07
Základní údaje a názvosloví pístových spalovacích motorů. Výpočty a měření základních parametrů motoru. Základní popis a charakteristika činnosti čtyřdobých pístových spalovacích motorů. Činnost čtyřdobého zážehového a vznětového motoru. Číslování válců, pořadí zapalování nebo vstřikování u víceválcových motorů.
Jsou v současnosti nejdůležitějším a nejrozšířenějším prostředkem (pohonnou jednotkou) přeměny energie pro mobilní, zejména pozemní využití. Účelem přeměny energie pro mobilní využití je měnit energii obsaženou v palivu na pohybovou energii. Takto získaná pohybová energie je v zemědělství využívána pro pohon mobilních energetických prostředků, tj. traktorů, samojízdných strojů, nákladních automobilů. V ostatních odvětvích národního hospodářství především v dopravních prostředcích, stavebních strojích apod.
Rozdělení pohonných jednotek pro mobilní využití:
Obr. 1 Základní schéma čtyřdobého motoru jeho názvosloví a hlavní parametry. [4]
Popis obr. 1: 1- válec; 2 - hlava válců; 3 - píst; 4 - ojnice; 5 - klikový hřídel; HÚ - horní úvrať; DÚ - dolní úvrať; z - zdvih pístu; d - průměr válce-vrtání; Vz - zdvihový objem; Vk – objem kompresního prostoru; Vp - pracovní objem; Kp – kompresní prostor; r - poloměr klikového hřídele.
Obr. 2 P-V diagram činnosti čtyřdobého zážehového motoru. [2]
Popis obr. 2: P-V diagram činnosti čtyřdobého zážehového motoru, graficky vyjadřuje závislosti změny tlaku plynů (p) a objemu plynů (V) v pracovním prostoru válce, při vratném pohybu pístu mezi HÚ a DÚ, ve čtyřech pracovních dobách. SO - sací ventil se otevírá; SZ- sací ventil se zavírá; VO - výfukový ventil se otevírá; VZ - výfukový ventil se zavírá; × - okamžik zážehu; Pi - střední indikovaný tlak plynů ve válci.
Zdvihový objem Vz vypočítáme jako objem jednoho válce násobený počtem válců daného motoru: Vz = `\frac{π.d^2}4` . z . i [cm3]* ; d = průměr válce [mm] ; z = zdvih pístu [mm]; i = počet válců.
* V technických údajích a technických průkazech motorových vozidel se zdvihový objem uvádí v cm3 nebo litrech [l]. Vypočtenou velikost zdvihového objemu v mm3 snadno převedeme na cm3 posunutím desetinné čárky o 3 místa doleva.
Objem kompresního prostoru Vk – můžeme např. po opravě nebo úpravách hlavy válců proměřit nalitím oleje z kalibrované odměrky, do kompresního prostoru přes otvor pro vstřikovač, nebo zapalovací svíčku. Píst ustavíme přesně do HÚ na kompresní zdvih a motor nakloníme tak, aby olej zcela zaplnil kompresní prostor (vtokový otvor musí být nejvýše). Po změření samozřejmě olej odsávačkou odsajeme.
Výpočet kompresního poměru (stupně komprese): Ɛ = `\frac{Vz + Vk}{Vk}` .
Kompresní poměr Ɛ je tedy poměr mezi objemem pracovního prostoru válce – Vp = Vz + Vk (objem nad pístem, který je v DÚ), k objemu kompresního prostoru Vk (tj. k objemu nad pístem, když je v HÚ).
Kompresní poměr:
Výkon motoru se zjišťuje na motorové brzdě a provádí se obvykle jen u výrobce a ve specializovaných velkých opravnách motorů. U automobilů se také dá ověřovat výkon motoru na válcové zkušebně brzd.
Ve skutečnosti
se
měří vždy pouze kroutící (točivý) moment za příslušných otáček.
Z těchto veličin se výkon vypočítává. Samozřejmě, že motorové brzdy vybavené
příslušnou programovatelnou elektronikou již přímo na monitoru ukazují
skutečně měřený výkon a ostatní veličiny. Podle předepsané metodiky se
brzdí např. vznětový motor od přeběhových otáček (dle obr. 3 např. 4500.min-1).
Animaci montáže a měření výkonu sportovního osmiválcového motoru Ford najdete na:
www.youtube.com/watch?v=oJRMLfrlPvg.
[12]
Při nastavené plné dodávce paliva („plném plynu“), se začne motor postupně brzdit, odečítá se a zapisuje krouticí moment současně s otáčkami a spotřebou paliva. Tyto údaje se zapisují numericky a do grafu.
Výkon Pe (efektivní = užitečný) se propočítává, pokud to přímo nedělá počítač, ze vztahu:
Pe = Mk . ω
[W, kW];
Mk - kroutící moment (točivý moment);
Mk = F . r
[Nm]; F - síla [N], r – rameno síly [m] – tj. poloměr kružnice otáčení
klikového hřídele;
ω - úhlová rychlost; ω = π . n / 30
[ rad.s-1]; n – otáčky [1.min-1].
Obr. 3 Příklad charakteristiky motoru, při jeho plném zatížení. [1]
Obr. 4 Příklad úplné charakteristiky motoru, při proměnlivém zatížení. [1]
U čtyřdobých pístových spalovacích motorů pracovní cyklus probíhá během čtyř přímočarých vratných pohybů pístu ve válci motoru.
Pracovní prostor
válce je nahoře uzavřen hlavou válce se sacími a výfukovými ventily. Dole
je pohyblivě uzavřen pístem utěsněným pístními kroužky a mazacím olejovým
filmem.
Pracovní cyklus trvá vždy 2 otáčky klikového hřídele. Píst je spojen prostřednictvím pístního čepu a ojnice s klikovým hřídelem.
Tento způsob propojení uvedených součástí motoru se nazývá klikový mechanizmus.
Klikový mechanizmus převádí přímočarý vratný pohyb pístu na otáčivý pohyb
klikového hřídele.
Podle způsobu zapálení směsi paliva se vzduchem rozeznáváme čtyřdobé motory zážehové a vznětové.
Obr. 5 Základní části a složení čtyřdobého zážehového motoru: 1 – kliková skříň; 2 – blok válců; 3 – válec; 4 – hlava válců; 5 – sací potrubí; 6 – sací ventil; 7 – vodítko ventilu; 8 – výfukové potrubí; 9 – výfukový ventil; 10 – píst; 11 – pístní kroužky; 12 – pístní čep; 13 – ojnice; 14 – klikový hřídel; 15 – těsnění hlavy válců; 16 – zapalovací svíčka. [4]
(Jsou konstruovány především na spalování benzinu.)
– je odlišná od čtyřdobého zážehového motoru:
Tab. 1 Parametry činnosti čtyřdobého zážehového motoru
Tab. 2 Parametry činnosti čtyřdobého vznětového motoru
Animace složení a činnosti čtyřdobého motoru
Perkins Diesel Engine Animation. [online]. [cit. 2015-02-01]. Dostupné z:
https://www.youtube.com/watch?v=qDG6hwpou80&list=PL0A89A4D1CBECE8D3
Animaci složení a činnosti čtyřdobých motorů najdete na:
http://www.youtube.com/watch?v=EaMiz1lVVaE. [11]
Obr. 6 Sání. [1] (*PEsp- orientační vstřikovací tlak) Obr. 7 Komprese. [1]
Obr. 8 Expanze. [1] Obr. 9 Výfuk. [1]
Obr. 10 Hlavní části čtyřdobého zážehového motoru s nepřímým vstřikem paliva. [1]
Obr. 11 Schéma přeplňování motorů turbodmychadlem. [1]
Obr. 12 Vznětový motor, s přímým vstřikem paliva. [1]
Obr. 13 Přeplňovaný 6-válcový vznětový motor, nákladního automobilu DAF XF, splňující emisní normu Euro 6. [6]
Obr. 14 Činnost dvoudobého motoru. [4] A – sací kanál; B – přepouštěcí kanál; C – výfukový kanál
Obr. 15 Dvoudobý zážehový motor. [1]
Animaci činnosti atmosféricky plněných motorů najdete na:
http://auta5p.eu/informace/motory/motory.php. [14]
Obr. 16 Membránové řízení sání. [1]
Obr. 17 Sání řízené plochým rotačním šoupátkem. [1]
Animaci činnosti motoru „Trabant“ najdete na: [10]
http://www.youtube.com/watch?v=ZEsSdSPQRhE.
