ŠKODA techweb [homepage]
Motor
8. srpna 2003

Teorie motoru 4.

srozumitelně vysvětlena


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 ?m. Materiál se při honování nesmí vytrhávat nebo přehýbat, značí to nevhodnost materiálového složení válce.
 U supersportů a závodních motorů se používají válce z hliníkové slitiny s upravenou kluznou vrstvou pokovením, nebo častěji velmi drahým Nikasilem (povrch je tvořen speciálně nanesenou vrstvou na bázi křemíku a niklu, která vytváří zvláštní druh povrchu, který pod mikroskopem vypadá jako souvislá vrstva stejně velkých žampionů těsně vedle sebe. Takový válec pro závodní Hondu stojí i 300 000 Kč!). Druhá alternativa je hliníkový válec a píst pokovený železem, nebo prvkem s podobnými kluznými vlastnostmi. Při určitém složení hliníkové slitiny je možné použít píst nepokovený, ale je nutné věnovat velkou pozornost záběhu. Tato varianta se ale pro značnou citlivost materiálů nepoužívá. Válce z hliníkových slitin mají výhodu v nízké hmotnosti a lepším odvodu tepla, ale jsou méně pevné, musí mít silnější stěnu.

 
 Opotřebení válce:

 Provozní opotřebení válce vzniká z působení mnoha faktorů. Všechny faktory jsou stejně důležité a pro snížení jejich vlivu musíme dodržovat několik zásad. Na snížení opotřebení má vliv mazací olej, který kromě mazací funkce také odplavuje částice otěru a brání styku zplodin spalování se stěnou válce. Největší opotřebení válce je v horní části, kdy se sčítá vliv vysokých teplot, tlaků, působení nespáleného paliva a nízké pístové rychlosti. Základem dobrého mazání je určitá drsnost stěny a prvního pístního kroužku. Stěna nesmí být příliš hladká, protože na ní špatně drží olej. První pístní kroužek se často potahuje vrstvou molybdenu, nebo častěji porézního chromu (kombinace chróm – litina je známa jako nejlepší třecí dvojice, při správném mazání prakticky nevykazuje opotřebení). Opotřebení v polovině válce má na svědomí vysoká pístová rychlost v tomto místě a působení částic otěru a karbonu. Teplota válce nesmí poklesnout pod kritickou hranici, kdy se nadměrně vytvářejí různé kyseliny.
Opotřebení v horní části válce:  první pístní kroužek vytváří velmi velký tlak na stěnu válce, v HÚ je ještě zvyšován působením spalovacího tlaku, který proniká pod kroužek do drážky. Protože je pístová rychlost rovna nule, nemůže se vytvořit hydrodynamická vrstva oleje a tak kroužek olej ze styčné plochy vytlačí. Při dalším pohybu směrem k DÚ tedy chvíli běží kroužek téměř na sucho, než se vytvoří nová hydrodynamická vrstva oleje mezi ním a válcem. Tato vrstva se vytváří pozvolna a její maximální tloušťka se začne vytvářet někde okolo 25% zdvihu od HÚ. Čím nižší jsou otáčky motoru, tím je toto negativní působení větší. Proto je velmi důležité mít první pístní kroužek opatřen nějakou kvalitní vrstvou čehosi, co sníží otěr materiálu i bez mazání olejem. Jako nejlepší materiál se ukázal tvrdochróm, molybden je o něco horší, ovšem záleží také na použitém materiálu válce. Molybden používala T 613. Rozdíl mezi opotřebení válce v HÚ a v místě výskytu dostatečné hydrodynamické vrstvy oleje je asi 450%, považujeme-li kvalitní mazání za 100%. Velký vliv na velikost opotřebení má teplota válce, protože mazací olej má svoje optimální vlastnosti při teplotách okolo 100° C. Ale o teplotě později.
Opotřebení v polovině válce:  od dosažení hranice cca 25% od HÚ se začíná projevovat vliv otěru válce z působení vysoké pístové rychlosti a nečistot v oleji. Nečistoty tvoří částice odřeného kovu z oblasti prvního pístního kroužku v HÚ a všudypřítomný karbon. Od udané hranice se opět prudce začíná zvyšovat opotřebení válce, které ale nedosahuje takové velikosti jako oblast prvního pístního kroužku v HÚ, opotřebení je jen asi dvojnásobné. Nejvyšší hranice je dosaženo skoro přesně v polovině zdvihu a směrem k DÚ pozvolna klesá. Nejmenší opotřebení (prakticky na úrovni 10% úrovně prvního pístního kroužku v DÚ) má válec až úplně ve spodní části, kam nedosahují pístní kroužky. Opotřebení válce v místě prvního pístního kroužku v DÚ je na úrovni vzdálenosti 25% od HÚ. Z tohoto rozboru vyplývá, že válec je skutečným válcem jen při montáži, za provozu se jeho vnitřní tvar výrazně změní.
Vliv paliva na opotřebení:  dalším velkým nepřítelem životnosti je nespálené palivo, které se dostává na stěny válce, kde ředí olej. Z tohoto pohledu je na tom nejhůře benzín a hlavně jeho lehké složky. Provoz s bohatou směsí (sytič a obohacení při plném výkonu) má tedy velmi významný vliv na zvýšení opotřebení válců. Nevhodné oktanové číslo paliva vedoucí k detonacím způsobuje často rozkmitávání stěn válců a nedefinovaný pohyb pístu ve válci, tím se naruší geometrický tvar součástí a to je další příčina opotřebení. Nafta je na tom z tohoto pohledu výrazně lépe, protože se do motoru nasává pouze čistý vzduch, vstřik paliva do horkého vzduchu způsobí jeho okamžité vznícení. Pokud je vstřikování správně seřízeno, nafta se na stěny válců prakticky nikdy nemůže dostat. Uspořádání vznětového motoru také brání nevzníceným kapičkám k doletu na stěnu válce, buď se vstřikuje do komůrky, nebo do spalovacího prostoru v pístu. I to je jeden z důvodů vyšší životnosti vznětových motorů proti zážehovým.
Teplota motoru:  motor jako tepelný stroj je konstruován na určitou provozní teplotu, při které mají všechny součásti vhodnou velikost a tím i optimální vůli vůči sobě. Největším nepřítelem životnosti válců je nízká teplota chladící kapaliny, protože teplota povrchu válce klesne pod tzv. kritickou hranici, která je asi 140° C. Při této teplotě válce nemá olej optimální teplotu a kromě špatných mazacích vlastností také špatně vytváří souvislý a soudržný film na stěně válce. Zplodiny pronikající ze spalovacího prostoru napomáhají vytváření kyselin (uhličitá, mravenčí, octová, dusičná, siřičitá, bromovodíková atd.) a agresivního CO a vodní páry. Kyseliny jsou korozivní jedna více než druhá, nejsilněji působí, kondenzují-li na stěně válce (píst potom tyto kyseliny vesele roztírá po celé ploše válce). Rosný bod závisí na okamžitém tlaku a teplotě a proto musí být teplota válce vždy vyšší, než teplota kritická. Nejhorších účinků docílíme před dosažením teploty chladící kapaliny 60° C, potom se negativní vlivy zmenšují. Minimálního působení je dosaženo v případě teploty chladící kapaliny vyšší než 80° - 85° C, vyšší teplota je ještě lepší (vypočítaná a laboratorně ověřená optimální teplota motoru je 120° C, ovšem problémem jsou motorové oleje, které teprve dnes dosahují patřičných parametrů pro tuto teplotu). Z tohoto důvodu je nutné zabezpečit co nejrychlejší spuštění motoru a uvedení na provozní teplotu. Vstupní teplota chladící kapaliny do motoru nesmí poklesnout pod 75° C a protože rozdíl mezi vstupem a výstupem z chladiče bývá asi 8° C, zabezpečení této podmínky se dosáhlo přechodem na vyšší provozní teplotu (dnes všeobecně 90° C). Dalším požadavkem je dobré odvětrání klikové skříně, aby se produkty spalování rychle odstraňovaly. Toto je dnes řešeno odsáváním do sání, kdy vytvářený podtlak zrychlí odvod spalin proti dříve používanému odvětrání přes zachycovač olejových par do ovzduší (kromě snížení množství spalin v klikové skříni je toto řešení předepsáno zákonem). (Použití sportovních kitů vzduchových filtrů toto odsávání neumožňuje, nemají možnost připojení odvzdušňovací hadice.) Konstrukce motoru musí být optimalizována z hlediska rozložení teplot, změny teploty po povrchu válce by měly být pokud možno nulové (nedosažitelný sen všech konstruktérů). Změny teplot z působení nevhodně řešeného proudění chladící kapaliny či proudění nasávané směsi nebo vzduchu způsobuje tepelné deformace válce a jeho zvýšené opotřebení. Totéž platí při nesprávné montáži, nerovnoměrně dotažené šrouby hlavy působí různá pnutí, které se snaží vyrovnat deformací válců nebo jiných poddajnějších částí. Z tohoto pohledu jsou lepší delší šrouby pro připevnění hlavy, které zasahují až k ložiskům klikového hřídele, deformace jsou vlivem pružnosti dlouhého šroubu menší.
Z pohledu teplot je na tom lépe motor chlazený vzduchem, rychleji se ohřívá a jeho tepelný stav je vyšší. V mezních provozních podmínkách je vzduchem chlazený motor výhodnější, nepotřebnost chladící kapaliny je velkou výhodou za extrémně nízkých teplot a větší rozdíl mezi teplotou válce a okolního vzduchu zase přináší větší výhodu v provozu při vysokých teplotách. Nevýhodou vzduchem chlazeného motoru je větší zastavěné místo, větší hlučnost samotného motoru, nutnost použití výkon odebírajícího ventilátoru chlazení, který dále zvyšuje hluk. Rozbor chladících podmínek bude v článku věnovaném chlazení.
 

