a co největšího utlumení vnitřního hluku a vibrací motoru.
6.1 KLIKOVÁ SKŘÍŇ DVOUDOBÝCH RYCHLOBĚŽNÝCH MOTORŮ. V současné době jsou to motory malé mechanizace, mopedů a motocyklů. Ve většině případů je kliková skříň odlita vcelku s převodovou skříní. Válec motoru bývá ke skříni připojen pomocí dlouhých svorníků, které 1 2 současně upevňují i hlavu válce, viz 1 na 3 obr. 6.1. 4 U jednoválcových motorů bývá dělící rovina nejčastěji svislá, obr. 6.1. Na obr. 6.1 motoru mopedu BABETTA jsou uvedeny další prvky 2 související s celkovou koncepcí klikové skříně. Položka 2 , polohovací kolíky zajišťující vzájemné uložení obou polovin skříně, která jsou těsněny plochým těsněním 3 a vzájemně spojeny pomocí šroubů 5. 5 Klikový hřídel je uložen v ložiscích 4, nalisovaných do vývrtů v klikové skříni a 6 utěsněn proti okolnímu prostředí hřídelovým Obr. 6.1 Kliková skříň motoru mopedu těsněním 6 . BABETTA Součástí odlitku klikové skříně motoru mohou být i části šachet přepouštěcích kanálů. Bývají v nich vrtány otvory propojující koleno šachty s hlavními ložisky. Účelem těchto otvorů je využití oleje, který se zde při malých rychlostech průtoku směsi v důsledku odstředivé síly shromažďuje , pro mazání hlavních ložisek motoru.
71
Obr. 6.2 Kliková skříň dvouválcového motocyklového motoru GUZZI 250 TS a čtyřdobého čtyřválcového motocyklového motoru Kawasaki ZR1000
Pro zlepšení chlazení klikové skříně a skříně převodovky jsou tyto opatřeny chladícími žebry. V důsledku snížení teploty klikové skříně dochází ke zlepšení hmotnostního naplnění spodního kompresního prostoru směsí. Vodorovná dělící rovina klikové skříně bývá nejčastěji použita u víceválcových motorů, viz obr. 6.2. Na obr. 6.2 je u motoru Kawasaki zobrazen i blok válců tvořený jedním odlitkem, který je jako celek spolu s hlavou válců připevněn ke klikové skříni dlouhými svorníky. Pro výrobu klikových skříní se používají hliníkové slitiny odlévané do kokil. U závodních motocyklů je využíván i elektron ( Mg 96 Al 3 Zn 1) odlévaný do pískových forem. Výhodou je nižší hmotnost, ale obtížněji se obrábí a jeho povrch je nutno chránit proti oxidaci.
6.2 KLIKOVÁ SKŘÍŇ A BLOK MOTORU U MOTORŮ OSOBNÍCH A NÁKLADNÍCH AUTOMOBILŮ Samostatná kliková skříň s připojenými válci se v současné době vyskytuje pouze u automobilních motorů chlazených vzduchem (TATRA, DEUTZ). Kapalinou chlazené motory používají motorový blok jako hlavní nosný prvek k němuž jsou 1 připojeny ostatní části motoru. Na obr. 6.3 je pozicí 3 označen blok motoru. K němu jsou shora připojena 2 hlava válců 2 a na ni pak horní víko vačkového hřídele a ventilů. 1. Z přední strany pak přední víko 4 3 5 , kryjící náhon rozvodů , a ze zadní strany sdružený chladič a filtr mazacího oleje 5. Na spodní stranu 4 bloku je přišroubován spodní díl klikové skříně s víky hlavních ložisek klikového hřídele 6 a přes těsnění 7 je připojeno spodní víko motoru 8. Některé důležité prvky bloku motoru jsou označeny na obr. 6.4 : 6 7
8
Obr. 6.3 Blok a hlavní díly motoru
1 - dosedací plocha hlavy válců,2 -závity svorníků hlavových šroubů, 3 - chladící plášť válců, 4 - válec, 5 - těleso hlavního ložiska klikové hřídele, 6 - boční stěna klikové skříně, 7 - dosedací plochy víka ložiska, 8 - závit šroubu ložiskového víka,
72
1
3
2
11 4 9
10
5 6
7
8
9 - výztužné žebro, 10 - hlavní olejový kanál, 11 - ulitka čerpadla chlazení. Pozicí 1 je označena dosedací plocha hlavy válců. Podle provedení plochy bloku na niž dosedá hlava válce rozlišujeme bloky s uzavřeným (Closed-deck) obr. 6.5 a) a otevřeným (Open-deck) chladícím prostorem, obr. 6.5 b). Obr 6.4 Blok motoru
a)
b)
Obr. 6.5 Konstrukce dosedací plochy hlavy válců Výhodou monometalických otevřených bloků z Al slitin je možnost náhrady pískových jader, pro tvorbu chladícího pláště válců ,částí ocelové kokily pro tlakové lití. Dochází tak k poklesu výrobních nákladů a výraznému růstu produktivity. Výhodou je i skutečnost, že v úrovni doběhu prvního pístního kroužku je zajištěn dokonalý odvod tepla do proudící kapaliny, což je u uzavřených bloků obtížné. Nevýhodou je však nižší tuhost uložení válců a značné namáhání těsnění pod hlavu válců v důsledku ohybových deformací válce. Snaha omezit tyto deformace vede k použití heterogenních bloků se zalitými litinovými pouzdry válců , viz obr.6.11. Uzavřené bloky vykazují vyšší tuhost. Používají se hlavně u vznětových motorů . Důvodem jsou vyšší normálové síly jimiž působí píst na stěnu válce . Pozicí 2 na obr. 6.4 jsou označeny závity pro svorníky hlavových šroubů. Jsou vytvořeny v nálitcích, jejichž provedení je zřejmé z obr. 6.6. Závit šroubu začíná pod úrovní dosedací plochy . Důvodem je omezení deformace dosedací plochy po dotažení šroubu. Vzhledem k požadavku na co největší pružnou deformaci má být svorník co nejdelší . Ve 73
většině případů však rozměr nálitku je omezen požadavkem na průtočné průřezy pro průtok chladící kapaliny. Zajímavé řešení nabízí heterogenní blok na obr. 6.11. Je zde dodržena zásada, že osa šroubů hlavy by měla ležet v rovině šroubů ložiskových vík, což zaručuje, že nevzniknou přídavné ohybové momenty, které by namáhaly stěnu bloku. U většiny motorových bloků je čerpadlo chladící kapaliny připevněno na přední straně bloku. Často bývá jako součást bloku odlita i část skříně odstředivého čerpadla , viz 11 na obr. 6.4. Chladící kapalina je přiváděna do prostoru prvního válce. Část Obr.6.6 Nálitky kapaliny pokračuje k dalším válcům a část prochází otvory do hlavy pro svorníky válců. Chladící kapalina obtékající válce vytváří chladící plášť, šroubů hlavy pozice 3, obr. 6.4. U všech dřívějších konstrukcí bloků motoru obtékala chladící kapalina válec po celém obvodě. Snaha o co nejkratší motory pro osobní automobily vedla k tomu, že u některých současných motorů dosahuje tloušťka stěny mezi válci , v podélné ose motoru , jen 7 mm. Vzhledem k dobré tepelné vodivosti Al slitin nemusí protékat mezi válci monolitických hliníkových bloků žádná chladící kapalina. U bloků z šedé litiny , vzhledem k 2,5 krát nižší tepelné vodivosti, však musí být oblast doběhu prvního pístního kroužku chlazena. Možná řešení jsou uvedena na obr. 6.7.
Obr. 6.7 Provedení chladícího pláště u monolitických bloků ze šedé litiny Další výhodou dobré tepelné vodivosti Al slitin je, že výška chladícího pláště válce může u monolitického bloku motoru dosahovat pouze do poloviny zdvihu pístu od horní úvrati. U válců z šedé litiny je však vhodné, aby chladící plášť dosahoval do oblasti doběhu prvního těsnícího kroužku v dolní úvrati pístu, viz obr. 6.7. Pozice 4 na obr. 6.4 označuje válec motoru. Jak už bylo v úvodu této kapitoly řečeno, v současné době je u kapalinou chlazených motorů blok válců motoru slit s klikovou skříní v jeden celek , blok motoru. Podle provedení vlastního válce motoru v bloku rozlišujeme motorové bloky s válci vloženými a válci odlitými v jednom celku . Podrobněji bude o problematice válců motoru a jejich pracovní ploše pojednáno v následující kapitole. Pokud se týká bloků u nichž jsou současně odlévány i válce, mohou být tyto vyráběny z šedé litiny i hliníkových slitin. U bloků z šedé litiny je možno pracovní plochu válce zhotovit přímo z odlévaného materiálu. U bloků z Al slitin je situace složitější a odlévané bloky mohou být podle provedení válce motoru charakterizovány jako monolitické, quasimonolitické a heterogenní, viz obr. 6.8 Výhody Al bloků v porovnání s bloky ze šedé litiny: • úspora hmotnosti, viz obr. 6.9, • vysoká zatížitelnost daná dobrou tepelnou vodivostí materiálu,
74
• tribologicky příznivý povrch válce , snižující emise v důsledku poklesu spotřeby paliva a mazacího oleje. Nevýhodou bloků z hliníkových slitin je až 2.5 krát vyšší cena.
Al - blok monolitický blok
nadeutektické slitiny Al -Si (ALUSIL)
quasi-monolitický blok
vrstva nanesená na pracovním povrchu válce
galvanicky Ni - SiC
heterogenní blok
vkládané matrice z křemíkových vláken či krystalů (LOKASIL)
plasmatické nástřiky
vložené pouzdro
suché
zalité
šedá litina
mokré
zalisované nebo vkládané při vysoké teplotě
volně vkládané
nadeutektické slitiny Al - Si
spékané kovy
Obr. 6.8 Konstrukční řešení motorových bloků z Al slitin Způsoby výroby Al bloků : Monolitické bloky jsou vyráběny nízkotlakým litím z nadeutektické slitiny Al-Si . Pro tuto slitinu jsou charakteristické jemně rozptýleny krystalky křemíku v objemu odlitku. V poslední době se objevuje nová metoda přidávaní reaktivních materiálů, jako jsou bority nebo nitridy, do taveniny Al-Si. V důsledku probíhající reakce vzniká jemnozrnný materiál s potřebnými vlastnostmi třecí plochy válce. Quasi-monolitické bloky jsou vyráběny infiltrací hliníku pod pomalu vzrůstajícím tlakem ( angl. Squeeze casting) do keramických částeček nebo vláken tvořících pórovitou kostru (něm. Preform - Zylinder) vloženou do kokily, viz obr. 6.10 , kde je u vedena ukázka takového typu Al bloku včetně keramického válce.Tím získáme po opracování potřebnou strukturu pracovního povrchu válce a současně dochází i ke zvýšení pevnosti. Další možností je vytvoření pracovního povrchu válce nanesením potřebného materiálu buď galvanickým pokovením, nebo nástřikem. V současné době je galvanicky nanášena vrstva Ni-SiC. Pro nástřik plasmovým dělem, nebo laserem se používá hliníková slitina s rozptýlenými keramickými částečkami (např. Al2O3). Heterogenní bloky jsou tvořeny odlity z levné hliníkové slitiny se zalitými, nebo zalisovanými pouzdry válců. Válce mohou být vyrobeny z litiny, oceli nebo z vhodně upravených hliníkových slitin. Vyrábějí se sintrováním , kdy nekovové částice a kovový prášek z Al slitiny je za studena slisován do tvaru vloženého válce a v ochranné atmosféře slinován. Sintrování umožňuje dosažení velmi jemné homogenní struktury materiálu s její dobrou reprodukovatelností. Další možnou metodou je vmíchávaní tvrdých částic do slitiny. Speciálním postupem Duralcan® jsou částice korundu , případně SiC, vmíchávány do taveniny tak, aby nedošlo ke gravitačnímu rozvrstvení. Vzniklý materiál je pak odlit ve tvaru vloženého válce. Obdobně je vyráběn nástřikem polotovar vloženého válce. Jemně rozprášená hliníková tavenina a paprsek křemíkových částic (alternativou je přehřátá nadeutektická
75
slitina AlSi) je nastřikován na rotující nosič . Vzniklý trubkový polotovar je homogenizován kováním, válcováním nebo lisováním při čemž se odstraní případná porezita. Zajímavou ukázkou heterogenního bloku z Al slitiny je blok na obr. 6.11 Metodou Alfin® jsou u něj zality do bloku nejen litinová pouzdra válců, ale i horní polovina hlavních ložisek tvořící současně kotevní místo pro uchycení svorníků hlavových šroubů. Součástí litinové vložky je i hlavní mazací kanál.
Obr. 6.9 Porovnání hmotnosti bloků z Al slitin a litinových
Obr. 6.10 Quasi-monolitický blok z Al slitiny
Obr. 6.11 Blok motoru z Al slitiny se zalitými pouzdry válců a ložisky z šedé litiny Těleso ložiska označuje pozice 5 na obr. 6.4. Z hlediska životnosti motoru i jeho provozních vlastností , tj. hluku a vibrací motoru je dostatečně tuhé uložení klikového hřídele důležité. Dříve bylo často požíváno řešení , kdy dělící rovina ložiska procházela současně i přírubou pro upevnění spodního víka motoru , viz obr. 6.12. Uvedené řešení bylo výhodné z hlediska snadné výroby odlitku i opracování dosedacích ploch ložiskových vík , ale ložiskový uzel vykazoval malou tuhost. Zvýšení tuhosti bylo dosaženo prodloužením boční stěny klikové skříně pod úroveň ložisek a propojení ložisek s touto stěnou výztužnými žebry, viz obr. 6.4. Použitím nosného spodního víka motoru se vytváří tuhá uzavřená skříňová konstrukce, používaná např. motory Zetor UŘ III.
76
Větší problémy s tuhostí uložení klikového hřídele vykazují bloky z Al slitin. Nejjednodušší způsob zvýšení tuhosti je použití ložiskových vík odlitých z šedé litiny, např. motor Škoda 781 (Favorit). Vedle zvýšení tuhosti přináší použití litinových vík i zmenšení ložiskové vůle vyvolané tepelnou roztažností. Menší tloušťka vrstvy mazacího oleje vede ke zvýšení tuhosti uložení hřídele, snižuje vibrace a tedy i vyzařovaný hluk a umožňuje použít olejového čerpadla o nižším příkonu. Zdokonalením tohoto řešení je vytvoření nosné části ložiskového uzlu včetně ukotvení hlavových šroubů z litiny , viz obr. 6.11. Dalšího zvýšení tuhosti dosáhla firma Volvo u svého Obr. 6.12 Blok motoru motoru pro automobil 850 GLT použitím rozdělené s rovinou připojení spodního ložiskové skříně motoru, kde ve spodní části jsou jako víka v dělící rovině ložisek celek odlita ložisková víka , viz obr. 6.13 a obr. 6.14 nahoře. Nevýhodou tohoto řešení je nutnost těsnit další dělící rovinu bloku motoru. Jednodušším řešením, je použití integrovaného ložiskového rámu, viz obr. 6.14 dole. Dosahuje se však nižší tuhosti uložení klikového hřídele. I když posuvné síly v dělící rovině ložiska jsou zachycovány svislými plochami jimiž se víko opírá o těleso ložiska, pozice 7 na obr. 6.4, působí u vidlicových motorů v dělící rovině ložiska značně větší síly než je tomu u motorů řadových. Zvýšení tuhosti v tomto směru je dosahováno pomocí přídavných šroubových spojů, viz obr. 6.15. Běžné provedení závitu pro šroub, nebo svorník víka hlavního ložiska je na obr. 6.4 označen pozicí 8. Požadavky na jeho konstrukci jsou obdobné jako u svorníků pro připevnění hlavy. Přívod mazacího oleje zajišťují vrtané kanálky propojující prostor ložiska z hlavním olejovým kanálem, pozice 10 , obr. 6.4. U motorů se skládanou klikovou hřídelí , u nějž jsou hlavní ložiska tvořena velkými válečkovými ložisky nasazenými na ramenech Obr. 6.13 Volvo 850 GTL klikového hřídele je kliková skříň motoru uzavřena a tvoří tzv. tunelovou skříň, viz obr. 6.16. Tuto konstrukce je použita u motorů nákladních automobilů TATRA. Žebra 9 na obr. 6.4 zvyšují výrazně tuhost stěn bloku a omezují tak vyzařování hluku do okolního prostředí. Na obr. 6.17 jsou uvedeny díly traktorového Obr. 6.14 Ložiskové rámy motoru Z-7201 , které jsou součástí bloku motoru, nebo na něj navazují. Do bloku motoru je vkládán vložený válec 1. Ve spodní části je utěsněn „O“ kroužky 2. Hlava válce je připevněna k bloku motoru svorníky 3. Alternátor je uchycen na blok držákem 4. Měrka 5 pro kontrolu výšky hladiny zásoby motorového oleje ve spodním víku motoru
77
Obr. 6.15 Zvýšení tuhosti uložení víka ložiska u vidlicového motoru
Obr. 6.16 Tunelová skříň
prochází otvorem v bloku a je do něj zašroubována. Pozicí 6 je označen kohout umožňující vypuštění chladící kapaliny z bloku motoru. Zadní příruba motoru 7 slouží k připojení spojkové skříně a její součástí je i nálitek pro připojení startéru. Svorníky 8 zavrtané do 1 nálitku klikové skříně 9 slouží pro připevnění vysokotlakého vstřikovacího čerpadla. Samotný nálitek 9 tvoří 3 2 klikovou skříň vzduchového kompresoru. Vstup chladící kapaliny do 4 prostoru válců z čerpadla, které je 5 připevněno na čele bloku, zabezpečují otvory 10. Pozice 11 označuje 6 7 šroubovou zátku uzavírající hlavní 8 10 mazací kanál motoru. Vývrt pro uložení 9 vačkového hřídele je označen pozicí 12 . 11 13 Šroub 13 umožňuje zavěšení motoru na 12 jeřáb . Axiální ložiska klikového hřídele 14 jsou označeny pozicí 14 , radiální ložiska pak 15. Svorníky pro uchycení 15 předního víka motoru pozice 16. Víka 14 16 hlavních ložisek klikového hřídele 17 jsou k bloku motoru připevněna pomocí 17 svorníků 18 a matic 19 . 18 Hlavní díly připevňované k bloku motoru Z-7201 jsou vyznačeny na obr. 6.18. 19 Víka 1 uzavírající prostor zdvihátek ventilového rozvodu jsou k bloku 15 připevněna pomocí šroubů. Jeden z těchto šroubů je dutý a připevňuje Obr. 6.17 Blok traktorového motoru trubku 2 sloužící k odvětrávání prostoru klikové skříně. Víka 1 jsou utěsněna pomocí těsnění 3. Na zadní stranu bloku je přišroubováno pomocné víko 4 pro uložení hřídelového těsnění 5 náhonového konce klikového hřídele. Poloha vzhledem k ose klikového hřídele je zajištěno kolíkem 6. Přední víko bloku motoru 8 je utěsněno těsněním 7. Poloha víka vůči ose klikového hřídele, nutná pro dokonalou funkci hřídelového těsnění 13, je zajištěna broušenými trubkovými vložkami 9.
78
Blok motoru je přes těsnění 11 uzavřen spodním víkem 12. Vzhledem k tomu, že u většiny motorů slouží jako zásobník motorového oleje, nebo jej u motorů se suchou klikovou skříní shromažďuje, bývá pro něj užíván název „ olejová vana “ . Dříve bývalo toto víko vyráběno lisováním z tenkého ocelového plechu, který byl na okrajích tvořících přírubu zesílen bodově přivařeným ocelovým pásem. Pro snížení vyzařování hluku jsou tato víka odlévána z Al slitin, viz obr. 6.18, nebo u traktorových motorů, kde tvoří součást systému přenosu sil a momentů u 1 3 monoblokové konstrukce 2 4 traktoru i z litiny. Výhodou vík odlévaných z Al slitin je vedle toho, že zvyšují celkovou tuhost 7 5 bloku motoru, i lepší odvod teple z oleje do okolního 6 8 prostředí. Tomu napomáhají vnější i vnitřní 9 žebra. Vnitřní žebra 13 spodního víka a krycí plech 10 , obr. 6.19, zabezpečují 10 omezení přelévání oleje při 11 brždění , nebo akceleraci 12 14 vozidla. Tento pohyb oleje by mohl způsobit odkrytí sacího koše olejového Obr. 6.18 Díly připojené k bloku traktorového motoru čerpadla a způsobit zavzdušnění mazacího systému motoru. Opotřebený olej je vypouštěn zátkou 14 umístěno v nejnižším místě víka. Přerušení přenos vibrací z motoru na víko, což vede k výraznému snížení vyzařovaného hluku, je možno zabezpečit pomocí pryžového těsnění, které dokonale oddělí víko od bloku, viz obr. 6.20.
Obr.6.19 Spodní víko
Obr. 6.20 Spodní víko motoru s přerušením přenosu vibrací
79
7. VÁLEC A HLAVA VÁLCE MOTORU Válec pístového spalovacího motoru plní následující požadavky : • stěny válce ohraničují pracovní (spalovací ) prostor, • zabezpečují vedení pístu a zachycují síly vázané na kinematiku klikového mechanizmu, • tvoří kluznou a těsnící plochu pro pohyb pístu, přičemž povrch pracovní plochy válce musí zajistit vytvoření a udržení olejového filmu ve všech režimech práce motoru, • zabezpečují odvod tepla z pístu a chlazení pracovního prostoru, • u dvoudobých motorů jsou v nich umístěny rozvodová okna. Za provozu je válec pístového spalovacího motoru namáhán silami od tlaku plynů, normálovými silami od pístu a změnou teploty. Všechny tyto účinky jsou časově proměnné a vyvolávají tak únavové namáhání materiálu válce. Pracovní plocha válce je namáhána třením a její opotřebení zvyšuje i abrasivní a korosivní účinek provozních látek a produktů spalování.
7.1 VÁLEC DVOUDOBÉHO RYCHLOBĚŽNÉHO MOTORU Válec dvoudobého rychloběžného motoru tvoří samostatný díl, který je připevněn ke klikové skříni pomocí dlouhých svorníků připevňujících současně hlavu válce, nebo pomocí příruby. U motorů chlazených vzduchem jsou ke klikové skříni připevňovány jednotlivé válce, u kapalinou chlazených víceválcových motorů mohou být válce slity do bloku válců a připevněny ke klikové skříni jako celek. Obr. 7.1 ukazuje konstrukční řešení válce současných dvoudobých motorů. Na obr. 7.1 a) je heterogenní válec vzduchem chlazeného motoru u nějž je do chladícího pláště z Al slitiny zalisováno za tepla pouzdro válce. Přesah pouzdra vůči vývrtu ve válci je 0.05 až 0.09 mm a hliníkový válec je před lisováním ohřát na 200 °C. Obdobné řešení pro válec kapalinou chlazeného motoru je uvedeno na obr. 7.1 b). Obr. 7.1 Válec dvoudobého motoru Vhodnější z hlediska přenosu tepla je řešení, kdy do pláště z hliníkové slitiny je zalito metodou Alfin® pouzdro válce z jiného materiálu. Nejčastěji je používána šedá litina, ocelolitina, niresist , nebo u závodních motorů i bronzový vložený válce s pracovním povrchem pokrytým chrómem. Další možnosti výroby heterogenních válců byly uvedeny v kap. 6.2 v části zabývající se výrobou bloků z Al slitin. Monolitický válec u nějž je pracovní plocha válce vytvořena přímo z materiálu válce je uveden na obr. 7.1 c). Před druhou světovou válkou byly takovéto válce s žebry pro chlazení vzduchem odlévány z šedé litiny. V současné době jsou používány hliníkové slitiny, přičemž pracovní povrch válce je vhodným způsobem upravován. Heterogenní válec dvoudobého vzduchem chlazeného motoru je uveden na obr. 7.2. Pozicí 1 je označeno pouzdro válce (vložka) . Jak již bylo výše uvedeno bývá vyrobeno z litiny nebo jiných materiálů a do chladícího pláště 2 je zalisováno, nebo zalito metodou ALFIN®. Utěsnění spalovacího prostoru ve vztahu k hlavě válce zabezpečují kroužky z mědi vložené do drážky v pouzdru válce, obr. 7.3 a), b), nebo u méně Obr. 7.2 Heterogenní válec zatížených motorů ostré hrany soustružených výstupků dvoudobého motoru obr. 7.3 c). Rozměry žeber chladícího pláště válce
80
Obr.7.3 Utěsnění spalovacího prostoru v plášti a pouzdru válce. Uložení válce v klikové skříni zajišťuje broušený vnější průměr vložky a příruba 3, obr. 7.2. Výfukový kanál 4 navazuje na výfukový otvor
motoru chlazeného náporovým vzduchem jsou uvedeny v tab. 7.1. U kapalinou chlazených motorů, obr. 7.1 b), zasahuje chladící plášť až do oblasti výfukového a v některých případech i sacího kanálu. Utěsnění vodního prostoru proti spalovacímu prostoru i okolnímu prostředí je řešeno silikonovými „O“ kroužky vloženými do drážky Tab. 7.1 Rozměry chladících žeber h e [ mm ] [ mm ]
t [ mm ]
t1 [ mm ]
litina
15 ÷ 50
4÷9
6 ÷ 12
1.5 ÷ 3
Al slitina
15 ÷ 79
3 ÷ 6 3.5 ÷ 10
1÷2
materiál
frézovaná 60 ÷ 70 3.5 ÷ 4 3.5 ÷ 4 1÷2 žebra pouzdra válce. Tvar a rozměry výfukového otvoru a navazujícího kanálu výrazně ovlivňují výkon motoru. Dolní hrana výfukového otvoru musí být v dolní úvrati pod hranou dna pístu . Horní hrana pak určuje počátek otvírání výfukového kanálu, tedy časování rozvodu výfuku. Počátek otvírání výfukového kanálu je možno měnit změnou polohy výfukové přívěry 5. Používá se u některých motocyklových motorů pro rozšíření rezonanční oblasti výfukového systému motoru. Okna přepouštěcích kanálů 6 zabezpečují přívod čerstvé směsi paliva se vzduchem ze spodního kompresního prostoru v klikové skříni motoru a nasměrování směsi do prostoru nad pístem tak, aby došlo k co nejlepšímu vypláchnutí objemu pracovního prostoru válce motoru od Obr. 7.4 Uspořádání spalin. Proudění čerstvé směsi ve válci motoru ukazují šipky přepouštěcích kanálů na obr. 7.4.
7.2 VÁLEC ČTYŘDOBÉHO MOTORU Zásadní rozdíl je v řešení válce vzduchem chlazeného motoru a válce motoru chlazeného kapalinou. Válce vzduchem chlazených motorů jsou samostatné a jsou jednotlivě připevněny ke klikové skříni motoru, podobně jako u rychloběžných motorů dvoudobých. Válce kapalinou chlazených motorů mají společný chladící plášť , jsou tedy slity v jeden celek, blok válců. V počátcích výroby motorů byl tento blok přišroubován ke klikové skříni , později pak byl s klikovou skříní odlit jako jeden celek, blok motoru. 7.2.1 VÁLEC VZDUCHEM CHLAZENÉHO ČTYŘDOBÉHO MOTORU Válce malých čtyřdobých vzduchem chlazených motorů jsou řešeny prakticky stejným způsobem jako válce motorů dvoudobých. Samozřejmě neobsahují kanály pro výměnu náplně ve válci motoru, to zabezpečují ventily umístěné v hlavě válce. Ale vlastní konstrukce pouzdra válce a jeho připojení k chladícímu plášti jsou totožné. Válce větších motorů jsou nejčastěji odlévány vcelku metodou odstředivého lití. Řízeným ochlazováním je možno dosáhnout na pracovní ploše válce tvrdou perlitickou strukturu a u vnější části s žebry strukturu feritickou. Pro zabezpečení spolehlivého chlazení je použit nucený oběh vzduchu . Ventilátor zabezpečuje vysokou rychlost průtoku vzduch chladícími
81
žebry i při nízkých pojezdových rychlostech. Proto jsou žebra těchto motorů podstatně nižší než u motorů s náporovým chlazením a taktéž rozteč mezi žebry může být menší viz obr. 7.5. Pro snížení celkové délky motoru bývají u víceválcových motorů žebra mezi válci kratší. Aby však nedocházelo v důsledku velkého rozdílu teplot stěny válce po jeho obvodě k deformaci kruhového průřezu válce, je vzduch usměrňován vhodně uspořádanými deflektory, tak, aby teplota stěn byla co nejrovnoměrnější. Obr. 7.5 Válec Pro výpočet potřebného průřezu a plochy chladících čtyřdobého motoru žeber existuje z dřívější doby řada postupů, viz lit. [43], [44], [45]. V současné době pak jsou rozšířeny postupy založené na metodě konečných prvků. Praktické zkušenosti však ukazují, že rozložení teplotního pole válce je nutno ověřit experimentálně. 7.2.2 VÁLEC KAPALINOU CHLAZENÉHO ČTYŘDOBÉHO MOTORU Válce kapalinou chlazeného motoru jsou tvořeny společným odlitkem s klikovou skříní a vytváří blok motoru. Pracovní plocha válce, tj. plocha, která je ve styku s pístními kroužky a pístem , je obrobena přímo v materiálu bloku motoru, nebo je vytvořena pomocí pouzder vkládaných do vývrtu v bloku motoru . Tyto, tzv. vložené válce, se zhotovují z materiálů, které mají lepší třecí vlastnosti a odolnost proti opotřebení než základní materiál bloku motoru. Problematika válců monolitických bloků z litiny a hliníkové slitiny a quasimonolitických bloků z Al slitin byla rozebrána v kap.6.2. Vkládané válce byly používány do devadesátých let u všech typů motorů. Z rozvojem technologie výroby monolitických a quasi-monolitických bloků zabezpečujících dostatečně vysokou životnost pracovního povrchu válce se u motorů osobních automobilů od konstrukce s vloženými válci ustoupilo.Výhodou tohoto řešení je nižší hmotnost i rozměry bloku motoru. V případě zadření pístu ve válci motoru je však nutno demontovat motor z vozidla a opravu pracovní plochy válce musí provádět specializované pracoviště. Tato skutečnost je vedle ceny rozměrného bloku důvodem proč u motorů nákladních automobilů, traktorů a dalších velkých motorů jsou nadále používány vložené válce. Z kapitoly o konstrukci ojnic víme, že jedním z požadavků na konstrukci velkého oka ojnice je možnost vytažení pístu s ojnicí vývrtem válce bez demontáže klikového hřídele. V případě zadření pístu ve válci je tedy možno po sundání hlavy válců jednoduše nahradit poškozenou pístní skupinu a válec motoru aniž by bylo nutno motor demontovat z vozidla. Podle toho, je-li vnější povrch vloženého válce v kontaktu s chladící kapalinou rozlišujeme vložené válce na suché a mokré. Suchý vložený válec, obr. 7.6, je zalisován do vývrtu bloku motoru s malým přesahem a jeho povrch není v kontaktu s chladící kapalinou. Vložený válec je zhotoven buď z ocelového plechu, nebo jako tenkostěnný litinový odlitek. Tloušťka stěny bývá 2 až 4 mm. Konečné opracování pracovní plochy válce se provede až po zalisování do bloku motoru. To je značně nevýhodné, protože v případě poruchy je nutno vymontovat motor z vozidla, provést jeho kompletní demontáž a zajistit specializované pracoviště, které Obr. 7.6 Suchý vložený provede honování pracovní plochy opraveného válce. Další válec nevýhodou tohoto řešení je i zhoršení přestupu tepla do chladící kapaliny.
82
Mokrý vložený válec obr. 7.7, odstraňuje oba výše uvedené nedostatky. Pracovní plocha válce je již honována a válec se v případě poruchy jednoduše vymění. Podle způsobu uložení vloženého válce v bloku motoru rozlišujeme vložené válce s horní dosedací plochou, tzv. visící , nebo zavěšená vložka, obr. 7.7 a) a vložené válce se spodní dosedací plochou obr. 7.7 b). U vložených válců s horní dosedací plochou je středění do osy vývrtu v bloku motoru zabezpečeno horním středícím průměrem a axiální síly jsou zachycovány přírubou jejíž plocha činí cca 15% plochy pístu. Spodní těsnící průměr bývá pro usnadnění vkládání menší než je horní středící průměr. Výhodou vložených válců s horní dosedací plochou je snazší dosažení požadované tolerance přesahu vložky nad plochou bloku motoru (na obr. 7.7 a) míra 0.06 Obr. 7.7 Mokrý vložený válec, a) mm) a tedy i lepší utěsnění všech spalovacích s horní, b) s dolní dosedací plochou prostorů. Další výhodou jsou i menší ohybové deformace válců vyvolávané působením normálové složkou síly od tlaku plynů na píst při spalování a možnost axiální tepelné dilatace vložky omezující vznik vzpěrných napětí a deformací vývrtu válce. Z těchto důvodů je toto provedení vložených válců používáno u vznětových motorů. Jistou nevýhodou je omezení průtoku chladící kapaliny v oblasti doběhu prvního pístního kroužku a tedy i určité snížení odvodu tepla. Požadavkem však je, aby v místě doběhu prvního pístního kroužku v horní úvrati byla vždy vnější plocha pouzdra omývána chladící kapalinou. Utěsnění chladícího prostoru vůči klikové skříní bývá zabezpečeno pryžovými " O " kroužky, které jsou umístěny buď v drážkách vysoustružených ve vloženém válci , pozice 1, nebo ve vybrání v bloku motoru , pozice 2 obr. 7.7 a). Tyto „O“ kroužky mívají průměr 3 ÷ 6 mm. Případný průnik chladící kapaliny může být signalizován kontrolním otvorem 3. Ze zkušenosti s motory Zetor bych chtěl upozornit na skutečnost , že použití "O" kroužků o větším objemu než předepisuje výrobce, vede, vzhledem k nestlačitelnosti pryže , k deformaci válce a zadření pístu v oblasti "O" kroužků. Dokonalost odvodu tepla je základní předností vložených válců se spodní dosedací plochou, tzv. válců vzepřených. Vzhledem k menším normálovým silám působícím na stěnu válce je toto provedení používáno u zážehových motorů osobních automobilů. Středící válcová plocha zachycující částečně i ohybový moment bývá poměrně vysoká. Těsnící plocha spalovacího prostoru válce má mít přesah 0.03 ÷ 0.1 mm. Nastavení tohoto přesahu a současně i utěsnění prostoru s chladící kapalinou vůči klikové skříní zabezpečují tenké měděné podložky, pozice 1 obr. 7.7 b). Pro zvýšení těsnosti se někdy používají plochá silikonová těsnění uložená na čelní ploše, nebo „O“ kroužky umístěné na válcové středící ploše pouzdra.Čelo vložky přečnívá nad dosedací plochu bloku motoru o h = 0.03 ÷ 0.15 mm, viz obr.7.8. Tento požadavek vyplývá z potřeby upevnit vložku 2 v bloku motoru 1 . Současně je zajištěno i utěsnění spalovacího prostoru těsněním 3 vloženým mezi hlavu válců 4 a blok motoru 1. .Hodnoty přesahu jsou uváděny v poměrně úzkých tolerancích. U víceválcových motorů je důvodem zajištění potřebné těsnící síly na všech válcích. Pokud má některá z vložek menší přesah dochází následně k profuku spalin mimo spalovací prostor , nejčastěji Obr. 7.8 Přesah do chladící kapaliny. Tento problém se vyskytuje převážně u motorů vložky s pouzdry vzepřenými.
83
Vložené válce se vyrábí odstředivým litím na výstelku. Materiál pouzdra musí mít dobré třecí vlastnosti ve vztahu k pístním kroužkům zabezpečující nízké opotřebení a dlouhou životnost. Pro vložené válce našich motorů se používá nízkolegovaná perlitická šedá litina dle ČSN 09 3131. Přísady Ni, Cr, Mo, Cu zajišťují litině stabilnější perlitickou strukturu, vyšší pevnost, a odolnost proti opotřebení. Ve zvláštních případech jsou válce vyráběny z vysoce legované litiny, nebo oceli. Vnitřní průměr vloženého válce se vyrábí se značnou přesností a výběrově se třídí v převážné míře tří rozměrových tříd odpovídajících rozměrovému třídění pístů. Po běžném obrábění je dokončovací operací pracovního povrchu válce motoru honování brusnými kameny z karbidu křemíku. Stopy po honování vytváří křížové šrafování s úhlem honování 40 až 70°, viz obr. 7.9. Honování „plato“, v současné době nejčastěji používané, je vytvořeno honováním pomocí brusných kamenů rozdílné zrnitosti. První s větším zrnem vytvoří hlubší rýhy, které udržují olejovou vrstvu. A druhé, s kameny jemnějšího Obr. 7.9 Pracovní povrch válce zrna , vytvoří plošinky , které zachycují měrný tlak pístních kroužků. Tak se dosáhne menšího opotřebení válce i snížení spotřeby oleje.
7.3 OPOTŘEBENÍ VÁLCE MOTORU Opotřebení pracovní plochy válce motoru je důsledkem komplexního působení řady fyzikálně-chemických procesů. Na obr. 7.12 jsou ve značně zvětšeném měřítku vyneseny charakteristické průběhy opotřebení pracovní plochy válce motoru. Výsledný průběh opotřebení pracovní plochy válce motoru je ukázán na obr. 7.10 a). Podle příčiny vyvolávající charakteristický průběh opotřebení je možno rozlišit Obr. 7.10 Opotřebení válce motoru tři základní procesy : • korosivní vznikající v důsledku oxidace a chemických reakcí na povrchu válce, obr. 7.10 b), • erozivní vyvolané porušením olejové vrstvy, obr. 7.10 c), • abrasivní vyvolané přítomností prachových částic ve stykové ploše pístní kroužek a stěna válce, obr. 7.10 d). Ke korozívnímu opotřebení dochází při provozu studeného motoru Při styku produktů hoření se studenými stěnami válce dochází ke kondenzaci vodních par na vodu, která vytváří s produkty spalování paliva a oleje kyseliny (uhličitou, dusičnou, siřičitou a další). Tyto kyseliny napadají stěny válce Abrazívní opotřebení vyvolané poruchou filtrace nasávaného vzduchu vyvolává opotřebení charakterizované maximem v oblasti doběhu prvního pístního kroužku. Opotřebení válce v důsledku abraze částicemi obsaženými v oleji dosahuje maxima přibližně ve středu zdvihu pístu , tj. v oblasti maximální rychlosti pístu. Může být vyvolán i erozivním opotřebením způsobeným kontaktem dvou kovových povrchů při porušení olejového filmu . Z výše uvedeného je zřejmé, že pro snížení opotřebení válce motoru je nutno zabezpečit co nejrychlejší prohřátí motoru a co nejúčinnější filtraci nasávaného vzduchu a mazacího oleje.
84
7.4 HLAVA VÁLCE Hlava válce pístového spalovacího motoru plní následující požadavky : společně se dnem pístu vytváří vhodně tvarovaný spalovací prostor v němž probíhá rozhodující fáze spalování směsi paliva se vzduchem, • utěsňuje spalovací prostoru, • u čtyřdobých a dvoudobých motorů se souproudým vyplachováním zabezpečuje výměnu náplně válce motoru, • zabezpečuje umístění zapalovací svíčky nebo vstřikovače, • zajišťuje chlazení spalovacího prostoru, svíčky nebo vstřikovače, ventilů a dalších prvků systému výměny náplně válce motoru a přívodu paliva (komůrkové motory). Za provozu je hlava válce pístového spalovacího motoru namáhán silami od tlaku plynů, dynamickými účinky rozvodového mechanizmu a změnou tepelného toku. Všechny tyto účinky jsou časově proměnné a vyvolávají tak únavové namáhání materiálu.
•
7.4.1 HLAVA VÁLCE DVOUDOBÉHO RYCHLOBĚŽNÉHO MOTORU Hlava válce klasického dvoudobého motoru je velmi jednoduchá. Podle způsobu chlazení rozlišujeme hlavy chlazené přímo (vzduchem) , obr. 7.11 a) a hlavy chlazené nepřímo (kapalinou), obr. 7.11 b), c). V současné době se používají hlavy s centrálně umístěným , symetrickým ,půlkulovým nebo čočkovitým spalovacím Obr. 7.11 Hlavy válců dvoudobých motorů prostorem, pozice 1, obr. 7.12. Závit pro zapalovací svíčku 3 bývá nejčastěji umístěn v ose válce. U motorů pro pohon mopedů bývá v některých případech spalovací prostor propojen s okolním prostředím ventilem dekompresoru zašroubovaným do závitu 4 . Pro dosažení optimálního tvaru půlkulového spalovacího prostoru je vhodné, aby jeho Obr. 7.12 Hlava vzduchem průměr byl menší než vrtání chlazeného motoru válce . V tomto případě však při doběhu pístu do horní úvrati je mezi hlavou a dnem pístu úzká mezera,viz obr. 7.13 . Aby nedocházelo ke vzniku detonačního Obr. 7.13 Spalovací hoření musí být její výška, (v závislosti na průměru válce), prostor Trabant 601 0.8 ÷ 1.5 mm. Malý objem směsi paliva se vzduchem a dobrý odvod tepla do stěn zamezují vzniku detonačního hoření.Plocha hlavy tvořící ze dnem pístu antidetonační štěrbinu je na obr. 7.12 označena pozicí 2. Hrana přechodu ze spalovacího prostoru do antidetonační plochy musí být zaoblena a je taktéž vhodné, aby celý spalovací prostor byl vyleštěn. Rozžhavené ostré hrany, vrypy a usazené částice karbonu bývají příčinou vzniku předzápalů. Hlavy válců jsou odlévány výlučně z hliníkových slitin. Šedá litina byla používána pro výrobu hlav vzduchem chlazených dvoudobých motorů ve dvacátých létech. Se zvyšováním objemového výkonu motoru se ukázalo, že v důsledku nízké tepelné vodivosti litiny dochází k nadměrnému nárůstu teploty spalovacího prostoru . Proto se objevují konstrukce motorů s litinovým válcem a hlavou z Al slitin. Hliníkové slitiny mají 2,5 krát větší tepelnou vodivost a dokáží tedy zabezpečit odvod tepla ze spalovacího prostoru do chladících žeber. 85
7.4.2 HLAVA VÁLCŮ ČTYŘDOBÉHO ZÁŽEHOVÉHO MOTORU Hlava válců čtyřdobých zážehových motorů s ventilovým rozvodem SV (sací a výfukové kanály, jakož i ventily jsou umístěny v bloku motoru) má prakticky stejnou konstrukci jako hlava dvoudobého rychloběžného motoru. U čtyřdobých motorů s rozvodem OHV nebo OHC musí konstrukce hlavy zabezpečovat i výměnu náplně válců motoru. Jsou v ní umístěny sací a výfukové kanály, ventily a orgány rozvodového mechanizmu ovládající otvírání ventilů. Výrazný rozdíl v konstrukci hlavy určuje způsob chlazení motoru. Samostatné hlavy pro každý válec motoru jsou nejčastěji použity u motorů většinou chlazených vzduchem (TATRA). U motorů s kapalinovým chlazením tvoří hlava všech válců jeden celek. 7.4.2.1 Hlava válců kapalinou chlazených čtyřdobých zážehových motorů Na obr. 7.14 je zobrazena část hlavy válců čtyřdobého zážehového motoru. 1 odlitek hlavy válců s dutinami pro průtok chladící kapaliny, 2 spalovací prostor, 3 plocha hlavy dosedající na blok motoru, 4 sací (výfukový) kanál, 5 vkládané sedlo ventilu, 6 vodítko ventilu, 7 dosedací plocha vodítka a ventilové pružiny, 8 dosedací plocha prvků rozvodového mechanizmu a krycího víka ventilového rozvodu, 9 kanál pro přívod oleje k součástem rozvodového mechanizmu, 10 vstup chladící kapaliny z prostoru válců do hlavy (bývá řešen vstupními otvory), 11 otvor pro svorník připevňující hlavu k bloku motoru, 12 závit pro uchycení zapalovací svíčky, 13 můstek mezi ventilovými sedly, 14 otvor pro průchod zvedacích tyček u motorů s rozvodem OHV (současně slouží pro odvod oleje z prostoru rozvodového mechanizmu). Obr. 7.14 Část hlavy válců čtyřdobého zážehového motoru
Materiálem používaným na odlitky hlav je šedá litina nebo hliníkové slitiny. Výhodou šedé litiny je vysoká pevnost, tuhost, tepelná stabilita a nízké výrobní náklady. U méně zatížených motorů není nutno používat vkládaná sedla a vedení ventilu může být vyrobeno přímo v materiálu hlavy. Nevýhodou je vysoká hmotnost a malá tepelná vodivost. Tyto nevýhody se výrazně projevily u motorů osobních automobilů. V současné době převládají u těchto motorů hlavy odlévané z Al slitin, a to i v případě, kdy blok motoru je odlit z šedé litiny. Jednoznačné je použití hliníkových slitin u hlav válců vzduchem chlazených motorů. Nevýhodou je vyšší tepelná roztažnost a tedy i náchylnost k deformacím. Taktéž cena dosahuje až 2,5 násobku ceny litinového odlitku. Nutností jsou vkládaná sedla ventilů, vodítka ventilů a v některých případech i vložky pro závit zapalovací svíčky.
86
7.4.2.1.1 Spalovací prostory čtyřdobých zážehových motorů Tvar spalovacího prostoru vytvořený v hlavě válce spolu s tvarováním dna pístu rozhoduje o průběhu spalování a tedy i o spotřebě paliva, obsahu škodlivých látek ve spalinách , hlučnosti spalování a průběhu točivého momentu motoru. Na tvarování spalovacího prostoru jsou kladeny následující požadavky : • kompaktnost, která omezuje tepelné ztráty a zvyšuje tak tepelnou účinnost motoru, • rozvíření náplně ve válci umožňující zapálení směsi paliva se vzduchem a zabezpečující její dokonalé prohoření, • umožnění použití ventilů s co největším průměrem talířku, nebo použití většího počtu ventilů, • umístění zapalovací svíčky do místa, kde je na konci kompresního zdvihu pístu bohatá směs a šířící se plamen nevyvolá detonační hoření, • potlačení vzniku "horkých bodů" vyvolávajících předzápaly a koutů , případně štěrbin způsobujících vznik detonačního hoření. Základní tvary spalovacích prostorů používaných u zážehových motorů jsou uvedeny na obr. 7.15. Tvary spalovacích prostorů na obr. 7.15 a až d jsou vývojově nejstarší. Používaly se u motorů s ventilovým rozvodem typu SV. Pro současné motory s rozvody OHV a OHC jsou typické spalovací prostory uvedené na obr. 7.15 e,f,g. Spalovací prostor uvedený na obr. 7.15 h se v praxi nepoužívá. Tzv. "T" hlava na obr. 7.15 a a "L" hlava, na obr.7.15 b, byly používány u prvních vozidlových motorů . Členitý spalovací prostor vykazoval značné tepelné ztráty a umožňoval použití jen velmi nízkého Obr. 7.15 Základní tvary spalovacích prostorů kompresního poměru. Ricardův spalovací prostor na obr. 7.15 c využívající antidetonační štěrbinu, umožnil zvýšení kompresního poměru , zlepšení tepelné účinnosti a snížení ztrát plnící účinnosti. S tímto tvarem spalovacího prostoru se u motorů s rozvodem SV setkáváme i po druhé světové válce. Snaha o lepší naplnění válce čerstvou směsí vedla ke konstrukci tzv. hlavy "F", obr. 7.15 d. Výfukový ventil, umístěný v bloku motoru , je ovládán přímo vačkou umístěnou v bloku motoru (SV) a sací ventil v hlavě válce pak pomocí zdvihátka, zvedací tyčky a vahadla (OHV). Umístění spalovacího prostoru do osy válce , viz půdorys na obr. 7.15 e, a použití rozvodu OHV pro ventily jejichž osy jsou rovnoběžné s osou válce, umožnilo zvýšení kompresního poměru, zvýšení tepelné účinnosti a zlepšilo naplnění válce o 6 ÷ 7 %. Snaha o řízený průběh spalování pomocí Obr. 7.16 Uspořádání ventilů 87
usměrněného víření vedla k rozšíření klínovitých spalovacích prostorů, obr. 7.15 f. V současné době u vozidlových motorů s dvěmi ventily na válec tyto spalovací prostory převládají . Vysoce výkonné motory s rozvodem OHC a SOHC využívají polokulový, nebo střechovitý spalovací prostor uvedený na obr. 7.15 g. Tento tvar spalovacího prostoru umožňuje použití velkého průměru ventilových talířků u dvou ventilového provedení , nebo většího počtu ventilů o menším průměru, viz obr. 7.16. 7.4.2.1.2 Sací*) a výfukový kanál Na rozdíl od motorů s rozvodem SV, kde sací i výfukový kanál jsou umístěny v bloku motoru je u motorů s rozvodem OHV a OHC výměna náplně válce motoru zajišťována kanály umístěnými v hlavě válců. Základním požadavkem , který vždy ovlivňoval provedení a tvarování sacích a výfukových kanálů, byl co nejmenší odpor proti průtoku plynů. Tomu odpovídají sací kanály, které mají co největší poloměr zakřivení a kanál vstupuje do válce rovnoběžně s osou dříku ventilu, viz obr. 7.17. Tyto kanály jsou někdy označovány názvem " přímé ". Extrémem řešení tohoto požadavku jsou kanály spádové používané u některých závodních motorů, Obr. 7.17 Sací kanál přímý Obr. 7.18 Sací kanál spádový viz obr. 7.18 . U motorů s přímým vstřikem benzínu ( GDI ) je používán spádový plnící kanál, který vedle velmi nízkého odporu proti průtoku vzduchu zabezpečuje spolu s vybráním ve dnu pístu vytvoření příčného víru potřebného pro spalování velmi chudých směsí. S rozvojem znalostí o průběhu spalování ve válci motoru se ukázalo, že pro optimální průběh hoření, zabezpečující malou měrnou spotřebu paliva a nízké emise je vhodné, aby směs paliva se vzduchem ve válci motoru rotovala. Vyvolání rotace náplně zabezpečuje tangenciální kanál, obr. 7.19. U některých čtyřventilových hlav je použita kombinace obou typů kanálů. Přímý kanál zabezpečuje co nejlepší naplnění válce motoru při vysokých otáčkách a zatížení motoru, tangenciální pak vhodné rozvíření při nízkých otáčkách a malém zatížení. Existují i řešení, kdy přímý kanál je při malých zatíženích uzavřen. Šroubový kanál na obr. 7.20, je používán u vznětových motorů s přímým vstřikem paliva. Zabezpečuje vytvoření Obr. 7.19 Sací intenzivního radiálního víru , potřebného pro dokonalé spálení kanál tangenciální vstřikovaného paliva. Jeho nevýhodou je nárůst odporu sání a poměrně vysoká stavební výška zvyšující celkovou výšku hlavy motoru. U vysokootáčkových motorů osobních automobilů může, v některých případech, činit potíž i zvýšení hmotnosti ventilu vyvolané prodloužením jeho dříku.
*)
Označení sací kanál bude používáno i v případě plnícího kanálu přeplňovaného motoru.
88
Výfukový kanál v hlavě válců má být pokud možno co nejkratší. Důvodem je snaha o omezení přestupu tepla z kanálu do chladícího media. V některých případech je objem, a tedy i rozměry výfukového kanálu, určovány požadavky na práci turbodmychadla.
Obr. 7.20 Sací kanál šroubový Základní uspořádání sacích a výfukových kanálů v hlavě válců je uvedeno na obr.7.21. Příčné uspořádání, obr. 7.21 a), kdy vstup sacího kanálu je umístěn na jedné straně a výstup výfukového kanálu na druhé straně hlavy , umožňuje dosažení vysoké objemové účinnosti naplnění válce motoru. Rozvíření náplně válce je možno dosáhnout pouze u čtyřventilové hlavy, použitím dvou různých typů sacích kanálů. Např. kombinace přímého a tangenciálního kanálu, nebo přímého a šroubového kanálu. V tomto případě zabezpečuje přímý kanál dobré naplnění válce motoru při velkých zatíženích a šroubový Obr. 7.21 Uspořádání sacích a výfukových pak rozvíření při nízkých otáčkách. kanálů : a) příčné, b) jednostranné Jednostranné umístění vyústění sacího a výfukového kanálu, obr 7.21 b), zabezpečuje vznik potřebného radiálního víru ve válci motoru. U motorů s přípravou směsi karburátorem nebo jednobodovým vstřikem, umožňovalo toto uspořádání kontakt sacího a výfukového potrubí pro vytvoření horkého místa v sacím potrubí podporujícího odpaření benzínu. Výhodou byla i strana bloku a hlavy motoru bez potrubí, umožňující volně přístupné umístění zapalovací svíčky a pomocných zařízení, např. olejového a palivového filtru. Nevýhodou je komplikovaná stavba soustavy sacího a výfukového potrubí a problémy s umístěním svorníků hlavových šroubů a vytvořením vhodných chladících prostor v hlavě válců. 7.4.2.1.3 Sedlo ventilu Vyústění sacího a výfukového kanálu do spalovacího prostoru válce motoru je zakončeno ventilovým sedlem. Sedlo ventilu může být vytvořeno buď přímo v materiálu litinové hlavy (rozvody OHV, OHC), nebo bloku motoru (rozvod SV), obr. 7.22, nebo zalisováním sedla z odolného materiálu , tzv. vkládaná sedla, obr. 7.25, používaná vždy u hlav z hliníkových slitin. Sedlo ventilu je vytvářeno frézováním tří ploch. Na obr. 7.22 je dosedací plocha v sedle ventilu označena 2, vstupní a výstupní kuželové náběhy 1 a 4. 89
Obr. 7.22 Sedlo ventilu
Obr. 7.23 Vkládaná sedla ventilů
Sedla jsou do litinových hlav vkládána s použitím velkého přesahu. Aby bylo možno sedlo zalisovat do hlavy bez poškození, jsou sedla před lisováním ochlazena v tekutém dusíku. U hlav z hliníkových slitin je vzhledem k velké tepelné roztažnosti materiálu, vhodné pojistit polohu sedla roztemováním materiálu hlavy . Pro středně zatížené motory se používá, jako materiál na sedla litina s přísadami Ni, Cu, Cr, nebo žáropevná ocel , která lépe odolává korozi. Pro vysoce zatížené motory se používají vysokolegované oceli případně je dosedací plocha ocelového sedla ventilu pokryta návarem vysokolegované žáropevné slitiny, nebo tvrdokovu o tloušťce 0.7 až 1.5 mm. Toto řešení bývá často použito u vzduchem chlazených leteckých motorů. U některých hlav vzduchem chlazených motorů z hliníkových slitin jsou použita sedla ze speciálních hliníkových bronzů.
7.4.2.1.4 Vodítko ventilu slouží k vedení ventilu v hlavě válců , obr. 7.23. V některých případek je však ventil uložen přímo v materiálu litinové hlavy, např. Škoda 742. Výhodou použití vodítek je možnost použití materiálu s lepšími kluznými vlastnostmi ve vztahu k materiálu dříku ventilů a snadnější oprava při jejich opotřebení. U litinových hlav, u nichž nejsou použita vodítka, je ve Obr. 7.24 Oprava opotřebeného vedení ventilu většině případů možno v případě opotřebení vodícího průměru zabudovat zalisovaným vodítkem u motoru Š 742. náhradní pouzdro, viz obr. 7.24. Vnější plocha vodítka je broušena a vodítko je zalisováno s přesahem 0.04÷0.08 mm. Teprve po zalisování vodítka je provedeno vystružení vodícího průměru, přičemž radiální vůle uložení ventilu se pohybuje v rozmezí 0.04 ÷ 0.08 mm. Délka vodícího průměru se pohybuje v intervalu 1.75 ÷ 2.5 dv , kde dv je průměr talířku ventilu. Materiálem vodítek je převážně šedá litina. U vzduchem chlazených motorů se v některých případech používá hliníkový bronz. 7.4.3 HLAVA VÁLCŮ ČTYŘDOBÉHO VZNĚTOVÉHO MOTORU Hlava válců čtyřdobých vznětových motorů se vyznačuje obdobnou koncepcí, jako u motorů zážehových. Rozdíl vyplývá z použití vstřikovače, který u motorů s přímým vstřikem paliva ústí přímo do spalovacího prostoru motoru a u motorů s nepřímým vstřikem paliva pak do spalovací komůrky, která bývá nejčastěji umístěna v hlavě válců motoru. 7.4.3.1 Hlava válců čtyřdobých vznětových motorů s přímým vstřikem paliva Pro tyto motory je charakteristické použití šroubových sacích kanálů zabezpečujících vytvoření intenzivního radiálního víru potřebného pro co nejlepší spálení paliva vstřikovaného do válce víceotvorovou tryskou. U čtyř ventilových hlav může být druhý kanál přímý, nebo tangenciální.
