Technika motocyklu - 5. část - motor

Historie

Tepelný motor je stroj převádějící tepelnou energii získanou z paliva na mechanickou práci. Rozdělení motorů dle způsobu spalování dělí historii na dvě etapy. Jako první se objevily motory s vnějším spalováním, kde k ohřevu látky docházelo mimo pracovní válec a palivem bylo možno použít cokoliv s dostatečnou výhřevností. Jedná se především o vynález Jamese Watta a jeho parní stroj (koncem 18.stol.), který rychle našel použití v dopravě i průmyslu. V kostce řečeno parní stroj využíval jako pracovní látky vodu, která byla nepřímým ohřevem převedena na tlakovou páru a ta následně působila na pracovní píst. Dále stojí za zmínku Stirlingův motor (1816), kde pracovním médiem je plyn. Motor obsahuje dva spojené válce přičemž jeden je pracovní s těsnícím pístem a druhý s pístem volným „přesouvající“ teplý a studený vzduch. Použití bylo spíše pokusné a nijak zvlášť se neuchytil. Na internetu je k mání spousta informací a v případě zájmu se k tomuto vyjádřím mimo tento článek. Oba zmíněné motory jsou poměrně snadné na domácí výrobu a před lety jsme se těmito motory bavili (viz obr). I když účinnost i výkon byl malý dalo se s nadšením říct „a přece se točí“.

Koncem 19. století přišly na řadu dva motory s vnitřním spalováním. Palivo hoří přímo ve spalovacím prostoru během expanze a vzniklý tlak působí na píst. Jedná se o motor zážehový se kterým přišel pan

Otto

a motor vznětový pocházející z hlavy pana

Diesela

. Koncem 19.stol. se o rozvoj čtyřdobých zážehových motorů dost zasloužil i němec

Daimler

. Motory prošly mnoha vylepšeními, ale základ je stejný dnes jako před 100 lety. Dříve dávaly motory kolem 5 koňských sil z půllitrového motoru, dnes umíme ze stejného obsahu dostat i 150 koní.

Klikový mechanismus

Jedná se o skupinu „klikový hřídel-ojnice-píst“, kterou nalezneme v obou typech spalovacích motorů používaných v dnešní době běžně k pohonu vozidel. Díly zde budou popsány z pohledu chování celého mechanismu. Přesněji se jimi budeme zabývat v dalších článcích. Píst je vystaven tlaku spalin a jeho hlavní funkce je utěsnění spalovacího prostoru a přenos síly na ojnici. Jeho pohyb je posuvný a to mezi jeho krajními polohami-úvratěmi. Ojnice spojuje píst s ramenem kliky, které se otáčí kolem osy klikového hřídele uloženého v bloku motoru. Oko ojnice je upevněno pomocí pístního čepu k pístu a jak již bylo řečeno pohyb je čistě posuvný v ose válce. Hlava ojnice je připevněna na klikový hřídel a pohyb je rotační z čehož vyplývá, že pohyb ojnice jako celku je všeobecný a z kinematického hlediska ne zrovna jednoduchý, naštěstí z praktického hlediska to není nijak podstatné. Pohyb pístu z horní úvratě (píst je v nejvzdálenějším místě od klikové hřídele) do dolní úvratě (píst je nejblíže ke kl.h.) je zdvih pístu. Objem takto vyplněný (plocha pístu×zdvih) je zdvihový objem (někdy nesprávně označováno jako obsah motoru) a je to údaj uvedený na motocyklu.

