Tankové motory

Autor : Radislav Svoboda / Algernon 🕔05.10.2002 📕35.072

Na následujících řádcích chci uvést některé — možná i zajímavé — údaje o motorech středních a těžkých tanků z II. Světové války. Bohužel celá tematika tankových motorů je tak obsáhlá, a zároveň je k ní tak málo použitelných podkladů, že její vyčerpávající zpracování je u nás nyní prakticky nemožné. Naneštěstí údaje, které publikují různí autoři jsou mnohdy tak rozporuplné, že se jen stěží hodnotí jejich věrohodnost, takže je i možné zavrhnout údaj správný a použít mylný… V souvislosti s tím chci čtenáře požádat ani ne tak o shovívavost, jako spíše o upozornění na případné nesrovnalosti (zajisté se najdou). Samozřejmě uvítám jakékoli doplňující informace. Ovšem všechny případné chyby a nepřesnosti padají pouze na hlavu autora.

Jedním z důležitých, byť většinou fanoušků a zájemců o bojovou techniku vcelku opomíjených faktorů, které významně ovlivňují kvality tanku (a vůbec jakéhokoli vozidla), je i jejich pohonná jednotka. Tankové motory představují specifický typ pohonných jednotek, na které jsou kladeny při provozu v pancéřových vozidlech zvláštní požadavky, kterým musí být alespoň z části přizpůsobeny. Nepochybně velký význam hraje rychlost a akcelerace tanku, ale i akční rádius, tudíž vždy byl kladen značný důraz krom výkonu, spolehlivosti, snadné údržby, malých rozměrů, nízké hmotnosti a životnosti motoru i na nízkou měrnou spotřebu paliva. Pro tankový motor je výhodný velký točivý moment při nízkých otáčkách, s plochou křivkou průběhu kroutícího momentu. Při zvyšujícím se točivém momentu s klesajícími otáčkami při jízdě ve stoupání klesá rychlost, ale není nutné často řadit. Nárůst točivého momentu při poklesu otáček motoru tedy usnadňuje řidiči ovládání vozidla. V opačném případě je nutné častěji řadit, může to dokonce i vést k nutnosti použít převodovku s vyšším počtem jemněji odstupňovaných převodů. Dalším problémem je u tankového motoru chlazení — motor je uzavřený v pancéřové korbě vozidla, přitom vstupu i výstupu chladícího vzduchu je kladen značný odpor při průchodu ochrannými mřížemi (tady se znovu projevuje jako přednost nižší spotřeba paliva vznětového motoru — pro stejný výkon je nutné spálit méně paliva, a tedy také je nutné odvést z motoru méně tepla chlazením; uvádí se, že ze zážehového motoru musí být ve srovnání s dieselem o stejném výkonu odvedeno chlazením asi dvojnásobek odpadního tepla).
Proto již před druhou světovou válkou začaly vznikat motory, při jejichž konstrukci se bral zřetel i na tyto specifické požadavky (u lehčích předválečných tanků — i tank PzKpfw. IV Ausf. D měl hmotnost pouze 20 tun — se většinou vystačilo s různými úpravami automobilových motorů o výkonu do 150, nejvýše 200 k).

Zkonstruování motoru středního tanku, ať již zážehového nebo vznětového, je vždy obtížné. Krom již výše uvedených, mnohdy protichůdných požadavků na výkon, spolehlivost či spotřebu paliva se konstruktér musí vypořádat i s otázkami ekonomickými. Za války již většinou šlo o motory s výkonem v rozmezí 300 až 800 k, tedy s výkonem větším, než mají nejvýkonnější motory v jiných kategoriích vozidel, a přitom leží na samé spodní hranici výkonu motorů leteckých — požadovaný výkon mají pouze slabší motory cvičných letadel —, ovšem všechny tyto motory jsou zážehové. Konstrukce a výroba speciálního, jednoúčelového motoru by ale byla — už vzhledem k malým možnostem uplatnění v jiných oblastech — poněkud neekonomická (i v nejlepším případě bude tankový motor postaven nejvýše v několika tisících kusech). Zajisté by bylo možné zkonstruovat motor téměř dokonalý, ale… Takový motor by nejspíše byl dražší, než celý „zbytek“ tanku.

