Motor 4

end-logo
Sdílejte:

Motor – teorie 4/4

Autor:
Jiří Čech (uveřejněno 11.12.2003)
 

Obsah kapitoy 4:

Blok
motoru
, Konstrukce bloku motoru,
Vložky válců, válce,
Opotřebení válce,
Vliv paliva na opotřebení,
Teplota motoru,
Tuning bloku motoru

Blok motoru:

Blok motoru patří mezi hlavní odlitky motoru.
Odlévá se blok válců společně s klikovou skříní, v některých odůvodněných
případech se blok válců vyrábí jako samostatný díl a kliková skříň se připojuje
pomocí šroubů, většinou u velkých, nebo u vzduchem chlazených motorů. V bloku
motoru jsou vytvořeny kanály pro rozvod mazacího oleje a dutiny pro chladící
kapalinu.

Podle použití můžeme rozdělit konstrukce bloků na
několik typů. V první řadě je rozdíl mezi bloky pro motory s rozvodem OHV a OHC.
Dále podle použitého materiálu máme bloky litinové a z hliníkové slitiny.
Hořčíková slitina se používá výjimečně, pouze v případě absolutní nutnosti
snížit hmotnost motoru (závodní a letecké motory). Z hořčíkových slitin se často
vyrábějí různá víka a olejové vany, ovšem ne v hromadné výrobě. Vynikajícím
materiálem z hlediska pevnosti a hmotnosti je titan, ale výroba bloku z tohoto
obtížně opracovatelného materiálu je extrémně drahá. Dalším rozdílem je blok pro
motor chlazený kapalinou a vzduchem, také uspořádání válců ovlivňuje konstrukci
motoru, blok pro řadové motory se řeší podle jiných kritérií, než blok pro
V-motory. Významným hlediskem pro konstrukci je použitý typ válců, jestli jde o
vložky vložené suché, mokré nebo vyrobené přímo v bloku. Také rozlišujeme bloky
z jednoho kusu a bloky dělené.

Litinový blok:

Litina je velmi populární materiál pro výrobu
bloků motoru, protože kromě dostatečné pevnosti má i vynikající vlastnosti pro
funkci válce. Litina jako taková vzhledem k vysokému obsahu grafitu má velmi
dobré kluzné vlastnosti a dostatečnou odolnost proti opotřebení, zvlášť pokud je
ještě legovaná. Legování ale výrobu bloku prodražuje, proto se často blok odleje
z litiny nelegované a z legované litiny se vyrobí pouze krátké válce, které se
do bloku zalisují a opracují se společně s celým válcem. Legovaná vložka
dosahuje asi do 60% výšky válce shora od hlavy, kde jsou nejvyšší tlaky a válec
je nejvíce namáhán otěrem. Takovou konstrukci má např. motor Žiguli. Jindy se
použije vyměnitelná vložka válce z kvalitnějšího materiálu, která umožní
rychlejší výměnu v případě poruchy jednoho z válců, časté řešení u motorů velmi
velkých objemů, kde výrazně zlevní případné opravy (motor se nemusí demontovat
z vozidla nebo lokomotivy). Většinou se u motorů menších objemů válce vyrábí
z jednoho kusu s blokem, opravy válců se provádějí po celkové demontáži motoru.
Vzhledem k neustále se zvyšující se kvalitě výroby a snižování poruchovosti
pístní skupiny bývají poruchy válců výjimečné. Výhoda litiny je kromě dobrých
kluzných vlastností ve větším tlumení vibrací, proti hliníkovým slitinám asi
10x. Litinový blok odlitý s válci z jednoho kusu je velmi pevný a tuhý, což se
příznivě projevuje na životnosti motoru. Litinové bloky snášejí lépe přetížení
v provozu z rázů, jejich celková vyšší pevnost vytváří větší výkonovou rezervu,
bloky se méně kroutí. Výroba litinových bloků je levnější, než bloků
z hliníkových slitin. Nevýhodou litinových bloků je jejich vyšší hmotnost proti
blokům ze slitin hliníku.

Litinový blok se vyrábí prakticky výhradně
odléváním, snaha konstruktérů je vytvořit takový blok, který vyžaduje pro odlití
co nejmenší počet jader. Čím menší počet jader, tím je odlitek přesnější a
levnější. Po odlití se přímo do materiálu bloku vytvoří potřebné mazací kanály a
závity pro šrouby. Po obrobení vnitřních ploch válců a uložení klikového hřídele
je blok připraven k montáži.