Obr. 18 Schéma dvoudobého přeplňovaného motoru se souproudým vyplachováním. [2]
1 – komprese; 2 – expanze; 3 – mechanicky poháněné dmychadlo a otvory vyplachovacího
kanálu; 4 – výfukový kanál.
V současnosti se málo používají. Můžeme se s nimi setkat u některých stacionárních
strojů (závlahových čerpadel), lodí, některých motorových lokomotiv a malotraktorů.
Pro svou jednoduchost, spolehlivost a díky spalování motorové nafty také
menší hořlavost byly používány např. za II. světové války v tancích
Sherman a letadlech Junkers.[8]
Tam se používaly přeplňované motory s vysokým výkonem a souproudým vyplachováním,
tj. s použitím výfukových ventilů v hlavě válce. Vzduch v tom případě přímo
do přepouštěcích kanálů vhání mechanicky poháněné dmychadlo. Díky přeplňování
jejich výkon podstatně neovlivňovala nadmořská výška, tj. ani výška letu letadla
apod. Mazání dvoudobých motorů, u nichž se k sání nevyužívá prostoru klikové skříně, je řešeno podobně jako u čtyřdobých motorů, tj. tlakové – oběhové. Také po II.
světové válce byly u nás používány traktory Lanz Bulldog, poháněné dvoudobým
vznětovým motorem se žárovou hlavou, kterou bylo nutné před startem nažhavit
benzinovou lampou. (K nastartování se používal volant). V našem zemědělství
byl dvoudobý vznětový motor nejvíce používán v malotraktorech používaných
v zahradnictví a vinohradnictví. Tyto malotraktory byly vyráběny v Agrostroji
Prostějov. Posledním typem, který se ještě v zahradnictví používá, je
malotraktor TZ- 4 K- 14.
Stručná charakteristika motoru 1D-90-TA – použitého na malotraktoru TZ- 4 K- 14.
Jedná se o jednoválcový dvoudobý vzduchem chlazený vznětový motor s vratným
tříkanálovým vyplachováním a přímým vstřikem motorové nafty. Do prostoru
klikové skříně se nasává pouze vzduch. Do něj a k ložiskům klikového hřídele
je dodáván dávkovacím čerpadlem motorový olej. Mazání je ztrátové 50 g/hod.
Čerpaný olej se částečně spaluje a je také příčinou poměrně rychlého usazování
uhlíkatých zbytků - karbonizace pístu, výfukového kanálu a tlumiče výfuku.
(Popis provádění dekarbonizace je uveden v T 9; odst. 9.6.3) Vrtání d =
90 mm; zdvih = 104 mm; Vz = 660 cm3. Kompresní poměr 1:15; přímý vstřik paliva; vstřikovací tlak 14 MPa. Maximální
výkon 10,3 kW, tj. 14 k při 2200 .min-1.
Startování a regulaci chodu podobného dvoudobého vznětového motoru najdete
na:
http://www.youtube.com/watch?v=z4T0bvWgsGc&list=PL3m2PUtgNO-wY1F4wX5RB7m73bUfOA-JC.
Zdroj informací: Pavel Biskup, Automobil Revue č. 11/2011 [13]
Na obr. 19 je zobrazen řez dvoudobým přeplňovaným vznětovým motorem, na jehož vývoji
se intenzivně pracuje.
Pracovat může jako zážehový nebo vznětový, jak s atmosférickým plněním, tak s přeplňováním turbodmychadlem; zpravidla pracuje jako dvoudobý.
Princip činnosti, vycházející z jednoho válce, v němž se proti sobě pohybují
dva písty, sahá až do pionýrských dob stavby motorů. Patentován byl již
v roce 1877 a první pokusný exemplář, postavený na základě tohoto patentu,
je z roku 1907. Nové motory Eco Motors OPOC, blížící se sériové výrobě, jsou typy EM 65 a EM 100. Bližší technické informace ale firma zveřejnila
pouze u většího typu spalujícího naftu. Dvoudobá jednotka EM 100 má vrtání
válců 100 mm o hmotnosti kolem 135 kg, vykazuje výkon 240 kW (326 k) při 3500 min‑1, resp. největší točivý moment 900 N.m při 2100 min‑1.