Právě z ekonomických důvodů se při konstrukci mnoha tankových motorů vyšlo z již existujících leteckých motorů, které byly mnohdy jen přizpůsobeny k montáži v tanku (mj. odlišné uložení v tanku, případně přizpůsobení motoru pro spalování tehdy běžného automobilového benzínu, který má nižší oktanové číslo než letecké benzíny, či u vzduchem chlazených motorů zajištění nuceného chlazení větrákem). Toto byl hlavní důvod, proč se vznětové motory v tancích uplatnily jen v malé míře. (Od počátku třicátých let se sice pracovalo — byť jen se střídmými úspěchy — i na konstrukci velmi výkonných vznětových leteckých motorů, ale až do počátku války nedošlo k jejich většímu rozšíření, byť vzniklo několik zdařilých a i obchodně celkem úspěšných konstrukcí. Bohužel do konce třicátých let ještě nebyla konstrukce vznětových motorů natolik propracována, aby mohly po výkonnostní stránce konkurovat motorům zážehovým. Přitom na počátku války byly požadovány motory s výkonem přes 1000 k, které ale existující typy vznětových motorů nebylo možné splnit, což nakonec vedlo k ukončení jejich výroby i jakéhokoli dalšího, byť velmi nadějného vývoje.)

Naprosto výjimečné bylo použití dieselových motorů řady V2 v sovětských středních a těžkých tancích, kde naopak došlo k jejich téměř výhradnímu použití. Na straně západních spojenců byl v kategorii středních tanků výjimkou americký tank Sherman, ve verzích M4A2 s dvoudobým vznětovým motorem GM 6046 a M4A6 s vícepalivovým vznětovým motorem RD-1820 (Caterpillar D200). Bohužel výroba M4A6 byla počátkem roku 1943, krátce po svém zahájení, zastavena — bylo vyrobeno pouhých 75 kusů. Z neznámých důvodů byla dána přednost obnovení přerušené výroby Shermanu M4A3 se zážehovým motorem firmy Ford (je možné předpokládat, že osádky tanků by spíše daly přednost Shermanu s přece jen poněkud méně „hořlavým“ motorem). Také se můžeme setkat se vznětovými motory u části středních tanků M3 a M3A1 Lee (většina těchto tanků má motor R-975, ale část dostala vznětový motor Guiberson T-1400), diesely také dostaly některé lehké tanky M3 a M3A1 (Stuart II a Stuart IV s dieselem Guiberson T-1020 místo motoru Continental W-670).