Návrh bloku:

Návrh bloku se začíná od hlavy válců. Volí se umístění závitových částí pro šrouby hlavy, podle toho musí být řešena část bloku u válců. Umístění šroubů má významný vliv na rovnoměrnost přenosu sil do ložisek klikového hřídele, proto i návrh hlavy musí být přijatelně koncipován. Nejvýhodnějším řešením jsou šrouby umístěné tak, aby se síly přenášely přímo do ložisek, což nebývá často možné, hlavně u bloků OHV motorů. Pro co nejvyšší tuhost bloku je vhodné umístit vačkový hřídel rozvodu OHV co nejblíže podélné dělící rovině motoru, z důvodu snížení hmotností ventilových tyček je snaha o umístění vačky co nejblíže k hlavě. Dalším problémem je umístění čerpadla chladící kapaliny, které bývá nejčastěji z boku u prvního válce, potřebná průtočná plocha pro kapalinu znesnadňuje umístění krajních šroubů, které musí být kratší, aby nezasahovaly do vodního prostoru. Optimální je rovnoměrné rozložení šroubů okolo válců, u čtyřválce je 10 šroubů geometricky rozdělených okolo válců tak, aby spojnice sousedních šroubů neprocházela vrtáním válce. Toto řešení je velmi časté u motorů s rozvodem OHC. Krátké šrouby jsou nevýhodné také z hlediska přesného návrhu bloku, často totiž zasahují z vnitřní strany do vodního prostoru, závitová část se potom vlivem tahu šroubu a přesazení os vyklání směrem dovnitř a namáhá bočním tlakem vložku válce. Aby k tomu nedocházelo, musí se tato oblast tvarově upravit, což je někdy velmi komplikovaná záležitost. Výztužná žebra by se neměla dotýkat či být jinak spojena s válcem, možné deformace z dotahování hlavy a působení sil z tlaků potom deformuje válec.
 Někdy se motor řeší tak, že má šrouby pro hlavu zavrtané v horní části stěn bloku válců a hlava válců se utahuje maticemi. Toto řešení využívá pevnosti stěn bloku válců, blok musí mít silnější stěny a tím se zvyšuje jeho hmotnost. Takové řešení je vhodné pro motory krátkozdvihové, kdy je výška stěny bloku malá a zvýšení hmotnosti je minimální. Toto řešení je vhodné u bloků z hliníkové slitiny, zavrtané šrouby se nevyšroubovávají a tak není nutné zalévat vložky, stačí vyrobit delší závit přímo v hliníkové slitině. Ovšem často jsou takto konstruovány i bloky z litiny. Při vhodné konstrukci celého motoru nemusí být použití svorníků omezujícím činitelem a může být vhodným řešením pro automatizovanou montáž.
Závitová délka zavrtané části šroubů musí být minimálně dvojnásobkem jejich průměru. Závit v bloku se neřeže hned od dosedací plochy, protože při deformaci po dotažení matice nebo šroubu se plocha okolo závitu často vyboulí a znesnadňuje správné sestavení dílů. Díry pro šrouby nesmí být přesazené, v tom případě by se vlivem teplot změnilo jeho namáhání, kromě tahu by byl šroub namáhán také na ohyb nebo i střih. Čím je závitová část šroubu delší a čím je více konec závitu šroubu vzdálen od konce závitu v bloku, tím je výhodnější rozložení sil v materiálu, který se deformuje méně.
Blok v oblasti válců musí splňovat podmínku optimálního průchodu chladící kapaliny okolo jednotlivých válců, což bývá často velmi problematické. Pokud uložíme čerpadlo chladící kapaliny ze strany motoru (nejčastější řešení), chladící kapalina proudí napříč blokem od prvního válce k poslednímu, u každého válce se o nějakou tu desetinu stupně ohřeje a tak u posledního válce má odlišnou teplotu, než u válce prvního. K tomu přibývá problém přechodu kapaliny do hlavy válce, kdy se nesmí hned u prvního válce udělat velký otvor v přechodu do hlavy, protože kapalina by proudila nejkratší cestou k hlavě a k poslednímu válci by se dostávala jen obtížně. Také průtok hlavou válců musí být pečlivě řešen, většinou se reguluje rozmístěním a velikostí otvorů v těsnění mezi hlavou a blokem. U motoru běžné sériové produkce s průměrným litrovým výkonem uvedené řešení vyhovuje, tepelné namáhání není velké a motor nějaký teplotní rozdíl snese. U motorů speciálně vyrobených pro závodní použití se rozvod chladící kapaliny řeší individuálně ke každému válci zvlášť, kapalina proudí od dolní části válce přes hlavu, nebo také přesně naopak – od hlavy dolů. Druhé řešení je výhodnější, protože udržuje hlavu studenější (možnost použití vyššího kompresního poměru) a válec teplejší (menší ztráty třením, nižší opotřebení). Pro dodržení rovnoměrnosti toku kapaliny se do jednotlivých chladících větví vkládají vložky omezující průtok. Blok v této části má velký vliv na celkovou tuhost, hlavně při použití vložených mokrých válců. Optimální je stav, kdy je blok v horní části (ve styku s hlavou válců) uzavřen (vytváří jakoby krabici s otvoru pro válce a chladící kapalinu). Toto řešení je ale výrobně drahé a používá se výjimečně. Pokud nejde blok nahoře uzavřít, je nutné udělat taková opatření, aby se přijatelné tuhosti dosáhlo, mění se tvar bloku okolo jednotlivých válců, přidávají se výztužná žebra. Vhodnost umístění výztužných žeber se dříve zkoušela pomocí tzv. praskajících laků, tyto laky přilnou relativně pevně na povrch kovu a jsou velmi tuhé, jakákoli změna tvaru podkladového materiálu se projevila jejich praskáním a podle velikosti a počtu prasklin se určovalo namáhání jednotlivých míst na bloku, které se následně upravily přidáním nebo odebráním materiálu (žeber). Někdy se dospělo i ke kuriózní situaci, kdy blok bez žeber byl tužší, než blok s výztužnými žebry – pouze celkové zesílení stěny bylo řešení, jednotlivá žebra se ukázala být nevhodná. Později se začaly používat tenzometry, které dávaly o něco přesnější výsledky, hlavně bylo možné sledovat průběh zatěžovacích sil a jejich špičky. Dnes jsou bloky motorů na základě dříve získaných dat z tenzometrických měření a matematické teorie navrhovány téměř bez výjimky na počítačích metodou konečných prvků, která umožňuje dosáhnout vysoké tuhosti a pevnosti při minimální hmotnosti – materiál je jen tam, kde přenáší nějakou sílu, kde nic nepřenáší, tam je zbytečný a proto se odstraní již při návrhu. Nově navržené bloky motorů jsou lehké a pevné, u takových motorů je možné zvýšit znatelně výkon bez negativního vlivu na životnost.
Blok v místě uložení klikového hřídele se dnes řeší v drtivé převaze jako dělený pod osou klikového hřídele. Přestože je takové řešení komplikovanější a citlivější na správný návrh, usnadňuje montáž motoru a servisní úkony. Průměr klikové skříně je dán zdvihem a velikostí ojničních ok, ponechává se rezerva mezi okrajem ojničního oka a stěnou 10 – 15 mm. V jiném místě, kam ramena kliky a ojniční oko nezasahují, může být průměr menší, zvýší se tuhost skříně. Tato část bloku se navrhuje včetně předního a zadního víka a jejich těsnění. U krátkých motorů se odebírá výkon pro pohon rozvodu a často i olejového čerpadla z předního konce klikového hřídele, tato skutečnost zjednodušuje utěsnění této části klikového hřídele. Postačí pouze běžné gufero, protože tato část není namáhána tlakem oleje, mazání je řešeno ostřikem, někdy i přerušovaným. U dlouhých motorů se výkon odebírá často uprostřed klikového hřídele, je tam uzel torzních kmitů a tak se úhlové výchylky nepřenášejí do pohonu rozvodu atd. V tomto případě je utěsnění předního konce složitější, na tento konec se umísťuje řemenice k pohonu alternátoru a čerpadla chladící kapaliny, řemenice je montována těsně u prvního klikového ložiska, je tam tedy velký tlak oleje. Olej se má snahu tlačit ven okolo těsnícího prvku, z tohoto důvodu se musí tato část řešit tak, aby se olej vytlačený z ložiska odvedl zpět do motoru dříve, než se dostane k přednímu guferu. Tentýž problém je u všech motorů u posledního klikového ložiska, u kterého se co nejblíže umísťuje setrvačník k potlačení ohybových momentů. Správný návrh této oblasti rozhoduje o tom, jestli bude klikový hřídel těsnit, nebo se stane z motoru olejnička. Pro odvod nadbytečného oleje z místa těsnícího kroužku (gufera) se používá – pokud nestačí jen dostatečné vybrání pro odvod oleje – mnoho různých postupů, od kuželového zakončení (hřídel se směrem k těsnícímu kroužku zužuje) přes různé odstřikovací kroužky až po protiběžný závit na výstupní části pod guferem. Důležitým prvkem je také materiál gufera, černé NBR je naprosto z hlediska životnosti nevyhovující, červený silikon je na tom výrazně lépe, ale jeho problémem jsou vysoké provozní teploty. Nejlepším materiálem je Viton nebo teflon. Viton je sice výrazně dražší než silikon, dlouhodobá těsnost je výrazně lepší, než u silikonových typů, je použitý např. u obou konců klikového hřídele motoru Favorit. Teflonové těsnící prvky mají odlišný tvar a montují se na absolutně suché části klikového hřídele, jinak ztrácí těsnící účinnost. Pro jejich použití musí být konstrukce bloku v této části upravena, nedají se použít jako normální náhrada gufera (odlišný tvar těsnění). Uložení klikového hřídele se obrábí současně s oběma víky, proto jsou tyto části mezi jednotlivými motory nezáměnné. Nepatné vyosení vík vůči ose klikového hřídele má za následek jednostranné přetěžování břitu gufera a zkrácení jeho životnosti. Proto při koupi nového bloku vždy kontrolujte, jestli má všechna víka ložisek klikového hřídele a přední a zadní víko. Pokud je nemá, není zaručena souosost (s díly z jiného motoru) a motor se po sestavení nemusí točit! Poškozené zadní víko se dá nahradit novým, které se musí vystředit, z výroby proto nemá vyvrtané otvory pro středící kolíky. Je to velmi pracná záležitost.
Kliková skříň tunelová nebo dělená v ose klikového hřídele – používá se u motorů se suchou klikovou skříní. Olej se ze skříně odčerpává přídavnými čerpadly, které musí umět odčerpávat i olejovou mlhu, proto mají často až desetinásobný sací výkon proti čerpadlu mazacímu. Suchá kliková skříň má opodstatnění u závodních motorů s vysokými otáčkami, kdy je nutné snížit ztráty vířením. Obě tyto skříně mají válcový tvar, který nenarušuje rotační pohyb oleje a vzduchu. Na určitých místech ve skříni se vytvoří odváděcí kanálky, kterými nadbytečný olej odtéká k odsávacím čerpadlům. Ačkoli se to na první pohled nezdá, rozdíl v dosažitelném výkonu u suché klikové skříně proti mokré skříni je značný, čistý zisk po odečtení příkonu odsávacích čerpadel se počítá na desítky procent. Důležité je také propojení jednotlivých objemů pod válci, u tunelové skříně je skříň z důvodu tuhosti řešena jako sestava krátkých válců, uložení kliky je řešeno jako kruhová deska s otvorem pro klikový čep. Materiál brání průchodu vzduchu mezi jednotlivými komorami, dochází tam vlivem pohybu pístu k tlakovým pulzům, které znemožňují optimální odsávání oleje. Proto je nutné dbát na dostatečné propojení komor mezi jednotlivými protiběžnými dvojicemi válců, stačí dostatečně velké otvory v jednotlivých přepážkách. Nejvíce je pumpování znát u V – motorů s úhlem 90°. Často se používá trik s vytvářením podtlaku v takové skříni, řidší vzduch klade menší odpor otáčení motoru.
Uložení vačkového hřídele u motorů OHV se dělá buď v přechodové části klikové skříně s blokem válců, nebo se umísťuje co nejblíže k hlavě válců. U V – motorů s rozevřením válců 90° je rozvod OHV velmi oblíbený, jediná vačka se ukládá mezi obě řady válců a ovládá ventily obou řad válců. OHV rozvod komplikuje návrh bloku, musí se řešit mazání vačkového hřídele a v případě použití hydraulických zdvihátek ventilů i přívod tlakového oleje k nim. Pohon vačkového hřídele se řeší pomocí víceřadého válečkového řetězu, pro krátkou vzdálenost bez napínáku, méně často ozubenými koly (jen v případě odběru výkonu uprostřed klikového hřídele). Pohon ozubeným řemenem se používá zcela výjimečně.
Spodní víko motoru, které také slouží jako zásobník olej (olejová vana), se vyrábí lisováním z plechu, nebo se odlévá z hliníkové slitiny spolu s chladícími žebry. První varianta je plně vyhovující u motorů uložených vpředu, kdy proudící vzduch za jízdy dobře odvádí z vany teplo, druhá varianta se používá u motorů uložených vzadu, nebo před zadní nápravou, kde je proudění vzduchu omezené. Použití olejové vany z hliníkové slitiny u motorů uložených vpředu se používá při zvýšených nárocích na chlazení oleje. Pokud je to možné, sklon a umístění horní příruby se volí tak, aby za klidu motoru nebylo těsnění mezi blokem a vanou zalito olejem.
U OHV motorů je ještě jedno víko na boku bloku, které zakrývá uložení vačkového hřídele, případně ventilových zdvihátek. Bývá také plechové, nebo lépe z hliníkové slitiny.

Tuning:

Prakticky není možný, maximálně se upravuje mazací soustava pro větší mazací výkon, zvětší se olejové čerpadlo, nebo se jen zajistí minimální čelní vůle ozubených kol čerpadla, prodlouží se mazací trysky pohonu rozvodu tak, aby olej skutečně dopadal tam, kam potřebujeme atd. Na bloku toho jinak nejde mnoho upravit, pouze zajistit souosost válců mezi sebou a s klikovým hřídelem. Odlehčování bloku má za následek snížení jeho pevnosti a tuhosti při zanedbatelném hmotnostním zisku. Jediný použitelný vnější tuning je uložení motoru do vozidla natvrdo po vzoru závodních vozů, vozidlo je sice abnormálně hlučné, ale zajistí se přenos výkonu beze ztrát vznikajících na pružných blocích. Čtyřválce jsou nevyvážené, podle zákona o zachování energie je tlumení vibrací výkonovou ztrátou. Zisk je ale malý, nárůst hluku a vibrací ve vozidle značný.

Praxe:

Blok je po smontování motoru část, o kterou se staráme pouze v případě, že se nám přetrhne ojnice a udělá díru do stěny bloku. (Takový blok je nejlepší vyhodit, protože kromě díry může být při nárazu vyoseno uložení klikové hřídele. Opravy takového poškození se normálně nedělají, jsou to vyhozené peníze.) Jinak je blok prakticky z hlediska údržby bezpředmětná součást motoru. Jediné, co je vhodné udělat, je udržovat blok v čistotě. U čistého bloku jsou okamžitě vidět všechny netěsnosti, mastné skvrny okamžitě odhalí netěsné místo. Nezapomínejte, že vrstva oleje smíchaná s prachem je velmi kvalitní hořlavina, v případě vzniku požáru takový motor působí jako kanystr benzínu.
Stav bloku nás zajímá při GO motoru. U hliníkových bloků menších rozměrů se čas od času musí provést tzv. vyosování, tzn. vyrovnání všech os vůči sobě. Je to velmi pracná a namáhavá záležitost, bez předešlé praxe pod dohledem zkušeného mechanika to nejste schopni sami provést. Kdo to někdy dělal, už nechce více, protože se u toho strašně nadře a nikdo mu to nezaplatí. Také musíte být na takovou práci patřičně vybaveni. Při GO je vhodné (a také to bývalo předepsané) odstranit z motoru všechen karbon, a to i z mazacích kanálů. Vyšroubují se všechny zátky kanálů a kanály se vyčistí (velmi dobré zkušenosti mám s drátěnými puškařskými vytěráky), nakonec se kanály vyfoukají stlačeným vzduchem a vytřou látkovými puškařskými vytěráky. Celý systém kanálů je nutné zbavit i sebemenších nečistot, jinak se dostanou do ložisek klikového hřídele, které poškodí. Dále se kontroluje nepoškozenost těsnících rovin pro jednotlivá víka a hlavně dosedací plocha pro hlavu válců. Její rovinnost a neporušenost je hlavním požadavkem pro bezporuchový chod motoru.
Častou poruchou bloku bývá protočení ložiskových pánví ve svém uložení, toto vzniká v případě zadření motoru na klikovém čepu, kdy se vysokým třením mezi čepem a ocelovým nosným plechem ložiskové výstelky (která je již sedřená) obě pánve začnou otáčet spolu s klikovým čepem a poškodí podkladovou část. Oprava je možná pouze navařením materiálu a novým obrobením uložení. Taková oprava je relativně drahá a nedělají ji všude, proto při možnosti sehnat blok jiný někde na vrakovišti doporučuji použít toto řešení. Nenechávejte motory jezdit tak dlouho, až se vám někde na cestě rozpadnou, následky mohou být horší, než předpokládáte.
U Š 742 doporučuji pro úpravy motoru používat bloky od roku 4/1987 (s dvouřadým výrobním číslem), které mají zesílený blok a litinová víka ložisek klikového hřídele. Od 5/1987 bylo upraveno mazání rozvodového řetězu a soukolí náhonu rozdělovače. U Š 781 byly bloky jen jednoho typu bez dalších úprav, blok sám o sobě je dostatečně tuhý, snáší dlouhodobě výkon do 60 kW. Bloky 781/MPI neměly otvor pro montáž palivového čerpadla, navíc měly upravené místo pro připevnění čidla klepání.

Škodovkářům zdar!

Autor článku: CJ (Jiří Čech)

zobrazit další autorovy články
upravit článek pro tisk

Komentáře k tomuto článku (67):

 

© 1999-2018, Petr Váňa a Insidea Digital s.r.o.
Jakýkoliv výňatek či přetisk obsahu serveru Škoda TechWeb může být použit jinde pouze s písemným svolením provozovatelů serveru, jež jsou uvedeni výše.
Zásady ochrany osobních údajů