Spalovací motory, přenosy výkonu

Typy motorů drážních vozidel

Spalovací motory lokomotiv či motorových vozů jsou principiálně shodné s motory automobilovými (či spíše s motory nákladních automobilů). Některé lokomotivy a motorové vozy (ty zejména) jsou osazeny přímo automobilovým motorem - např. to jsou stroje řady 714, 842, 843. Zajímavostí je použití motoru z traktoru v lokotraktorech řady 799 nebo lodní motor pro remorkéry, který našel uplatnění v motorových vozech řady 831. Dnes se používají výhradně naftové (vznětové) motory, doba benzínových (zážehových) agregátů odezněla ještě v první polovině 20. století. Oproti benzinovým motorům mají naftové motory vyšší účinnost, která se pohybuje od 30 do 42%, zatímco benzinové motory dosahují účinnosti pouze 20 až 33%. Podle Carnotova cyklu je maximální možná účinnost vznětového motoru 73%, benzinový motor má 65%. I nižší spotřeba (navíc levnějšího) paliva mluví ve prospěch naftových agregátů. I negativa vznětových motorů (vyšší hmotnost vyplývající z konstrukční složitosti, nutné žhavení, klepavý zvuk) jsou ve drážním použití snáze akceptovatelná nežli v automobilovém. Proto se dá říct, že dieselový motor je pro použití v kolejových vozidlech ideální. V padesátých letech se ale na obzoru objevilo nové, slibně vypadající řešení pohonu lokomotivy tepelným motorem - jednalo se o turbínovou trakci. ŠKODA Plzeň nechtěla zůstat pozadu za rychle se rozmáhající výrobou prototypů turbínových lokomotiv ve světě, a tak v roce 1958 vyrobila první turbínovou lokomotivu TL 659.0. Jednalo se o mohutnou šestinápravovou lokomotivu, osazenou plynovou turbínou, poháněnou spalinami vznikajícími hořením mazutu. Tato lokomotiva se stala nejvýkonnější lokomotivou s mechanickým přenosem výkonu na světě. Spotřeba topného oleje byla ale obrovská, a tak musela lokomotiva vozit speciální cisternový vůz naplněný palivem. Navíc byla lokomotiva neúměrně hlučná. Proto se od vývoje turbínové trakce v ČSSR i ve světě upustilo.

Nejpoužívanějšími motory v lokomotivách ČD jsou šestiválcové a dvanáctiválcové agregáty ČKD. Ve značení těchto motorů je systém:

K 6 S 310 DR
K = přeplňovaný motor
6 = šest válců
S = stojatý motor s válci v řadě
310 = vrtání 310 mm

12 V 170 DR
12 = dvanáct válců
V = válce do V
170 = vrtání 170 mm

Druhými nejčastěji používanými agregáty jsou motory LIAZ (714, 843). Méně často se vyskytují motory Tatra (700-703), Pielstick (735, 860) či Caterpillar (736, 854). Význam agregátů posledně jmenované značky však v poslední době značně stoupá - tyto moderní motory s charakteristickým žlutým nátěrem budou srdcem rekonstruovaných lokomotiv řady 755 ČD a zapomínat by se nemělo ani na jejich aplikaci do motorových lokomotiv externích dopravců (OKD, Unipetrol, MUS ...).

Dělení spalovacích motorů používaných na lokomotivách ČD a ZSSK

Podle uspořádání motoru

Stojaté neboli vertikální motory se používají na lokomotivách a na motorových vozech se strojovnou (85x), zatímco ležaté (horizontální) motory jsou vhodné pro podpodlažní zástavbu, tj. pro použití v menších motorových vozech (810, 820).

Podle počtu pracovních dob

Čtyřdobé motory se oproti dvoudobým motorům vyznačují vyrovnanějším chodem a vývojově stojí výše než dvoudobé motory. Čtyřdobé motory mají všechny dnes používané lokomotivy ČD. Dvoudobé motory byly známé ze "Sergejů" - lokomotiv řady 781 z Vorošilovgradské lokomotivky. Jejich motor 14 D 40 však zůstal v lokomotivním parku ČSD (ČD, ZSSK) ojedinělý.

Podle počtu válců

Šestiválce pro drážní účely se obvykle konstruují jako motory se šesti válci v řadě. Jde např. o agregáty K 6 S 310 DR nebo LIAZ M 1.2 C. Dvanáctiválce jsou stavěny jako vidlicové motory - tj. motory s válci uspořádanými do tvaru písmene "V" (v příčném řezu). Zástupcem této skupiny motorů je např. agregát K 12 V 230 DR (lokomotiva 753).

Podle způsobu vstřiku paliva

Všechny dnes provozované lokomotivy mají motory s přímým vstřikem paliva. To znamená, že palivo je ze vstřikovací trysky vstřikováno přímo do válce. Motory s nepřímým vstřikem paliva byly na dnes již neprovozovaných lokomotivách řady 735 a na motorových vozech řady 860. Jednalo se o agregáty Pielstick.

Podle chladicího média

Vodou chlazených lokomotivních motorů je naprostá většina kromě motorů TATRA, které jsou vzduchem chlazené. Chlazení vodou je účinnější než chlazení vzduchem, na druhou stranu u vodou chlazených motorů může zejména v zimním období docházet k problémům.

Podle způsobu plnění válce vzduchem

Přeplňované motory mají válce plněny vzduchem o vyšším tlaku, než je tlak atmosférický, což zajišťuje turbodmychadlo. Přeplňované motory jsou všechny motory ČKD s prvním písmenem "K" a dále motory CAT. Nepřeplňované motory bez turbodmychadla jsou levnější a méně výkonné. Je to např. motor LIAZ ML 634 z motorového vozu řady 810.

Podle otáček

Pomaluběžné motory pracují s otáčkami nižšími než zhruba 1 000 ot.min^-1. Pomaluběžným motorem je např. typ (K) 6 S 230 DR z lokomotiv 720, 751, vyznačující se mj. charakteristickým bublavým zvukem. Rychloběžné motory mají maximální otáčky položeny podstatně výše. Mezi rychloběžné motory se řadí např. agregáty (K) 12 V 170 DR, nově také motory Caterpillar a všechny automobilové motory použité na lokomotivách (tj. motory LIAZ).

Konstrukce motorů drážních vozidel

Válce

Srdcem motoru jsou válce - tedy komory kruhového průřezu, ve kterých probíhá cyklický děj a pohybují se písty. Stěny válců jsou většinou ocelové a musí být velmi odolné vůči vysokým tlakům a teplotám, vznikajícím uvnitř válce. Plášť válce je zpravidla dutý a je vyplněn chladicí kapalinou. Vnitřní průměr válce se nazývá vrtání, délka trajektorie pístu se nazývá zdvih. Od zdvihu je odvozeno i sousloví zdvihový objem, vyjadřující pouze činný objem válce πr²v, kde v je zdvih a r je polovina vrtání válce neboli poloměr válce. Právě v těchto dvou veličinách se lokomotivní motory nejvíce odlišují od automobilových motorů. Poměr pracovního objemu válce k objemu nejmenšího spalovacího prostoru válce (v horní úvrati pístu) se nazývá kompresní poměr. K horní části válce je přišroubována tzv. hlava válce, ve které jsou ventily a vstřikovací tryska.

Turbodmychadlo

Většina motorů v lokomotivách je přeplňovaná, tj. že válce jsou plněny pod vyšším tlakem než pod atmosférickým. Zařízení, které má přeplňování na starosti se nazývá turbodmychadlo (turbo). Při běhu se projevuje charakteristickým pískáním. Turbo-dmychadlo přemisťuje plyny odstředivou silou, vzniklou otáčením lopatek v uzavřené skříni, vzhledově tedy připomíná jakýsi ventilátor. Podle konstrukce se turbodmychadla dělí na axiální, radiální a diagonální. Turbodmychadlo se většinou skládá z hřídele uloženého ve valivých ložiskách a na něm připevněné turbíny a dmychadla. Pohon zajišťují výfukové plyny, chlazení turbodmychadla je vodní. Podobně jako kompresory může být i turbodmychadlo jednostupňové či vícestupňové.

Doprava a vstřik paliva

Z palivové nádrže je palivo čerpáno dopravním čerpadlem, poháněným od klikového hřídele. Nasáté palivo protéká přes palivové filtry, kde se zbavuje nečistot, aby mohlo být poté předáno vstřikovacím čerpadlům, která zajišťují dávkování a tlak paliva, vstřikovaného vstřikovací tryskou do spalovacího prostoru válce. Ovládáním vstřikovacích čerpadel lze tedy regulovat počet otáček klikového hřídele a tím i výkon motoru.

Rozvod a ventily

Základem rozvodového zařízení je vačkový hřídel, poháněný řetězem nebo řemenem od klikového hřídele. Většina motorů má pouze jeden tento hřídel. Na vačkovém hřídeli jsou výstupky - vačky, ovládající sací a výfukové ventily a vstřikovací čerpadla. Vačky přes soustavu kladek, tyčí a vahadel otevírají jednotlivé ventily. Zavírání ventilu zajišťuje pružina, obtáčející ventil. Válce většiny lokomotivních motorů mají čtyři ventily - dva sací a dva výfukové. Ventil slouží k uzavírání a otevírání válce a tím pádem umožňuje plnění válce vzduchem (sací ventil) nebo odchod spalin (výfukový ventil). Uspořádání ventilů a vačkového hřídele popisuje tzv. ventilový rozvod - ten je většinou typu OHV (OverHead Valve - visuté ventily); dalšími typy jsou rozvody OHC (OverHead Camshaft - ventily jsou poháněny hřídelem umístěným v hlavě válců), DOHC (Double OverHead Camshaft) či SOHC (Single OverHead Camshaft). V první době (sání) jsou otevřeny pouze sací ventily, ve druhé a třetí době (komprese a expanze) jsou všechny ventily uzavřeny (aby nedošlo k vyrovnání tlaků uvnitř a vně válce, čímž by plyn nemohl vydat veškerou energii na stlačení pístu). Ve čtvrté době se otevírají výfukové ventily a zplodiny vzniklé spálením směsi nafty a vzduchu odcházejí do výfukového potrubí.

Písty

Píst je těleso kruhového průřezu, pohybující se ve válci přímočarým vratným pohybem. Ve spalovacích motorech se používají výhradně duté písty, jinak rozlišujeme i deskové a diferenciální písty nebo norce. Protože se píst nemůže pohybovat přímo po tělese válce, je píst obtočen několika pístními kroužky - tj. kovovými prstenci. Pístní kroužky se podle funkce dělí na stěrací, které slouží pro stírání mazacího oleje a těsnicí, které utěsňují píst v prostoru válce. V tělese pístu je zalita trubice ve tvaru spirály, sloužící k chlazení pístu.

Ojnice

Píst je prostřednictvím pístního čepu přichycen k ojnici, což je kovový odlitek převádějící posuvný pohyb (translaci) na otáčivý pohyb (rotaci). Ojnice je na druhém konci spojena s klikovým hřídelem motoru. Ojnice je provrtána; trubicemi prochází olej určený pro píst a olej určený pro mazání pítního čepu.

Klikový hřídel

Klikový hřídel je několikrát zalomený výkovek, poháněný přes ojnice písty. Klikový hřídel vystupuje z obou konců motoru, přičemž na jedné straně zpravidla pohání trakční generátor a na druhé straně pohání rozvodovku, odkud je poháněno ventilátorové soustrojí a kompresor.

Olejová vana

Olejová vana je uložena ve spodní částí bloku motoru. Součástí této části motoru jsou také magnety, sloužící pro zachycení kovových úlomků z oleje.

Pracovní doby čtyřdobého vznětového motoru

Poté, co je do pracovního prostoru válce nasán vzduch (přes vzduchový filtr), dojde k uzavření válce ventily a píst jdoucí nahoru stlačuje vzduch, čímž dochází k intenzívnímu růstu tlaku a teploty plynu (komprese). Při dosažení horní úvrati (nejvyššího bodu, kterého píst může dosáhnout) má vzduch teplotu okolo 600°C. V tomto okamžiku vstřikovací ventil rozpráší do válce naftu, která se samovolně (díky vysoké teplotě) vznítí a objem začne prudce vzrůstat. Právě nyní koná palivová směs práci. Píst klesá dolů, činný objem válce opět vzrůstá a teplota i tlak klesá. Píst dosahuje dolní úvrati (nejnižší bod, jakého může píst dosáhnout) a třetí doba, expanze, končí. Píst se vrací nahoru a otevřenými výfukovými ventily vytlačuje spálenou směs vzduchu a nafty. Celý cyklus se znovu opakuje.