Blok z hliníkových slitin:

Hliníková slitina se používá pro asi 3x nižší
měrnou hmotnost, ale vzhledem k nižší pevnosti hliníkové slitiny musí mít
silnější stěny a tak snížení hmotnosti je asi jen 50%. Hliníkové slitiny mají
několik nevhodných vlastností, nedají se v nich vytvářet závity pro větší
zatížení (hlava válců, víka uložení klikového hřídele), musí se zalévat
speciální vložky, a to tak, aby byl konec závitu pod úrovní stěny bloku (platí i
pro litinu, závit se neřeže od dosedací plochy). Ne že by materiál zatížení
nevydržel, ale problémem je nutnost opakované montáže a demontáže, které závity
přímo vyřezané v hliníkové slitině nedokáží zaručit. Vnitřní plocha válců
z hliníkové slitiny má malou odolnost proti opotřebení a pokud se neprovede
velmi drahá úprava povrchu nánosem odolných kovů, válce nelze prakticky
používat. Proto se velmi často používají vložené válce z legované litiny.
V nynější době se bloky z hliníkových slitin odlévají tlakově, což je
technologie vhodná pro hromadnou výrobu. Obecně je přes všechny nevýhody při
výrobě snaha o přechod z litiny na hliníkové slitiny, protože hledisko nízké
hmotnosti začíná nabývat na významu.

Při odlévání bloků se velmi často pro vytvoření
mazacích kanálů používá soustava ocelových trubek, které se zalijí do hliníkové
slitiny, čímž odpadá složité vrtání mazacích kanálů. Pro menší pevnost se závity
pro šrouby hlavy válců vytvářejí hlouběji v bloku a buď se použijí zalité
ocelové závitové vložky, nebo se provede vyřezání závitu většího rozměru, do
kterého se zašroubuje speciální závitová vložka, umožňující opakovanou demontáž
šroubu. Odlitek se dále opracuje podobně jako odlitek litinový.

Konstrukce bloku:

Na konstrukci bloku má vliv řada činitelů:
uspořádání motoru (řadový, V-motor), počet uložení klikového hřídele, použitý
typ vložky válců, typ rozvodu, materiál bloku, měrný výkon motoru, předpokládaná
životnost atd. Řadový motor má výslednice sil uspořádané jinak, než V-motor a
tak i konstrukce klikové skříně je odlišná. Nejvyšší tuhosti bloku, která má
největší vliv na životnost a dosažitelný měrný výkon, se dosahuje v případě, že
je blok v místě připevnění hlavy uzavřený (horní část má pouze otvory pro vložky
a průtok chladící kapaliny) a kliková skříň je buď tunelová, nebo je dělená
v ose klikového hřídele, spodní polovina slouží jako společné víko pro uložení
klikového hřídele (jsou v ní vytvořena víka uložení klikových čepů). Šrouby
připevňující hlavu válců jsou extrémně dlouhé a přenášejí síly ze spalovacích
tlaků přímo do ložisek klikového hřídele, často spojují přes blok i spodní
polovinu výše uvedeného typu. Blok může být lehčí, protože největší zatížení
přenášejí pevnostní šrouby z velmi kvalitní oceli. Olejová náplň je umístěna
mimo klikovou skříň, z prostoru klikové skříně je olej odčerpáván čerpadly.
(Terminologicky jde o motor se suchou klikovou skříní.) Taková konstrukce se
vyznačuje lehkostí, pevností, tuhostí a životností, protože každý díl prakticky
přenáší nějaké zatížení, ale jakýkoli servisní zásah znamená prakticky celkovou
demontáž motoru, protože povolením šroubů hlavy válců se motor z velké části
rozloží. Jde o zcela výjimečnou konstrukci, která se v běžné výrobě nepoužívá.
Tunelová skříň je také málo používaná, protože je výrobně náročná a tak se s ní
setkáme jen u závodních a leteckých motorů. Tunelová skříň je vlastně jakýsi
válec, do kterého se vloží z boku kliková křídel, která má odlišněji řešené
uložení (čepy jsou uloženy do relativně velkých bloků), které se přišroubuje do
klikové skříně. Vytvořenými otvory ve stěně tunelové skříně se protáhnou ojnice
a upevní se k ojničním čepům klikového hřídele. Blok válců bývá často samostatný
a připevňuje se šrouby, nebo bývá odlitý vcelku s klikovou skříní. Opět jde o
motor se suchou klikovou skříní. Oba uvedené typy bloků se používají výhradně
s rozvodem OHC nebo DOHC.

