Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Stroje a zariadenia / Rôzne

Ťahová sila, ťahový výkon a spotreba paliva

11-04-2022
prof. Ing. Anton Žikla, CSc.; doc. Ing. Ján Kosiba, PhD. | jan.kosiba@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Náklady na pohonné hmoty pre užívateľov mobilnej poľnohospodárskej techniky predstavujú významnú a niekedy dokonca podstatnú položku celkových nákladov, v prepočte na jednotku spracovanej plochy alebo produkcie. Výrobcovia mobilnej techniky resp. spaľovacích motorov sú nútení z konkurenčných dôvodov, ale aj príslušnou legislatívou znižovať spotrebu paliva, pretože produkcia emisií závisí okrem iného aj od spotreby paliva. Minimalizačné technológie obrábania pôdy tiež možno považovať za dôsledok, alebo skôr prostriedok a vôbec jednu z možností znižovania spotreby paliva v poľnohospodárstve. Aj keď určité rezervy existujú vždy a všade, v poľnohospodárstve sú štandardné rezervy a možnosti v oblasti znižovania spotreby paliva do značnej miery obmedzené celým radom neovplyvniteľných faktorov, ako sú, pôdne, terénne a klimatické podmienky, agrotechnické termíny a ďalšie. Napokon súčasný pomer medzi vstupmi a výstupmi vyjadrenými v cenových reláciách je v slovenskom poľnohospodárstve ako celku nepriaznivý, na čom majú svoj podiel aj náklady na pohonné hmoty a samozrejme ich cena.

Pohľad do minulosti

V roku 1962 bol uvedený do prevádzky ropovod „Družba“, ktorým sa dopravovala ropa z bývalého Sovietskeho zväzu do Slovnaftu, ktorý v tom čase spracovával 6 miliónov ton ropy ročne. Vtedy bola u nás cena benzínu 2,10 a motorovej nafty 2 koruny za liter. Vládnym nariadením zo dňa 31. Decembra 1960 boli stanovené nákupné ceny poľnohospodárskych produktov, pričom nákupná cena potravinárskej pšenice bola 1400 korún za tonu. Za túto sumu bolo možné nakúpiť 700 litrov motorovej nafty. Každý si dokáže jednoducho spočítať, aká by musela byť v súčasnosti nákupná cena potravinárskej pšenice, aby v cenových reláciách jedna tona zodpovedala 700 litrom motorovej nafty. Možno si položiť otázku aj inak, aká by mala byť cena nafty, aby za nákupnú cenu jednej tony potravinárskej pšenice bolo možné kúpiť 700 litrov nafty. Či už budeme kalkulovať tak, či onak, v každom prípade nám vyjdú čísla, ktoré možno považovať za nikdy neuskutočniteľný sen. Samozrejme, že aj pri ostatných produktoch rastlinnej i živočíšnej výroby, by sme dospeli k číslam, ktoré nie sú vonkoncom lichotivé, aj keď výnimky potvrdzujú pravidlo. Po prečítaní vyššie uvedených riadkov, si niekto z pamätníkov nostalgicky zaspomína na tie časy s poznámkou, že vtedy nám Rusi dodávali ropu za symbolické ceny. Pravdou je, že v tom čase sa tona sovietskej ropy dovážala do bývalého Československa za 285 korún, kým cena arabskej bola 1200 až 1500 korún za tonu. Iste bude zaujímavé s odstupom času spomenúť, že v roku 1973 bola u nás priemerná mzda v národnom hospodárstve 2171 korún, pričom cena benzínu aj motorovej nafty zostávala na pôvodnej hodnote z roku 1962, hoci svetom už otriasala ropná kríza. K zmene došlo až v roku 1974, keď benzín Špeciál, ktorý stál 2,40 koruny zdražel na 4,30 koruny za liter, pričom cena motorovej nafty zostala na pôvodnej hodnote 2 koruny za liter. Snáď je vhodné pripomenúť, že v tej dobe cena motorovej nafty bola zaujímavá jedine pre verejný sektor, pretože osobné automobily vybavené vznetovým motorom prakticky u nás neexistovali. Z dnešného pohľadu možno konštatovať, že neuveriteľne nízke ceny motorovej nafty a vôbec energie viedli k trestuhodnému energetickému hazardu, keď cena motorovej nafty používanej na kúrenie bola 90 halierov za liter. V dôsledku uvedenej skutočnosti nastal dovtedy nevídaný prechod vo vykurovaní, z tuhých palív na kvapalné, v tomto prípade na motorovú naftu. Lenže takýto energetický a súčasne ekologický hazard, v nevídanom rozsahu existuje aj v súčasnosti v individuálnej osobnej doprave, kde účinnosť využitia tepelnej energie nedosahuje ani 3 percentá.