Většina motorů má však menší objem a tak např. motor 863ccm se vozí v motocyklu s nápisem 900. Při poloze pístu v HÚ je nad ním kompresní prostor. Tento prostor v poměru s celkovým prostorem nad pístem v DÚ se nazývá kompresní poměr (e-epsilon) a používá se u zážehových motorů běžně 1:10 –1:12, u vznětových kolem 1:17. Kompresní poměr nám udává kolikrát zmenšíme celkový objem nasáté směsi (trochu nám tím zamíchá součinitel plnění, ale to až později). Kompresní prostor má především vliv na termickou účinnost motoru a tedy i na celkovou účinnost. Bohužel nelze jej zvyšovat do nekonečna jak si vysvětlíme v závěru. Píst tedy během jednoho otočení klikové hřídele vykoná dva zdvihy (jde z horní úvratě do dolní a pak zase zpět). Motor s vrtáním menším než je jeho zdvih se nazývá nadčtvercový, v opačném případě podčtvercový. Výhody a nevýhody vyplynou dále. Pokud tedy koná píst vratný pohyb je nutné jej z úvratě rozběhnout a od půlky zase brzdit, v úvrati zastavit a rozběhnout druhým směrem (vůči válci). Tato zrychlení (a zpomalení) hrají klíčovou roli při zatížení pístního čepu a ojnice. Jak si mnozí asi vzpomenou na Newtonův zákon F=m×a tzn. že síla je tím větší, čím máme větší hmotnost nebo zrychlení. Snahou je samozřejmě zmenšovat hmotnost, ale udělat píst s nulovou hmotností se asi nepodaří takže druhým kritériem je zrychlení, abychom se dostali na uspokojivou sílu, která nám nebude způsobovat nadměrné namáhání. Pro zjednodušení byla v době „kuličkových počítadel“ zavedena střední pístová rychlost, která se používá do dnešní doby jako měřítko. Uvažujeme, že rychlost pístu je v celém zdvihu stejná a tak ji jednoduše spočítáme z dráhy (=zdvih) a doby (vychází z otáček motoru). U motocyklů se používá běžně do cca 20m/s. Jako příklad uvedu dva odlišné motory. Yamaha R6, která nám bude točit 13 000ot/min a Intruder s 6500 ot/min. Po dosazení do v=2×zdvih×otáčky/60 nám vyjde: R6 má střední pístovou rychlost 19,3m/s a Intruder má střední pístovou rychlost 20,6m/s. Při pohledu na náš příklad je na místě si uvědomit, že i motor s polovičními otáčkami může být více namáhán a není tedy možno brát otáčky motoru jako ukazatel životnosti. Dále je potřeba mít na paměti, že se bavíme o střední rychlosti, čili jakési průměrné rychlosti a píst má tedy v určitém okamžiku rychlost větší (asi o 40%).

Opustíme průměrné rychlosti a pokusím se objasnit přesně síly a jejich následné vlily při chodu motoru. Pokud bychom brali pohyb ojničního čepu v závislosti na natočení klik. hřídele vyjde nám krásná funkce sinus. Jenže my sledujeme pohyb pístu a ten leží na konci ojnice a ojnice koná obecný pohyb a tudíž poloha pístu bude sice podobná sinusoidě, ale ne stejná (vzorce zde neuvádím abychom neuvázli v matematice, zde soubor v Excelu. Pro mnohé bude překvapením, že při otočení klikové hřídele o 90° (1/4 otáčky) z horní úvratě nebudeme mít píst v polovině zdvihu, ale kousek pod polovinou. Je to způsobeno konečnou délkou ojnice. Pokud se tedy motor otáčí konstantními otáčkami, tak píst v horní polovině zdvihu musí běžet rychleji než v dolní. Rychlost pístu vůči válci nám ovlivňuje pouze mazání a tím pádem vznik třecí síly (a tepla). Jak jsem uvedl v článku „mazání“ je nutné pro vznik hydrodynamického mazání vzájemná rychlost dvou těles. V úvratích je rychlost nízká (až nulová) a tak zde je opotřebení větší než v prostřední části válce. HÚ je na tom vlivem větší síly při překlápění pístu o trochu hůře než DÚ. Mnohem důležitější je pohled na zrychlení pístu, protože to nám udává namáhání součástí.

Uveďme si příklad pro lepší pochopení: na motorce pojedeš po rovině úsek např. 100 m. Musíš se prvně rozjet a změnit svou rychlost z 0 km/h, zrychlení bude velké a jak se budeš blížit do poloviny dráhy přestaneš zrychlovat. Rychlost zde bude maximální a zrychlení malé (nulové). Od poloviny začneš rychlost snižovat (záporné zrychlení) až snížíš rychlost opět na 0 km/h. Přesně takto se nám chová píst. Tzn., že v polovině zdvihu (viz grafy) je maximální rychlost a nulové zrychlení (ojnice není namáhaná setrvačnými silami). V úvratích je rychlost nulová, avšak zrychlení maximální přičemž v horní je až 2× větší než v dolní. Z toho vyplývá použití lehkých kovaných ojnic a pístů, leštění ojnic ke snížení iniciace trhlin, použití omezovače otáček.

Informace o redaktorovi

Mirek Rollinger - (Odebírat články autora)

POKRAČOVAT V DALŠÍ KAPITOLE