Nejčastějším řešením v hromadné výrobě je blok
z jednoho kusu dělený pod osou klikového hřídele, klikový hřídel je upevněn
pomocí vík kluzných ložisek šrouby v klikové skříni. Kliková skříň je uzavřena
zespodu jednoduchým víkem, které slouží zároveň jako zásobník mazacího oleje.
Hlava je přišroubována krátkými šrouby, které přenáší síly ze spalování do stěn
bloku válců. Toto řešení je z opravářského hlediska velmi dobré, pro přístup ke
klikovému ústrojí stačí sundat olejovou vanu bez další demontáže motoru, totéž
platí při demontáži hlavy válců. Řešení bloku s dělící rovinou pod osou
klikového hřídele pro dosažení potřebné tuhosti potřebuje více materiálu
v oblasti uložení a přechodů z ložisek do desky válců, blok je tedy těžší. Blok
s rozvodem OHV je složitější o část uložení vačkového hřídele, blok je těžší a
často i méně tuhý. Vzduchem chlazené motory jsou konstruovány odlišně, základem
je tuhá kliková skříň, ke které jsou dlouhými šrouby upevněny přes hlavy
jednotlivé válce. Méně často používané řešení vzduchem chlazeného motoru je
s nosným válcem, kdy je válec vyroben s přírubou v horní a dolní části, k horní
se přišroubuje hlava válce, dolní část se přišroubuje ke klikové skříni.
Největším rozdílem mezi vzduchem a kapalinou chlazenými motory je v roztečích
válců, vzduchem chlazené motory mají rozteče výrazně větší z důvodu dosažení
dostatečně velké plochy chladících žeber, proto i klikový hřídel je uložen vždy
za každým zalomením. Vzduchem chlazené motory se často řeší jako V-motory, kdy
celkový zastavěný prostor vychází výhodněji a proud chladícího vzduchu se lépe
tvaruje.

Řídkou výjimkou jsou motory kombinované, kdy se
hlava chladí kapalinou a válce vzduchem.

Vložky válců, válce:

Zde je nejvíce rozdílů v konstrukci.
Nejrozšířenějším typem je litinová mokrá vložka, která má hlavní výhodu ve
snadné vyměnitelnosti. Mokrá vložka je označení pro typ, který přichází do
přímého styku s chladící kapalinou. Suchá vložka je typ, který se zalisovává do
předvrtaného válce (nejčastěji používaný u bloků s hliníkových slitin, dnes se
používá ojediněle). Konstrukčně stejně řešené jsou „suché“ vložky pro motory
vzduchem chlazené. Rozdíl mezi mokrou a suchou vložkou je hlavně v ceně, mokrá
vložka je levnější. Suchá vložka u kapalinou chlazených motorů má opodstatnění
v případě požadavku na absolutní těsnost proti proniknutí chladící kapaliny do
olejové náplně, nebo zvýšení tuhosti bloku. Rozdíl v ceně je dán nutností
opracování obou stran vložky a ještě opracováním vložky v bloku z hliníkové
slitiny. Styčná plocha vložky a válce musí být co nejjemněji opracovaná, aby se
dosáhlo maximálního možného přestupu tepla mezi nimi, jinak hrozí přehřívání
vnitřního povrchu vložky. Vložka se montuje vždy nasucho, i malé množství oleje
zhoršuje přestup tepla. Dnes se suché vložky v sériové produkci nepoužívají.

