Kolik koňských sil vůbec potřebujeme? To je nejčastější otázka při porovnávání traktorů nebo automobilů. Při prostém srovnání výkonů několika motorů můžeme jen těžko dospět k objektivním výsledkům, neboť tento výkon nemusí být, jak už u automobilu, tak i u traktoru vždy k dispozici. Samotný výkon na vývodovém hřídeli taky není moc působivý. Tento rozdíl mezi výkonem motoru a výkonem na vývodovém hřídeli představuje výkonové ztráty v převodech, v hydraulických čerpadlech a ve vzduchovém kompresoru, popř. kompresoru klimatizace.
Pět procent ztrát výkonu je dobrá hodnota
Traktory s menším počtem přídavných součástí mají výkonové ztráty v převodech okolo pěti procent. Jsou ale také traktory, kde ztráty činí až 15 %. Ty jsou převážně způsobeny odporem hydraulického čerpadla, které poskytuje stlačený olej pro lamelové spojky v převodovkách s řazením pod zatížením. Také každý další díl, poháněná hřídel nebo ozubené kolo zvyšuje ztráty. Přesto je výkon na vývodovém hřídeli vlastně to nejdůležitější kritérium při měření výkonů motorů a jejich vzájemnému posuzování. Také při zkušebních měřeních podle předpisů OECD se používá jako základní test výkonu na vývodovém hřídeli. Jen zřídka se provádí měření výkonu přímo na demontovaném motoru. Za pomoci křivek získaných měřením na vývodovém hřídeli můžeme porovnávat parametry motoru lépe než při porovnání dat naměřených přímo na motoru. Také při dlouhodobých testech jsou traktory připojeny přes vývodový hřídel na kalibrovanou motorovou brzdu. Používá se výkonová brzda, která přeměňuje odebranou energii na teplo.
Měření na vodní vířivé brzdě
Například světově uznávaná německá zkušebna DLG při měření na vodní vířivé brzdě stále „objíždí“ určitý měřený bod a vyčkává na setrvačnost. To znamená, že se motor ustálí v daném bodě a měřené hodnoty i teplota přestanou kolísat. To, že je traktor před každým takovýmto měřením nutné zahřát na provozní teplotu, se bere za samozřejmé. Obvykle se znázorňuje výkon v závislosti na otáčkách motoru výkonovou křivkou.
Měření začíná při plném plynu, tzn. při maximálních otáčkách motoru. Měřena je jen síla neboli kroutící moment. Z točivého momentu a otáček se pak vypočítává výkon. Ke každému výkonu pak patří příslušná síla (tady kroutící moment) a rychlost (v našem případě zjednodušeně otáčky motoru). Při měření se volí tento postup, abychom mohli pevně stanovit hraniční hodnotu motoru (traktoru). Proto také měření při maximálních otáčkách. Následuje postupné zvyšování zatížení motorovou brzdou, v závislosti s ním se sníží otáčky motoru a stanoví se první měřený bod na regulátorové křivce. Takto se postupně zvyšuje zatížení zpravidla v šesti pravidelných měřených bodech až k dosažení jmenovitých otáček.
Jmenovité otáčky
Při jmenovitých otáčkách začne výkonový regulátor vstřikovacího čerpadla při zvyšujících se otáčkách motoru snižovat dávku vstřikovaného paliva. Proto výraz regulátorová křivka. U současných motorů jsou jmenovité otáčky zároveň otáčkami, při kterých motor dává maximální výkon. Proto je také obecně udáván výkon ve všech technických dokladech při jmenovitých otáčkách motoru.
Při měření výkonu musí být tento bod regulátorových otáček určen s maximální přesností. V současnosti je možné určit tento bod díky zlepšené vstřikovací technice a regulaci maximálního výkonu i při nižších otáčkách. S přibývajícím zatížením motoru traktoru přecházíme z regulátorové křivky na takzvanou křivku plného zatížení. Postupně se zvyšuje zatížení motoru (přibližně po 100 min-1), dokud se otáčky nesníží na 1000 min-1. Přitom zjistíme i bod maximálního točivého momentu. Na diagramu nám tak vznikne křivka točivého momentu a spolu s otáčkami vypočtená i křivka výkonu. Takto získáme hodnoty měřené na vývodovém hřídeli. Po přepočtení známých ztrát v převodech získáme kroutící moment na motoru.
Stále se zvětšující důraz na spotřebu paliva
Vysoký kroutící moment a výkon motoru nejsou jediné důležité ukazatele motoru. V současné době je kladen vysoký důraz na měrnou spotřebu paliva. Při měřeních je motor obvykle vybavený zvláštní palivovou nádrží, která je vybavená měřícím zařízením. Spotřebované palivo je pak kontinuálně měřeno.
Spotřebu určuje hmotnostní rozdíl paliva mezi začátkem a koncem měření, tzn. přibližně po jedné minutě. Palivový přepad od palivového čerpadla a vstřikovacích jednotek je napojen za externí nádrž do přívodního potrubí ke vstřikovacímu čerpadlu. Spotřebu pak můžeme snadno přepočítat na hodinovou spotřebu paliva v kg/h. Po vydělení hustotou paliva (přibližně 0,83 g/cm3) získáme hodinovou spotřebu v litrech.
Je samozřejmé, že motor s vysokým výkonem bude mít vyšší spotřebu paliva než motor méně výkonný. Pro objektivní porovnání musíme hodinovou spotřebu paliva přepočítat podle výkonu motoru. Nyní získáváme hodnotu měrné spotřeby paliva udávané v g/kWh. S tímto parametrem pak můžeme porovnávat účinnosti jakýchkoliv motorů. Při měření prováděném přes vývodový hřídel získáme hodnotu obsahující i účinnost převodů vývodového hřídele.
Graf výkonové charakteristiky
Na grafu se zobrazenými čtyřmi osami máme opravdu jen základní údaje. Známe totiž pouze mezní hodnoty při maximální dodávce paliva. Oblast výkonu a otáček motoru, ve které se ale zemědělec pohybuje při práci s traktorem, leží buď na, ale většinou pod křivkou zobrazenou na grafu. Na této křivce se zemědělec pohybuje spíše při jízdě na plný plyn po silnici. Pak se může dostat až na regulátorovou křivku.
Maximální spotřeba paliva je pevná hodnota nejvyššího objemu paliva, které je schopné dodat vstřikovací čerpadlo. Měrná spotřeba paliva se pak mění v závislosti na způsobu využití výkonu motoru. Při požití traktoru v tahu bude měrná spotřeba paliva vyšší, než při samostatné práci vývodového hřídele, i z důvodu ztrát výkonu v pojezdových převodech, které snižují využitelný výkon motoru.
Popis grafu
Graf znázorňuje nejdůležitější pojmy, jako je nárůst točivého momentu nebo záloha točivého momentu aj. Nárůst točivého momentu se vypočítává z točivého momentu při jmenovitých otáčkách a maximálního točivého momentu. Vzdálenost maximálního točivého momentu od osy jmenovitých otáček určuje velikost zálohy točivého momentu. Ta odpovídá poměru mezi jmenovitými otáčkami motoru a otáčkami při maximálním kroutícím momentu.
Moderní motory charakterizuje navýšení výkonu
Téměř každý moderní motor charakterizuje takzvané navýšení výkonu. To představuje rozdíl mezi maximálním výkonem a výkonem při jmenovitých otáčkách. Ještě zřetelněji je vše vidět na grafech motorové charakteristiky konvenčního motoru a motoru s konstantním výkonem. U konvenčního motoru je vrchol maximálního výkonu v bodě jmenovitých otáček a snižuje se zároveň s poklesem otáček motoru a způsobuje tak plochou křivku točivého momentu. Naopak u traktoru s moderním motorem je patrná strmě stoupající křivka točivého momentu, který vede ke zvýšení výkonu ještě před dosažením jmenovitých otáček. Pro praxi to znamená, že takový motor se při stoupajícím zatížení, například při orbě, neztrácí tak rychle otáčky. Takovýto motor je schopný zachytit zvýšené zatížení a rychleji se zotavit, jakmile se zatížení sníží. Motor je tudíž „pružnější“, čímž snižuje potřeby změny převodového stupně. Další uplatnění získává při jízdě po silnici ve stoupání nebo při lisování, kdy traktor najede na „silnější“ řádek. Výhodou strmého nárůstu točivého momentu je také fakt, že u motoru s plochým nárůstem se rychleji snižují otáčky motoru, čímž se také snižují otáčky vývodového hřídele od normovaných. Takovýto motor je daleko „výkonnější“, což také spoří palivo.
Sledování spotřeby paliva
Zároveň si všimněme na grafu křivky měrné spotřeby paliva. U „normálního“ motoru křivka měrné spotřeby nápadně stoupá. To znamená, že optimální spotřeba paliva se pohybuje v oblasti maximálního točivého momentu, čehož při práci docílíme jen velice ztěžka. Naproti tomu u motoru s „konstantním“ průběhem výkonu vidíme velmi zajímavý průběh křivky měrné spotřeby. Její nejnižší hodnoty se pohybují přibližně 100 min-1 pod hranicí jmenovitých otáček. To znamená, že se při využití maximálního výkonu motoru zároveň pohybujeme v oblasti nejnižší měrné spotřeby paliva. Křivka se pohybuje téměř vodorovně přes celý rozsah otáček motoru, což také velmi příznivě ovlivňuje spotřebu. Přes všechny rozdíly jsou oba motory v jednom parametru velmi podobné. Kroutící moment při 1000 min-1 vztažený ke kroutícímu momentu při jmenovitých otáčkách leží u obou na stejné úrovni, což je důležité například při rozjíždění. To umožňuje obsluze rozjet se s traktorem s relativně malým „plynem“.
Motory s omezeným průchodem výfukových plynů
U motorů s omezeným průchodem výfukových plynů vypadá průběh točivého momentu jinak. Díky sazím ve výfukovém potrubí se při nízkých otáčkách motoru omezí odvod plynů. Vstřikovací čerpadlo pak citelně sníží dodávku paliva a tím strmě klesne křivka točivého momentu. Za těchto podmínek se rozjíždění značně stíží.
Jaké by měl „nový“ motor parametry
U moderních motorů bychom měli očekávat nárůst točivého momentu nejméně 30 % a to ne při více jak 40% záloze točivého momentu. U velmi úsporných motorů se pohybuje měrná spotřeba paliva při jmenovitých otáčkách pod 230 g/kWh (vztažené na měření na vývodovém hřídeli). Motory s vysokou spotřebou paliva se pohybují okolo 290g/kWh. Toto jsou průměrné hodnoty z měření na vývodových hřídelích, která byla naměřeny zkušebnou DLG u 143 traktorů s výkonem motoru od 37 kW do 207 kW. To je velmi značné rozpětí. Například u traktoru s výkonem 100 kW na vývodovém hřídeli dělá rozdíl ve spotřebě téměř 7.3 litru nafty za hodinu. Při 1000 odpracovaných hodinách a ceně nafty 21,50 Kč to dělá již sumu přes 150 000 Kč. Pokud se při koupi nového traktoru zemědělec jen nerad řídí technickými parametry, nejlepší metodou pro rozhodování o koupi je úspora paliva a koupě nejúspornějšího traktoru, ten ale bohužel bývá také ten nejdražší.
Více výkonu díky turbodmychadlu a chladiči stlačeného vzduchu
Jaký účel má vlastně turbodmychadlo a co přináší? Každé palivo potřebuje k čistému a efektivnímu shoření přesné množství vzduchu. U naftového atmosférického motoru je množství vzduchu pevně omezeno objemem válců. Maximální množství paliva, které je možné vstřikovat do válců je tak pro zachování dobrého spalování velmi omezeno. Z příslušného množství paliva se nechá vytvořit jen určitý omezený výkon. Pokud chceme zvýšit výkon, potřebujeme více vzduchu, abychom mohli vstříknout více paliva. Jedna cesta vede zvětšením objemu válců, druhá při zachování objemu vede stlačením nasávaného vzduchu. Více stlačeného vzduch obsahuje zároveň i více kyslíku, který zodpovídá za kvalitní hoření. Nyní můžeme zvýšit množství vstřikovaného paliva a získáme tak i více výkonu při zachování objemu motoru. Díky turbodmychadlu získáváme lepší možnost regulovat množství paliva. Pokud je plnící tlak turbodmychadla omezený, můžeme snížit množství dodávaného paliva jako například při nízkých otáčkách motoru a zamezit tak nadměrné kouřivosti motoru. Stlačovaný vzduch se ale také bohužel zahřívá prouděním skrz turbodmychadlo a tím se snižuje jeho hustota. Tomuto se zamezuje chladičem stlačeného vzduch (Intercooler), kde se stlačený vzduch opět ochlazuje a získá opět svoji hustotu. Zároveň nemusíme mít obavy o trvanlivost motorů, protože plnící tlaky turbodmychadla jsou relativně nízké. To znamená, že při rozhodování mezi čtyř nebo šestiválcovým motorem se můžeme bez obav přiklonit ke kratšímu a zároveň lehčímu čtyřválcovému turbomotoru. Zároveň platí, že výkonově slabší šestiválcové motory jsou stejně těžké jako ty vysokovýkonné, což je nevýhodou hlavně při dopravě, kdy se každý rozdíl ve hmotnosti projeví ve spotřebě paliva.
Samé ztráty
Každý spalovací motor je již z principu jen špatné „topení“, které dokáže přeměnit jen 40 % energie uschované v naftě na využitelný výkon. Zbytek energie je přeměňován na nevyužitelnou tepelnou energii a odváděn z motoru v podobě tepla jako ztrátový. Jde tak o to, jak nejlépe optimalizovat využití energie. Toho dosáhneme nejsnáze snížením ztrát v převodech a v pomocných zařízeních. Nejjasnější je příklad ztrát u ventilátoru chladiče. Tento větrák se točí nezávisle na potřebě chlazení, ale ve spojení s otáčkami motoru. Stejně, ať už je motor studený nebo horký. Přitom spotřebuje v závislosti na velikosti a otáčkách motoru od 3 do 10 kW výkonu. Pokud jsou ovšem řízeny otáčky ventilátoru v závislosti na teplotě motoru, získáme tak prostředek, jak snížíme ztrátový výkon a zároveň i spotřebu paliva. Zároveň se nám studený motor rychleji ohřeje, což přispěje zároveň k jeho delší životnosti.
Další oblast, kde se nabízí možnost úspory výkonu a potažmo i spotřeby paliva je v hydraulickém systému, kde zastaralá zubová čerpadla požívaná k pohonu hydraulických součástí jsou bez možnosti regulace a čerpají tak zbytečně dané množství oleje, i když jej nevyužíváme. O něco komplikovanější je zlepšování účinnosti v převodovkách a koncových převodech. Čím víc ozubených kol, synchronů a ostatních součástek, které se musí pohybovat, tím se nám také zvyšuje ztrátový výkon. Vztaženo na vývodový hřídel činí ztráty v převodech dalších 10 až 12 procent. Také se zavedením převodovek umožňujících řazení pod zatížením se ztráty citelně zvýšily a zároveň byly velmi často stupeň od stupně velmi rozdílné. Také množství oleje v převodovce ovlivňuje ztráty výkonu. Proto je nutné zde udržovat pouze množství oleje nezbytné k zaručení kvalitního mazání.
Jak spolehlivé jsou naměřené hodnoty?
Při každém testu, jedno jestli u auta nebo traktoru, se většina čtenářů ihned zeptá, jestli jsou výsledky měření objektivní nebo jestli jsou upraveny podle potřeb výrobce. Tato otázka je ovšem namístě, protože podobné snahy se již vyskytly. K OECD testům přicházejí pokusné motory přímo z vývojového oddělení dané firmy. Zde jsou změřeny a správně seřízeny. Zároveň se měří výkony motorů u předváděcích traktorů, kde se často projevují odchylky. Každý motor má své „vrozené“ vlastnosti a technické předpoklady, které lze těžko ovlivnit. Relativně snadná je změna výkonu. A právě výkon se měří a musí souhlasit s údaji poskytovanými výrobcem. Tyto údaje musí zároveň výrobce poskytnout při propůjčení traktoru k přeměření a schválení k provozu. A údaj, který se nakonec dostane do prospektu, musí být výrobce zároveň schopný garantovat. Jako u všech technických zařízení je i u traktorů povolena přípustná odchylka. U výkonu činí tolerance 5 %. Tak může vzniknout situace kdy máme náš traktor o výkonu 95 kW a náš soused má ten samý typ traktoru o výkonu 105 kW. Přitom vše je v rámci předpisů a není tedy důvod k reklamaci. Jsou ale také výrobci, kteří se snaží prodávat pouze traktory, které mají od 100 do 105 % udávaného jmenovitého výkonu.
Nepřesnosti v udávaném výkonu motoru
Při poskytování údajů o jmenovitém výkonu dochází občas ke zkreslení. Při měření výkonu motoru podle normy EG 80/1269 potažmo ECE R24 se vyřadí z činnosti ventilátor chladiče a tím se částečně zvýší výkon motoru. Naopak při měření podle normy OECD jsou všechny součásti uspořádány jako za běžného provozu, proto jsou hodnoty výkonu motoru podle normy OECD o něco nižší. Zároveň je k dispozici katalog 117 testovaných traktorů, které jsou v nabídce na našem trhu.
Pro přidávání komentářů se musíte nejdříve přihlásit.
Dobrý den,
chci se zeptat jak je to s normou ECE R24. Neudává tato norma výkon motoru měřený hend za spojkou se zapojením všech potřebnych komponentů pro běh motoru vč. ventilátoru který běží naplno?
Protože jsem se dočetl na fórech, že vykon naměřený bez ventilátoru je ECE R120 (potažmo ISO norma)
Děkuji za odpověď.