Podle inženýrů americké společnosti Eco Motors International z Allen Parku
(Michigan), jež se vývojem tohoto motoru delší čas zabývá,
lze zvýšit jeho účinnost do té míry, že spotřeba proti klasickému čtyřdobému motoru v běžném provedení se sníží v rozpětí patnácti až padesáti procent.
Obr. 19
Řez dvoudobým, přeplňovaným vznětovým motorem, Eco Motors OPOC, EM 100
Opposed
Pistons –
Opposed
Cylinders; známější je jako motor s protiběžnými písty. [13]
Obr. 20 Pohled na skutečný motor Eco Motors OPOC, EM 100. [13]
Čtyřdobé motory oproti doposud používaným dvoudobým motorům mají především
vyšší účinnost a méně emisí. Umožňují bez komplikací používat katalyzátory
a další zařízení pro maximální omezení emisí.
Dvoudobé motory mají na druhé straně výhodu ve své jednoduchosti, menší hmotnosti a nižší pořizovací ceně. V našich podmínkách se používají
např. u motorových lesních pil, křovinořezů, motorových zádových rosičů,
menších a malých motocyklů apod. Nevýhodou zejména dvoudobých zážehových
motorů je malá životnost (asi jen 1/4 motohodin) oproti čtyřdobým a malá hospodárnost.
Při opravách a seřizování víceválcových motorů se neobejdeme bez přesné
orientace v číslování válců a jejich pracovního pořadí. Podle ČSN začíná
číslování vždy z té strany klikového hřídele, odkud je poháněn rozvodový
mechanizmus, tj. obvykle na opačné straně než je odebírán výkon. Podle
jiných norem může zase číslování začínat ze stejné strany, odkud je odebírán
výkon. U motorů s válci uspořádanými do V, VR a při plochém uspořádání
válců se začíná na levé straně při pohledu ze strany motoru, odkud se neodebírá
výkon.
Obr. 21,22.
Pořadí zapalování a vstřikování
udává, jak po sobě následují
pracovní, tj. expanzní doby jednotlivých válců motoru.
Odstup zážehů a vznícení hořlavé směsi paliva se vzduchem udává, v jaké úhlové vzdálenosti následují po sobě pracovní doby. Vypočte se: odstup zážehů = 720° : počtem
válců. [°] - obr. 23.
Obr. 21 Rozdělení motorů podle uspořádání válců.[1]
Obr. 22 Systém číslování válců.[1]
Obr. 23 Pořadí zapalování nebo vstřikování, podle tvaru klikového hřídele a uspořádání válců, odstup zážehu. [1]
Použitá literatura a doporučené zdroje informací
[1] Gscheidle, R. a kol. (2001): Příručka pro automechanika. SOBOTÁLES, Praha, 629 str., ISBN: 80-85920-76-X.
[2] Bureš, O. (1974): Traktory a automobily 1. vyd. Praha: Státní zemědělské nakladatelství.
[3] Petr, O., Krejsa, S. (1972): Zemědělské traktory. SZN, Praha.
[4] Bambula, O. (1978): Učebnice pro autoškoly 1. vyd. Praha: Naše vojsko.
[5] [online]. [2014-02-12]. Dostupné z:
https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/16845/Jaroslav_Filipi_DP_2010.pdf?sequence=1
[6] Remek, B. (2012): Cesty k úsporám. Automobil Revue, 12/2012, str. 48.
[7] [online]. [2014-02-12]. Dostupné z: http://www.nasetraktory.eu/forum/viewtopic.php?f=21&t=2278
[8] [online]. [2014-02-12]. Dostupné z: http://www.valka.cz/clanek_589.html
[9] [online]. [2014-02-12]. Dostupné z: http://www.youtube.com/watch?v=trfTKZPmmT4
[10] [online]. [2014-02-12]. Dostupné z: http://www.youtube.com/watch?v=ZEsSdSPQRhE
[11] [online]. [2014-02-12]. Dostupné z: http://www.youtube.com/watch?v=EaMiz1lVVaE
[12] [online]. [2014-02-12]. Dostupné z: www.youtube.com/watch?v=oJRMLfrlPvg
[13] [online]. [2014-02-12]. Dostupné z:
http://www.automobilrevue.cz/rubriky/automobily/technika/ecomotors-opoc-motor-dva-proti-sobe_40453.html
[14] [online]. [2014-02-12]. Dostupné z: http://auta5p.eu/informace/motory/motory.php