Mokrá vložka je dnes nejrozšířenějším typem válce.
Za dobu existence tohoto řešení se dospělo k několika konstrukcím vložky, které
se od sebe liší prakticky v utěsnění vodního prostoru a provedení upevnění
v bloku. Nejjednodušším a pro nepřeplňované motory vyhovujícím řešením je
provedení známé z vozidle Škoda od typu Š 1000 MB do Škody Favorit včetně.
Vložka se zasune do otvoru v klikové skříni, o kterou se opírá osazením asi
v 1/4 spodní části, ke které je tlačena přes těsnění hlavou válců. Těsnění
vodního prostoru má na starosti měděný kroužek, jeho tloušťka zároveň určuje
přesah vložky nad hranou bloku (0,05 – 0,15 mm), nutný pro správné utěsnění
spalovacího prostoru. Nevýhodou tohoto řešení je nemožnost volného tepelného
roztahování vložky ve své ose, v extrémním případě přehřátí motoru se vložka má
snahu soudečkovitě deformovat směrem dovnitř. (Vložka totiž není tvarově
klasický válec, z vnější strany má zúžení stěny pro průtok chladící kapaliny.
Výsledná síla při stlačení vložky má proto snahu stěnu válce deformovat směrem
dovnitř.) Pro motory s větším tepelným zatížením se vložený válec řeší odlišně,
blok se řeší jako nahoře uzavřený, kdy se vytváří pro vložku v horní části
podpěrná plocha, o kterou se opře osazení vložky (vložka má zhruba tvar cylindru
otočeného okrajem nahoru) a přes těsnění se dotáhne hlavou válců. Vložka je vůči
klikové skříni volně posuvná, těsnění je řešeno pomocí O-kroužků z Vitonu,
zasazených v drážkách ve spodní části válce, procházející vedením v klikové
skříni. Z působení tepla se může válec volně roztahovat ve směru své osy,
k deformaci tedy nedochází. Toto řešení má ale jeden nedostatek – chladící
kapalina nedosahuje až k horní části válce, překáží tam materiál bloku, o který
se vložka opírá. Z tohoto důvodu se často opěrná plocha vytvoří níže, vložka má
osazení také posunuto, mezi touto plochou a hlavou válce vznikne dutina, která
umožní proniknutí chladící kapaliny k horní části vložky až k hlavě válců. U
motorů přeplňovaných se často horní část válce z vnější strany opatřuje
drážkováním (miniaturními žebry) pro zvýšení styčné plochy s chladící kapalinou
pro zvýšení odvodu tepla.

Mokrá vložka má silnější stěnu, než válec
vytvořený přímo v bloku, zvětšuje tedy nutnou rozteč válců. Přestože je snahou
konstruktérů vytvořit válce tak, aby byly omývány chladící kapalinou po celém
obvodu, někdy se nevyhnou řešení, kdy jsou válce slité. Takový výsledek je častý
v případě, kdy se do stejného bloku musí použít větší průměr pístu a stěna
vložky by vyšla příliš tenká. Toto řešení se používá u válců odlitých společně
s blokem. I když takové řešení teoreticky z působení tepla vede k deformaci
vložky, v praxi často vyhoví, pokud není motor přeplňován. Jedno takové řešení
bylo použito u upraveného motoru z Fordu Cortina 1600 pro F2, kdy požadavek na
zvětšení vrtání při stejných rozměrech bloku byl řešitelný pouze slitím
sousedních válců. Kupodivu tento motor z objemu 1 790 cm3 dával se
vstřikováním benzínu 180 kW při 9 000 ot/min a pracoval velmi spolehlivě. Kromě
litiny se na válce používá také ocel, která je pevnější a tak může mít válec
tenčí stěnu. Takový válec se často pro zvýšení tuhosti a těsnosti do litinového
bloku pájí, ovšem převažuje klasické uspořádání s těsnícími prvky.

V dřevních dobách automobilizmu se válce často
odlévaly z litiny společně i s hlavou, hlavně pro letecké vzduchem chlazené
motory. Tím se odstranil problém těsnění mezi hlavou a válcem, ovšem výroba byla
obtížná a drahá. Později se často používaly válce do hlavy zašroubované, tím
bylo možné řešit spojení rozdílných materiálů. Jednou zašroubovaná vložka do
hlavy se po několika hodinách provozu již nedala bez poškození dílů demontovat a
tak i toto řešení bylo s nástupem nových těsnících materiálů opuštěno.
Jednodílné provedení vložky s hlavou se dost dlouho používalo i u motorů
chlazených kapalinou, vodní prostor okolo válce se vytvořil přivařeným plechem.
Výhoda tohoto řešení spočívala v tom, že chladící kapalina měla velmi dobrý
přístup na všechna potřebná místa, včetně sedla výfukového ventilu.