Jak z výše uvedeného vyplývá, tak otázkou, můžeme říci kardinální, při hledání vhodného motoru je již volba mezi motorem zážehovým a vznětovým. Motor zážehový, ač díky přítomnosti zapalovacího ústrojí poměrně komplikovaný, vycházel poněkud levnější — jedním z faktorů, ovlivňujícím cenu je v té době také neporovnatelně větší rozšíření zážehových motorů (navíc prakticky neexistovaly vznětové motory s výkonem kolem 220 až 590 kW — s výjimkou volnoběžných motorů lodních a stacionárních, k tomuto účelu ale nepoužitelných), navíc vstřikovací ústrojí vznětového motoru je výrobně náročné (hlavně kvůli úzkým výrobním tolerancím, vstřikovací čerpadlo také má ve srovnání s karburátorem větší počet součástí), čímž zmíněnou výhodu chybějícího zapalování vyrovnává. Což bylo také důvodem, proč se do tanků montovaly i motory vzniklé z několika automobilových motorů (mj. motor Bedford z tanku Churchill, ležatý dvanáctiválec, který vznikl spojením dvou řadových kapalinou chlazených šestiválců o zdvihovém objemu po 10 618 ccm — měl výkon 350 hp při 2200 otáčkách —, nemluvě o vysloveně kuriózní konstrukci motoru Chrysler A57 Multibank). Vzhledem k vyšším tlakům ve válci motoru (to je dáno již vyšším kompresním poměrem) má vznětový motor poněkud robustnější konstrukci, diesely také mívají poněkud nižší střední pístovou rychlost, což také snižuje litrový výkon motoru, a tudíž nutně vede ke konstrukci motoru poněkud většího, jak zdvihovým objemem, tak v celkových zástavbových rozměrech. Přitom ale je možné zkonstruovat vznětový motor, který nebude výrazně těžší než srovnatelný motor zážehový. Jednak se někdy volila konstrukce z lehkých kovů (alespoň u některých dílů, jako hlavy válců či olejová vana; převážně slitiny hliník-měď, případně i tehdy málo používané slitiny hliník-křemík, tzv. Siluminy, také slitiny hořčíku, ty ovšem pouze na méně namáhané díly, jako různá víka či kryty rozvodu aj.), jednak je možné ušetřit některým sice méně obvyklým, nicméně zajímavým konstrukčním uspořádáním, jako je třeba motor dvoudobý (dvoudobé motory sice obecně mají nižší střední efektivní tlak, než motory čtyřdobé, ale toto více než vyrovnávají díky dvojnásobnému počtu pracovních zdvihů). Je ale třeba připomenout, že hmotnost není u tankového motoru tím nejdůležitějším hlediskem. Nezanedbatelnou výhodou vznětového motoru je použití méně vznětlivého paliva; obecně se uvádí, že destilace benzínu probíhá v rozsahu teplot asi od 30 do 250 °C, kdežto u nafty až od 150 do 360 °C — vliv dolní hranice teploty počátku destilace paliva je vcelku nasnadě. Největší předností vznětových motorů ale je výrazně nižší spotřeba paliva. (Bohužel údaje o spotřebě paliva těchto motorů jsou běžně téměř nezjistitelné, musíme tedy vzít zavděk údaji o dojezdu a zásobě paliva u konkrétních konstrukcí tanků, což ale může být údaj částečně i zavádějící). Ovšem konstrukce výše zmíněného dvoudobého vznětového motoru má jen velmi málo společného s konstrukcí dvoudobých zážehových motorů. Ty se většinou vyznačují snahou po dosažení maximální jednoduchosti kvůli minimalizaci výrobních nákladů a zjednodušení údržby. Dvoudobé vznětové motory mají především klasické tlakové mazání. Také většinou mají poněkud komplikovanější rozvod, než je klasický kanálový, mohou tak využít výhod asymetrického časování rozvodu (tj. nejprve se otevírá výfukový kanál, ale sací kanál se uzavírá až po uzavření výfuku), které zajišťuje lepší vyplachování a plnění válce, většinou se souproudým vyplachováním (plyn se ve válci pohybuje v podélné ose válce — na jedné straně do válce vstupuje plnící vzduch, na opačné straně vystupují výfukové plyny). Asymetrického časování můžeme dosáhnout různými způsoby:  Obr. 1: Schéma dvoudobého rychloběžného motoru Junkers s protiběžnými písty asi nejstarší je řešení použité u motorů Junkers (kupř. Jumo 204, 205 a 207; viz obr. 1), které mají podvojné válce s protiběžnými písty (tj. ve válci jsou dva písty ovládající rozvodové kanály; nevýhodou tohoto řešení bylo že tyto motory měly dva klikové hřídele, navíc písty řídící výfuk byly velmi tepelně namáhány). Asymetrického časování je dosaženo vzájemným posunutím klikových hřídelů (písty jednoho klikového hřídele řídí otevírání sacích kanálů a druhého kanálů výfukových). Další — a nejrozšířenější — koncepcí je kombinace ventilového a kanálového rozvodu. Ventil (či ventily) v hlavě jsou zpravidla výfukové, sání řídí píst otevíráním sacích kanálů ve stěně válce (zkoušelo se i opačné uspořádání, ale píst, který nebyl chlazen vzduchem při plnění válce se přehříval, mohlo tak dojít i k jeho propálení). Asi nejlepším řešením je ovládání sání i výfuku válcovým šoupátkem, toto řešení se ale již nestačilo rozšířit (bylo mj. použito u leteckých motorů Napier Nomad a Rolls-Royce Crécy — druhý sice byl vyvíjen jako zážehový, ale původním záměrem byla konstrukce motoru vznětového; tato koncepce byla navržena a experimentálně ověřena Harry Ricardem). Ovšem nejrozšířenější stále je koncepce čtyřdobého vznětového motoru s ventilovým rozvodem, obvykle s kapalinovým chlazením. Klasickým příkladem je sovětský motor typu V2, vyvinutý z leteckého experimentálního dieselu. U něj je neobvykle nízké hmotnosti (a to nejen na vznětový motor) dosaženo právě díky maximálnímu využití hliníkových slitin.

Jeden z nejdůležitějších faktorů, které u motoru ovlivňují spotřebu paliva je kompresní poměr (pokud ovšem pomineme všechny další parametry, jako je kupříkladu tvar spalovacího prostoru, časování rozvodu, počet, zdvih a průměr ventilů, zdvihový objem válce, poměr zdvih/vrtání, délka a průměr jednotlivých větví sacího a výfukového potrubí, ale i další, které také mají větší či menší vliv na spotřebu). Zjednodušeně řečeno: čím větší je nejvyšší tlak a teplota ve válci (tedy i kompresní poměr) a čím nižší je teplota a tlak výfukových plynů, tím nižší je měrná spotřeba. U vznětového motoru, kde dochází ke vznícení paliva díky teplotě zkomprimovaného vzduchu (pro dosažení klidného běhu motoru je žádoucí minimální prodleva vznícení paliva), je vysoký kompresní poměr žádoucí (u nepřeplňovaných motorů s přímým vstřikem se běžně pohybuje kolem 14-16:1; u motorů komůrkových, kde by byla — díky většímu odvodu tepla zaviněnému nepříliš kompaktním tvarem spalovacího prostoru s velkým povrchem vzhledem k objemu — teplota na konci kompresního zdvihu nepostačující, může být kompresní poměr i vyšší než 20:1).
Bohužel ale u zážehových motorů je maximální kompresní poměr omezen odolností paliva proti detonačnímu spalování (odolnost paliva proti detonačnímu spalování se vyjadřuje oktanovým číslem). Velikost kompresního poměru se u zážehových motorů bez přeplňování většinou pohybuje v rozmezí 5 až 12:1. (To je dáno oktanovým číslem paliva, přitom ale různé motory mají při použití stejného paliva rozdílné kompresní poměry, což je dáno celou řadou faktorů. Mimo kompresního poměru má, mj., velký vliv i tvar a objem spalovacího prostoru, a také tzv. horká místa ve spalovacím prostoru, tedy teplota výfukových ventilů a elektrod zapalovacích svíček.) Při spalování by nemělo dojít k tomu, aby plynulé spalování směsi (udává se že čelo plamene postupuje rychlostí 15 až 25 m/sec) přešlo ve spalování detonační — pokud teplota a tlak zbytku směsi dosáhne během spalování kritických hodnot, vzplane směs paliva se vzduchem téměř okamžitě, resp. Rychlost spalování prudce, skokem vzroste na několik stovek m/sec. Dalším nežádoucím jevem jsou tzv. samozápaly. Při samovznícení paliva sice nemusí následně v průběhu spalování dojít k detonacím, ale maximálního tlaku je ve válci dosaženo příliš brzo za horní úvratí a motor ztrácí výkon (podobného účinku bychom dosáhli přílišným zvětšením předstihu zapalování). Obojí je pochopitelně nežádoucí. Kompresní poměr je tedy omezen tak, aby nedocházelo k detonacím při plně otevřené škrtící klapce.

Díky vyššímu expanznímu poměru (tedy díky většímu rozdílu tlaků na začátku a konci pracovního zdvihu, daný větším stupněm stlačení) je palivo efektivněji využito ve vznětovém motoru. Výfukové plyny tak mají v okamžiku otevření výfuku nižší tlak a teplotu, tudíž více své energie předaly na plochu pístu.  Graf 1: Vliv kompresního poměru na střední efektivní tlak a měrnou spotřebu u zážehového motoru (Vliv kompresního poměru na střední efektivní tlak, spotřebu paliva a požadované oktanové číslo u zážehového motoru názorně ukazuje graf 1.) Při plném výkonu se tepelná účinnost zážehového motoru pohybuje někde mezi 25-33%, kdežto u vznětového výrazně převyšuje 35-40% (už před 10 či 15 lety byla u automobilových motorů s výkonem mezi 200-400 kW mezi 44-48%). Pokud ale nepotřebujeme plný výkon, musíme u zážehového motoru při nižší dodávce paliva kvůli zachování potřebného směšovacího poměru také snížit množství vzduchu přivřením škrtící klapky (palivovou směs je možné spolehlivě zapálit jen v poměrně úzkém rozmezí směšovacích poměrů; optimální je směšovací poměr kolem 15:1, spolehlivě je možné zapálit palivovou směs v zážehovém motoru jen do poměru asi 17:1; některými úpravami je možné tento poměr zvýšit, ale nepřesáhne 20:1). Takže při jen částečném zatížení je na konci kompresního zdvihu ve válci nižší tlak, než nám palivo dovoluje  Graf 2: Skutečně dosažený kompresní poměr u zážehového motoru při plně a částečně otevřené škrtící klapce (viz graf č. 2; skutečně dosažený kompresní poměr u motoru s kompresí 8,5:1 [vlevo] a 12,5:1 [vpravo] při plně a částečně otevřené škrtící klapce). Skutečný kompresní poměr tedy nemusí dosáhnout ani poloviny maxima (!), motor tedy při jen částečně otevřené škrtící klapce pracuje s klesající účinností. Zážehový motor tedy je ve srovnání s motorem vznětovým při jen částečném zatížení ještě méně hospodárný, než vyplývá z charakteristik motoru změřených při plně otevřené škrtící klapce (má nižší účinnost a tedy i vyšší měrnou spotřebu), tedy dosti nehospodárně. A ovšem vzhledem k tomu, že plný výkon potřebujeme jen výjimečně (vždyť kolikrát v autě zcela sešlápneme plynový pedál — pouze při prudké akceleraci), pak máme v běžném provozu po většinu doby ještě nižší tepelnou účinnost  Graf 3: Porovnání středního efektivního tlaku a měrné spotřeby u zážehového (vlevo) a vznětového motoru (vpravo) při plné a čtvrtinové dodávce paliva (graf č. 3: porovnání středního efektivního tlaku a měrné spotřeby u zážehového a vznětového motoru při plně otevřené škrtící klapce, resp. Při čtvrtinovém průřezu; u vznětového motoru při plné, resp. Čtvrtinové dodávce paliva). Tím je také dána mnohem vyšší spotřeba paliva, než by vyplývalo z pouhého porovnání tepelné účinnosti či měrné spotřeby (kterou ovšem výrobci pochopitelně raději udávají jen pro plné zatížení motoru).

 Graf 4: Ideální průběh hnací síly a skutečný průběh u několikastupňové převodovky Dalším důležitým faktorem, který má velký vliv na spotřebu vozidla je odstupňování převodovky spolu se stálým převodem a poměr výkonu motoru ku hmotnosti vozidla (či spíše jejich vhodné zvolení). Zjednodušeně můžeme tento požadavek formulovat tak, že při dané rychlosti musíme co možná nejvíce snížit otáčky motoru (tedy když je zařazen nejvyšší převodový stupeň). Optimální jsou otáčky v okolí maxima točivého momentu, kdy má motor zároveň nejmenší měrnou spotřebu paliva. Požadavky na motor a převodovku vozidla můžeme dobře ilustrovat pomocí grafu (4a, 4b). Ideální průběh hnací síly (tj. momentu na hnacím kole) P v závislosti na rychlosti vozidla u (tedy na otáčkách hnacího kola) ukazuje obrázek a v grafu 4a. Křivka má tvar hyperboly. Podmínky u stupňové převodovky (pro zjednodušení je zobrazena pouze třístupňová převodovka) ukazuje obrázek b.

Jak ukazuje graf 4b, je pro výše zmíněné zmenšení počtu převodových stupňů (a tím zároveň i usnadnění ovládání vozidla) důležitý již uvedený požadavek nárůstu točivého momentu při poklesu otáček motoru. V bodě C dochází k tzv. labilní rovnováze, kdy se díky poklesu točivého momentu motoru průběh křivky hnací síly vozidla začíná prudce odchylovat od ideálního teoretického tvaru (hyperboly). Za tímto bodem klesají otáčky motoru, točivý moment i hnací síla, takže vozidlo zpomaluje, dokud se nezařadí nižší rychlostní stupeň. Přitom teoreticky výhodnému průběhu se charakteristika motoru přibližuje jen v rozmezí A—B, kde křivka skutečného průběhu hnací síly (při daném převodovém stupni) tuto křivku protíná.



Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory Tankové motory
Autor : Radislav Svoboda / Algernon 🕔05.10.2002 📕35.072

Komentáře Disqus

Komentáře Facebook

Sociální sítě

Reklama

Poslední komentáře