90
Příklad konstrukčního provedení hlavy válců kapalinou chlazeného vznětového motoru s přímým vstřikem paliva je uveden na obr. 7.25. Kryt hlavy válců 2 je připevněn k hlavě šrouby 1 a utěsněn proti úniku oleje, kterým jsou mazány ventilové rozvody, těsněním 3. Kozlík 5 nesoucí dutý čep vahadel rozvodu OHV, je připevněn na dosedací plochu hlavy šroubem 4. Pozicí 6 je označena zvedací tyčka rozvodu. Vstřikovač 9 je utěsněn, na Obr. 7.25 Hlava válců Zetor UŘ III dosedací ploše v hlavě, těsnící podložkou 10. Potřebný těsnící přítlak zajišťuje třmen 8 , který přitahuje vstřikovač pomocí zavrtaných šroubů 7. Pozicí 11 jsou označeny hlavové šrouby, které přes dosedací plochu hlavy 13 a těsnění pod hlavu válců zabezpečují těsnost spalovacího prostoru, vodních a olejových kanálů procházejících z bloku motoru do hlavy. Dále jsou součástí hlavy válců i dosedací plochy pro připojení a utěsnění sacího potrubí 15 a výfukového potrubí 17. U motorů s přímým vstřikem paliva je z hlediska emisí i ekonomičnosti provozu nejvhodnější umístění spalovací komory v pístu v ose válce. To však vyžaduje i umístění vstřikovače v ose válce. Takovéto řešení je možné u čtyřventilových hlav, obr. 7.26. U dvouventilových hlav je většinou nutno vstřikovač z konstrukčních důvodů umístit mimo osu válce, obr. 7.27. Tomu pak odpovídá i poloha spalovací Obr. 7.26 Umístění komory v pístu. vstřikovače u čtyř V současné době jsou i ventilové hlavy u motorů s přímým vstřikem paliva do válce motoru používány, pro usnadnění startu za nižších Obr. 7.27 Uložení vstřikovače u teplot nasávaného vzduchu, žhavící svíčky zasahující do dvou ventilové hlavy spalovací komory v pístu. obr. 7.27. 7.4.3.2 Hlava válců čtyřdobých vznětových motorů s nepřímým vstřikem paliva Předností motorů s nepřímým vstřikem paliva , motorů komůrkových, byl pozvolnější nárůst tlaku ve válci motoru v průběhu spalování a tedy i nižší vnější hluk a vibrace motoru v porovnání s motory s přímým vstřikem. Nevýhodou je vyšší spotřeba paliva. Z těchto důvodů se komůrkové motory dříve používali pouze u osobních automobilů. Ale i zde jsou v současné době vytlačovány motory s přímým vstřikem paliva. Elektronická regulace průběhu vstřiku paliva do válce motoru umožňuje snížit tvrdost chodu motoru na úroveň motorů komůrkových.
91
Jsou používány dva typy komůrek. Komůrka tlaková, obr. 7.28 a komůrka vírová obr. 7.29. Pozicí 1 je na obrázcích označen píst, 2 - část spalovacího prostoru ve dnu pístu, 3 komůrka, 4 – vstřikovač s jedno otvorovou tryskou, 5 – žhavící svíčka, 7 – víko vírové komůrky. Komůrka tlaková je Obr. 7.28 Komůrka tlaková Obr. 7.29 Komůrka vírová zabudována do hlavy válce obdobně jako vstřikovač motoru s přímým vstřikem paliva. Komůrka vírová je vytvořena jako součást hlavy, přičemž spodní část, tvořící víko komůrky, kterým prochází spojovací kanálek mezi komůrkou a druhou částí kompresního prostoru vytvořenou ve dně pístu, je zhotovena z žáropevných a žárovzdorných ocelí. V důsledku značného odvodu tepla ze vzduchu vtlačovaného na konci kompresního zdvihu do komůrky , jsou tyto motory vždy vybaveny žhavícími svíčkami, zabezpečujícími vznícení vstřikované nafty i při nízkých teplotách nasávaného vzduchu. 7.4.4 TĚSNĚNÍ HLAVY VÁLCŮ U malých rychloběžných dvoudobých motorů, chlazených vzduchem, jedno nebo dvou válcových , se používá pro utěsnění spalovacího prostoru těsnění, vkládané mezi válec a hlavu válce, vyrobené z měděného, nebo hliníkového plechu. U motorů chlazených kapalinou je vodní prostor utěsněn silikonovými kroužky. V některých případech zabezpečuje utěsnění spalovacího prostoru styková plocha hlavy Obr. 7.30 Utěsnění spalovacího prostoru z hliníkové slitiny dosedající na přírubu litinového válce. Pro zvýšení měrného tlaku je plocha příruby opatřena soustavou drážek, viz obr. 7.30. U čtyřdobých, kapalinou chlazených motorů, musí těsnění zabezpečit nejen těsnost spalovacího prostoru, ale i těsnost vodních a olejových kanálů za podmínek , které jsou uvedeny na obr. 7.31. Dříve byla používána měkká těsnění Obr. 7.31 Provozní podmínky těsnění tvořená azbestovým kartonem oboustranně hlavy válců kapalinou chlazeného pokrytým měděnou folií. Utěsnění čtyřdobého motoru spalovacího prostoru zabezpečovalo lemování z žáropevného niklového plechu. Později byl azbestový karton nahrazen směsí azbestových vláken s grafitem spojených organickým pojivem , který byl nanesen na kovovém nosiči (děrovaný plech, pletivo). V současné době jsou měkká těsnění tvořena organickými vlákny sycenými grafitem spojena 92
pojivem na bázi plastických hmot, nanesených na kovovém nosiči, viz obr. 7.32 a). Spalovací prostor válce motoru je utěsněn lemem z niklového plechu. Průchod oleje a chladící kapaliny těsní lemování vytvořené ze silikonových elastomerů. Nejčastěji se tento typ těsnění používá u motorových bloků v provedení „Closed Deck“. Nejnovější typy těsnění, jejichž používání je rozšířeno u motorů osobních automobilů, s blokem v provedení „ Open Deck“ jsou těsnění tvořená kovovými lamelami, viz obr. 7.32 b). Těsnost zabezpečují vruby vytvořené prolisováním . Kombinace kovového lamelového těsnění s použitím těsnících profilů z elastomerů a lemu spalovacího prostoru žáropevným plechem, případně použití části měkkého těsnění v oblasti těsnící spalovací prostor zvyšuje spolehlivost utěsnění, obr. 7.32 c), d). Obr. 7.32 Druhy těsnění : a) měkké, Pro zajištění dlouhodobé těsnosti je b) kovové lamelové, c) kovové s těsnícími rozhodující, vedle vlastností použitého prvky z elastomeru, d) kombinované těsnění, i vytvoření dostatečně velkého a rovnoměrného tlaku ve stykových plochách těsnění. Rozhodující je umístění a počet šroubů připevňujících hlavu válců k bloku motoru. Malé a střední motory mají čtyři šrouby na válec, velké motory pak šest šroubů. Šrouby se navrhují na 3,5 ÷ 4,5 násobek síly vyvolané nejvyšším spalovacím tlakem ve válci a dotahují se na napětí odpovídající 75 % napětí na mezi kluzu. Vzhledem k tomu, že v průběhu dotahování šroubů hlavy dochází k deformaci těsnění a vzniku vnitřních napětí v těsnění, je nutno dodržet směrnice předepsané výrobcem pro postup dotahování hlavových šroubů. U motorů zážehových vystačíme s postupným dotahováním šroubů ve tvaru rozvíjející se spirály, viz obr. 7.33. Utahovací moment musí dosáhnout ve třech až čtyřech stupních požadované hodnoty. Závit i stykové plochy matice a podložky jsou naolejovány. Stejný postup je možno použít i u málo zatížených vznětových motorů pokud jsou hlava i blok vyrobeny ze šedé litiny (např. motory ZETOR). U vznětových motorů osobních automobilů jsou postupy při dotahování hlavových šroubů značně Obr. 7.33 Postup při dotahování hlavy složitější, viz tab. 7.2. zážehových motorů.
93
Tab. 7.2 Postupy při utahování hlavových šroubů vznětových motorů osobních automobilů. Alfa Romeo 164 2,5 TD
šroub
1 – 10
Peugeot 309 1,9D
11 utahovací moment [Nm]/ úhel pootočení [ ° ]
krok 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Audi 100TD 2,5
29 50° 50° 88 20 min volnoběh čekat 4 hodiny 30° 30° povolit 88
40 60 180° volnoběh 90° 1000 km 90°
30 60 90° povolit 60° 10 min volnoběh čekání 3,5 hodiny 90° povolit 65 70
Rozlišujeme dva způsoby dotahování. Dotahování „ na úhel “, kdy všechny šrouby jsou v pořadí uvedeném na schématu utahování pootočeny o předepsaný úhel, motor Audi 100TD. Nebo utahování „ na moment “ , kdy jsou všechny šrouby v předepsaném pořadí utahovány na příslušný moment,motor Peugeot 309. Je možná i kombinace obou způsobů, motor Alfa Romeo 164. U vznětových motorů s přímým vstřikem paliva ovlivňuje výška mezery mezi dnem pístu a hlavou válců v horní úvrati pístu na konci kompresního zdvihu obsah CO, HC ve výfukových plynech a s tím související velikost měrné efektivní spotřeby paliva. Čím je objem této mezery menší, tím lepší jsou uvedené parametry. Pro dosažení minimální hodnoty této mezery jsou v praxi Obr. 7.34 Přesah dna pístu použita těsnění o různé tloušťce. Nejčastěji dvě nebo tři. Vhodná volba tloušťky se volí na základě měření přesahu dna pístu nad dosedací plochou bloku motoru, viz obr. 7.34. U motoru Peugeut 309 jsou použity dvě tloušťky těsnění . Pro přesah pístu 0.54 ÷ 0.77 mm, tloušťka 1.58 mm označená dvěmi otvory a pro přesah 0.77 ÷ 0.82 mm, tloušťka 1.7 mm označená třemi otvory, obr.7.35. Obr. 7.35 Označení tloušťky těsnění u motoru Peugeot
94
8. KONSTRUKCE ROZVODŮ PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ Rozvodové orgány pístových spalovacích motorů zabezpečují výměnu náplně válce motoru, tedy odstranění spalin a naplnění válce motoru čerstvou směsí u motorů zážehových s vnější tvorbou směsi paliva se vzduchem, nebo pouze vzduchem u motorů vznětových a zážehových s přímým vstřikem paliva do válce motoru.
8.1 ROZVOD DVOUDOBÝCH RYCHLOBĚŽNÝCH MOTORŮ Dvoudobé rychloběžné zážehové motory jsou vzhledem k velmi dobrým hodnotám parametru měrné výkonové hmotnosti používány jako pohonné jednotky mopedů, motocyklů a malé mechanizace. U těchto motorů zajišťují rozvodové orgány řízení sání směsi paliva se vzduchem do klikové skříně motoru, kde dochází k jejímu stlačení. Dále je řízeno přepouštění této stlačené směsi do válce motoru a odvod spalin z válce do výfukového systému motoru. 8.1.1 ROZVOD SÁNÍ DVOUDOBÉHO RYCHLOBĚŽNÉHO MOTORU Rozvod sání řídí okamžik otevření a uzavření kanálu pro vstup čerstvé směsi do klikové skříně motoru, nebo v některých případech starších závodních motocyklových motorů do plnícího dmychadla. Podle konstrukčního řešení rozlišujeme : a) rozvod pístem, b) rozvod válcovým šoupátkem, c) rozvod kotoučovým šoupátkem, d) rozvod jazýčkovým ventilem. 8.1.1.1 Rozvod pístem Při pohybu pístu od spodní k horní úvrati se objem pod pístem zvětšuje. Vzhledem k tomu, že tento prostor je vůči okolnímu prostředí uzavřen vzniká zde podtlak. Po odkrytí sacího Obr. 8.1 Řízení okna spodní hranou pístu je do klikové skříně nasávána čerstvá sání spodní hranou směs, viz obr. 8.1. Výhodou tohoto řešení je jeho jednoduchost a pístu nízká cena. Nevýhodou je pak nízká objemová účinnost mimo otáčky návrhového režimu a vznik výrazných pulsací v sacím potrubí při vyšším zatížení a nízkých otáčkách motoru. Tyto pulsace vyvolávají , v závislosti na otáčkovém režimu, buď únik směsi z karburátoru do sacího traktu a do okolního prostředí, nebo přílišné obohacení směsi palivem, což vede ke značnému nárůstu spotřeby a zvýšení obsahu oxidu uhelnatého a zbytkových uhlovodíků ve výfukových plynech. Další nevýhodou je i vytloukání spodní hrany sacího otvoru i řídící hrany pístu. Tento negativní účinek může být omezen vyosením pístního čepu o 1 až 1.5 mm směrem od sacího otvoru, případně vytvořením přepážky v sacím otvoru. 8.1.1.2 Rozvod válcovým šoupátkem Válcové šoupátko umístěné v nálitku klikové skříně motoru, s náhonem od klikového hřídele, řídí sání do klikové skříně motoru, obr. 8.2. Převodový poměr 1:2 náhonu šoupátka vyplývá ze symetrického řešení hran příčného otvoru . Výhodou uvedeného řešení je, na rozdíl od řízení spodní hranou pístu, možnost nesymetrického řešení Obr. 8.2 Řízení sání válcovým 95
rozvodu sání vzhledem k HÚ pístu, viz obr. 8.2. Uzavření sacího kanálu blíže HÚ zamezí vzniku pulsací v sacím traktu motoru. Nevýhodou je pak poměrně dlouhý sací kanál k uzavřenému šoupátku , který zvětšuje, z hlediska spodní komprese, škodlivý prostor klikové skříně. Při použití válcového šoupátka vzrůstá hlučnost motoru a vzhledem k malé radiální vůli šoupátka ve vedení projevuje se sklon k jeho zadírání. 8.1.1.3 Rozvod kotoučovým šoupátkem Rozvod sání kotoučovým šoupátkem je ukázán na obr. 8.3. Kotoučové šoupátko je vyrobeno z ocelovým plechem o tloušťce 0.5÷ 0.8 mm, případně z textolitu či jiných plněných plastických hmot. Je pevně spojeno s klikovou hřídelí. Axiální vůle ve vedení v klikové skříni je 0.2÷0.3 mm. Rameno klikového hřídele na straně sacího kanálu bývá pro zvětšení průtočného průřezu skoseno. Karburátor je s víkem klikové skříně propojen pružnou pryžovou spojkou, která Obr. 8.3 Rozvod sání omezuje přenos vibrací karburátoru na skříň. kotoučovým šoupátkem Výhodou použití kotoučového šoupátka pro řízení sání je krátký sací kanál s malými ztrátami a velký průřez sacího kanálu a vstupu do klikové skříně motoru. Vhodnou volbou časování uzavření sacího kanálu je možno omezit vznik pulsací v sacím traktu motoru.Snadná změna časování rozvodu sání výměnou kotouče šoupátka. Tato možnost byla často využívána u závodních motocyklů, kdy podle charakteru tratě byla měněna celková doba otevření sacího kanálu i poloha řídících hran ve vztahu k HÚ.Nevýhodou tohoto řešení je zvětšení šířky motoru a problémy s umístěním zapalování na klikové hřídeli motoru. 8.1.1.4 Rozvod jazýčkovým ventilem U současných dvoudobých rychloběžných motorů je sání řízené jazýčkovým sacím ventilem nejčastěji používaným rozvodem. Umístění jazýčkových sacích ventilů na motoru Bimota 500V je ukázáno na obr. 8.4. Konstrukce jazýčkového ventilu je patrná z obr. 8.5 . Vlastní nosná kostra ventilu je zhotovena z polyuretanu, případně z Al slitiny s navulkanizovanou Obr. 8.4 Řízení sání vrstvou pryže v místě jazýčkovými ventily dosednutí jazýčku na sedlo ventilu. Jazýček ventilu je vyroben z plastických hmot (např. kevlar) o tloušťce 0.3 ÷ 0.6 mm. Doraz jazýčku, tvarující průběh ohybu a omezující tak únavové Obr. 8.5 Konstrukce namáhání materiálu v místě uchycení jazýčku je jazýčkového ventilu zhotoven z ocelového plechu o tl. 1 ÷ 1.5 mm. Výhodou tohoto řešení je možnost libovolného umístění karburátoru u klikové skříně, úplné zamezení vzniku pulsací v sacím systému motoru a zlepšení průběhu točivého momentu motoru.
96
8.1.2 ROZVOD VÝFUKU A PŘEPOUŠTĚNÍ DVOUDOBÉHO RYCHLOBĚŽNÉHO MOTORU Otevření výfukového kanálu dvoudobých rychloběžných motorů je řízeno horní hranou pístu. První se otvírá výfukový kanál. Bod VO na obr. 8.6. S poklesem tlaku spalin ve válci, se ve vhodný okamžik otvírají okna přepouštěcích kanálů. Bod PO. Teoreticky je vhodný okamžik určen poklesem tlaku spalin ve válci pod úroveň přetlaku směsi v klikové skříni motoru. Přepouštění směsi paliva se vzduchem, stlačené v klikové skříni motoru, nad píst do spalovacího prostoru dvoudobých rychloběžných motorů je taktéž řízeno horní hranou pístu. Podle uspořádání přepouštěcích a výfukových V kanálů a vyvolaného směru proudění spalin a čerstvé náplně rozlišujeme vyplachování příčné, obr. 8.7 a) , vyplachování vratné, obr. 8.7 b) a vyplachování souproudé, obr. 8.7 c). Vyplachování příčné , charakterizované deflektorem na pístu, který usměrňoval proud čerstvé Obr. 8.6 Indikátorový směsi napříč spalovacím prostorem se již nepoužívá. diagram dvoudobého motoru Důvodem byl vznik zkratových proudů , kterými čerstvá směs proudila přímo do výfukového kanálu. Problémy způsoboval i těžký deflektor jehož těžiště bylo posunuto mimo osu válce, a který současně značně ohříval směs vstupující do válce motoru. Souproudé vyplachování charakterizované použitím dvou pístů v jednom válci, (někdy je tento motor nazýván „ dvoupístový jednoválec “), Obr. 8.7 Vyplachování : a) příčné, a písty uloženými na společné ojnici se taktéž b) vyplachování vratné, c) souproudé v dnešní době již nepoužívá. Důvodem je přehřívání střední přepážky mezi písty a celkově komplikované řešení motoru bez adekvátního nárůstu využití přivedeného paliva. Nejlépe požadavky co nejdokonalejšího výplachu válce motoru od spalin, jakož i dobrého naplnění válce motoru čerstvou směsí s minimálními ztrátami odchodem čerstvé směsi do výfukového kanálu splňuje vhodně řešené vratné vyplachování. Využitím vhodného tvarování přepouštěcích kanálů a vstupních oken získáme víceúrovňové proudění ve válci motoru, Obr. 8.8 Vratné vyplachování viz obr 8.8. p
VO
PO
pa
VZ
PZ
pa
Vc
Vh
dolnãêvraÙ
hornãêvraÙ
vÀfuk
plnflnã
8.2 ROZVOD ČTYŘDOBÝCH MOTORŮ Podle konstrukčního řešení rozeznáváme rozvody ventilové a šoupátkové. Podle způsobu ovládání otevření a uzavření ventilu rozdělujeme ventilové rozvody na rozvody s ovládáním : • mechanickým , • hydraulickým, • elektromagnetickým. 97
8.2.1 VENTILOVÝ ROZVOD S MECHANICKÝM OVLÁDÁNÍM Základem těchto rozvodů je vačkový hřídel, jehož vačky prostřednictvím přenosových členů řídí otevření a uzavření ventilu. Otevření ventilu je odvozeno přímo od vačkového kotouče, uzavření ventilu pak zabezpečuje síla vyvolaná stlačením ventilové pružiny. Podle uspořádání této soustavy rozlišujeme rozvody označované zkratkami jejich názvů v angličtině: • SV – Side Valve, • OHV – Overhead Valve, • OHC – Overhead Camhaft, • SOHC – Single Overhead Camhaft, • DOHC – Double Overhead Cam. Schematické uspořádání jednotlivých typů ventilových rozvodů je uvedeno na obr. 8.9. V případě, že síla potřebná pro uzavření ventilu je vyvolávána vačkovým kotoučem Obr. 8.9 Schematické uspořádání ventilových jedná se o rozvod : rozvodů s mechanickým ovládáním. • desmodromický . 8.2.2 HLAVNÍ DÍLY VENTILOVÝCH ROZVODŮ Hlavní díly ventilového rozvodu OHV jsou uvedeny na obr. 8.10. Pozicí 1 je označen vačkový hřídel, 2 – zdvihátko, 3 – zvedací tyčka, 4 – vahadlo, 5 – můstek spojující ventily, 6 – seřizovací šroub můstku, 7 – seřizovací šroub ventilové vůle, 8 – miska ventilové pružiny, 9 – pružina, 10 – ventil. Vedle dílů uvedených na tomto obrázku se u nových ventilových rozvodů objevují zařízení pro automatické vymezování ventilové vůle, změnu časování rozvodu a změnu 8 9 velikosti zdvihu ventilu. Součástí ventilového rozvodu je i 10 ústrojí pohonu vačkového hřídele. Na obr. 8.11 a) je zobrazeno uložení ventilu v hlavě válců. Pozicí 1 je označena miska ventilů, jejíž detailní provedení je na obr. 8.11 b). Pozice 2 - zámek tvořený drážkou v dříku ventilu a dvoudílnou kuželovou vložkou, 8.11 c). Tyto součásti přenáší Obr. 8.10 Rozvod sílu pružin 4 na dřík ventilu 3. Vystředění obou pružin OHV u čtyř ventilové vzhledem k ose ventilu zajišťuje na konci dříku ventilu hlavy ventilová miska a na dosedací ploše v hlavě motoru středící podložka 5. 8.2.2.1 Ventil Ventil je za provozu zatížen značnými dynamickými silovými účinky, vysokými rychlostmi ve vedení ventilu při omezeném mazání, značnými tepelnými spády po délce ventilu . Výfukový ventil je vedle velkého tepelného zatížení vystaven i abrazívním a korozívním účinkům proudu produktů spalování.Konstrukční provedení ventilu spalovacího motoru je uvedeno na obr. 8.11. Dřík ventilu vede ventil ve vodítku. Martenzitická ocel dříku sacího ventilu má dobré kluzné vlastnosti v litinovém vodítku s obsahem feritu nižším než 3 %. Radiální vůle ventilu ve vedení se má pohybovat v rozmezí 0.03 ÷ 0.06 mm a drsnost povrchu nemá překročit Ra = 0.4. Důvodem je snaha o zamezení průniku oleje do sacího potrubí vůlí ve vodítku ventilu a co nejlepší přestup tepla z dříku ventilu do vodítka a materiálu hlavy
98
1 2 3 4 5
Obr. 8.11 Uložení ventilu v hlavě válců
válců. U výfukových ventilů se někdy pro úsporu dražšího materiálu , legované austenitické oceli , navařuje na talířek ventilu dřík z oceli martensitické. Kalené zápichy na konci dříku ventilu, obr. 8.12, slouží k uložení dvojdílné kuželové Obr. 8.12 Kalení : vložky (tzv. a) v celém objemu, měsíčků). b) povrchové Zabezpečují přenos síly z pružiny přes ventilovou misku na ventil.
8.2.2.2 Ventilové pružiny Ventilové pružiny zabezpečují zavírání ventilu v souladu s tvarem vačky a po dosednutí ventilu do sedla pak utěsnění spalovacího prostoru válce motoru. Charakteristika (tuhost) ventilových Obr. 8.13 Soustava prvků zabezpečujících pružin je určena požadavkem na uzavření ventilu. zabezpečení trvalého kinematického spojení mezi díly mechanizmu rozvodu při práci motoru na maximálních dovolených otáčkách.U současných motorů převažuje použití válcových šroubových pružin s konstantním stoupáním závitu. Nejčastěji jsou používány dvě soustředně uložené pružiny, viz obr. 8.13. U starších motorů byly používány taktéž pružiny listové, pružiny vlásenkové, i pružiny tvořené torzní tyčkou.Použití dvou soustředných válcových pružin u motorů s rozvodem OHV a OHC zvyšuje spolehlivost provozu. V případě, že dojde ke zlomení jedné pružiny, zabezpečí druhá, že nedojde ke spadnutí ventilu do válce motoru a k jeho havárii. Aby však nedošlo ke vzpříčení závitů prasklé pružiny v mezeře mezi závity funkční pružiny, má vnější pružina opačný směr stoupání než pružina vnitřní. Setrvačná hmotnost pohybujících se závitů pružiny a nebezpečí vzniku rezonančních kmitů pružiny při vysokých otáčkách vede k omezení maximálních otáček motoru s klasickými šroubovými pružinami na cca 11500 min-1. Obr. 8.14 Uspořádání tlakového Další zvýšení otáček motorů používaných u okruhu vzduchové pružiny závodních automobilů F1 bylo dosaženo použitím vzduchových pružin. Uspořádání je patrné z obr. 8.14. 8.2.2.3 Vahadla rozvodového ústrojí Vahadla rozvodového ústrojí slouží k otvírání ventilů. U rozvodů OHV je pohyb vyvolaný vačkou přenášen na vahadlo 1 , obr. 8.15, soustavou zdvihátka a zvedací tyčky, viz obr. 8.10. Poměr délky ramene na straně ventilu k délce ramene na straně zvedací tyčky je 1.2 až 1.8. Zmenšením zdvihu na straně zdvihátka dochází k poklesu setrvačných sil působících v rozvodu. Styková plocha vahadla dosedající na dřík ventilu je kalená. Tvar
99
dosedací plochy je válcový, nebo mírně kuželovitý, což zajišťuje, že bod kontaktu vahadla s dříkem ventilu se nachází mimo osu ventilu a zabezpečuje jeho pootáčení. Zvedací tyčka přenáší pohyb na vahadlo kulovým kloubem, který je součástí šroubu Obr. 8.15 Vahadlo pro seřizování rozvodu OHV ventilové vůle , pozice 3 na obr. 8.15. Vahadlo je na horní ploše hlavy válců, uloženo na průběžném trubkovém čepu 2, obr. 8.15. Celkové provedení je patrné z obr. 8.16. Obr. 8.16 Uložení vahadel rozvodu U motorů s rozvodem SOHC působí vačka OHV na trubkovém čepu přímo na vahadlo , obr 8.17, nebo na jednostranně podepřenou páku, viz obr. 8.18.
Obr. 8.17Vahadla rozvodu SOHC
Obr. 8.18 Páka rozvodu SOHC
Obr. 8.19 Rozvodová tyčka
8.2.2.4 Zvedací tyčky rozvodového ústrojí OHV Zvedací (rozvodové) tyčky rozvodu OHV zabezpečují přenos síly mezi zdvihátkem a vahadlem. Nejčastěji jsou vyrobeny z ocelové nebo duralové trubky, pozice 2 , obr.8.19, do níž jsou zalisovány koncovky 1 a 3. Vzhledem k prostorovému vztahu mezi uložením ve zdvihátku a vahadlu mají tyto koncovky kulové zakončení. 8.2.2.5 Zdvihátka rozvodového ústrojí Tangenciální sílu vznikající ve stykové ploše s vačkou je možno u rozvodů OHV zachytit buď pomocí ukotvené páky, nebo pomocí zdvihátka, viz obr. 8.20. U současných motorů jsou používány převážně zdvihátka. Podle konstrukčního řešení rozlišujeme zdvihátka válcová (hrníčková), obr. 8.21 a), b) a) b) c) d) a talířková (hříbečková), obr. 8.21 c), d). Styková plocha zdvihátka s vačkou je kalena na tvrdost HRC 50 ÷ Obr. 8.20 60, broušena a lapovaná . OHV rozvod Zvedací tyčka rozvodu dosedá buď na dno zdvihátka, obr. 8.21 a), c), nebo horní konec, obr. 8.21 b), d). Mazání vodící plochy Obr. 8.21 Zdvihátka motorů OHV : zdvihátka v bloku motoru, zajišťuje olej a), b) válcová, c), d) talířková stékající po zvedacích tyčkách z hlavy válců.
100
V případě, že je zdvihátkem a rozvodovou tyčkou veden tlakový olej na mazání ložisek vahadel je zdvihátko mazáno tímto olejem. Vzhledem k tomu, že styková plocha zdvihátka a vačky je velmi malá (teoreticky přímkový styk) , hrozí nebezpečí značného opotřebení. Pro snížení opotřebení se zajišťuje otáčení zdvihátka. Řešení je naznačeno na obr. 8.22. Posunutím osy zdvihátka s rovným dnem vzhledem k ose vačkového kotouče o e = 2 ÷ 3 mm, obr. 8.22 a, zajišťuje rovnoměrné otáčení zdvihátka. V některých případech se vačka dělá mírně kuželová (5’ až 12’). Výrobně složitější řešení je uvedeno na obr. 8.22 b. Obr. 8.22 Otáčení Dno zdvihátka je kulové zdvihátek s poloměrem cca 800 mm a vačka má nevelkou kuželovitost (10’ až 30’). Bod styku mezi vačkou a zdvihátkem se tak posouvá mimo osu zdvihátka, což vyvolává moment otáčející zdvihátkem. U motorů s rozvodem OHC a DOHC, u nichž je vačkový hřídel uložen v rovině procházející Obr. 8.23 Hrníčkové osou ventilů, jsou používána zdvihátka hrníčková, viz zdvihátko rozvodu OHC obr. 8.23. Seřizování ventilových vůlí je řešeno pomocí broušených podložek vkládaných mezi vačku a zdvihátko. Vzhledem k tomu, že seřizování ventilových vůlí u rozvodu OHC je poměrně obtížné byla vyvinuta zdvihátka s hydraulickým vymezováním vůle. Na obr. 8.24 je ukázáno klasické hrníčkové zdvihátko rozvodu OHC doplněné systémem hydraulického vymezování vůlí. Na obr. 8.24 a) je zdvihátko v poloze, kdy je ventil uzavřen a síla mezi působící ve stykové ploše vačky a zdvihátka je minimální. V tomto případě, při pohybu po základové kružnici vačky, dochází k doplňování oleje z mazacího okruhu motoru do zdvihátka. Kanálkem 1 je přiveden tlakový olej do radiální drážky na obvodu vodící plochy zdvihátka a odtud ve směru šipek přes zpětný kuličkový ventil 2 do tlakového prostoru nad pístkem zdvihátka 4. Naplnění tohoto prostoru a vymezení vůle mezi zdvihátkem a opěrnou plochou dříku ventilu napomáhá pružina 3. Při otvírání ventilu vačkou, dojde k uzavření zpětného kuličkového ventilu a síla je přenášena přes olej uzavřený uvnitř pístku. Pokud by však byl tento systém absolutně těsný, došlo by vymezení b) ventilové vůle u a) studeného motoru s postupným ohřevem ventilu a 1 2 prodlužováním je 3 1 dříku k tomu, že 4 ventil by zůstal pootevřen, se všemi výše uvedenými důsledky. To se však nestane protože v důsledku vůlí v soustavě zdvihátka dochází v průběhu otvírání a zavírání Obr. 8.24 Hydraulické zdvihátko : a) uzavřený ventil – odlehčené ventilu k úniku oleje zdvihátko , b) otevřený ventil – zatížené zdvihátko vůlemi naznačenými
101
na obr. 8.24 b) šipkami 1. Při každém tomto cyklu je pístek zdvihátka, v důsledku úniku oleje, zatlačen o cca 0.02 mm. To umožňuje postupné přizpůsobování celkové výšky zdvihátka mezi vačkou a dosedací plochou dříku ventilu, změnám délky dříku ventilu. 8.2.2.6 Vačkový hřídel rozvodového ústrojí Vačkové hřídele jsou uloženy v kluzných hydrodynamických ložiscích. U motorů s rozvodem SV, nebo OHV v klikové skříni motoru , u rozvodu OHC v hlavě válců. Je-li vačkový hřídel uložen v klikové skříni odpovídá počet ložisek vačkového hřídele počtu hlavních ložisek klikového hřídele. Pro uložení jsou využívána žebra uložení hlavních ložisek motoru. Vývrt v klikové skříni z litiny, nebo Al slitiny, tvoří u méně zatížených motorů přímo povrch ložiska , (Zetor, Škoda 120). U více zatížených motorů jsou do vývrtu zalisována ložisková pouzdra. Mazání je tlakové z hlavního mazacího kanálu a vývrty pro přívod oleje jsou vázány na přívod oleje do hlavních ložisek klikového hřídele. U motorů s rozvodem OHC ve většině případů odpovídá počet ložisek Obr. 8.25 Uložení vačkového vačkové hřídele v samostatné komoře hřídele počtu ložisek klikové hřídele. V zásadě se používají dvě řešení. V prvním případě je vývrt proveden přímo v materiálu hlavy, nebo v komoře, která je k hlavě přišroubována., V tomto případě se často postupně zmenšuje průměr ložiskových čepů vačkové hřídele tak, aby umožnil snadnou montáž do vývrtu, viz obr. 8.25. Ve druhém případě, výrobně složitějším, jsou ložiska vačkové Obr. 8.26 Uložení vačkové hřídele dělená., viz obr. 8.26. Pozice 1 – hlava, 2 – hřídele v hlavě válců vačková hřídel, 3 – ložisková víka. Axiální pojištění polohy vačkové hřídele bývá u motorů s rozvodem OHV nejčastěji řešeno pomocí příruby 3, která je přišroubována k čelu bloku motoru šrouby 2, viz obr. 8.27. Vačková hřídel je vkládána do ložisek v bloku motoru již s nalisovaným ozubeným kolem a příruba je přišroubována šrouby 2 přes otvory v kole k čelu bloku motoru . Axiální vůle uložení vačkových hřídelí bývá 0.1 až 0.2 mm. Tato vůle je zajištěna technologickým postupem při lisování kola pohonu vačkové hřídele 4, vedené perem 1 na vačkovou hřídel 6. Vačkový hřídel se nejčastěji kove z cementačních ocelí. Vačky a ložiskové čepy se kalí buď indukčně nebo plamenem, přičemž tvrzený povrch musí přecházet do jádra pozvolna tak, aby byla zachována houževnatost hřídele. U rozvodů OHC jsou měrné tlaky Obr. 8.27 Axiální ve stykové ploše vačky a zdvihátka, vzhledem k menším pojištění setrvačným hmotám pohyblivých částí rozvodu, nižší než u rozvodu OHV. Proto se u těchto typů rozvodů častěji objevují odlévané vačkové hřídele. Povrch vaček a ložiskových čepů se u litinových vačkových hřídelí tvrdí pomocí chladítek. Firma Ford používá u některých motorů skládané vačkové hřídele.
102
8.2.2.7 Ústrojí pohonu vačkové hřídele Vačková hřídel je poháněna od klikové hřídele. Poloha vačkové hřídele ve vztahu k poloze klikové hřídele musí být jednoznačná. U čtyřdobých motorů je převodový poměr mezi klikovou a vačkovou hřídelí 1 : 2 . Nejčastěji je náhon uspořádán na předním konci klikové hřídele. U řadových motorů s velkým počtem válců je však vhodnější k pohonu vačkové hřídele zadní konec klikové hřídele, u setrvačníku. Důvodem je, že torzní kmity dlouhých hřídelí se z předního konce se přenášejí do mechanizmu ventilového rozvodu a ovlivňují tak časování rozvodu, kmitání rozvodu a zvyšují dynamické namáhání prvků rozvodového mechanizmu. Pohon vačkové hřídele může být proveden : a) válečkovým, čepovým nebo ozubeným řetězem, b) ozubeným řemenem, c) ozubenými koly, d) svislou hřídelí se dvěma páry ozubených kol, Obr. 8.28 Náhon vačkového hřídele u hlavních e) soustavou kinematických členů. producentů Různé konstrukční pojetí náhonu vačkového hřídele hlavními producenty motorů pro osobní automobily v Evropě, USA a Japonsku je patrné z obr. 2.28. Evropští a japonští výrobci preferují použití ozubeného řemenu, v USA pak ozubený řetěz. Ve výhledu na rok 2005 je výrazný pokles použití ozubených řemenů a nárůst používání ozubených a válečkových řetězů. Důvodem je skutečnost, že ozubené řemeny mají přibližně poloviční životnost než ostatní součásti motoru.
Obr. 8.29 Řetězový náhon vačkových hřídelí motorů s rozvodem DOHC Klasický řetězový náhon u motorů DOHC je ukázán na obr. 8.29. Nízkou úroveň hluku zajišťují vodítka umístěná na všech větvích řetězového náhonu a automatické napínání řetězu. Pohon vačkových hřídelí ozubeným řemenem u motoru s rozvodem DOHC je uveden na obr. 8.30. Pozice 1 označuje ozubené kolo na klikovém hřídeli, 2 napínací kladka, 3 kolo náhonu pomocných agregátů, 4 pomocné kladky zajišťující potřebné opásání ozubených kol na vačkových hřídelích 5. Za provozu je zajištěna pomocí napínací kladky konstantní napínací síla řemenu . Ochranné kryty zamezují přístupu oleje, prachu a vody na zuby řemenu. Náhon vačkové hřídele svislou hřídelí s dvěma páry ozubených kol (královskou hřídelí), pozice 1 na obr. 8.31, se používal u vzduchem chlazených motorů leteckých a motocyklových. Jedinou výhodou tohoto řešení je dobré chlazení válce motoru. Nevýhodou, 103
5 4
1
4 3 2 1
Obr. 8.30 Pohon pomocí ozubeného řemenu
Obr. 8.33 Hydraulické ovládání ventilů
Obr. 8.31 Náhon královskou hřídelí pro kterou není tento typ náhonu vačkové hřídele u současných vzduchem chlazených motocyklových motorů s rozvodem OHC používán, je komplikovanost řešení a obtížné udržení nastavených vůlí v obou párech náhonových kol.
Další, v současné době již nepoužívanou možností náhonu vačkové hřídele rozvodu OHC, je náhon pomocí dvojice ojnic, obr. 8.32. Předností byl tichý chod, nevýhodou pak velmi nízká životnost a značné třecí ztráty. Obr. 8.32 Náhon vačkové hřídele pomocí dvojice ojnic 8.2.3 VENTILOVÝ ROZVOD S OVLÁDÁNÍM HYDRAULICKÝM A ELEKTROMAGNETICKÝM Oba uvedené systémy , viz obr. 8.33 a obr. 8.34, jsou ve stadiu ověřování. Výhodou těchto řešení je možnost optimalizace řízení otvírání a zavírání ventilů podle počtu otáček a zatížení motoru, a to jak z hlediska počátku otvírání ventilu, tak i celkové doby otevření ventilu. Současně je možno řídit i změnu zdvihu ventilu. Oba způsoby řízení práce sacích a výfukových ventilů jsou schématicky naznačeny na obr. 8.34.
Obr. 8.34 Ventily ovládané elektromagnety
104
8.2.4 VARIABILNÍ ŘÍZENÍ ROZVODOVÉHO MECHANIZMU Variabilní řízení rozvodového mechanizmu , tj. změna fázového natočení vačkových hřídelí a zdvihu ventilů, je doposud rozšířeno jen u motorů zážehových. U motorů vznětových je vliv těchto změn na pracovní oběh motoru zanedbatelný. Použití fázového posuvu natočení vačkových hřídelí by mělo svoje opodstatnění pouze v případě využití vnitřní recirkulace spalin, změnou úhlu překrytí otevření sacích a výfukových ventilů, pro snížení obsahu NOx ve výfukových plynech. To však vylučuje současný požadavek na minimální objem mezery mezi dnem pístu a hlavou válců v HÚ na konci kompresního zdvihu. To proto, že jeho velikost výrazně ovlivňuje obsah škodlivých emisí HC a CO ve výfukových plynech. Proto je u vznětových motorů použitelné pouze vypínání válců , zabezpečující snížení spotřeby paliva a emisí škodlivých emisí ve výfukových plynech při malých zatíženích motoru. 8.2.4.1 Fázový posun otvírání sacích případně výfukových ventilů Klasický rozvodový mechanizmus, s pevnou vazbou polohy vačkové hřídele ve vztahu ke klikové hřídeli, umožňuje optimalizaci procesu výměny náplně ve válci motoru jen pro úzkou oblast pracovního režimu motoru. Mimo tuto návrhovou oblast dochází ke zhoršení Obr. 8.35 Vliv parametrů motoru. fázového posunu Na obr. 8.35 je ukázán vliv sacího ventilu. vzájemné polohy sací a výfukové vačky válce motoru na průběh točivého momentu motoru a požadavek na tuto polohu z hlediska volnoběžného režimu práce motoru . Je tedy zřejmé, že klasické polohování sacích vaček na vačkové hřídeli představovalo určitý kompromis, vycházející z průběhu točivého momentu na vnější rychlostní charakteristice, viz plnou čáru na obr. 8.35. Současné možnosti elektronicky řízených hydraulických mechanizmů umožňují, u rozvodů DOHC, realizovat změnu fázového nastavení vačkového hřídele sacích případně výfukových ventilů tak, aby splňoval požadavky pro vysoký výkon i vysoký moment. Tyto mechanizmy mohou být, jednak dvoupolohové, více polohové a s plynule měnitelnou regulací polohy. Dvoupolohová regulace fázového natočení vačkové hřídele ovládající sací ventily je používána u některých motorů Audi/VW, Porsche, Mercedes-Benz. Vačková hřídel ovládající výfukové ventily je poháněna od
Obr. 8.36 Dvoupolohová regulace fázového natočení vačkové hřídele ovládající sací ventily
Obr. 8.37 Polohy napínáku řetězu pohonu vačkové hřídele sacích ventilů
klikové hřídele s převodovým poměrem 1 : 2. Od této hřídele je pak poháněna vačková hřídel sacích ventilů řetězovým převodem o převodovém poměru 1 : 1, viz obr. 8.36 a 8.37. 105
Plynulou změnu nastavení fázového pootočení sacích , případně výfukových ventilů představuje systémy VANOS , obr. 8.38. Pomocí elektronicky řízeného hydraulického systému jsou přestavovány axiální písty umístěné v ose vačkové hřídele a spojené s ní přímým drážkováním. Na vnějším průměru pístu je šikmé drážkování, které spojuje píst, a tedy i vačkovou hřídel, s náhonovým kolem. Při axiálním pohybu pístu hydraulického válce tak dochází k fázovému natočení vačkové hřídele vůči náhonovému kolu. Regulovaný úhel natočení vačkových hřídelí je 60° pootočení klikové hřídele motoru u vačky sacích ventilů a 46° u vačkové hřídele výfukových ventilů. Řízení fázového natočení obou vačkových hřídelí je řízeno elektronicky z pole hodnot uložených v paměti počítače. Okamžitá hodnota je stanovena v závislosti na Obr. 8.38 Systém plynulého nastavení otáčkách a zatížení motoru. fázového pootočení Dopel-VANOS 8.2.4.2 Skoková změna zdvihu ventilů Dvoustavový způsob řízení proměnného rozvodového mechanizmu dosáhl značného rozšíření v motorech firmy Honda. Známý rozvod VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) se začal v roce 1983 používat u motocyklových motorů a od roku 1990 i v motorech automobilních. Do současné doby prodělal značný vývoj. Na obr. 8.39 je úprava , umožňující třístavové řízení sacích ventilů čtyř, nebo tří ventilového rozvodu. Na volnoběhu a při velmi malých zatíženích je ovládán pouze jeden ventil obr 8.39 a) . Malý zdvih ventilu a excentrický vstup směsi do válce motoru zabezpečují dokonalé rozvíření a tedy i spolehlivé zapálení a prohoření Obr. 8.39 Třístavové řízení rozvodu sacích ventilů směsi ve válci motoru na volnoběhu a velmi nízkých zatíženích. Při nárůstu otáček a zatížení je zapojeno do činnosti, přesunutím horního čepu pomocí tlakového oleje, vahadlo druhého ventilu, obr. 8.39 b). Oba ventily jsou samostatně ovládány vnějšími vačkami. Jejich zdvih je malý. Při dalším nárůstu otáček přesune tlakový olej, proti síle vratné pružiny, spodní čep, obr. 8.39 c). Tak jsou propojeny obě vahadla přímo působící na ventily se střední pákou a ventily jsou pak ovládány střední vačkou s vysokým zdvihem. 8.2.4.3 Skoková změna zdvihu ventilů a změna fázového posunu Další vývojový krok představuje kombinace systému řízení úhlového natočení vačkových hřídelí sacích, případně, výfukových ventilů a systémů řídících skokově změnu zdvihu ventilu. Příkladem 106
Obr. 8.40 Honda i-VTEC
může být další vývojový krok systému Honda i-VTEC, obr. 8.40. Změna zdvihu ventilu byla popsána v předchozí kapitole. Změna fázového natočení je realizována krokovým hydromotorem , jehož rotor ve tvaru křídel je úhlově natáčen tlakovým olejem z mazacího systému motoru. Podobné řešení představuje systém Vario Cam Plus použitý u motorů Porsche 911 Turbo a Carrera. Regulace je řešena pouze u sacích ventilů a u obou parametrů je dvoustavová. 8.2.4.4 Plynulá změna zdvihu ventilů a změna fázového posuvu. Je nejsnadněji realizovatelná u ventilových rozvodů s ovládáním hydraulickým nebo elektromagnetickým. Tyto systémy však jsou doposud ve vývoji. Jediný realizovaný systém s mechanickým pohonem od vačkového hřídele je Valvetronik používaný u motorů BMW. V provedení, které je uvedeno na obr. 8.41 umožňuje plynulou změnu fázového natočení vačkových hřídelí výfukových a sacích ventilů ( systém dvojitý VANOS) a řízení plynulé změny zdvihu sacích ventilů. Krokový elektromotor natáčí hřídel s excentry, které určují polohu opěrného bodu vložené páky. Touto změnou je určována velikost zdvihu ventilu . Průběh zdvihu je řízen vačkovou hřídelí k níž je vložená páka přitlačována vratnou pružinou. Profilový konec vložené páky pak, přes jednostranně uloženou páku s kladničkou , řídí otvírání a zavírání ventilu. Vymezení ventilové vůle zabezpečuje hydraulická opěra. Zdvih ventilu se mění od 0.1 do 9.7 mm. Na volnoběhu je nastaven zdvih 0.25 mm. Čas potřebný pro Obr. 8.41 Zařízení pro plynulou přestavení soustavy od minimálního do změnu zdvihu sacího ventilu maximálního zdvihu ventilu je 300 ms. Řízení zabezpečuj 32 bitový počítač. Možnost řízení plynulé změny zdvihu a doby otevření sacího ventilu umožňuje vynechání škrtící klapky v sacím potrubí. Nastavování pracovního režimu motoru dle požadavku vyjádřeného sešlápnutím pedálu akcelerátor, tj. množství nasávané směsi, určuje zdvih a doba otevření sacího ventilu, viz obr 8.42. Pro porovnání je v levé horní části obrázku zobrazen průběh tlaku ve válci motoru při použití klasické škrtící klapky. Z porovnání ploch (šedě vybarvených), odpovídajících velikosti práce potřebné pro nasátí příslušného množství čerstvé směsi vidíme, že řízení sání ventilem přináší značné úspory. Proto tento motor Obr. 8.42 Řízení množství vykazuje značný pokles spotřeby paliva na režimech nasávané směsi volnoběhu a nízkých zatíženích. Ve skutečnosti má motor klapku v sacím potrubí . Ta však slouží , podobně jako u některých současných vznětových motorů, pouze ke korekci množství nasávané směsi do válců motoru.
107
8.2.4.5 Odpojování válců motoru Do soustavy variabilního řízení ventilových rozvodů je možno zařadit i systémy vypínání válců víceválcových motorů. Důvodem je skutečnost patrná z obr. 8.43 a). Při malém zatížení motoru , tedy nízkém odebíraném výkonu, má přeměna energie přivedené v palivu na mechanickou práci, charakterizovaná měrnou a) efektivní spotřebou paliva be [g/kWh], nízkou účinnost (viz také ηe ). Po vypnutí poloviny válců vzroste požadavek na výkon pracujících válců na více než dvojnásobek , čímž dojde k posunutí do oblasti vyšších zatížení těchto válců a přeměna energie se tak stane efektivnější. Teoreticky vhodné řešení vypínání válců a ventilů, realizovatelné při elektromagnetickém řízení ventilového rozvodu, je ukázáno na obr. 8.43 b). b) V současné době využívá techniku odpojování válců firma Daimler u motorů nové třídy automobilů S. Vykazuje snížení spotřeby o 20% při rychlosti 60 km/h a 12.4 % při rychlosti 120 km/h. Dlouhodobý průměr při rozdílných provozních režimech představuj 3.8 odpojení válců na jeden kilometr. Odpojování 4 válců osmiválcového motoru Obr. 8.43 Variabilní řízení do V je řešeno pomocí elektronicky řízeného počtu pracujících válců a hydraulického systému, kdy je odpojeno ventilů u čtyřválcového motoru z funkce ovládání sacích a výfukových ventilů a zastavena dodávka paliva k odpojeným válcům.Výkonovým prvkem systému je dvojité vahadlo na společném čepu, viz obr. 8.44. První vahadlo 2 je kladkou 1 v kontaktu s vačkou vačkové hřídele. V případě rozpojení je kontakt s povrchem vačky udržován pomocí pružiny 3. Druhé vahadlo 5 je přes hydraulický prvek 6 vymezující Obr. 8.44 Dělené vahadlo a zdvihátko ventilovou vůli v kontaktu s dříkem ventilu. Obě vahadla u pracujícího válce motoru jsou propojena zámkem 4. Zámek je tvořen děleným válcovým čepem. Při přivedení tlakového oleje je dvojitý čep , proti tlaku pružiny přesunut tak, že styková plocha obou čepů se dostane do mezery mezi oběma vahadly, čímž je přerušen přenos pohybu od vadla 2 na vahadlo 5.Podobně je řešeno i hrníčkové zdvihátko OHC rozvodu , obr. 8.44. Hrníčkové zdvihátko 1 je dvojicí vaček. Pokud je tlakovým olejem, pístkem 5, přesunut dělený čep 4 ve směru proti tlaku pružiny 3, dojde k propojení hrníčkového zdvihátka 1 se střední válcovou částí 2. Ventil koná pohyb dle zdvihu vačky. Ventilová vůle je vymezována hydraulickým elementem 6. V případě, že příčný čep je v druhé krajní poloze , je dvojicí vaček stlačováno pouze hrníčkové zdvihátko 1 proti síle pružiny 7. Ventily se neotvírají a válec je odpojen. 108
8.2.5 ŠOUPÁTKOVÝ ROZVOD Vedle ventilových rozvodů se v minulém století používaly i rozvody šoupátkové. Podle jejich konstrukčního řešení je dělíme na : a) rozvody s kmitajícími šoupátky, b) rozvody s rotačními šoupátky. Po roce 1916 se v Americe objevuje Knightův šoupátkový rozvod se dvěmi posuvnými šoupátky. Důvodem jeho vzniku byla a) b) c) snaha snížit hlučnost motoru na níž se výrazně podílely tehdejší nedokonalé ventilové rozvody. Ve dvacátých letech minulého století používaly tento rozvod všechny významné automobilky. Princip činnosti Knightova šoupátkového motoru je patrný z obr. 8.45. Jedná se o dvě válcová šoupátka z nichž vnitřní je ve Obr. 8.45 Polohy šoupátek rozvodu Knight: vztahu ke spalovacímu prostoru utěsněno a)sání, b) komprese a expanze, c) výfuk kroužky v hlavě válců.Jsou posouvána nahoru a dolů pomocí ojniček, s náhonem excentry na hřídeli poháněné od klikové hřídele tak, aby se otvory ve stěně šoupátek ve vhodný čas překrývaly. Vzhledem k obtížnosti mazání stykových ploch šoupátek a přehřívání motoru v důsledku zhoršeného odvodu tepla tyto motory z oblasti automobilních motorů během třicátých let vymizely. Jejich udržení v provozu nepomohlo ani vylepšení které zavedl Burt. Nahradil posuvný pohyb obou šoupátek posuvným a otáčivým pohybem jednoho šoupátka, viz obr. 8.46. Výhodou však bylo odstranění horkého výfukového ventilu a velké průtočné průřezy v sacích a výfukových oknech. To vedlo k použití Obr. 8.46 Motor Vauxhal – Burt tohoto systému rozvodu u velkých leteckých motorů vyráběných v průběhu II. Světové války v Anglii.
Obr. 8.47 Motor Cross s válcovým šoupátkem a Aspin se šoupátkem kuželovým V padesátých létech se objevují dva šoupátkové motory Cross a Aspin , obr. 8.47. Ani tyto se však nedostaly do sériové výroby. Jednoduchost a spolehlivost ventilových rozvodů zvítězila. I přes to se šoupátkové rozvody občas znovuobjeví. Naposledy v roce 1988 to byl motor amerického vynálezce Coatese.
109
9. SACÍ A VÝFUKOVÝ SYSTÉM SPALOVACÍCH MOTORŮ Sací systém spalovacího motoru zabezpečuje přívod nové náplně do válců motoru. Vzduchu u motorů vznětových a u motorů zážehových s přímým vstřikem paliva do válce motoru. U motorů s vnější tvorbou směsi pak přívod čerstvé směsi paliva se vzduchem. V druhém případě je nutno navrhovat sací systém i s ohledem na průběh vytváření směsi v průběhu sání. U motorů přeplňovaných je vhodnější používat název „ systém plnění válců motoru “. Obecným požadavkem na konstrukci sacího systému motoru je požadavek na co nejmenší tlakovou ztrátu a tedy na co nejlepší naplnění válce motoru ve všech pracovních režimech motoru, zvláště pak na režimu maximálního výkonu motoru. V některých případech je však tento požadavek potlačen ve prospěch řízení tvorby směsi. Jedná se o motory vznětové s přímým vstřikem paliva, kde dokonalé spálení vstřikovaného paliva zabezpečuje intenzivní tangenciální víření vzduchu vyvolané tangenciálním nebo šroubovým sacím kanálem. Nebo zážehové motory o velkém zdvihovém objemu s čtyřventilovou hlavou, u kterých je pro snížení spotřeby paliva při malých zatíženích a nízkých otáčkách nasávána do válce motoru chudá směs. U těchto motorů je navrhován sací systém pro režim maximálního výkonu motoru, tedy velké průtočné průřezy s minimálním odporem proti průtoku čerstvé náplně. Sací kanály těchto motorů jsou přímé. Dříve byla při malém zatížení těchto motorů používána velmi bohatá směs, která zajišťovala spolehlivé zapálení. Směs, která však v důsledku malého pohybu náplně ve válci motoru nebyla promísená, dohořívala ještě ve výfukovém potrubí, což vedlo ke značné spotřebě paliva. Získání potřebného tangenciálního víru pro snížení spotřeby paliva je řešeno řadou způsobů. Nejčastěji uzavřením jednoho ze sacích kanálů, nebo vyřazením jednoho sacího ventilu z činnosti, což způsobí, že směs vstupuje do válce na obvodu a vyvolává vznik tangenciálního víru. Zmenšení průtočného průřezu nebo výrazná změna směru proudu vyvolávají tlakové ztráty a zmenšení nasávaného množství vzduchu. To však na těchto režimech práce motoru nevadí. Je však nutno konstatovat, že základní odpor v sacím systému vozidlového motoru představuje vzduchový filtr. Celková tlaková ztráta na vstupu automobilního motoru se pohybuje v rozmezí 3,5 ÷ 5 [kPa] . U motoru traktorového může dosáhnout až 7 [kPa]. Výfukový systém pak zajišťuje odvod spalin z válců motoru. Obecný požadavek na výfukový systém motoru nepřeplňovaného turbodmychadlem je dán snahou o co nejmenší odpor proti výtoku spalin z válce motoru. Omezení vytváří legislativní požadavky na obsah emisí ve výfukových plynech a požadavky na vnější hlučnost motoru při jeho zástavbě do vozidla. Je tedy celkový tlakový spád na výfukovém systému určován odporem výfukového ventilu, výfukového kanálu v hlavě válců, sběrného potrubí, katalyzačního tlumiče a tlumičů hluku.U přeplňovaných motorů je tvarování a průtokové poměry výfukového systému určovány požadavky turbíny turbodmychadla.
9.1 SACÍ A VÝFUKOVÝ SYSTÉM DVOUDOBÉHO MOTORU Sací a výfukový systém dvoudobého rychloběžného motoru je určen specifickými podmínkami konstrukce jednostopého vozidla i jinými legislativními požadavky z hlediska hluku a emisí škodlivých látek ve výfukových plynech. 9.1.1 SACÍ SYSTÉM DVOUDOBÉHO MOTORU Sací systém dvoudobého motoru musí zajistit : • filtraci nasávaného vzduchu, • utlumení hluku sání, • příznivé ovlivnění průběhu točivého momentu a výkonu motoru.
110
První dva problémy řeší uklidňovací komora 1, viz obr. 9.1, s integrovaným prostorem pro umístění výměnné vložky pro filtraci nasávaného vzduchu. Objem uklidňovací komory je 20x větším než je zdvihový objem motoru.
4
5
2
1 vzduch
6
7 8
3
9
10
11
Obr. 9.1 Sací a výfukový systém dvoudobého motocyklového motoru
Obr. 9.2 Tlumič sání a čistič vzduchu motocyklového motoru
Uklidňovací komora bývá tvořena výliskem z ocelového plechu nebo plastické hmoty. V současné době převažují tlakové výlisky z plastických hmot, které nepodléhají korozi a vykazují příznivější vlastnosti z hlediska tlumení hluku a potlačení přenosu vibrací.Výměnné papírové filtrační vložky jsou dodávány specializovanými výrobci. Volba velikosti filtračního povrchu je pro daný zdvihový objem motoru určována podmínkami provozu a požadavkem na délku provozu mezi jednotlivými výměnami. Extrémní rozdíly v požadavcích na filtraci nasávaného vzduchu vyplývají z porovnání provozu dvoudobého přívěsného lodního motoru nebo motoru sněžného skútru s provozem motoru malé stavební nebo zemědělské mechanizace v prašném terénu. Uklidňovací komora bývá spojena s karburátorem 2 většinou pružným potrubím z gumy. Na karburátor navazuje sací potrubí 3, které bývá tvořeno tlakovým odlitkem z hliníkové slitiny nebo plastické hmoty. Vnitřní průřez sacího potrubí bývá 105 ÷ 110 % průřezu difuzoru karburátoru. Do klikové skříně motoru ústí jazýčkovým ventilem 4. Konkrétní provedení u motocyklového motoru ČZ 125 je uvedeno na obr. 9.2. Pozice 1 papírová filtrační vložka, 2 uklidňovací komora, 3 karburátor. Z hlediska ovlivnění příznivého průběhu točivého momentu mají mimořádný význam dynamické děje v sacím potrubí. Objem sacího potrubí tvoří s objemem klikové skříně rezonanční soustavu, jejíž vlastní frekvenci určuje pro zvolený příčný průřez sacího potrubí jeho rezonanční délka. Otáčky klikového hřídele motoru při nichž dojde k maximálnímu naplnění klikové skříně a tím i dosažení maximálního točivého momentu motoru jsou nazývány otáčkami rezonančními. Vhodnou volbou objemu a délky sacího potrubí lze pak tvarovat průběh točivého momentu motoru podle zadaných provozních požadavků. Součástí sacího systému může být i pomocná pulzační komora 5 zabezpečující obohacení směsi při prudkém otevření šoupátka karburátoru. V takovémto případě dojde v důsledku setrvačnosti benzínového sloupce před tryskou k ochuzení směsi nasávané do motoru a k poklesu točivého momentu vyvíjeného motorem. Aby k tomu nedošlo je v komůrce 5 akumulována bohatá směs z předchozího režimu práce motoru, která se při poklesu tlaku v sacím potrubí dostává z komůrky do potrubí a zvyšuje celkovou bohatost směsi nasávané do motoru.
111
9.1.2 VÝFUKOVÝ SYSTÉM DVOUDOBÉHO MOTORU Požadavky kladné na výfukový systém dvoudobého motoru jsou následující : • výrazné snížení hluku odcházejících spalin, • příznivé ovlivnění průběhu točivého momentu a výkonu motoru, • v některých případech i snížení obsahu škodlivých látek ve spalinách. Schematické uspořádání výfukového systému motocyklového motoru je uvedeno na obr. 9.1. .Výfukový systém je tvořen výfukovou přívěrou 6, výfukovým potrubím 7, výfukovým rezonátorem 9 a tlumící koncovkou 11. U některých motocyklových motorů se vyskytuje i oxidační katalyzátor 10 , případně doplněný pomocným katalyzátorem 8. Utlumení hluku odcházejících spalin zabezpečuje tlumící koncovka osahující většinou interferenční a absorpční komoru, viz obr. 9.3. Soustava tvořená výfukovou přívěrou , potrubím a rezonátorem ovlivňuje průběhu tlaku ve výfukovém otvoru válce motoru tak, že v okolí rezonančních otáček.je zlepšeno plnění válce motoru a jsou sníženy ztráty čerstvé směsi. Tím je příznivě ovlivněn průběh točivého momentu motoru. Rozšíření otáčkové oblasti v níž příznivě působí rezonanční systém je možno jeho frekvenčním přeladěním. Toto přeladění je možno uskutečnit : • změnou délky výfukového rezonátoru , • změnou objemu rezonátoru, např. připojením přídavné komory pro snížení frekvence hmotnostních pulsací ve výfukovém potrubí a tím i zvýšení točivého momentu motoru v nižších otáčkách , Obr. 9.3 Tlumící výfuková koncovka • změnou úhlu otevření výfukového otvoru pomocí výfukové přívěry. Poloha výfukové přívěry je tedy určována okamžitou velikostí otáček motoru. Může být provedena jako válcové nebo ploché posuvné či výkyvné šoupátko, viz obr. 9.4. Hlavní oxidační katalyzátor 10 je umístěn tak, aby co nejméně ovlivňoval pulsace ve výfukovém rezonátoru. Vzhledem k tomu, že oxidační reakce na povrchu katalyzátoru začínají probíhat při teplotě cca 300 °C , trvá ohřev na tuto teplotu značně dlouho. Urychlení ohřevu povrchu katalyzátoru je řešeno pomocným oxidačním katalyzátorem 8 umístěným co nejblíže výfukovému otvoru. Povrch tohoto katalyzátoru se Obr. 9.4 Výfuková přívěra poměrně rychle zahřeje na potřebnou teplotu při níž dochází k oxidaci nespálených uhlovodíků a CO. Tento katalyzátor tedy v počáteční fázi ohřevu motoru likviduje uvedené škodliviny a současně teplem vznikajícím při oxidaci ohřívá hlavní katalyzátor.
112
9.2.
SACÍ A VÝFUKOVÝ SYSTÉM ČTYŘDOBÉHO MOTORU
Základní prvky sacího a výfukového systému současného čtyřdobého zážehového vozidlového motoru jsou ukázány na obr. 9.5. Systém sání tvoří Vzduchový filtr umístění v komoře tlumící hluk sání. Z něj je vzduch veden do kompresoru turbodmychadla a přes chladič plnícího vzduchu a škrtící klapku do rezonančního sacího potrubí, rozdělujícího vzduch do jednotlivých válců motoru. Do soustavy sání ještě patří systém recirkulace spalin zabezpečující snížení emisí NOx . Hlavním řídícím prvkem je ventil zpětného vedení spalin, vázaný na přetlak v sacím potrubí. Dále je to i systém odvětrávání klikové skříně motoru a prostoru pod krytem ventilů. Spaliny proniklé do klikové skříně motoru profukem Obr. 9.5 Schéma sacího a výfukového traktu jsou odvedeny přes odlučovač přeplňovaného čtyřdobého zážehového motoru oleje do sacího potrubí. V případě vzniku podtlaku se otvírá zpětný ventil přívodu vzduchu. Výfukový systém tvoří sběrné potrubí, které spaliny z jednotlivých válců přivádí do turbíny turbodmychadla. Součástí může být i obtokový ventil, nebo jiný systém regulace práce turbíny. Z turbíny jsou spaliny vedeny do soustavy zabezpečující tlumení hluku a následné odstranění škodlivých emisí z výfukových plynů. 9.2.1 SACÍ SYSTÉM ČTYŘDOBÉHO MOTORU Na vstupu do sacího systému čtyřdobého motoru je umístěna komora zabezpečující tlumení hluku sání motoru. Součástí komory je i filtr zachycující prachové částice z nasávaného vzduchu. U současných motorů osobních automobilů jsou používány vyměnitelné papírové filtry vložené do tlumící komory , viz obr. 9.6. Pro urychlení ohřevu
Obr. 9.6 Systém tlumení hluku sání a filtrace nasávaného vzduchu : 1 – vstup čerstvého vzduchu, 2 – přívod ohřátého vzduchu z oblasti sběrného výfukového potrubí, 3 – vstup čistého vzduchu do motoru, 4 – regulační ventil motoru v zimních měsících je do sání přiváděn teplý vzduch odebíraný z prostoru sběrného výfukového potrubí. Příliš vysoká teplota nasávaného vzduchu by způsobovala pokles
113
objemové účinnosti a tedy i výkonu motoru. Proto je součástí i termostatický ventil, který při teplotách promíchaného studeného a teplého vzduchu vyšších než cca 28 °C uzavře přívod teplého vzduchu 2. U motorů pracujících ve vysoce prašném prostředí, např. motory nákladních automobilů na stavbách je používána vícestupňová filtrace, viz obr. 9.7. První stupeň tvoří
Obr 9.7 Vzduchový filtr motoru nákladního automobilu
Obr. 9.8 Vzduchový filtr s olejovou náplní pro traktory a zemědělské stroje
odstředivý filtr. Lopatky 3 na vstupu filtru uvedou vzduch do rotace. Prachové částice jsou odstředivou silo neseny po povrchu kužele nahoru a mezerou mezi víkem 1 a kuželem propadávají do zásobníku 2. Takto očištěný vzduch vstupuje přes papírovou filtrační vložku 5, do pojistného filtru 4 a dále do sacího traktu motoru. Velmi dobrou účinnost vykazoval čistič vzduchu s olejovou náplní, obr. 9.8. Těleso filtru 1 bylo spojeno se spodním dílem 2 pásovým spojem 3. Vzduch předčištěný v odstředivém filtru vstupoval nátrubkem 4 . V dolní části filtru se směr pohybu vzduchu otáčí o 180° a současně získává průchodem lopatkovým věncem 6 axiální rotaci. Při těchto změnách směru jsou hmotné prachové částice vrhány na hladinu oleje a olejovou náplní 7 pohlcovány. Kapičky stržené proudem vzduchu ulpívají na sítech 8 a zachycují prošlé prachové částice. Čistý vzduch je odveden do sání motoru nátrubkem 5. Jedinou nevýhodou tohoto filtru je nutnost pravidelného čištění a výměny olejové náplně.Moderní filtrační systémy jsou vybavovány ukazatelem zanesení filtru, viz obr. 9.9. Ukazatel měří velikost podtlaku v sání za filtrem. Součástí systému je vedle uklidňovací komory i měřič protékajícího Obr.9.9 Moderní filtrační systém množství vzduchu a ohřev plynů odvětrávání motoru Daimler-Chrysler OM611 klikové skříně. 114
Čistý vzduch vstupuje buď do sacího potrubí, nebo u motorů přeplňovaných do kompresoru turbodmychadla. Po případném ochlazení v mezichladiči plnícího vzduchu je přiveden do sacího potrubí, které vzduch rozděluje ke vstupům sacích kanálů. Ukázka sacího potrubí vznětového motoru je na obr. 9.10. Stlačený vzduch je přiveden ke čtyřem hlavám, přičemž každá má dva sací kanály. Jeden přímý (plnící) a druhý šroubový zajišťující potřebné axiální rozvíření vzduchu. Pro snížení obsahu NOx ve spalinách je sací potrubí vybaveno pneumatickým ventilem , který řídí množství spalin přivedených do sání. Současně je k sacímu potrubí připojen i chladič spalin vedených do sání. Sací potrubí je u současných motorů většino vyrobeno z plastických hmot, např. Zytel. Oproti potrubím z hliníkových slitin vykazuje nižší hmotnost, velmi hladké povrchy vnitřních stěn potrubí při současném poklesu výrobních nákladů. Dalším přínosem je zabezpečení velmi přesné geometrie vnitřních povrchů ve vztahu ke vstupům sacích kanálů v hlavě válců a možnost integrace dalších funkčních Obr. 9.10 Integrované sací potrubí prvků do jednoho odlitku. přeplňovaného vznětového motoru OM611 9.2.1.1 Rezonanční sací potrubí U všech zážehových motorů současných automobilů jsou pro zlepšení průběhu točivého momentu a maximálního výkonu motoru využívána rezonanční sací potrubí. Podstatou jsou vhodně zvolené délky a objemy soustavy sacího potrubí, které umožňují využití rezonančních jevů pro zvýšení hmotnostního naplnění válce motoru čerstvou směsí. Základním zdrojem energie využívané pro další naplnění válce motoru je energie infinitesimální podtlakové vlny, která je vyvolána sacím pohybem pístu a šíří se rychlostí zvuku do sacího potrubí. Na volném konci potrubí se tato vlna odráží jako vlna přetlaková a pohybuje se rychlostí šíření zvuku v daném prostředí spět do válce motoru. Vhodná rezonanční délka l, viz obr. 9.11, a objem potrubí ( objem sacího potrubí musí být větší nebo roven zdvihovému objemu válce motoru) způsobí, že tato vlna dospěje do válce motoru před uzavřením sacího ventilu a zvýší tak hmotnostní naplnění Obr. 9.11 Rezonančního potrubí válce motoru. V tomto případě tedy vybudí tlakovou vlnu tentýž válec u kterého dojde v důsledku rezonančního jevu ke zvýšení hmotnostního naplnění. Druhou možností je, že pro vybuzení tlakové vlny se využije válec, který v pořadí sání předchází válci, který má být v důsledku rezonančního jevu doplněn. Tento způsob se využívá u šestiválcových motorů, kdy válce jsou rozděleny do dvou skupin, tak aby sání následovalo vždy po předchozím válci, viz obr. 9.12. Při nejobvyklejším pořadí zapalování, a tedy i pořadí sání, jednotlivých válců řadového šestiválcového motoru 1-5-3-6-2-4, vybudí podtlaková vlna prvního válce při pohybu v rezonančním potrubí vlnu přetlakovou, která doplní část vzduchu do válce třetího , pátý válec vybudí tlakovou vlnu pro šestý Obr. 9.12 Rezonanční soustava válec , třetí pro druhý, šestý pro čtvrtý a druhý pro šestiválcového motoru 115
první válec. Podle tohoto rozdělení jsou příslušné válce propojeny společným rezonančním zásobníkem. Obdobně to platí i pro další možnost nastavení pořadí zapalování řadového motoru 1-4-2-63-5 a motoru vidlicového 1-4-2-5-3-6 . Využití rezonančních jevů podle prvního způsobu je v zásadě vhodné pouze pro vysokootáčkové motory. Důvodem je přiměřenost délky rezonančního potrubí, která při otáčkách nižších jak 2000 min-1 vychází již příliš dlouhá, viz obr. 9.13. Druhý způsob je vhodný i pro vznětové motory nákladních Obr. 9.13 Délka rezonančního automobilů, kdy fázový posun vyvolaný využitím potrubí rezonančního zásobníku umožňuje použití krátkého rezonančního potrubí, pracujícího se zlomkem vlnové délky. Z obr.9.13 je patrné, že každému otáčkovému režimu odpovídá jiná rezonanční délka potrubí. Vzhledem ke konstrukčním problémům, byly v počátcích vývoje rezonančních sacích systémů zážehových motorů využity pouze dvě rozdílné délky rezonančního potrubí, viz obr. 9.14. Světlé šipky zobrazují cestu nasávaného vzduchu dlouhým sacím potrubím, jehož rezonanční délka odpovídá otáčkám motoru do n = 4000 min-1. Z průběhu kroutícího momentu na obr. 9.14 je zřejmé, že v oblasti otáček n = 3000 min-1 roste výrazně točivý moment motoru. Proto bývá toto sací potrubí označováno jako momentové. Při otáčkách motoru nad 4000 min-1 je pneumatickými ventily uzavřeno dlouhé potrubí a otevřeno rezonanční potrubí krátké. Směr proudění vyznačují černé šipky. Z porovnání průběhu točivých momentů při použití jednotlivých délek potrubí plyne, že krátké sací potrubí zvyšuje točivý moment, a tedy i výkon motoru při vyšších otáčkách. Bývá tedy nazýváno výkonové potrubí. Při použití dlouhého potrubí by došlo při vyšších k výraznému poklesu Obr. 9.14 Dvoustupňové výkonu motoru. rezonanční potrubí Podobné řešení dvoustupňového rezonančního potrubí představuje systém firmy Volkswagen pro motor VR6, obr. 9.15. Jak je patrné z charakteristik motoru automobilu Audi A8 na obr. 9.16 překračuje ve výpočtovém rezonančním režimu dopravní účinnost množství nasávaného vzduchu do válce motoru hodnoty 1. Vzhledem k tomu , že se jedná o motor s vícebodovým vstřikem řízeným lambda sondou, je průběh točivého momentu motoru, pro jednotlivé délky rezonančního sacího potrubí, prakticky totožný s průběhem Obr. 9.15 Rezonanční sací potrubí dopravní účinnosti, viz obrázek. Výsledná motoru VW VR6 vnější otáčková charakteristika motoru je tvořena složením obou průběhů. 5,0 4,5 4,0
dâlka potrubã [m]
3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
0
1000
2000
3000
4000
rezonan“nãotÖ“ky [1/min]
116
5000
6000
7000
Dalším stupněm vývoje bylo třístupňové rezonanční sací potrubí použité u další modifikace motoru Audi V8. Vývoj však směřoval k plně variabilnímu rezonančnímu sacímu potrubí. Na obr. 9.17 je ukázáno rotační šoupátko, zážehového motoru BMW V8, které zabezpečuje plynulou změnu délky sacího potrubí. Při natočení vstupu vzduchu do sacího kanálu příslušné hlavy do polohy 1 , je délka rezonančního sacího potrubí nejkratší a v poloze 2 pak nejdelší. Obr. 9.16 Charakteristiky motoru Audi V8 Příklad rezonančního systému využívajícího tlakových pulsů vyvolaných i jinými válci je uveden na obr. 9.18. Jedná se o rezonanční sací potrubí šestiválcového motoru do V automobilu Peugeot 605. Pohyb tlakových pulsů je řízen soustavou klapek. Pro otáčky motoru nižší jak 4000 min-1 jsou klapky oddělující propojení společných sacích potrubí jednotlivých řad válců uzavřeny, viz obr. 9.18 a). Rezonanční potrubí pracuje dle první možnosti, přetlakovou vlnu vybudí tentýž válec, který je jí doplněn. V rozmezí otáček 4000 až 5000 min-1 jsou otevřeny obě klapky dle obr. 9.18 b). Rezonanční potrubí pak pracuje dle druhého způsobu popsaného výše. Při otáčkách vyšších Obr. 9.17 Rezonanční sací jak 5000 min-1 je otevřena klapka dle obr. 9.18 c). Propojení potrubí s plynule měnitelnou délkou využívá krátkého rezonančního kanálu. Oba dva způsoby rezonančního
Obr 9.18 Rezonanční sací potrubí Peugeotu 605 – 6V plnění je možno kombinovat. Uspořádání takové soustavy je uvedeno na obr. 9.19. Ve vysokých otáčkových režimech pracuje Obr. 9.19 Kombinovaný rezonanční sací délkově laděné sací potrubí, v nízkých pak systém se soustavou řízení turbulence rezonanční potrubí uváděné do činnosti klapkou rezonátoru. K zabezpečení rovnoměrnějšího chodu motoru na volnoběhu a při nízkých zatíženích je systém sání doplněn soustavou pro řízení turbulence čerstvé náplně ve válci motoru.
117
9.2.2 VÝFUKOVÝ SYSTÉM ČTYŘDOBÉHO MOTORU Výfukový systém čtyřdobého motoru je tvořen sběrným potrubím, které zabezpečuje sběr spalin z jednotlivých výfukových kanálů v hlavě válců a dále z navazující soustavy následné likvidace škodlivin obsažených ve výfukových plynech a tlumičů hluku. Sběrné potrubí starších motorů osobních automobilů a motorů nákladních automobilů bývá odlito z šedé litiny. Výhodou byla dobrá odolnost proti oxidaci za vysokých teplot, dostatečná pevnost, schopnost pohlcovat hluk, vibrace a nízká cena. Teplota výfukového potrubí při maximálním zatížení motoru může dosáhnout až 900 °C. Nevýhodou litinových potrubí je velká hmotnost. Proto se u motorů některých sportovních a závodních automobilů setkáváme s délkově laděným sběrným Obr. 9.20 Laděné sběrné výfukové výfukovým potrubím z žáropevných a potrubí žáruvzdorných ocelí, viz obr. 9.20. Délkové naladění výfukového potrubí využívá, obdobně jako u výše popsaných sacích systémů, tlakových pulsací ke zlepšení odvodu spalin z válce motoru. Jeho vliv na výkon motoru je však podstatně menší a projevuje se většinou jen ve velmi úzkém rozmezí provozních otáček motoru. Většinou se jedná o naladění na maximální výkon motoru. Další nevýhodou litinového sběrného potrubí je i značný odvod tepla do okolního prostředí, který způsobuje značné prodloužení doby náběhu katalyzačního tlumiče do činnosti. Potřebné katalytické reakce začínají spolehlivě probíhat až v okamžiku, kdy teplota povrchu katalyzátoru dosáhne cca 320 °C. Urychlení ohřevu katalyzátoru napomáhá jeho umístění co nejblíže k hlavě válců, viz obr. 9.21, a provedení sběrného potrubí z výlisků z žáropevných ocelí, které jsou chráněny krytem Obr. 9.21 Katalyzační tlumič omezujícím vyzařování tepla, obr. 9.22. umístěný blízko sběrnému potrubí Výhodou řešení s izolační vzduchovou vrstvou je skutečnost, že při teplotách vyšších, jak 650 °C se stává tato pro infračervené záření průzračnou a omezuje tak přehřívání katalyzátoru. Na sběrné výfukové potrubí navazuje soustava omezující škodlivé působení práce motoru na okolní prostředí. U starších osobních automobilů to byla soustava tlumičů hluku, které snižovaly hluk spalin odváděných z motoru, viz obr. 9.23 a). U nových zážehových motorů je doplněna třícestným katalyzačním tlumičem, obr. 9.23 b). Katalyzační tlumič zabezpečuje při velikosti vzdušného Obr. 9.22 Skládané sběrné výfukové potrubí součinitele λ = 1 likvidaci tří základních složek škodlivin. Redukci oxidů dusíku NOx a oxidaci CO a HC. Tyto škodlivé složky spalin se přeměňují na N2, CO2 a H2O. U vznětových motorů, které pracují vždy s přebytkem 118
vzduchu λ > 1.3 a u zážehových motorů s přímým vstřikem benzínu, které pracují s λ > 1 při malých zatíženích není možno uskutečnit redukci NOx. Zde je možno použít pouze oxidační katalyzátory, nebo akumulační katalyzátory, viz obr. 9.24. Akumulační katalyzátor pro likvidaci NOx pracuje tak, že po určitou dobu váže na svém povrchu tyto škodliviny. Po nasycení zaznamená čidlo NOx průchod těchto škodlivin. Na Obr. 9.23 Výfukový systém motorů kratičkou dobu je obohacena směs osobních automobilů : a) bez katalyzátoru, vstřiknutím většího množství paliva, které b) s katalyzátorem , 1 přední tlumič, 2 se projeví větším obsahem CO a HC ve soustava katalyzátorů, 3 střední tlumič 4 spalinách a dojde k redukci NOx z povrchu zadní tlumič katalyzátoru. Poměr časů odpovídá cca 58 sekundám akumulace a dvěma sekundám redukce. U vznětových motorů se setkáváme ještě s jedním prvkem v soustavě likvidace škodlivin. Je to částicový filtr. Částice ve výfukových plynech vznětových motorů tvoří mikroskopické částečky uhlíku o průměru cca 0,05 µm , na jejichž povrchu jsou vázány uhlovodíky z paliva a oleje, dále voda a sulfáty ze síry obsažené v palivu. Průměr částic v proudu spalin se pohybuje kolem 0,9 µm. Tato hodnota je závislá na provozních podmínkách motoru a jeho konstrukčním provedení Obr. 9.24 Úprava spalin u vznětového (způsob tvorby směsi paliva se vzduchem, tvar spalovacího prostoru, organizace hoření), což samozřejmě ovlivňuje i počet částic ve výfukových plynech. Vznik částic je vázán na oblasti hoření paliva v nichž je příliš bohatá směs. Vedle částic obsahují zplodiny hoření naftových motorů ještě polycyklické aromatické uhlovodíky, u kterých je podezření, že způsobují vznik rakoviny. Částicový filtr tvoří většinou keramické porézní těleso na jehož povrchu a v pórech se částice zachycují. Po určité době provozu vzroste odpor proti průtoku spalin (tlakový spád ∆p, obr. 9.24) natolik, že je nutno zachycené částice odstranit. Děje se to Obr. 9.25 Principy odběru energie proudu výfukových plynů zahřáním keramického tělesa filtru pomocí zvýšeného přívodu paliva na teplotu cca 900 °C. Na tlumení hluku motoru se podílí jednotlivé katalyzační tlumiče. Hlavní snížení hluku výstupu spalin zabezpečují však tlumiče hluku. U motorů osobních automobilů jsou většinou používány dva tlumiče s rozdílným frekvenčním laděním. Princip jejich funkce, tj. odběr energie proudu spalin, je shrnut na obr. 9.25. Rezonance a interference využívají 119
k odběru energie pohybu tlakových vln. Škrcení pak vnitřního tření spalin u silně turbulentních proudů vyvolaných průchodem otvory malých průměrů. Absorpcí je odebírána energie výfukovým plynům v důsledku vzájemného tření vláken minerální, nebo kovová vlny, při pohybu spalin tímto prostředím. Vzhledem k nižšímu frekvenčnímu rozpětí je u nákladních automobilů používán jeden tlumič hluku. Ukázka jeho konstrukce je na obr. 9.26.
Obr.9.26 Tlumič hluku motoru nákladního automobilu
9.2.2.1 Potrubí pro recirkulaci výfukových plynů do sání motoru Jak už bylo uvedeno v problematice sacího systému čtyřdobých motorů je jednou z možností snížení obsahu NOx recirkulace spalin z výfukového traktu motoru do sání. Aby přívod horkých spalin výrazně nesnižoval objemovou účinnost motoru jsou spaliny chlazeny. Provedení takovéhoto potrubí zpětného vedení spalin je na obr. 9.27. Ani značně proměnná velikost maximální vstupní teploty spalin do chladič nevede k výraznějšímu kolísání teploty spalin na
Obr 9.27 Kapalinou chlazené potrubí pro zpětné vedení části spalin do sání motoru vstupu do sacího traktu motoru. Uvedená skutečnost je patrná z průběhů teplot na obr. 9.28. Množství spalin, které je vraceno zpátky do sání motoru je omezeno, nejen z hlediska vlivu na výkonové a ekonomické parametry motoru, ale i z požadavků omezení nárůstu obsahu oxidu uhelnatého a zbytkových uhlovodíků ve výfukových plynech.
Obr. 9.28 Pokles teploty spalin v důsledku odvodu tepla ve výměníku spaliny – chladící kapalina
120
Obr 9.29 Procentuelní podíl spalin na nasávaném množství vzduchu
U zážehového motoru Ford DURATEC – HE, 2,0 l jsou pole konstantních hodnot procentuelního podílu recirkulovaných spalin ve vztahu k množství nasávaného vzduchu uvedeny na obr. 9.29. U vznětových motorů může při nízkých zatíženích dosáhnou tento podíl až 40%. Na rozdíl od zážehových motorů je však jeho velikost vždy omezena nárůstem emise částic.
9.2.2.2 Motorová brzda U nákladních automobilů a autobusů se pro snížení pojezdové rychlosti využívá, vedle klasických provozních brzd, tzv. brzdy motorové. Snižuje tepelné zatížení provozních brzd při dlouhých klesáních, zmenšuje jejich opotřebení a vzhledem k tomu , že při jejich zapojení do činnosti je uzavřena dodávka paliva do motoru snižují i celkovou spotřebu paliva. Podle jejich konstrukčního provedení rozlišujeme dva základní typy : a) brzdy se škrtící klapkou ve výfukovém potrubí, b) brzdy dekompresní. V některých případech jsou
Obr. 9.30 Motorová brzda se škrtící klapkou
Obr. 9.31 Motorová brzda s dekompresorem a škrtící klapkou
používány kombinace obou systémů. Na obr. 9.30 je schématicky znázorněn systém se škrtící klapkou umístěnou za sběrným výfukovým potrubím. Ve schématu značí : 1 přívod tlakového vzduchu pro ovládání klapky motorové brzdy, 2 obtok klapky, 3 ventil regulace tlaku, 4 výfukové potrubí, 5 sání, 6 píst. Po uzavření výfukového potrubí škrtící klapkou 2 je kinetická energie vozidla je snižována odběrem energie při výfukovém zdvihu pístu , kdy spaliny a později čistý vzduch jsou tlačeny do výfukového potrubí přes regulační ventil 3. Ve starších provedeních motorové brzdy nebyl použit Obr. 12.32 Motorová brzda motoru Liaz 121
samostatný regulační ventil, ale klapka úplně uzavírající výfukové potrubí . Je však zřejmé, že brzdný výkon byl nižší. Takovéto řešení měla i motorová brzda motoru Škoda Liaz ML 637, obr. 9.32. Uzavření klapky výfukového potrubí 1 bylo ovládáno vzduchovým válcem 2 s přívodem tlakového vzduchu A. Přes společnou hřídelku byl pomocí další páky uzavřen přívod paliva na vstřikovacím čerpadle 3. Později byl použit pro uzavření přívodu paliva samostatný vzduchový válec. Vyšší brzdný výkon má řešení motorové brzdy s dekompresorem, viz obr. 9.31. Přívodem tlakového vzduchu 1 je otevřen dekompresní ventil 4. Zvýšení brzdného výkonu je dáno tím, že k odběru energie v důsledku průtokových ztrát dochází, jak při výfukovém zdvihu, tak i při zdvihu kompresním. Konstrukční provedení s dekompresním ventilem konstantního škrcení použité u motorů nákladních automobilů firmy Mecedes-Benz je uvedeno na obr. 9.34. Porovnání relativních brzdných výkonů jednotlivých systémů motorových brzd je provedeno v grafu na obr. 9.33. Nejvýkonnější je kombinace motorové brzdy se škrtící výfukovou klapkou a dekompresním ventilem, křivka 1. Samostatné motorové brzdě se škrtící klapkou odpovídá křivka 3 a s dekompresním ventilem 2. Samostatný dekompresní ventil motorové brzdy je možno nahradit pomocí Obr. 9.33 Relativní brzdný výkon mechanizmu, který při použití A motorové Obr. 9.34 Dekompresní ventil brzdy pootevře výfukové ventily a zastatví dodávku paliva do motoru. Takovýto systém motoru Iveco je ukázán na obr. 9.35. Na obr. 9.35 A je normální provozní stav, při kterém jsou výfukové ventily při chodu kladky vahadla na základové kružnici vačky B uzavřeny. Přesunutím pístku hydraulického válce dojde k natočení excentrické hřídele na níž jsou vahadla uložena a výfukové ventily zůstanou otevřeny i v průběhu kompresního zdvihu pístu , viz obr. 9.35 B. Byla zkoušena i řada systémů Obr. 9.35 Dekompresní motorová s přepnutím řídícího vahadla, podobně jako u brzda IVECO systému variabilního rozvodu Honda VTEC, tak aby při brždění motorem řídily otvírání výfukových ventilů pomocné vačky, které pak otvírají výfukové ventily v průběhu kompresního zdvihu.
122
10. CHLAZENÍ PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ Pro správnou funkci jednotlivých dílů a konstrukčních skupin spalovacího motoru musí být zajištěna odpovídající provozní teplota. Požadovanou teplotu zajišťuje chladící systém, který odvádí přebytečné teplo především ze stěn pracovního prostoru, pístu, stěny válce, hlavy motoru, ložisek a dílů rozvodového mechanizmu do okolního prostředí.Vedení tepla je zajišťováno buď přímo prostřednictvím materiálu vhodně uzpůsobených stěn válce, hlavy a klikové skříně motoru, nebo nepřímo prostřednictvím teplonosného media (chladící kapaliny), která předává teplo do okolního prostředí pomocí výměníků tepla. V některých případech se používá kombinace obou systémů. Oba dva způsoby chlazení musí být u vozidlových motorů vyšších výkonů regulovatelné, neboť příliš vysoká teplota motoru snižuje výrazně výkon a ekonomičnost práce motoru a vede k jeho havárii. Dlouhodobá práce motoru v podchlazeném stavu vede k výraznému nárůstu opotřebení pístní skupiny. Prakticky nezávisle na způsobu chlazení motoru je pro zajištění jeho normálního teplotního stavu potřeba do okolí rozptýlit cca 30% tepla získaného spalováním paliva. U zážehových motorů je množství tepla odváděného do okolí o něco vyšší než u motorů vznětových.
10.1 PŘÍMÉ CHLAZENÍ Přímé chlazení je zajišťováno odvodem tepla přímým kontaktem horkých stěn motoru s okolním prostředím. Pro zvýšení odvodu tepla je vnější povrch motoru zvětšován chladícími žebry. Jedná se většinou o vzduchem chlazené motory motocyklové, letecké a motory nákladních automobilů a traktorů. Výhodou přímého chlazení vzduchem je, v porovnání s nepřímým chlazením, vyšší spolehlivost, nižší hmotnost motoru a rychlejší ohřev stěn válců na provozní teplotu. Nevýhodou pak jsou větší zástavbové rozměry motoru dané větší roztečí válců vyplývající z potřeby vytvoření chladících žeber mezi válci. Další nevýhodou je vyšší úroveň vyzařovaného hluku a vyšší pracovní teplota dílů motoru, což vede k použití kvalitnějších materiálů a tím i nárůstu ceny motoru. Přímé chlazení může být : náporové, využívající pohybu vozidla, obr. 10.1 a), nebo nucené, obr. 10.1 b), kdy pro získání potřebného proudění vzduchu kolem teplosměnných ploch je použit ventilátor. Náporové chlazení vzduchem se používá u motocyklových motorů. Je to nejjednodušší systém chlazení, nevyžaduje prakticky žádnou údržbu a výrobní náklady jsou nízké. Nevýhodou je možnost přehřátí Obr. 10.1 Přímé chlazení: a) náporové, b) nucené motoru při velkých zatíženích a malé pojezdové rychlosti (jízda do kopce), nebo jeho podchlazení při malém zatížení a velké rychlosti (jízda z kopce). Nevýhodou je i pokles výkonu dvoudobých rychloběžných motorů při dlouhodobém vysokém zatížení, kdy v důsledku vysoké teploty stěn klikové skříně motoru dochází k poklesu nasávaného množství čerstvé směsi. Maximální objemový výkon, dosažitelný u motocyklových motorů s náporovým chlazením je 74 kW/l. Z konstrukčního hlediska je prakticky využitelná maximální délka chladících žeber 50 mm a vzdálenost mezi žebry maximálně 8 mm . U motocyklových motorů větších objemových výkonů je používáno buď nepřímé chlazení, nebo kombinované chlazení, kdy válce motoru jsou chlazeny vzduchem a hlava válců kapalinou. Nejčastěji je pro chlazení hlavy využit motorový olej. Na příklad
123
čtyřválcový motocyklový motor BMW, boxer, má chlazen prostor výfukového ventilu pomocí samostatného oběhového čerpadla. U motoru firmy Suzuki je nastřikován spalovací prostor v oblasti výfukového ventilu a svíčky což umožňuje dosáhnutí objemového výkonu až 100 kW/l. Nucené chlazení využívá proud vzduchu vytvořený ventilátorem. Je nezávislé na pojezdové rychlosti vozidla. Používají se ventilátory axiální nebo radiální, viz obr. 10.2. Radiální ventilátory jsou často integrovány do setrvačníku motoru. Pro větší průtočná množství vzduchu jsou vhodnější ventilátory axiální. Použití radiálního ventilátoru na vozidlovém motoru je ukázáno na obr. 10.2. K usměrnění proudu vzduchu obtékajícího žebrování válců a hlav motoru jsou využity kryty, usměrňovací lopatky a deflektory. U většiny konstrukcí vzduchem chlazených vozidlových motorů je nasáván chladný vzduch z okolního prostředí a protlačován chladícími žebry motoru. Chladící vzduch může vstupovat ze strany výfukových nebo sacích ventilů. V prvním případě dosáhneme rovnoměrnějšího chlazení hlavy a válců motoru u druhého řešení pak vyšší dopravní účinnosti a tedy i vyššího chladícího výkonu. Regulace tepelného stavu motoru je zajišťována změnou průtočného množství vzduchu : 1. škrcením na vstupu vzduchu do ventilátoru, 2. škrcením na výstupu z ventilátoru, viz obr. 10.2, 3. škrcením na výstupu z motoru, 4. změnou otáček ventilátoru, 5. natáčením lopatek ventilátoru. Z hlediska spotřeby energie je nejekonomičtější regulace natáčením lopatek nebo změnou otáček ventilátoru. Natáčení lopatek je konstrukčně značně složité a cenově náročné. Vhodnějším řešením se jeví změna otáček rotoru ventilátoru pomocí různých typů spojek. Používají se spojky elektromagnetické, Obr. 10.2 Nucené chlazení vzduchem hydraulické, viskózní nebo práškové. Použití elektromotoru pro pohon ventilátoru je možné jen u malých výkonů spalovacího motoru, např. u osobních automobilů. Schéma funkce hydrodynamické spojky zabezpečující proměnnost otáček ventilátoru chlazení je ukázána na obr. 10.3 a). Tlakový teploměr 1 je umístěn v místě , který se nejrychleji ohřívá a dosahuje na motoru nejvyšší teploty. Nejčastěji je to hlava posledního válce ve směru proudění chladícího vzduchu. Ohřevem dochází ke zvětšování objemu kapaliny, která působí na píst 2 spojený s šoupátkem 3 řídícím průtok oleje z mazacího okruhu motoru do hydrodynamické spojky. Do 115°C je tlakem pružiny šoupátko uzavřeno. S nárůstem teploty se začíná přesouvat vlevo, proti tlaku pružiny, a olej protéká do čerpacího kola spojky 4. To je trvale poháněno od klikového hřídele, např. pomocí řemenice 5. Olej, který se dostal do čerpacího kola pohání kolo turbínové 6, pevně spojené s rotorem
124
ventilátoru 7. Mezerou mezi čerpacím a turbínovým kolem odtéká olej zpět do klikové skříně motoru. Zaplnění prostoru mezi čerpacím a turbínovým kolem určuje skluz spojky a tedy i otáčky turbínového kola a ventilátoru. Při malém otevření řídícího šoupátka stačí olej odtékat mezerou a zaplnění prostoru spojky je malé, viz obr. 10.3 b). S nárůstem teploty nad 155°C je šoupátko otevřeno natolik, že prostor spojky je olejem zaplněn zcela a skluz spojky je minimální, viz obr. 10.3 c).
Obr. 10.3 Hydrodynamická spojka ventilátoru chlazení Konkrétní provedení popsaného systému ovládání ventilátoru vzduchem chlazeného motoru je ukázáno na obr. 10.4. Jedná se o motor TATRA T - 930. Hydrodynamická spojka má náhon ozubenými koly od zadního konce klikové hřídele motoru. Regulace množství motorového oleje protékajícího do hydrodynamické Obr. 10.4 Vzduchem chlazený motor TATRA T-930 spojky zabezpečuje tlakový teploměr sdružený s řídícím šoupátkem. Konstrukční provedení ukazuje obr. 10.5. Při zvýšení teploty hlavy válce dochází ke zvětšení objemu kapaliny v tlakovém teploměru a v důsledku prodloužení vlnovce k přesouvání šoupátka . Při pohybu šoupátka se stlačuje pružina, která po snížení teploty, a tedy i objemu kapaliny , vrací šoupátko do původní polohy a průtok oleje uzavírá.
125
Obr. 10.5 Tlakový teploměr s řídícím šoupátkem
10.2 NEPŘÍMÉ CHLAZENÍ Mezi horké díly motoru a okolní prostředí je zařazeno teplonosné médium, které teplo do okolního prostředí předává pomocí tepleného výměníku (chladiče). Jako teplonosné médium se používá chladící kapalina , nejčastěji směs destilované vody s kapalinami zabezpečujícími, že nedojde při teplotách pod bodem mrazu k zamrznutí kapaliny. V některých případech byl pro přenos tepla použit motorový olej. Výhodou nepřímého chlazení je nižší střední teplota horkých dílů motoru, což vedle nižších materiálových nároků zlepšuje i hmotnostní naplnění válce motoru čerstvou náplní. Kapalinové chlazení umožňuje dosažení vyššího objemového výkonu motoru a při stejných podmínkách vykazuje nižší požadavek na oktanové číslo paliva u zážehových motorů. Taktéž vykazuje dlouhodobou stálost jmenovitého výkonu motoru, protože nedochází v důsledku výrazného nárůstu teploty stěn válců motoru k poklesu objemové účinnosti naplnění válců čerstvou směsí. V důsledku malé rozteče válců je motor podstatně kratší. Výhodou je i jednoduchost použít chladící kapalinu pro ohřev prostoru obsluhy vozidla. Izolační schopnost chladícího pláště motoru omezujícího vyzařování hluku z motoru způsobila, že v současné době jsou motory s přímým chlazením používány pouze u nákladních automobilů, zemědělských a stavebních strojů. K nevýhodám nepřímého chlazení je nutno počítat možnost úniku chladící kapaliny a možnost zamrznutí motoru s následnou destrukcí hlavy nebo bloku motoru . Podle způsobu oběhu chladící kapaliny rozdělujeme nepřímé chlazení na chlazení : a) termosifonové (gravitační), obr. 10.6 a), b) s nucenou cirkulací chladící kapaliny oběhovým čerpadlem, obr. 10.6 b), c) kombinace obou předchozích systémů, obr. 10.6 c), d) odpařovací.
Obr. 10.6 Kapalinové chlazení vozidlových motorů : a) termosifonové, b) s nuceným oběhem, c) kombinované Termosifonové (gravitační) chlazení je zabezpečeno cirkulací kapaliny v důsledku rozdílu měrné hmotnosti studené a teplé chladící kapaliny. Chladící kapalina ochlazená ve výměníku tepla 4 proudem vzduchu vyvolávaným ventilátorem 5 poháněným od klikové hřídele 2, vstupuje do spodní části válců motoru. Proud chladící kapaliny 3 vystupující ze spodní komory chladiče, chladí stěny válců 1 a vstupuje do hlavy motoru 7, odkud je společným potrubím 6 veden do horní komory chladiče 4. 126
Pro zajištění intenzivní cirkulace kapaliny je nutný značný tepelný spád na chladiči. Rozdíl teplot na vstupu a výstupu dosahuje až 30°C. Protože výška sloupců různě teplé kapaliny ovlivňuje rychlost cirkulace, byly kapoty osobních automobilů s takto chlazenými motory značně vysoké. V důsledku malé oběhové rychlosti musí být průtočné průřezy v bloku a hlavě motoru značně velké. Velký objem kapaliny značně prodlužuje ohřev motoru na provozní teplotu. Uvedené důvody vedly k tomu, že prakticky již v čtyřicátých létech minulého století byla většina vozidlových motorů vybavena chlazením s nucenou cirkulací. Nucenou cirkulaci chladící kapaliny zabezpečuje oběhové čerpadlo poháněné od klikové hřídele motoru, obr. 10.6 b), pozice 8. Toto řešení nevyžaduje umístění chladiče vysoko nad motorem ani značné objemy chladící kapaliny v chladícím okruhu motoru. Tepelný spád na výměníku tepla se v tomto případě pohybuje v rozmezí 6 až 12°C. Využitím termostatického ventilu 9 je chladící okruh rozdělen na malý a velký chladící okruh, což výrazně urychluje ohřátí motoru na provozní teplotu. Termostat spolu s regulovaným zapínáním ventilátoru zajišťuje pak teplotu chladící kapaliny na výstupu z motoru v požadovaném rozmezí, nezávisle na jeho zatížení. Nedostatkem tohoto systému je, že studená chladící kapalina napřed vstupuje do poměrně chladné spodní části vodního pláště válců a teprve poté, již ohřátá, se dostává do nejteplejších míst válce a hlavy válců. Kombinovaný systém chlazení, obr. 10.6 c), je charakterizován tím, že kapalinu ochlazenou v chladiči dodává čerpadlo do vrchní části chladícího pláště válců, nebo přímo do chladících prostorů hlavy válců.Válce buď úplně, nebo pouze jejich spodní část jsou ochlazovány gravitačním prouděním kapaliny. Výše uvedený problém je možno řešit i způsobem uvedeným na obr. 10.7. Chladící kapalina je na výstupu z čerpadla rozdělena na dva proudy procházející paralelně motorem. Přičemž hlavou protéká 70% a chladícím pláštěm válců 30% chladící kapaliny. Tyto řešení výrazně ovlivňují Obr. 10.7 Paralelní průtok chladící kapaliny hlavou a chladícím rovnoměrnost prostorem válců motoru rozložení teplotních polí hlavy a válců. V některých případech se dodávka chladící kapaliny bezprostředně k nejteplejším stěnám výfukových kanálů v hlavě válců zajišťuje samostatným rozváděcím potrubím. Odpařovací chlazení využívá k chlazení i teplo odvedené pro skupenskou změnu kapaliny v páru. Byl to typ chlazení využívaný u prvních automobilních motorů. Vzhledem ke značné
127
spotřebě chladící vody, která např. u vozidla Tatra Prezident činila, i při použití otevřeného kondenzátoru, desetinásobek spotřeby benzínu, se od toho to způsobu chlazení upustilo. Později byly povrchové chladiče kapaliny používány v třicátých letech u letadel pro dosažení rychlostního rekordu. Důvod - chladič výrazně zvyšuje aerodynamický odpor letadla. Voda z motoru proudila do speciálních kanálků v křídlech, kde se malými otvůrky částečně vypařovala. Následně na vnitřní straně potahu křídla kondenzovala a ochlazená se vracela do chladícího systému motoru. Nevyhnutelně však docházelo k únikům části kapaliny, které dosahovaly 4.5 až 7 litrů za minutu. Nádrže chladící kapaliny umístěné v křídlech a trupu měly celkový objem asi 200 l , což dostačovalo na 30 minut letu. V minulých letech se o renesanci odpařovacího chlazení pokusila firma BMW, viz obr. 10.8. Pozice 1 motor, 2 vyrovnávací nádržka, 3 přívod chladící kapaliny, 4 čerpadlo, 5 nádrž s chladící kapalinou, 7 odlučovač kapaliny z páry vedené do kondenzátoru 9. Vyrovnání tlakových poměrů ve vztahu k vnějšímu okolí zabezpečuje soustava zpětných
Obr. 10.8 Odpařovací chlazení firmy BMW ventilů 11. Motor pracoval se stabilní teplotou chladící kapalin 105°C. Byl předpokládán pokles spotřeby paliva až o 5%. Ve skutečnosti však bylo dosaženo úspory pouze 1 až 2%. Ani u odpařovacího chlazení však nesmí dojít k vývinu velkých parních bublin na chlazených površích. Pokud dojde k jejich vývinu na stěně válce, bývá to nejčastěji v oblasti prvního pístního kroužku při doběhu pístu do HÚ, je přerušen odvod tepla z pístu a dojde k zadření pístu ve válci motoru. U klasického kapalinového chlazení motoru je pro potlačení vzniku parních bublin využito zvýšení teploty varu v důsledku zvýšení tlaku v chladící soustavě. Mluvíme o uzavřeném systému chlazení, kdy chladící prostor motoru je oddělen od okolního prostředí přetlakovým ventilem. U vozidlových motorů jsou používány pouze uzavřené chladící systémy. Zvýšení tlaku o 0.01 MPa zvyšuje teplotu varu o 2.1°C. Při přetlaku 0.1 MPa tak vzroste teplota varu na 120°C. Současně s omezením vzniku parních bublin dochází i ke zvýšení chladícího výkonu soustavy protože teplotní spád na chladiči vzrůstá. Nejjednodušší vytvoření uzavřeného systému chlazení představuje zátka chladiče vybavená přetlakovým a podtlakovým ventilem, viz obr. 10.9. Je používána u chladících soustav starších traktorových motorů a motorů nákladních automobilů.
128
Obr. 10.9 Zátka chladiče s přetlakovým a podtlakovým ventilem Nalévací hrdlo 7 je připájeno k horní komoře chladiče. U studeného motoru , obr 10.9 b), dosedá ventil 5 s pryžovým těsněním 6 , tlačený pružinou 4 do sedla a uzavírá prostor horní komory chladiče vůči okolnímu prostředí. Při ohřevu chladící kapaliny dojde ke zvětšení objemu a nárůstu tlaku v chladící soustavě. Při tlaku asi 0.05 MPa dojde k otevření ventilu, obr. 10.9 a), a přebytečná chladící kapalina je odváděna přepadovou trubkou 11 . Aby při chladnutí motoru, po jeho zastavení , nedocházelo v chladící soustavě ke vzniku podtlaku je zátka vybavena podtlakovým ventilem 9 s pryžovým těsněním 8. Při vzniku podtlaku, cca 0.01 MPa, se zmáčkne slabá pružinka a do systému proudí z vnějšku vzduch, viz obr. 10.9 b). U moderních automobilů bývají obdobným typem přetlakové zátky vybaveny vyrovnávací nádržky chladící soustavy. Při nárůstu tlaku, vyvolaný zvětšujícím se množstvím chladící kapaliny v nádržce, je vzduch nad hladinou vytlačován ven a při poklesu tlaku nasáván zpět. Tyto chladící soustavy pracují již s vyššími přetlaky. Např. přetlakový ventil otvírá při přetlaku 0.14 MPa a podtlakový při podtlaku 0.002 až 0.01 MPa. Při těchto tlakových poměrech je překročení provozní teploty signalizováno při 119°C. 10.2.1 PRVKY KAPALINOVÉHO CHLAZENÍ Na obr. 10.13 je ukázána chladící soustava moderního vznětového motoru nákladního automobilu. Oběhové čerpadlo 1 je uloženo v bloku motoru. Z něj chladící kapalina vstupuje do výměníku tepla 9, kde ohřívá nebo ochlazuje olej z mazací soustavy motoru. Po průchodu výměníkem vstupuje do rozváděcího kanálu odkud proudí kolem jednotlivých válců motoru do hlavy válců. Sběrným kanálem je vedena do termostatického ventilu 2. Pokud teplota chladící kapaliny na výstupu hlavy nedosáhla provozní teploty je termostatický ventil uzavřen a kapalina se vrací malým okruhem I, viz obr. 10.10 do sání čerpadla. Po dosažení provozní teploty otevře termostat vstup do potrubí spojujícího motor s chladičem 5. Chladící kapalina je tak před vstupem do sání čerpadla ochlazována. Obíhá velkým okruhem II, obr. 10.10. Potřebný průtok vzduchu chladičem zabezpečuje ventilátor 3 poháněný od klikové hřídele motoru. Do Obr. 10.10 Řízení pohybu kapaliny : malého chladícího okruhu I jsou zapojeny i I – malý okruh, II – velký okruh chladící systémy vzduchového kompresoru 129
7 a turbodmychadla 8. Současně je tento okruh v nejvyšším místě propojen odvzdušňovacím potrubím s expanzní nádržkou 4. Ve velkém okruhu II je s expanzní nádržkou propojeno nejvyšší místo na chladiči. Po otevření termostatu může proudit ohřátá kapalina i do výměníku tepla 6 zabezpečujícího ohřev prostoru obsluhy vozidla. U zážehových motorů s karburátorem, případně jednobodovým vstřikem bývá u některých motorů do chladícího okruhu zapojeno vyhřívání sacího potrubí. 10.2.1.1 Čerpadlo chladící kapaliny Čerpadlo chladící kapaliny zabezpečuje potřebnou rychlost pohybu kapaliny podél ochlazovaných stěn válců a hlavy motoru. Pro tento účel se výhradně používají jednostupňová odstředivá čerpadla s tlakovým spádem 0.05 až 0.2 MPa. Takováto čerpadla zabezpečují dostatečnou účinnost i při poměrně velkých vůlích mezi radiálním kolem čerpadla a stěnami tělesa čerpadla. Tyto vůle jsou však potřebné pro termosifonovou cirkulaci chladící kapaliny při chladnutí motoru po jeho zastavení. Na obr.10.11 je ukázána klasická konstrukce čerpadla chladící kapaliny. Hřídel čerpadla je uložena v ložiskovém pouzdru 4 s trvalou náplní maziva. Ložiskové pouzdro je nalisováno do tělesa čerpadla 3. Na jednom konci hřídele je nalisováno oběžné kolo čerpadla 1 a na druhém pak řemenice 5. Obr. 10.11 Čerpadlo chladící kapaliny Průniku chladící kapaliny do ložiskového pouzdra zamezuje axiální ucpávka 2. Pro případ malých průniků kapaliny bývá hřídel v prostoru za ucpávkou opatřena odstřikovým břitem a prostor je spojen na spodní straně s okolím odkapovým otvorem. Těleso čerpadla se vyrábí z litiny nebo hliníkové slitiny. Ulitka pro převod kinetické energie ne tlakovou bývá většinou vytvořena v bloku motoru, viz čerchovanou čáru na obr. 10.11. Oběžné kolo čerpadla bývalo odléváno z litiny nebo hliníkové slitiny. V současné době převažují kola vyráběná z plastických hmot. Výhodou jsou velmi hladké povrchy a velká geometrická přesnost. Pohon čerpadla je zajišťován náhonem od klikové hřídele jednoduchým nebo vícenásobným klínovým řemenem, obr. 10.12. Vzhledem k vyššímu zatížení ložiska na straně řemenice bývá toto, při použití kuličkových ložisek, větší. Případně je Obr. 10.12 Pohon čerpadla možno použít válečkové ložisko s vyšší únosností, viz obr. 10.11. U některých konstrukcí bývá čerpadlo umístěno na bloku motoru tak, aby umožnilo uchycení ventilátoru chlazení na přední čelo řemenice.
130
Obr. 10.13 Chladící soustava moderního vznětového motoru pro nákladní automobil
131
Představu o výkonových požadavcích na čerpadlo chladící kapaliny ukazují následující údaje. Průtok vodním čerpadlem čtyřválcového traktorového motoru Zetor UŘIII při otáčkách n = 2200 min-1 je 150 l.min-1. U motoru Š-736 Favorit při otáčkách n = 4200 min-1 je 60 l.min-1. Pracovní křivka čerpadla chladící kapaliny motoru osobního automobilu o objemu 1200 cm3 je zobrazena obr. 10.14. 10.2.1.2 Ventilátor Ventilátor, obr. 10.13 pozice 3, zajišťuje dostatečný průtok vzduchu výměníkem chladící kapalina – vzduch při malých pojezdových rychlostech vozidla. U vozidlových motorů malých výkonů dostačuje pohon ventilátoru elektromotorem, to proto, že větší výkon motoru je požadován pouze při vyšší pojezdové Obr. 10.14 Charakteristika čerpadla rychlosti. Výkon elektromotorů používaných pro pohon ventilátoru dosahuje až 600 W. U motorů větších výkonů, např. nákladních automobilů a traktorů, kde potřebný příkon se pohybuje v rozmezí 3 až 6% jmenovitého výkonu motoru , je ventilátor poháněn jedním nebo více klínovými řemeny od klikové hřídele motoru. Převodový poměr bývá 0.9 až 1.4. Při volbě převodového poměru je však nutno respektovat skutečnost, že příkon ventilátoru roste s třetí mocninou otáček. U vysoce výkonných motorů osobních automobilů se v některých případech používá kombinace většího počtu ventilátorů. Na obr. 10.15 a) je ukázka použití použit jednoho hlavního ventilátoru poháněného od klikové hřídele přes elektromagnetickou spojku a dvou pomocných ventilátorů poháněných elektromotory. Důvodem takovéhoto řešení je snaha o snížení spotřeby paliva a urychlený náběh provozní teploty motoru. Snímače umístěné na výstupu chladící kapaliny z chladiče postupně zapínají jednotlivé ventilátory. Postup zapínání v závislosti od zapojení klimatizace je uveden v tab. 10.1. Zvýšení
a)
b)
Obr. 10.15 Kombinace většího počtu ventilátorů u motoru osobního automobilu dopravní účinnosti ventilátorů zmenšením obvodových ztrát a plné využití plochy chladící mříže chladiče zabezpečuje usměrňovací kryt ukázaný na obr. 10.15 b). Současně je na tomto obrázku zobrazen i kondenzátor klimatizace, který se umísťuje před chladič motoru.
132
Tab. 10.1 Postupné zapínání jednotlivých ventilátorů v závislosti na teplotě ve výstupní komoře chladiče teplota výstupu chladiče 95°C 100°C 105°C 110°C
na klimatizace vypnuta z
klimatizace zapnuta
žádný ventilátor
2 přídavné vent. zapojeny v sérii hlavní ventilátor nezapojen 2 přídavné vent. zapojeny v sérii , 2 přídavné vent. zapojeny v sérii hlavní ventilátor na stupni 1 hlavní ventilátor na stupni 1 2 přídavné vent. zapojeny paralelně , 2 přídavné vent. zapojeny paralelně hlavní ventilátor na stupni 1 hlavní ventilátor na stupni 1 2 přídavné vent. zapojeny paralelně , 2 přídavné vent. zapojeny paralelně hlavní ventilátor na stupni 2 hlavní ventilátor na stupni 2
Obr. 10.16 Ventilátor s viskózní spojkou
, , , ,
Velký příkon ventilátorů navržených na podmínky odpovídající pojezdové rychlosti 12 až 15 km.h-1 při plném výkonu motoru vozidla a teplotě okolního vzduchu 40°C představují při běžném provozu značnou ztrátu. Ukazuje se však , že u 95% provozních režimů není nutné použití ventilátoru a pro chlazení motoru vozidla stačí průtok vzduchu vyvolaný náporem. U ventilátorů vyšších příkonů poháněných od klikové hřídele motoru se používá viskózní spojka. Je umístěna v náboji ventilátoru, obr. 10.16. Žebrování na povrchu náboje zajišťuje přenos tepla z proudu vzduchu za chladičem k řídícímu bimetalu . Princip činnosti spojky je patrný ze schématu na obr. 10.17. Na obr. 10.17 a) je spojka zapnuta a otáčky ventilátoru nv jsou přibližně rovny otáčkám náhonové příruby nn . Příruba 8 je poháněna vhodným
Obr. 10.17 Schéma viskózní spojky ventilátoru 133
převodem od klikové hřídele motoru. Na obr. 10.17 a) je spojka zapnuta a otáčky ventilátoru nv jsou přibližně rovny otáčkám náhonové příruby nn . Příruba 8 je poháněna vhodným převodem od klikové hřídele motoru. Propojení je zajištěno viskózní kapalinou. Přes tuto kapalinu unáší čerpací kotouč 9 těleso náboje ventilátoru 7. Při nízké teplotě vzduchu za chladičem nastane stav na obr. 10.17 b). Bimetal 1 se
narovná a přes tlačný čep 2 uzavře pružným ventilem 3 otvor v mezistěně 4. Přes mezeru 6 na obvodě spojky se všechna kapalina přesune do prostoru zásobníku 5. Mezi čerpacím kolem a tělesem náboje ventilátoru je pouze vzduch, který neumožňuje přenos výkonu. Konstrukční řešení viskózní spojky s ovládáním pružného ventilu 12 elektromagnetem 5 je na obr. 10.18. Výhodou je rychlejší reakce spojky na změnu teplotního režimu motoru. Vlastní oběžné kolo ventilátoru je u menších motorů lisováno z plastických hmot u větších pak odléváno pod tlakem z hliníkových slitin. Dříve se používaly ventilátory skládané nebo svařované z plechových výlisků . 10.2.1.3 Chladič Obr. 10.18 Chladič moderního zážehového motoru osobního automobilu Viskózní spojka je ukázán na obr. 10.19. V základním provedení je tvořen vstupní a řízené výstupní komorou 1 a chladící mříží 4. Kapalina ohřátá v motoru je přiváděna do vstupní rozdělovací komory na levé straně chladiče, prochází chladící mříží, kde předává teplo proudícímu vzduchu a z pravé sběrné komory je odváděna zpět do sání čerpadla. Toto uspořádání je vhodné pro chladiče osobních automobilů s nízkou přídí. Pro zvýšení chladící účinnosti je v některých případech rozdělena komora na jedné straně chladiče na dvě poloviny, jednu vstupní a druhou výstupní. Chladící kapalina tak musí procházet chladící mříží na dvojnásobné dráze. U nákladních automobilů a u některých, většinou starších osobních automobilů, je Obr. 10.19 Chladič chladič orientován svisle tak, že rozdělovací komora je zážehového motoru umístěna nahoře a sběrná komora odkud jde ochlazená kapalina do čerpadla dole, viz obr. 10.11. Do soustavy chladiče mohou být integrovány i další výměníky tepla. Na obr. 10.19 pozice 2, výměník tepla olej – chladící kapalina, pro chlazení oleje automatické převodovky. Protože je pro snížení ztrát požadována vyšší provozní teplota tohoto oleje je umístěn ve vstupní komoře chladiče motoru. Výhodou je i rychlejší ohřev oleje po nastartování studeného motoru. Samostatný výměník olej - vzduch je připojen na spodní bok chladiče chladící kapaliny motoru, obr. 10.19, pozice 8. Slouží pro chlazení motorového oleje. Nejdůležitějším prvkem automobilního chladiče je chladící mřížka zajišťující výměnu tepla mezi chladící kapalinou a okolním vzduchem. Byly vyvinuty různá provedení, viz obr. 10.20. V současné době se prakticky používá pouze provedení na obr. 10. 20 a). Pro snížení aerodynamického odporu mají trubky 1 jimiž proudí chladící kapalina eliptický průřez. Pro zvýšení teplosměnné plochy na straně proudícího vzduchu jsou k trubkám připájeny, nebo na trubky nalisovány chladící Obr. 10.20 Chladící mřížky lamely 2. Dříve byl pro výrobu mřížky používána mosaz automobilních chladičů 134
nebo měď. Taktéž vstupní a výstupní komora byly mosazné a k horní a spodní ploše mřížky byly připájeny cínem. Taktéž cínem bylo připájeno nalévací hrdlo, obr. 10.9, a nátrubky pro připojení pryžových hadic. V současné době je pro výrobu chladící mřížky využíván hliník. Komory jsou většinou vyrobeny z plastu syceného skleněnými vlákny a k chladící mřížce jsou přes těsnění, na obr. 10.19, pozice 3, připojeny zalisováním okrajů. Za provozu motoru se mohou i při teplotách při nichž ještě nedochází k varu chladící kapaliny objevovat páry. Taktéž se z chladící kapaliny vylučuje pohlcený vzduch. Pára a vzduch narušují cirkulaci kapaliny. Jejich odstranění je možné třemi způsoby : 1. Vytvořením volného objemu v horní komoře chladiče. Volný objem by měl činit 4 ÷ 5 % z celkového objemu chladícího systému. Používá se u větších vznětových motorů. 18 y = 0.0401x + 3.4762 R2 = 0.5986
16
Vchl [l]
14 12 10 8 6 4 0
50
100
150
200
250
300
Pe [kW]
Obr. 10.21 Množství chladící kapaliny v závislosti na výkonu zážehového motoru. 17.5
15
y = 0.002x + 3.1572 R2 = 0.5925
Vchl [l]
12.5
10
7.5
5
2.5 500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
3
Vzd [cm ]
Obr. 10.22 Množství chladící kapaliny v závislosti na zdvihovém objemu zážehového motoru 135
Nalévací hrdlo komory bývá uzavřeno přetlakovou zátkou, obr. 10.9. Jeho nevýhodou je narůst výšky chladič. 2. Použití expanzní nádržky. V současné době nejčastěji používaný způsob. Chladič nemá zvětšenu horní komoru. Objem expanzní nádržky bývá 25 ÷ 30 % objemu chladícího systému. Vyrábí se z plastických hmot. Slouží taktéž na doplňování případných úniků chladící kapaliny. Nalévací otvor bývá uzavřen uzávěrem opatřeným přetlakovým a podtlakovým ventilem. 3. Použití plně uzavřených přetlakových systémů s přetlakem až 0.2 MPa, viz obr. 10.13. Celkové množství chladící kapaliny v chladícím okruhu motoru, u zážehových motorů osobních automobilů , je závislé nejen na provedení vlastního chladícího okruhu, ale i na obsahu chladící kapaliny v topení automobilu. Hodnoty u osobních automobilů v roce 2001 jsou v závislosti na výkonu a zdvihovém objemu motoru uvedeny na obr. 10.21 a 10.22. 10.2.1.4 Termostat Termostat je automatický ventil, který zajišťuje rychlý ohřev motoru a omezuje velikost kolísání teploty chladící kapaliny motoru. Je umísťován na výstupu chladící kapaliny z motoru a řídí vstup do chladiče nebo malého okruhu motoru. Podle použité náplně akčního členu termostatu rozdělujeme termostaty na kapalinové, obr. 10.23, a s tuhou náplní, nazývané podle náplně voskové, obr. 10.24. Kapalinový termostat má akční člen, vlnovec ,obr. 10.23 pozice 10 naplněn směsí
Obr. 10.23 Termostat kapalinový
Obr. 10.24 Termostat voskový
destilované vody a lihu. U studeného motoru, obr. 10.23 a), je tlak ve vlnovci malý a ventil 5 je uzavřen. Chladící kapalina obtékající vlnovec se vrací zpět do sání oběhového čerpadla, pozice 1. Při ohřevu chladící kapaliny se teplo předává náplni vlnovce, který postupně otvírá ventil 5 a uzavírá průtok do malého chladícího okruhu. Na obr. 10.23 b) je již průtok do chladiče plně otevřen a zkratovací okruh do sání čerpadla uzavřen. Vzhledem k únavovému namáhání vlnovce termostatu docházelo často ke vzniku trhlin a termostat se stal tak nefunkční. V současné době se používají termostaty s tuhou náplní tvořenou voskem, nejčastěji ceresinem a parafinem v němž jsou pro lepší rozvod tepla rozptýleny měděné pilinky. Akční člen je tvořen tělesem 2, obr. 10.24, v němž vosková náplň 3 vyplňuje prostor mezi vnitřní stěnou tělesa a pryží 4. Při ohřevu voskové náplně a změně skupenství se značně zvyšuje objem. Pryž umožňuje deformaci, ale je nestlačitelná. Proto se musí z vnitřního objemu vysunout jehla 9 připevněná k tělesu termostatu 7. Stlačením pružiny 7 se otevře průtok v sedle ventilu 12 a kapalina proudí k chladiči. Současně uzavírá talířek ventilu 4 průtok do malého okruhu. Oba uvedené stavy jsou ukázány na obr. 10.25, levá polovina –termostat uzavřen, pravá polovina – termostat otevřen.
136
Obr. 10.25 Uzavřený a otevřený termostat s pevnou náplní. Termostat začíná otvírat průtok chladící kapaliny do chladiče při teplotě cca 70 až 80 °C a plně otevřen bývá při teplotě 85 až 95°C. Údaj o teplotě úplného otevření bývá vyražen na tělese termostatu. Provozní zkoušky zážehových motorů větších zdvihových objemů prokázaly, že při malém zatížení v městském provozu je možno snížit spotřebu paliva i emise CO a HC zvýšením provozní teploty chladící kapaliny na hodnotu 110°C. Ovšem za provozu v běžných podmínkách silničního provozu je tato teplota příliš vysoká, protože nezaručuje potřebnou rezervu nárůstu chladícího výkonu při prudkém zvýšení zatížení. Proto na režimu vyšších zatížení je termostat plně Obr. 10.26 Elektronicky řízený otevřen již při teplotě 95°C. Dosáhne se toho vyhříváním řídícího elementu termostatu , viz obr. termostat 10.26, jehož zapnutí je ovládáno elektronickou řídící jednotkou, která se rozhoduje na základě zadaných polí teplot nasávaného vzduchu a chladící kapaliny, pole rychlostí a zatížení. Pro odstranění vzduchu z chladícího systému motoru při plnění kapalinou a pro úplné vypuštění systému je v sedle termostatického ventilu vytvořena malá drážka, nebo je do talířku ventilu vyvrtán otvor, opatřený pro omezení průtoku chladící kapaliny volně pohyblivým nýtkem.
137
11. MAZÁNÍ PÍSTOVÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ Systém mazání pístových spalovacích motorů tvoří soubor prvků spojených mazacími kanály případně potrubími se zásobníkem oleje zabezpečující dodávku oleje ke třecím plochám motoru. Vrstva oleje nacházející se mezi třecími plochami, buď částečně nebo úplně odděluje tyto plochy od sebe a tím zmenšuje jejich opotřebení a mechanické ztráty motoru. Zvyšuje se tak životnost motoru a zlepšují výkonové a ekonomické parametry motoru. Důležitou funkcí mazacího systému je i odvod tepla z některých dílů motoru. Jedná se hlavně o ložiska klikové hřídele motoru, chlazení pístů a u některých motocyklových motorů i prostoru zapalovací svíčky a výfukového ventilu. Existují i motory, které jsou plně chlazeny olejem. Podmínky mazání jednotlivých stykových ploch se volí z hlediska zatížení třecích povrchů, tepelného zatížení, životnosti a dalších specifických požadavků. Pro hlavní a ojniční ložiska klikové hřídele a ložiska vačkové hřídele je nutno zajistit vznik kapalinného tření. Mazání pístových spalovacích motorů může být řešeno buď jako ztrátové nebo cirkulační.
11.1 MAZÁNÍ ZTRÁTOVÉ Mazání ztrátové se používá u dvoudobých rychloběžných motorů. Olej je přiváděn do klikové skříně motoru ve formě drobných kapiček. V důsledku intenzivního víření směsi paliva se vzduchem se dostávají tyto kapičky do stykových ploch valivých ložisek uložení klikové hřídele, ojnice a pístního čepu a pokrývají stěny válce motoru. Současně však část oleje odchází při přepouštění stlačené směsi do spalovacího prostoru válce motoru. Ulpívá na stěnách válce a maže stykovou plochu s pístem a pístními kroužky.V průběhu hoření pak dochází k jejímu spálení. Proto je tento typ mazání nazývá ztrátovým. Tvorba olejových kapiček je zajišťována : a) rozptýlením oleje v palivu v palivové nádrži motoru, b) dávkovacím čerpadlem do proudu nasávané směsi paliva se vzduchem, c) dávkovacím čerpadlem k mazaným místům. Při míšení oleje s palivem v nádrži motoru se vytváří v palivu velmi jemné kapičky. Olej je rovnoměrně rozptýlen v celém objemu paliva. V závislosti na konstrukci motoru se olej mísí
Obr. 11.1 Ztrátové mazání s dávkovacím čerpadlem s benzínem v poměru 1:30 až 1:100. Výhodou tohoto řešení mazání je vysoká spolehlivost, 138
nízká cena a skutečnost, že množství oleje přiváděného do klikové skříně motoru závisí na zatížení. Nevýhodou je, že při nízkých zatíženích a na volnoběhu je motor přemazáván. V důsledku nízkých rychlostí směsi v přepouštěcím kanálu pak dochází k vytvoření olejového filmu na stěně kanálu. Při zvýšení otáček motoru pak dojde k jeho stržení do spalovacího prostoru a k nedokonalému spálení, které se projeví modrým kouřem vycházejícím z výfuku motoru. Tento nedostatek je částečně řešen ztrátovým mazáním s dávkovacím čerpadlem, viz obr. 11.1. Olej z olejové nádržky je přiváděn do dávkovacího čerpadla. Množství dodávané do proudu směsi paliva se vzduchem, za šoupátkem karburátoru, je určováno polohou rukojeti ovládající polohu šoupátka karburátoru. Ovládací lanko natáčí současně s otvíráním šoupátka i řídící prvek čerpadla. Dodávka oleje se mění progresivně, takže při nižších zatíženích již nedochází k přemazávání Obr. 11.2 Přívod oleje ke motoru. Na těchto režimech je mazací poměr až 1:200. kritickým mazacím místům Dalšího snížení spotřeby oleje je možno dosáhnout přívodem oleje přímo k ložiskům a na tlačnou stranu pístu, viz obr. 11.2.
11.2 MAZÁNÍ CIRKULAČNÍ U současných čtyřdobých vozidlových motorů se používá kombinace mazání tlakového a mazání rozstřikem. Ze zásobníku oleje je olejovým čerpadlem dodáván olej do hlavních mazacích uzlů pod tlakem. Jedná se o hlavní a ojniční ložiska klikové hřídele, ložiska vačkové hřídele, uložení vahadel , případně rozvodových kol. Další stykové plochy, jako je píst - válec, vačka - zdvihátko apod. Jsou mazány olejem odstřikujícím z míst mazaných tlakově. Podle umístění zásoby oleje z níž čerpadlo nasává olej rozlišujeme mazání motorů s mokrou a suchou klikovou skříní. U systémů s mokrou klikovou skříní je zásoba oleje pro mazání motoru umístěna ve spodním víku motoru tzv. „olejové vaně “, viz pozici 1 obr. 11.3. Olej je nasáván čerpadlem 3 přes sací potrubí a sací koš 2. Na výtlaku čerpadla je umístěn ventil 4 omezující maximální tlak. Olej je přes filtr 5 dopravován do hlavního mazacího kanálu 7. V případě plnoprůtočného filtru je, pro případ jeho ucpání, mazání zabezpečeno obtokovým ventilem 6. Z hlavního mazacího kanálu, který je většinou tvořen kanálkem vrtaným v bloku motoru rovnoběžně s osou klikové hřídele, je dalšími vrtanými kanálky přiveden olej k hlavním ložiskům klikové hřídele, pozice 8 a ložiskům vačkové hřídele 11. K ojničním ložiskům klikové hřídele je olej přiváděn kanálky vrtanými v klikové hřídeli 9. Styková plocha pístu s válcem motoru je mazána olejem 10 odstřikujícím z ojničních ložisek. U některých velkých vozidlových motorů, pracujících v těžkých provozních podmínkách, je na hlavní mazací kanál připojen další olejový filtr 12 z nějž olej odtéká do klikové skříně, pozice 13. V případě, že ochlazování motorového oleje přestupem tepla přes stěny spodního víka do okolního vzduchu je nedostačující, je nutno do mazacího kruhu zapojit chladič oleje 11. Do okruhu je vložen pojišťovací ventil 15, který zajišťuje jistou minimální úroveň tlaku v mazacím systému. Při poklesu tlaku pod nastavenou úroveň se uzavře a olej je veden pouze do mazání motoru. Systém mazání se suchou klikovou skříní se liší od předchozího tím, že olej je ze spodního víka motoru 13 odsáván pomocnými olejovými čerpadly 3b a 3c do zásobníku oleje 1. Tlakové mazací čerpadlo 3a nasává olej z tohoto zásobníku přes sací koš 2. Odsávací čerpadla i tlakové čerpadlo jsou označeny stejným číslem proto, že většinou se jedná o tři stejná zubová čerpadla na společné náhonové hřídeli. Odsávací čerpadla musí mít 139
dvojnásobnou výkonnost, tvoří je tedy dvě sekce , protože olej dopravovaný do zásobníku je zpěněný a obsahuje část spalin, které pronikly do klikové skříně. Z tohoto důvodu je zásobník oleje opatřen systémem odvětrávání 16. Vypouštění opotřebeného oleje zásobníku umožňuje výpustný šroub 17. Na rozdíl od systému s mokrou klikovou skříní je ventil 15, přemosťující chladič oleje 11, určen k zabezpečení průtoku oleje do zásobníku v případě, že v důsledku nárůstu viskozity oleje při nízkých teplotách dojde k omezení průtoku oleje chladičem.
Obr. 11.3 Systém mazání motoru s mokrou klikovou skříní
Obr. 11.4 Systém mazání motoru se suchou klikovou skříní
140
12 11 y = 0.0237x + 2.3288 R2 = 0.6825
10 9
Vo [l]
8 7 6 5 4 3 2 0
50
100
150
200
250
300
Pe [kW]
Obr. 11.5 Množství oleje v závislosti na výkonu zážehového motoru 10 9 8
y = 0.0011x + 2.3207 R2 = 0.5876
Vo [l]
7 6 5 4 3 2 500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Vzd [cm 3]
Obr. 11.6 Množství oleje v závislosti na zdvihovém objemu zážehového motoru Důvodem pro použití suché klikové skříně je nebezpečí nasátí vzduchu do mazacího systému motoru v případě velkých náklonů motoru, nebo značného pohybu hladiny ve spodním víku motoru vyvolané např. decelerací vozidla nebo odstředivými sílami při rychlých průjezdech zatáčkou. Jedná se tedy o motory letadel, terénních vozidel , závodních a vysoce výkonných sportovních vozů. Zásoba oleje cirkulujícího v mazacím systému je volena tak, aby byl zajištěn dostatečný odvod tepla z ložisek motoru i při jeho dlouhodobém maximálním zatížení. Teplota v zásobníku oleje nemá překročit u běžných motorů 120°C. Další podmínkou určující množství oleje je i přiměřená životnost olejové náplně. V důsledku postupného poklesu viskozity oleje, jeho oxidace a ubývání detergentů je nutno olej vyměnit. Množství oleje u zážehových motorů osobních automobilů vyrobených v roce 2000, v závislosti na výkonu a zdvihovém objemu motoru je uvedena na obr. 11.5 a obr. 11.6.
141
Obr. 11.7 Soustava mazání motoru nákladního automobilu
11.3 PRVKY MAZACÍHO SYSTÉMU Soustava mazání přeplňovaného motoru nákladního automobilu je uveden na obr. 11.7. Zásoba oleje je umístěna ve spodním víku motoru 1. Zubové čerpadlo 2 nasává olej přes sací koš umístěný v nejnižším místě spodního víka a dopravuje jej do výměníku tepla 3. Přes plnoprůtokový filtr 4 olej protéká do hlavního mazacího kanálu 5 a ložisek turbodmychadla 9. Z mazacího kanálu je olej veden k hlavním ložiskům klikové hřídele a vývrty v klice k ložiskům ojničním. Dalšími vrtanými kanálky je olej z hlavního mazacího kanálu veden do kanálku 6 rovnoběžného s osou klikového hřídele a zásobujícího olejem trysky chlazení pístů. Z tohoto kanálu je svislými vývrty 7 přiveden olej do ložisek vačkové hřídele a uložení vahadel. Vývrtem 8 je přiveden olej pro mazání kompresoru. Z obrázku je patrný i způsob přívodu mazacího oleje pro mazáni kluzných ložisek rozvodových kol. Vývrty v hlavě a bloku motoru pro zpětný tok oleje jsou označeny černě. Stejnou barvu má i potrubí provedení zpětného toku oleje od turbodmychadla. 11.3.1 OLEJOVÉ ČERPADLO U převážné většiny vozidlových motorů je použito čerpadlo zubové nebo rotační (trochoidní). Zubové čerpadlo je jednoduché vyznačuje se malými rozměry, malou hmotností a velkou spolehlivostí. Schéma funkce klasického zubového čerpadla je patrná z obr. 11.8. Vedle tohoto
Obr. 11.8 Schéma zubového čerpadla
Obr. 11.9 Schéma čerpadla s vnitřním ozubením
nejrozšířenějšího typu olejového čerpadla se používají i čerpadla s vnitřním ozubením, viz obr. 11.9. V obou případech je olej dopravován do mazacího okruhu motoru v mezerách mezi zuby. Konstrukční provedení zubového čerpadla je ukázáno na obr. 11.10. Jedná se o olejové čerpadlo motoru AVIA 712.11. Ozubené kolo čerpadla 5 je poháněno pravoúhlým převodem od vačkové hřídele motoru s rozvodem OHV. Do něj zapadá kolo 6. Součástí čerpadla je i víko 2 integrované se sacím košem opatřeným ochranným sítem 9 . Na řezu A-A je ukázán redukční ventil umístěný v tělese čerpadla 1. Zubové čerpadlo bývá nejčastěji umístěno u předního víka motoru, nebo může být i jeho součástí, např. motory Škoda. Často bývá upevněno na víku prvního hlavního ložiska klikové hřídele a poháněno ozubenými koly nebo řetězovým převodem od klikové hřídele.
143
U systémů mazání se suchou klikovou skříní se někdy umisťuje vně klikové skříně, což umožňuje snadnější propojení čerpadla s olejovou nádrží. Vedle zubových se používají u vozidlových motorů i čerpadla trochoidní obr. 11.11 a obr. 11.12. Tak jako u zubových čerpadle je olej dopravován v objemech vytvořených mezi zuby obou rotorů. Vnitřní rotor je poháněn od klikové hřídele nebo na ní může být i uložen , např. Zetor UŘ III. Princip práce je vysvětlen na obr. 11.13. Vnitřní rotor má o jeden zub méně, než je výstupků na vnějším rotoru. Při otáčení vnitřního rotoru je vnější unášen přičemž se postupně zvětšuje a zmenšuje uzavřený objem. V poloze 1 se za zubem označeným čárkou postupně zvětšuje objem. Z vybrání v čelní ploše je do tohoto prostoru nasáván olej. V poloze 2 je stále nasáván do objemu za označeným zubem olej. V poloze 3 je dosažena maximální velikost objemu a při dalším otáčení se již objem zmenšuje a nastává výtlak, poloha 4. Obr. 11.10 Zubové čerpadlo
Obr. 11.12 Princip práce Obr. 11.11 Trochoidní čerpadlo Ford trochoidního čerpadla Výhodou trochoidních čerpadel je v porovnání s čerpadly zubovými vyšší dopravní účinnost, zvláště pak v nižších otáčkách motoru, viz obr. 11.13. Taktéž možnost umístit čerpadlo na klikovou hřídel s tělesem vytvořeným v předním víku motoru snižuje požadavky na pohon a prostorové umístění čerpadla. Na výstupu všech výše uvedených čerpadel musí být umístěn redukční ventil omezující maximální výšku tlaku v mazací soustavě motoru. Extrémní nárůst se objeví při startu motoru v zimních měsících. Nízká teplota značně zvyšuje viskozitu oleje, který obtížně vytéká z ložisek. Velikost tlaku bývá u zážehových motorů osobních automobilů omezena na 0.5 až 0.7 MPa a u vznětových Obr. 11.13 Dopravní motorů nákladních automobilů na 0.7 až 1.0 MPa. Bývá účinnost čerpadel používán jednoduchý kuličkový zpětný ventil, viz obr. 11.10 řez A – A. Olej veden buď zkratovacím okruhem do sání čerpadla , nebo se vrací do klikové skříně motoru. Čerpadlo musí zajistit průtok oleje ihned po startu motoru. Systém mazání se musí olejem rychle zaplnit a nesmí obsahovat parní a vzduchové bubliny. Olejová soustava motoru 144
nesmí mít také nadměrný objem, protože do jeho naplnění pracuje motor bez tlakového mazání. Proto se u některých motorů objevují ve větvi, která vede tlakový olej do hlavy válců, zpětné ventilky omezující u stojícího motoru odtékání oleje z objemů mazacích kanálků v hlavě do klikové skříně motoru. Taktéž polohování olejových filtrů musí být řešeno tak, aby nedocházelo za klidu motoru k vytékání oleje do klikové skříně. U motorů s mokrou klikovou skříní bývá sací koš čerpadla umístěn na nejnižším místě spodního víka motoru . Toto umístění umožňuje vyšší podélné a příčné náklony motoru vozidla. Každý výrobce motorů udává mezní hodnoty úhlů těchto náklonů při nichž garantuje, že nedojde k nasátí vzduchu do mazacího systému. Tvarování spodního víka 1 na obr. 11.7 umožňuje zvýšení hladiny oleje nad sacím košem a tedy i vyšší náklony motoru za provozu. Dříve používané plovákové provedení sacích košů se u moderních motorů v souvislosti s vyššími podélnými a příčnými zrychleními ukázaly, jako nevhodné. Sací koš je opatřen hustým sítem, které zabezpečuje, že nebudou nasáty nečistoty, které by mohly poškodit čerpadlo. 11.3.2 OLEJOVÝ FILTR Olejový filtr zachycuje částečky karbonu, otěrové částice kovů a nečistoty, které se dostaly do oleje z nasávaného vzduchu. Podle velikosti zachycovaných částic rozdělujeme olejové filtry na : a) hrubé - zachycují částice větší jak 40 µm, b) jemné – zachycují částice větší jak 1 až 2 µ. Podle zapojení filtrů v mazacím systému je dělíme : a) plnoprůtočné filtry – proudí jimi všechen olej dodávaný čerpadlem do mazacího systému motoru, b) obtokové filtry – čistí pouze část oleje dodávaného čerpadlem (cca 10%), přičemž filtrovaný olej je vracen do spodního víka motoru. Pokud jsou použity na motoru filtry hrubý i jemný, je hrubý zapojen jako plnoprůtokový a jemný jako obtokový. Podle konstrukčního provedení je možno olejové čističe rozdělit na : a) štěrbinové – rozměr zachycovaných částic je určen velikostí štěrbiny mezi filtračními elementy, viz obr. 11.14,
Obr. 11.14 Štěrbinové filtry tvořené lamelami b) objemové – částice jsou zachycovány v objemu materiálu filtrační vložky, tvořené například plstěným válečkem, viz obr. 11.15,
145
c) s papírovou filtrační vložkou – jsou v současné době používány výhradně, viz obr. 11.16.
Obr. 11.15 Objemový filtr s plstěnou vložkou
Obr. 11.16 Filtr s papírovou filtrační vložkou
Filtr je tvořen vnějším plechovým pláštěm 1, který uzavírá papírový filtrační element 2. Prostřednictvím závitu 8 a vložené trubkové spojky je připojen k bloku motoru. Těsnění zabezpečuje pryžový kroužek 10. Olej z čerpadla vstupuje do filtru otvory 9, překrytými manžetou zpětného ventilu 7. Z prostoru 6 prochází skládanou papírovou Obr. 11.17 Výměnná filtrační papírová vložka filtrační vložkou do vnitřního prostoru odkud odtéká středem trubkové spojky do hlavního mazacího kanálu motoru. Papír má póry jejichž velikost je menší jak 1 µ m. V důsledku zakřivení průtočného kanálku v tloušťce papíru jsou působením odstředivých sil zachycovány i částice menší jak 1 µ. Filtrační povrch papírového filtru je zvyšována vhodným skládáním papíru, viz obr. 11.17.Vzhledem k tomu, že tyto filtry jsou používány jako plnoprůtokové je pro případ úplného zanesení filtru, při zanedbání výměnných lhůt, filtr opatřen obtokovým ventilem 3. Velikost otvíracího tlaku je nastavena pružinou 4 tak, aby v důsledku diferenčního tlaku na papírovém filtru nedošlo k jeho protržení. Při výměně tohoto typu filtrů se dostává do odpadu značné množství oleje uzavřené v objemu filtru. Ekologické důvody vedou ke konstrukci filtrů u nichž se vyměňuje pouze vložka z filtračního papíru, viz obr. 11.17. d) odstředivé filtry – pracují na principu zachycování částic o vyšší hustotě než má olej, působením odstředivé síly, na vnitřních stěnách rotujících těles. V šedesátých létech minulého století se používaly filtry s mechanickým pohonem. Nejčastěji byla pro tento účel využívána dutina v řemenici klínového řemenu na předním konci klikové hřídele, viz obr. 11.18. Nedostatkem tohoto řešení byla skutečnost, že filtrační schopnost takovéhoto filtru závisela na okamžitých otáčkách klikové hřídele. V současné době se již nepoužívají. Odstředivé filtry s reaktivním pohonem dosahují šest až osm tisíc otáček za minutu.
146
Rotace je vyvolávána tangenciálními silami reaktivního účinku proudu oleje vytékajícího z trysek 5 rotoru 4, viz obr. 11 19.
Obr. 11.18 Odstředivý filtr v řemenici klikové hřídele Směr proudění oleje je patrný z obrázku. Těžší částice jsou zachycovány na vnitřní straně rotoru. Po určité době provozu je nutno demontovat rotor a provést odstranění úsad. Vzhledem k relativně vysokým otáčkám je rotor vyvážen a při zpětné montáži je nutno Obr. 11.19 Odstředivý olejový filtr dbát na správné polohování. V případě, že s reaktivním pohonem dojde k úplnému ucpání filtru prochází nefiltrovaný olej obtokovým ventilem 10 přímo do hlavního mazacího kanálu. I když filtrační schopnost odstředivých filtrů umožňuje jejich použití pro jemnou filtraci a v plnorůtočném zapojení, problém s jejich obsluhou vedl k tomu, že v současné době jsou nahrazeny filtry s papírovou filtrační vložkou. Výše uvedené prvky mazací soustavy jsou souhrnně uvedeny na obr. 11.20 a obr. 11.21. Na obr. 11.20 je mazací systém motoru Z-5201. Zubové čerpadlo je pomocí čela 12 připevněno k přednímu ložisku klikové hřídele. Pohon čerpadla zajišťuje ozubené kolo 8 . Olej nasávaný ze spodního víka sacím košem 4 je veden sacím potrubím 56 do čerpadla. Z výtlaku čerpadla je potrubím 3 připojen přes stěnu klikové skříně na vstup dvojice štěrbinových filtrů, tvořených soustavou kotoučků 44, 45. První filtr je hrubý, plnoprůtočný, druhý jemný a je zařazen v obtoku. Součástí nosného tělesa filtrů 10 je i redukční ventil 52 a obtokový ventil plnoprůtočného filtru 54. Obdobně je řešena i mazací soustava traktorového motoru Z-7201 na obr. 11.21. Redukční ventil 12 je přemístěn na těleso čerpadla a obtokový ventil plnoprůtočného odstředivého filtru 62 je uložen do tělesa odstředivého filtru. Potrubí 5 přivádí olej do hlavního mazacího kanálu motoru. Celkové provedení mazací soustavy traktorového motoru Z 5201 je uvedeno na obr. 11.22. Vidíme, že z hrubého filtru 5 jde asi 10 % oleje do jemného čističe 6, větší část pak vstupuje do hlavního mazacího kanálu 8. Vývrtem procházejícím tímto kanálem jsou mazána ložiska vačkové hřídele a hlavní ložiska klikové hřídele. Na hlavní mazací kanál 8 jsou napojeny vnitřní prostory zdvihátek z nichž prostřednictvím duté zvedací tyčky jsou mazána uložení vahadel v hlavě válců. Pomocnými olejovými potrubími je olej přiveden ke vstřikovacímu čerpadlu 13 a pro mazání kluzného uložení vloženého kola rozvodu. Obdobně je řešen i mazací systém traktorového motoru Z 7201 s odstředivým čističem oleje, viz obr. 11.23. Olej vytékající z trysek reaktivního odstředivého čističe 4 se vrací zpět do zásobníku oleje.
147
Obr. 11.20 Čerpadlo oleje a štěrbinový filtr traktorového motoru Z-4901
Obr. 11.21 Čerpadlo oleje a odstředivý filtr traktorového motoru Z-6901 148
Obr. 11.22 Schéma mazání traktorového motoru Z 5201
Obr. 11.23 Schéma mazání traktorového motoru z 7201
149
11.3.3 CHLADIČ OLEJE V důsledku odvodu tepla vznikajícího třením v mazaných uzlech a ohřevem od horkých dílů motoru se mazací olej při průchodu motorem zahřívá. Je tedy nutno olej chladit. Odvod tepla stěnou spodního víka, sloužícího jako zásobník oleje, do okolního prostředí je postačující u motorů osobních a lehkých nákladních automobilů. Tyto motory pracují často v režimech částečného zatížení a při plném zatížení je rychlost vzduchu obtékající povrch víka značně vysoká. Pokud jsou motory těchto vozidel více zatěžovány při nižších pojezdových rychlostech, nebo podmínky pro obtékání spodního víka jsou nepříznivé ( automobily s motorem vzadu), je možno zlepšit chlazení použitím víka z hliníkové slitiny opatřené žebry na vnější, případně i vnitřní straně. U motorů stacionárních a motorů pracujících v obtížných podmínkách, případně motorů s chlazením pístů olejem je nutno použít chladič oleje. Chladiče olej – vzduch jsou většinou trubkové s žebrováním a umísťují se před chladič chladící kapaliny motoru. U motorů vzduchem chlazených jsou umísťovány do samostatné větve proudu vzduchu za ventilátorem, nebo před vstup ventilátoru. K mazacímu okruhu motoru jsou připojovány ve většině případů paralelně. Olej může být chladičem protlačován samostatným čerpadlem , nebo bývá proveden odběr oleje z hlavního mazacího okruhu, viz obr. 11.3. Ve druhém případě je však nutno zařadit do přívodu chladiče zpětný ventil, který uzavře vstup oleje do chladiče v případě, že poklesne tlak pod cca 0.1 MPa. U motorů se suchou klikovou skříní, viz obr. 11.4, bývá chladič oleje umístěn ve větvi, kterou je olej veden do zásobníku. Chladiče kladou průtoku oleje, zvláště u studeného motoru, značný odpor. Jsou proto přemosťovány obtokovým ventilem, který je nastavován na tlak 0.15 až 0.2 MPa. Chladiče olej – voda jsou v současné době používány častěji. Jejich výhodou je, že umožňují nejen chlazení oleje, ale i jeho ohřev při startu studeného motoru a tím zkrácení doby, kdy motor pracuje podchlazený a dochází k značnému opotřebovávání pístní skupiny. Současně je udržována i podstatně větší stabilita teploty oleje na výstupu z chladiče.Nejčastěji jsou používány chladiče lamelové integrované s držákem olejového filtru, viz obr. 11.7. V případě, že je nutno chlazení oleje motoru zajišťovat dodatečně, je možno použít přídavný chladič oleje montovaný jako mezikus k současnému držáku filtru s papírovou filtrační vložkou, viz obr. 11.24. Původní filtr 1 je připojen přes šroubení 2 k lamelové chladící vložce oleje 3, napojené na chladící systém motoru. Tento chladič je připojena k původnímu držáku olejového filtru 5 přes šroubení 4. Obr. 11.24 Přídavný chladič oleje 11.3.4 KONTROLA FUNKCE MAZACÍHO SYSTÉMU Při konstrukci mazací soustavy vozidlového motoru je nutno zabezpečit kontrolu množství oleje v zásobníku oleje . U motorů s mokrou klikovou skříní to bývá nejčastěji mechanická měrka zjišťující výšku hladiny ve spodním víku, viz obr. 11.22 pozice 12. U motorů se suchou klikovou skříní to pak jsou různé průhledové hladinoznaky. Moderní motory některých osobních i nákladních automobilů jsou vybaveny elektronickým zařízením pro měření výšky hladiny v zásobníku mazacího oleje s přenosem dat do řídícího počítače vozidla. Po zapnutí ovládacího klíče je automaticky provedena kontrola úrovně hladiny oleje.
150
Dalším kontrolovaným parametrem je tlak oleje v hlavním mazacím kanálu motoru. Dříve používané deformační manometry, ukazující tlak v mazací soustavě, byly nahrazeny tlakovými spínači, viz obr. 11.22 pozice 9, které při poklesu tlaku pod nastavenou úroveň sepnou výstražný systém na přístrojové desce vozidla. Nejčastěji to bývá červená kontrolka, pozice 10. U počítačem vybavených vozidel pak i hlasová identifikace závady. Protože minimální hodnota tlaku při otáčkách n = 1000 min-1 a plném zatížení motoru by neměla poklesnout pod cca 0.1 MPa u zážehových a 0.15 MPa u vznětových motorů, je spínač nastaven na cca 0.05 MPa. Pod tuto hodnotu by neměl tlak poklesnout ani na volnoběžných otáčkách u plně prohřátého motoru. Problikávání kontrolky u starších vozidel znamená, že vůle v ložiscích klikové hřídele a olejovém čerpadle jsou již příliš velké. 11.3.5 ODVĚTRÁVÁNÍ KLIKOVÉ SKŘÍNĚ MOTORU Při práci motoru pronikají plyny ze spalovacího prostoru do klikové skříně motoru. U benzínových motorů se skládají přibližně ze stejných dílů nespálené směsi a produktů dokonalého a nedokonalého hoření. V důsledku toho tyto plyny obsahují páry paliva , CO, CO2, NOx, oxidy síry, produkty částečné oxidace paliva a vodní páru. U naftových motorů mají plyny pronikající do klikové skříně menší obsah škodlivých látek a to z toho důvodu, že v průběhu komprese je stlačován pouze čistý vzduch takže do objemů nad prvním pístním kroužkem se místo palivové směsi dostává pouze vzduch. Dále také proto, že při částečných zatíženích pracují tyto motory s velkým přebytkem vzduchu a spalování je tak dokonalejší. U benzínových motorů mnohé ze složek profuku aktivně působí na velký povrch olejových kapiček rozptýlených v klikové skříni, v důsledku čehož dochází ke vzniku pryskyřičných látek, které se usazují na dílech motoru ve formě laků, kyselin a solí těchto kyselin. Olej ztrácí své mazací schopnosti, ztrácí viskozitu, stárne. Kyseliny vytváří s olejem emulzi, dostávají se k třecím plochám a vyvolávají jejich korozi. Aby byly potlačeny procesy stárnutí oleje v důsledku průniku spalin je třeba zajistit odvětrávání klikové skříně motoru.Výzkumy prokázaly, že stabilitu oleje značně zvyšuje profuk klikové skříně nevelkým množstvím čistého vzduchu. Odvětrávání klikové skříně je možno z tohoto pohledu rozdělit na dva způsoby : a) odsávání, b) odsání s profukem čistého vzduchu. Odsávané spaliny se mohou odstraňovat do okolní atmosféry, potom se jedná o otevřený systém, nebo se mohou vracet do sacího systému motoru a potom mluvím o uzavřeném systému odvětrávání. Otevřený systém se používá pouze u naftových motorů, přičemž spaliny profuku jsou vypuzovány z klikové skříně motoru přetlakem vyvolaným přítokem ze spalovacího prostoru motoru. Pro orientaci je možno uvést, že u zaběhnutého motoru činí profuk spalin do klikové skříně motoru na jmenovitém režimu práce motoru cca 0.4% objemu nasávaného vzduchu. Maximální povolená hodnota charakterizující mezní opotřebení válce a pístních kroužků bývá cca 1.5%. Uzavřený systém se vzhledem k značnému obsahu škodlivin včetně nespálených uhlovodíků používá u zážehových motorů. Na obr. 11.25 jsou popsány tlakové poměry a směry průtoku spalin z klikové skříně motoru a vzduchu. Při částečných zatíženích, kdy škrtící klapka je přivřena a podtlak v sacím potrubí je značný, je ventil odvzdušnění klikové skříně otevřen, obr. 11.25 a). Do klikové skříně je přes velký průtočný průřez přisáván filtrovaný vzduch, mísí se spalinami a po průchodu odlučovačem oleje je přisáván do sacího potrubí.
151
Při velkých zatíženích motoru je škrtící klapka otevřena, podtlak v sacím potrubí je nižší. Ventil odvzdušnění klikové skříně se uzavře. Spaliny z klikové skříně jsou po odloučení oleje vedeny přes velký průtočný průřez do sání motoru, obr. 11.25 b).
a)
b)
Obr. 11.25 Řízené odvětrávání klikové skříně zážehového motoru Pro snížení spotřeby oleje je velmi důležité, aby ze spalin odváděných z klikové skříně motoru byl dokonale odstraněn všecek olej.V současné době jsou používány vícenásobné odlučovače oleje, které mohou být umístěny jako samostatný prvek na bloku motoru, nebo mohou být integrovány do víka ventilů, viz obr. 11.26.
Obr. 11.26 Odlučovač oleje ze spalin odváděných z klikové skříně do sání motoru
152
LITERATURA. [1]
Vaněček, J. : Spalovací způsoby dieselových motorů bez kompresoru. Praha 1944
[2]
Kubát, A. : Automobilové motory. Praha 1929
[3]
Lustig, A., Jezdinský, J. : Od dřevěného kola k automobilu. Praha 1938
[4]
Štechmiler, R., Peukert. O.,Loučková. D. :Naše automobily včera. Praha 1957
[5]
Bade, W. : Auto dobývá světa. Praha 1943
[6]
Kuba, A. : Jak přišli koně pod kapotu. NADAS, Praha 1988
[7]
Macbeth, G. : Velký obrazový atlas automobilu. ARTIA, Praha 1958
[8]
Tůma, J. : Velký obrazový atlas dopravy. ARTIA, Praha 1980
[9]
Kovařík, L. : Motory Wankelovy a jim příbuzné. SNTL, Praha 1970
[10]
Chanin, N. S., Čistozvonov, S. B. : Avtomobilnyje rotorno-poršněvyje dvigateli. Mašgiz, Moskva 1964
[11]
Vykoukal, R. : Automobilové a motocyklové motory. SNTL, Praha 1967
[12]
Pešek, A. : Automobilové a motocyklové karburátory. SNTL, Praha 1962
[13]
Mackerle, J. : Automobil dneška a zítřka. SNTL, Praha 1977
[14]
Mackerle, J. : Automobil s lepší účinností. SNTL, Praha 1985
[15]
Walker, G. : Stirling engines. Clarendon Press, Oxford 1980
[16]
Yuker, G. : Dvigatěli Stirlinga. Mašinostrojenije, Moskva 1985
[17]
Dvigatěli Stirlinga - sbornik statěj. Mir, Moskva 1975
[18]
Kruglov, G. M. : Dvigatěli Stirlinga Mašinostrojenije, Moskva 1977.
[19]
Jaroš, K.: Salovací motory II.skripta FS VUT v Brně, 1990
[20]
Kožoušek, J.: Výpočet a konstrukce spalovacích motorů I, SNTL, Praha 1978
[21]
Kožoušek, J.: Výpočet a konstrukce spalovacích motorů I, SNTL, Praha 1983
[22]
Autokatalog, vydání 1993/1994
[23]
Bussien.V.: Automobiltechnisches Handbuch, 1966, str. 64-÷65.
[24]
Nutzfahrzeug Katalog ‘94/95, Heinrich Vogel Fachzetschriften GnbH
153
[25]
Landtechnik Datenblätter, Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft e.V., 1996
[26]
Kalina, J.: Modelářské motory,Naše vojsko, Praha 1980
[27]
Kalina, J.: Modelářské motory (2),Naše vojsko, Praha 1983
[28]
Husák, P.: Motocykl s dvoudobým motorem,SNTL, Praha 1978
[29]
Jozíf, J., Tůma, A.: Motocykly JAWA 250, 350 a 500, SNTL, Praha 1955
[30]
Jozíf, J., Kubíček, M.: Motocykly JAWA-ČZ 125, 175, 250, 350, SNTL, Praha 1959
[31]
Dočkal, J.: Seřizování a opravy motocyklů Jawa, SNTL, Praha 1976
[32]
Ďurkovič, E.: Motocykel - údržba a opravy, ALFA, Bratislava 1979
[33]
Kolben-Handbuch, AlcanDeutschland GmbH, Nürbenberg1992
[34]
KS-Technisches Handbuch, Kolbenschmidt AG, Neckarsulm 1991
[35]
Mahle Kolbenkunde, MAHLE GMBH, Stuttgart 1994
[36]
Musil, F.: Konstrukce a pevnost leteckých pístových motorů, III. Ojnice, VA Brno 1964
[37]
Kovařík, L. a kol.: Konstrukce vozidlových spalovacích motorů. Naše vojsko, Praha 1992
[38]
Matějovský,V. , Novák, K. , Němec, K.J. : Spalovací motory III, skripta FS VUT v Praze, 1996
[39]
Köhler, E .: Verbrennungsmotoren, Friedr. Vieweg&Sohn Verlag, Braunschweig/Wiesbaden, 1998
[40]
Mollenhauer, K : Handbuch Dieselmotoren, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
[41]
Urlaub, A.: Verbrennungsmotoren,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995
[42]
Mackerle, J. : Lufgekülte fahrzeug motoren. Franck´sche Verlagshandlung W. Keller & Co., Stutgart 1964
[43]
Mackerle J. : Vzduchem chlazené vozidlové motory, SNTL Praha, 1960
[44]
Pospelov, D., P. : Dvigatěli vnutrennego sgoranija s vozdušnym ochlažděnijem,, Mašinostrojenije, Moskva 1971
154
REJSTŘÍK čtyřdobého motoru................................................... 56 dělené klikové hřídele.............................................. 59 dvoudobého motoru................................................. 55 kované klikové hřídele............................................. 60 lité klikové hřídele ................................................... 61 ojniční (klikový) čep................................................ 58 protizávaží ..................................................... 55,58,59 příruba setrvačníku. ................................................. 56 rameno ..................................................................... 58 těsnění...................................................................... 69 tlumič torzních kmitů............................................... 61 volný konec ............................................................. 56 zalomení .................................................................. 57
B Benz K. ......................................................................... 10 Blériot Louis ................................................................. 11 blok motoru ................................ 63,71,72,74,81,82,83,86 closed-deck .............................................................. 73 open-deck................................................................. 73 spodní víko............................................................... 79 tunelová skříň........................................................... 77 z Al slitin.................................................................. 73 způsoby výroby Al bloků ......................................... 75
C
L
Cugnot J.N. ..................................................................... 7
Lenoir Etienne J.J. .......................................................... 9 ložiska 23,24,49,50,53,55,56,57,58,59,60,63,64,65,66,67,68,7 2,76,77,78,102,130,138,139,143,147 čtyřdobých motorů................................................... 63 dvoudobých motorů................................................. 63 jehlová ..................................................................... 64 kluzná ...................................................................... 65 konstrukce ............................................................... 67 ložiskový rám .......................................................... 77 materiál a provedení ................................................ 68 ojniční...................................................................... 63 tenkostěnné ocelové pánve ................................. 50,65 zvýšení tuhosti ......................................................... 77 ložisko pístního čepu ..... 34,35,38,40,47,48,49,50,51,64,65,66,68,95,138
D Daimler Gottlieb............................................................ 10 Diesel Rudolf ................................................................ 16 dvoudobých kliková skříň dvoudobých motorů ................................................. 71
H hlava válce................................................. 20,23,25,77,85 čtyřdobého vznětového motoru................................ 90 čtyřdobého zážehového motoru ............................... 86 čtyřventilové hlavy................................................... 89 dotahování šroubů hlavy .......................................... 93 dvoudobého motoru ................................................. 85 sací a výfukový kanál............................................... 88 sedlo ventilu............................................................. 89 těsnění ...................................................................... 92 tvar spalovacího prostoru ......................................... 87 vodítko ventilu ......................................................... 90 hřídelové těsnící kroužky .............................................. 69
M Maybach Wilhelm......................................................... 11 moped ........................................................................... 19 motocykl ....................................................................... 21 motocyklové motory ..........................................21,51,153 čtyřdobé ................................................................... 24 dvoudobé ................................................................. 22 motory nákladních automobilů ..................................... 28 motory osobních automobilů ........................................ 25 motory stacionární ........................................................ 32 motory zemědělských traktorů...................................... 28
C chladící systém ..................................................... 123,150 čerpadlo chladící kapaliny ..................................... 130 chladič............................................................. 134,136 kombinované chlazení............................................ 123 množství chladící kapaliny..................................... 136 náporové chlazení .................................................. 123 nepřímé chlazení .................................................... 126 nucené chlazení...................................................... 124 odpařovací chlazení ............................................... 127 prvky kapalinového chlazení.................................. 129 přímé chlazení........................................................ 123 s nucenou cirkulaci ................................................ 127 termosifonové (gravitační) chlazení....................... 126 termostat ................................................................ 136 uzavřený systém chlazení....................................... 128 ventilátor ........................................................... 81,132 viskózní spojka ...................................................... 133
O odpojování válců motoru ............................................ 108 ojnice ..................................................24,49,50,53,54,154 axiální uložení ......................................................... 65 čtyřdobého motoru..................13,36,50,81,82,113,118 dřík ................................................................ 49,51,99 dvoudobého motoru................................................. 49 hlava ........................................................................ 51 horní oko.................................................................. 49 mazací drážky.......................................................... 50 oko pro pístní čep ............................................... 49,50 spodní oko ..................................................... 49,50,51 víko.......................................................................... 52 vyvažovací nákovky ................................................ 50 ojniční šrouby ............................................................... 54 Otto N.A. ........................................................................ 9
K kliková skříň........................................................ 24,71,72 motocyklů ................................................................ 72 osobních a nákladních automobilů........................... 72 klikový hřídel .................................. 23,24,55,56,58,60,71
155
P
T
parní stroj........................................................................ 6 píst 6,9,21,23,30,33,34,36,43,45,48,63,73,83,92,97,106,12 1,124,139 čtyřdobého motoru vznětového................................ 38 čtyřdobého motoru zážehového ............................... 36 dvoudobého motoru ................................................. 36 chlazení pístu ........................................................... 42 konstrukční provedení.............................................. 35 povrchová úprava pístů ............................................ 40 tepelné zatížení ........................................................ 34 pístní čep .................................................................. 47,68 axiální pojištění........................................................ 48 pístní kroužky................................................................ 43 materiál .................................................................... 47 osazování pístů......................................................... 46 stírací........................................................................ 45 těsnící....................................................................... 44 zámek....................................................................... 43 pístní skupina ................................................................ 34 přeplňování motorů ....................................................... 12
Trevithick Richard .......................................................... 7
U ústrojí pohonu vačkové hřídele ................................... 103
V vačkový hřídel ............................................................ 102 vahadla rozvodového ústrojí ......................................... 99 válec......................................................20,23,71,80,81,82 čtyřdobých vzduchem chlazených motorů............... 81 dvoudobého rychloběžného motoru......................... 80 honování .................................................................. 84 kapalinou chlazeného motoru .................................. 82 mokrý vložený válec................................................ 83 opotřebení ................................................................ 84 s horní dosedací plochou ......................................... 83 se spodní dosedací plochou ..................................... 83 suchý vložený válec................................................. 82 ventil ...................................................................... 98,108 ventilové pružiny .......................................................... 99 ventilový rozvod ........................................................... 98 DOHC.............................. 12,14,21,27,98,101,103,105 fázový posun.......................................................... 105 hlavní díly................................................................ 98 OHC ..... 21,24,25,86,87,88,89,98,99,101,102,104,108 OHV ................. 30,86,87,88,89,91,98,99,100,102,143 plynulá změna zdvihu ventilů ................................ 107 skoková změna zdvihu ventilů............................... 106 SOHC ...........................................................88,98,100 SV86,87,88,89,98,102 variabilní řízení...................................................... 105 vstřikování benzínu ....................................................... 13 jednobodové ............................................................ 14 nepřímé vstřikování ................................................. 14 přímý vstřik ............................................................. 13 vícebodové............................................................... 14 výfukové potrubí částicový filtr ......................................................... 119 katalyzační tlumič.................................................. 118 motorová brzda ...................................................... 121 recirkulace výfukových plynů ............................... 120 tlumič hluku........................................................... 119 výfukový systém .....................................110,112,113,118 čtyřdobého motoru................................................. 118 dvoudobého motoru............................................... 112 výfuková přívěry ................................................... 112 vznětový motor ................................................... 16,28,32
R rozvodové orgány.......................................................... 95 čtyřdobých motorů ................................................... 97 dvoudobých rychloběžných motorů ......................... 95 s mechanickým ovládáním....................................... 98 souproudé vyplachování .......................................... 97 vyplachování příčné ................................................. 97
S sací systém ........................................................... 110,113 čtyřdobého motoru ................................................. 113 dvoudobého motoru ............................................... 110 rezonanční sací potrubí .......................................... 115 Savery Thomas................................................................ 6 setrvačník ...................................................................... 62 Smeaton John .................................................................. 6 spalovací motor ............................................................... 6 spalovací turbína ........................................................... 17 Stephenson George.......................................................... 8 Stirlingův motor ............................................................ 18 systém mazání ............................................... 138,139,144 chladič oleje ........................................................... 150 kontrola funkce ...................................................... 150 mazání cirkulační ................................................... 139 mazání ztrátové ...................................................... 138 množství oleje .............................................. 30,63,141 odvětrávání klikové skříně ..................................... 151 olejové čerpadlo ..................................................... 143 olejový filtr ............................................................ 145 prvky mazacího systému ........................................ 143 s mokrou klikovou skříní .................. 139,140,145,150 se suchou klikovou skříní................................ 139,144
W Wankelův motor ............................................................ 14 Watt James...................................................................... 7
Z
S
zážehové motory ............................................................. 9 zdvihátka.......................................87,99,100,101,102,108 s hydraulickým vymezováním vůle ....................... 101 zvedací (rozvodové) tyčky .......................................... 100
šoupátkový rozvod ...................................................... 109
156