Válce vzduchem chlazených motorů se vyrábějí
několika způsoby, od klasického odlití z jednoho materiálu, přes odstředivé lití
ze dvou různých materiálů až po zalisovávání žeber do základního tělesa válce.
Pro malé motory se používají válce odlité výhradně z hliníkových slitin
s vloženou litinovou vložkou, většinou zalitou již při výrobě. Válce s žebry se
odlévají i z litiny, která má ovšem horší přenos tepla. Zvláštním řešením je
odstředivé lití z litiny a mědi, kdy těžší měď vytvoří při rotaci žebra a lehčí
litina plochu válce, oba materiály se velmi dobře spojí. Odlévané válce
z hliníkové slitiny mívají někdy kluznou plochu potaženou tvrdochromem, nebo
Nikasilem. Ovšem převažuje vložka z litiny, je to nejspolehlivější a nejlevnější
řešení. V mnoha případech se používá i různými technologiemi zalisovávání žeber
do stěny válce, takové řešení je ale drahé. Profil a velikost žeber se
přizpůsobuje tepelnému namáhání konkrétního místa válce, proto se často žebra
směrem ke spodní částí válce zmenšují. Velikost a počet žeber závisí kromě
přenosu tepla také na mechanické pevnosti použitého materiálu. Proudění vzduchu
okolo žeber brání upevňovací šrouby hlavy a sousední válce, směrem k nim se
žebra musí zkrátit. Tyto vlivy se musí zohlednit při návrhu motoru a jeho
měrného výkonu. Procentuální přenos tepla z žeber do proudícího vzduchu se
zmenšuje se zvětšujícím množstvím vzduchu, snesitelná hranice rychlosti vzduchu
je asi 50 m/s, později již příkon ventilátoru vysoce překročí chladící výkon,
proto se pro větší množství odvedeného tepla musí zvětšit plocha žeber. Velká
plocha žeber zase zvětšuje rozteč mezi válci a tím zvětšují rozměry a hmotnost
motoru.

Materiálem pro válce hromadně vyráběných motorů je
nejčastěji litina, méně často ocel, hliníkové slitiny s pokovenou či jinak
upravenou kluznou částí se prakticky v hromadné výrobě nepoužívají z důvodu
vysoké ceny. (Při návrhu materiálu válce je nutné si uvědomit základní poučku,
že třecí dvojice ze stejného materiálu má vysoký koeficient tření (z výjimkou
litiny, kde velký obsah grafitu snižuje suché tření v litině). Mazací olej sice
koeficient tření výrazně sníží, ale při krátkodobém výpadku mazání, velmi častém
u vozidlových motorů (studené starty atd.), se uvedené dvojice ze stejných
materiálů rychleji opotřebují. Někdy se stejnému materiálu vyhnout nelze (ocel –
ocel, např. ventil – páka atd.), v tom případě se povrch dvojice upravuje na
rozdílnou tvrdost. Proto se válce z hliníkových slitin používají zcela výjimečně
a mívají povrch nějakým způsobem upravený.)

Litina musí mít lamelární perlitickou strukturu
s feritem a cementitem maximálně do 5%. Tato litina zajišťuje dobré mechanické
vlastnosti s dobrou odolností proti opotřebení. Pro vyšší nároky se litina
leguje chrómem a niklem, velmi dobré vlastnosti z hlediska opotřebení má litina
s obsahem asi 0,5% fosforu (Š 781). Pro suchá pouzdra se používá odlišné
legování, než pro pouzdra mokrá. Ocel pro válce má také určité předepsané
složení, pokud nemáme takový materiál k dispozici, lze použít s velkým úspěchem
např. ocel 12 060, která je pro válce určena. Kdysi jsem viděl výrobu válců pro
závodní motory z materiálu přibližně tř. 15, ale přesné označení jsem nezjistil.
Válce se vyrábějí s přesností na tisíciny mm, vnitřní povrch se honuje. Stopy po
honování musí vytvářet křížové šrafování pod úhlem 22° – 32°, drsnost povrchu
musí být v rozmezí 0,38 – 0,88

Motor 4 3.75/5 (75.00%) 12 votes


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: