Znáte ten specifický zvuk, který vydává chladnoucí motor v garáži? To lehké „cinkání“ není nic jiného než akustický projev fyziky v praxi. Materiály se smršťují a vrací do svého původního stavu.
Tepelná roztažnost: Od praskání motoru po předpětí ložisek
Články na téma jak fungují motory:
- Zážehový spalovací motor - jak funguje?
- Dvoutaktní motor - princip fungování
- Vznětový motor - jak funguje?
- Výkon motoru na etanol
- Vrtání a zdvih motoru – který parametr je rozhodující?
- Výhody motoru podélně vs. napříč
- Proč je tříválec účinnější než čtyřválec?
- Střední pístová rychlost – co to je?
- Písty bývají dole širší než nahoře. Víte, proč to tak je?
- Offset klikové hřídele vůči válci
- Offset klikovky vůči válci: Má to i nevýhody, bohužel
- V motoru palivo nevybuchuje. Dělat to nesmí
- Detonační spalování a jeho problémy (2. díl)
- Spalovací motor a jeho účinnost: Kde se nám nejvíc ztrácí?
- Vstřikování vody dává smysl jen u některých motorů
- EGR a diesel: Proč už nestačí jeden okruh?
- Tepelná roztažnost kovů má zásadní vliv na konstrukci motoru - právě čtete
- Vyvažovací hřídel hraje u čtyřválce větší roli než u tříválce
- Squish efekt: Co dělá tvar dna pístu se spalováním
- Honování válců: Proč se to dělá?
Pro konstruktéry spalovacích motorů a převodovek je tepelná roztažnost mnohem víc než jen líbivá zvuková kulisa. Je to jeden z největších nepřátel přesnosti, se kterým musí při návrhu bojovat. Kdyby ji neřešili, motor by vydržel běžet maximálně několik minut, než by došlo k jeho fatálnímu poškození.
Hra o mikrony – problém dvou kovů
Základní komplikace moderních motorů tkví v materiálovém mixu. Zatímco bloky válců jsou dnes nejčastěji odlévány z hliníkových slitin, klikové hřídele nebo vložky válců zůstávají kvůli pevnosti ocelové či litinové. A v tom je zakopán pes. Hliník má koeficient délkové tepelné roztažnosti přibližně α ≈ 23×10−6 K−1, zatímco u oceli je to zhruba polovina. Co to znamená v praxi? Pokud se motor ohřeje z garážových 20 °C na provozních 100 °C, hliníkový blok o délce 500 mm se natáhne o téměř 1 mm. Ocelová kliková hřídel uvnitř však jen o polovinu.
Ano, zjednodušujeme, protože pokud bychom si graficky znázornili teploty na hřídeli, byla by to spíš tak trochu vlnovka, nicméně pro potřeby pochopení problému je zbytečné zabíhat do detailů. V každém případě platí, že kdyby konstruktér nenavrhl dostatečné axiální vůle, motor by se po ohřátí prostě zadřel. Naopak u studeného motoru jsou tyto vůle příliš velké, což vysvětluje vyšší hlučnost a vibrace agregátu krátce po startu.
Písty – proč nemohou být kulaté
Možná vás to překvapí, ale píst ve vašem motoru není za studena dokonalý válec. Má spíše mírně oválný a kuželovitý tvar. Proč? Protože dno pístu je vystaveno přímému žáru spalování a rozpíná se výrazně více než jeho spodní část. Dno pístu může dosahovat teplot přes 250 °C.
Plášť pístu je chlazen olejem a stěnou válce, drží se tedy teplotně níže. Konstruktéři proto písty vyrábějí tak, aby do ideálního kruhového tvaru „dorostly“ až při provozní teplotě. Pokud byste změřili píst mikrometrem za studena, zjistíte, že v ose pístního čepu je užší. Právě tento rozdíl počítá s masivním nárůstem objemu materiálu v místě, kde je píst nejhmotnější.
Ventilová vůle jako nutné zlo
U starších motorů jsme museli pravidelně seřizovat ventily pomocí měrek. Důvod je prostý – dřík ventilu se vlivem tepla prodlužuje. Pokud by mezi vačkou a ventilem nebyla za studena žádná vůle, ventil by se po ohřátí přestal úplně dovírat. Následky jsou fatální. Nedovřený ventil neodevzdává teplo do sedla v hlavě válců, přehřeje se a dojde k jeho „podpálení“. Dnešní motory tento problém řeší hydraulickými zdvihátky, která vůli vymezují automaticky pomocí tlaku oleje. I tato součástka je však citlivá na viskozitu oleje, která se s teplotou drasticky mění.
Převodovky a předpětí ložisek
V převodové skříni je situace snad ještě kritičtější. Převodovka často nemá vlastní systém aktivního chlazení jako motor a spoléhá pouze na proudění vzduchu kolem skříně a objem oleje. Hřídele jsou zde uloženy s vysokou přesností.
Při návrhu se používá tzv. předpětí ložisek.
Konstruktéři nastaví ložiska tak, aby byla za studena v mírném tlaku. Jakmile se hliníkový obal převodovky ohřeje a roztáhne se více než ocelové hřídele, napětí v ložiscích klesne na ideální provozní hodnotu. Pokud by se převodovka přehřála nad limit (například při dlouhém tažení těžkého vleku), hrozí, že se vůle zvětší natolik, že se ozubení kol do sebe přestane opírat v ideální geometrii. Výsledek? Zvýšené opotřebení a hluk.
Olej jako tepelný tlumič
Nesmíme zapomínat na samotné provozní kapaliny. Motorový olej při zahřátí z 20 °C na 100 °C zvětší svůj objem o zhruba 7 %. U náplně, která má 5 litrů, to dělá 3,5 deci rozdílu. Proto se hladina oleje u mnoha moderních vozů (zejména se suchou skříní) kontroluje výhradně při provozní teplotě. Nicméně automobilky si v tomto nechávají určitou rezervu a olejová náplň tedy má jistou toleranci oběma směry.
Zdroj info: The Engineering ToolBox: Linear Thermal Expansion Coefficients, Bosch Automotive Handbook, ZF Friedrichshafen.
Zdroj médií: Depositphotos.
Zdroj médií: Depositphotos.