Pre úplnosť treba pripomenúť, že ropnú krízu v roku 1973 odštartovala tzv. októbrová vojna medzi Izraelom a Egyptom. Nasledovalo embargo arabských krajín na vývoz ropy do USA a do viacerých štátov západnej Európy, ktoré vo vojne podporovali Izrael. Ropnú krízu v tom čase nazývali aj ropný šok. Že sa skutočne jednalo o šok, to potvrdzujú aj nasledovné skutočnosti. V roku 1970 stál barel (159 litrov) arabskej ropy 1,35 dolára, v roku 1973 priemerne 2,10 dolára a v roku 1974 9,60 dolára. Ako je všeobecne známe, všetky doterajšie menšie alebo väčšie ropné krízy a vôbec cenové výkyvy ropy, boli vyvolané vojensko-politickými aktivitami na Blízkom východe. Avšak tá pravá a neodvratná ropná kríza ešte len príde, keď sa vyčerpajú celosvetové zásoby ropy, čo podľa odborníkov nastane v polovici tohto storočia. Bude to šok, z ktorého sa ľudstvo pravdepodobne len  tak ľahko nespamätá. V odborných kruhoch sa však vyskytujú názory, že ropnému resp. energetickému šoku bude predchádzať šok ekologický.

Vznetové motory dosahujú vrchol svojich možnosti

Dosiahnutý stupeň vývoja spaľovacích motorov najmä vznetových, z hľadiska mernej spotreby paliva zdá sa byť na vrchole technických možností. Preto nemožno v tomto smere do budúcna očakávať závratné zmeny, aj keď nič nemožno s istotou vylúčiť. Skôr treba vychádzať z toho, že vznetové komôrkové motory v polovici minulého storočia dosahovali pri menovitom režime mernú spotrebu paliva okolo 270 g.kWh-1 (270 gramov na kilovathodinu). Boli to motory buď s tzv. vírivou komôrkou, ktorá tvorila 80 % kompresného priestoru alebo predkomôrkou, ktorá tvorila iba 30 % kompresného priestoru. Tieto motory mali pomerne mäkký chod v dôsledku postupného horenia paliva, ale aj menšiu tepelnú účinnosť (cca 30 %), ktorá mala za následok vyššiu mernú spotrebu paliva v porovnaní so súčasnými vznetovými motormi. Komôrkové vznetové motory sa vyznačovali aj zhoršenou štartovateľnosťou za nízkych teplôt, takže boli štandardne vybavené žhaviacimi sviečkami, ktorých žeraviace časti  zasahovali priamo do spaľovacej komôrky. Dokonca niektoré výkonnejšie komôrkové motory pásových traktorov a zemných strojov boli vybavené zážihovým spúšťacím motorom namiesto elektrického spúšťača. Avšak aj napriek vyššej mernej spotrebe paliva, komôrkové vznetové motory sa ešte koncom minulého storočia používali aj v osobných automobiloch z dôvodu mäkšieho chodu a napokon aj nižšej hlučnosti.

Vzrastajúce požiadavky na znižovanie mernej spotreby paliva jednoznačne spôsobili prechod od komôrkových vznetových motorov k motorom s priamym vstrekom paliva do spaľovacieho priestoru nad piestom. Za účelom dokonalejšieho premiešania vstrekovaného paliva so vzduchom a tým aj dokonalejšieho spaľovania boli vyvinuté rôzne tvary spaľovacieho priestoru priamo v dne piesta. Začali sa používať viacotvorové vstrekovacie dýzy, pričom sa súčasne zvýšili aj otváracie tlaky vstrekovacích dýz až na hodnotu 20 MPa (200 barov). Vstrekovacie čerpadlá zostali bez podstatných zmien, len výnimočne sa namiesto radových používali rotačné s rozdeľovačom. Zavedením priameho vstreku paliva a s tým súvisiacich konštrukčných zmien sa dosiahlo zníženie mernej spotreby paliva z 270 na 250 g. kWh-1, čo pri motore s menovitým výkonom 100 kW predstavuje hodinovú úsporu 2000 gramov, v prepočte 2,5 litra.

Ďalší vývoj  vznetových motorov zameraný na zníženie mernej spotreby paliva a súčasne aj zvýšenie merného výkonu smeroval k jednostupňovému a dvojstupňovému preplňovaniu s použitím medzichladiča stlačeného vzduchu. Preplňovaním sa zvýšil výkon motorov až o 30 % pri rovnakom zdvihovom objeme valcov a súčasne sa dosiahlo mierne zníženie mernej spotreby paliva. Avšak na druhej strane, v dôsledku prebytku vzduchu pri čiastočnom zaťažení sa zvýšil obsah oxidov dusíka (NOx) vo výfukových plynoch. Tento problém sa riešil recirkuláciou výfukových plynov, ktorých určitá časť sa odvádzala naspäť do sacieho potrubia. Progresívnejšie riešenie tohto problému sa však dosiahlo použitím turbokompresorov s premenlivou geometriou lopatiek. Použitie integrovaných vstrekovačov bolo tiež zamerané na zlepšenie spaľovacieho procesu a s tým súvisiace zníženie spotreby paliva. Za revolučný progres vo vývoji vznetových motorov možno považovať vstrekovací systém známy pod názvom „Common Rail“, ktorý umožňuje dosiahnuť vstrekovacie tlaky až 200 MPa (2000 bar). Pri takto vysokých hodnotách vstrekovacích tlakov dochádza doslova k atomizácii vstrekovacieho paliva, takže celý spaľovací proces umožňuje dosiahnuť vyššiu tepelnú účinnosť motora a v konečnom dôsledku aj nižšiu mernú spotrebu paliva.

Všetky vyššie uvedené a samozrejme aj ďalšie konštrukčné riešenia, súčasne s racionálnym využitím elektroniky posunuli hodnotu mernej spotreby paliva súčasných vznetových motorov na hranicu 220 g.kWh-1, pričom špičkové motory už idú pod túto hranicu. Bolo by však mylné sa domnievať, že keď bude traktor vybavený motorom s exkluzívnou mernou spotrebou paliva, takže aj v reálnych prevádzkových podmienkach bude táto spotreba v prepočte na jednotku výkonnosti, napr. na hektár spracovanej plochy rovnako exkluzívna.

Prevádzkové podmienky sú rozhodujúce

Treba vychádzať z toho, že výkon motora sa prenáša cez prevodové ústrojenstvo na hnacie kolesá alebo pásy traktora. Hnacie kolesá v stykovej ploche s podložkou vyvodzujú hnaciu silu pôsobením ktorej sa traktor pohybuje. Časť hnacej sily sa spotrebuje na vlastný pohyb traktora a ďalšia časť na prekonanie pracovného odporu pripojeného náradia. Tá časť hnacej sily, ktorá sa využíva na prekonanie pracovného odporu náradia predstavuje ťahovú silu traktora, ktorú keď vynásobíme skutočnou pojazdovou (pracovnou) rýchlosťou traktora dostaneme ťahový výkon traktora. Pri prenose hnacej sily dochádza v stykovej ploche hnacích kolies traktora s pôdou k posuvu povrchovej vrstvy pôdy a tým aj k preklzu hnacích kolies. V dôsledku preklzu hnacích kolies je skutočná pojazdová rýchlosť traktora vždy menšia, než je rýchlosť teoretická.

Z vyššie uvedeného vyplýva, že transformácia výkonu motora na ťahový výkon traktora sa vždy uskutočňuje so stratami určitej časti výkonu, pričom tieto straty možno rozdeliť nasledovne:

  • Straty v prevodovom ústrojenstve
  • Straty na vlastný pohyb traktora
  • Straty preklzom hnacích kolies

Straty v prevodovom ústrojenstve traktora predstavujú približne 10 % výkonu motora a viac menej závisia od konštrukčného riešenia prevodového ústrojenstva a tiež od prenášaného výkonu, ale aj od technického stavu prevodového ústrojenstva.

Straty na vlastný pohyb traktora, tzv. straty valením závisia od druhu a stavu pôdy a predovšetkým od jej vlhkosti, ale aj od konštrukcie pneumatík a ich nahustenia.

Straty spôsobené preklzom hnacích kolies traktora závisia predovšetkým od ťahovej sily a tiež od vlastností pôdy. Za určitých okolností straty spôsobené preklzom hnacích kolies predstavujú podstatnú položku celkových strát vznikajúcich pri prenose výkonu pojazdovým ústrojenstvom najmä pri vysokej vlhkosti pôdy. Napokon aj maximálna ťahová sila traktora je vždy obmedzená druhom a stavom pôdy, hlavne čo sa týka povrchu pôdy. Na Obr. 1 je znázornená tzv. potenciálna charakteristika traktora s menovitým výkonom motora 90 kilowattov a hmotnosti 7 500 kg na strnisku pri vlhkosti pôdy cca 18 percent. Táto potenciálna charakteristika znázorňuje priebeh ťahového výkonu traktora Pt v závislosti na ťahovej sile Ft. Z grafického znázornenia na Obr. 1 je zrejmé, že so zvyšovaním ťahovej sily Ft do hodnoty cca 36 kilonewtonov sa zvyšuje súčasne aj ťahový výkon Pt až na maximálnu hodnotu 57 kilowattov.

Obr. 1

Obr. 1: Závislosť ťahového výkonu Pt na ťahovej sile Ft pre traktor s výkonom motora 90 kW na strnisku

Ťahovú silu Ft, pri ktorej traktor dosahuje maximálny ťahový výkon Pt, považujeme za optimálny, a vôbec z hľadiska efektívneho využitia výkonu motora za limitnú. Totižto pri optimálnej ťahovej sile traktor dosahuje maximálnu ťahovú účinnosť ηt, ktorá je daná pomerom maximálneho ťahového výkonu traktora k menovitému výkonu motora. V našom prípade, keď podelíme maximálny ťahový výkon traktora 57 kilowattov menovitým výkonom motora 90 kilowattov, dostaneme hodnotu 0,63%. Potom vyššie uvedené straty výkonu sú 37%, čo z menovitého výkonu motora 90 kW činí 33 kW. Keď uvažujeme s mernou spotrebou paliva 250 gramov na kilowatthodinu, potom pri hustote nafty cca 800 gramov na liter, to predstavuje cca 10 litrov motorovej nafty za hodinu.

Na Obr. 2 je znázornená potenciálna charakteristika toho istého traktora na zoranom poli. V tomto prípade pri optimálnej ťahovej sile cca 26 kilonewtonov dosahuje traktor ťahový výkon 47 kilowattov, ktorému zodpovedá ťahová účinnosť 52% a celkový stratový výkon 43 kW, čo po prepočte predstavuje hodinovú spotrebu cca 13 litrov motorovej nafty.

Obr. 2

Obr. 2: Závislosť ťahového výkonu Pt na ťahovej sile Ft pre traktor s výkonom motora 90 kW na zoranom poli

Keď navzájom porovnáme vyššie uvedené číselné údaje, na strnisku sú ťahové vlastnosti traktora výrazne lepšie, než na zoranom poli, čo napokon vyplýva aj z grafického znázornenia na Obr. 3. Existujúce rozdiely sú predovšetkým spôsobené lepšími podmienkami prenosu hnacej sily medzi pneumatikami a povrchom pôdy na strnisku, než na zoranom poli. Podmienky prenosu hnacej sily závisia predovšetkým od druhu a stavu pôdy, pričom stav pôdy závisí najmä od jej vlhkosti, ale aj  stupňa zhutnenia, množstva rastlinných zbytkov na povrchu, prípadne aj od ďalších faktorov.

Obr. 3

Obr. 3: Porovnanie ťahových vlastností traktora s výkonom motora 90 kW na strnisku a na zoranom poli

Teda podmienky prenosu hnacej sily možno považovať okrem hmotnosti traktora za jeden z limitujúcich faktorov ťahových vlastností traktora a v konečnom dôsledku aj spotreby paliva, Do akej miery a akými opatreniami môže užívateľ traktora podmienky prenosu hnacej sily a napokon aj spotrebu paliva ovplyvniť, bude podrobnejšie analyzované v niektorom z ďalších príspevkov. Príspevok bol spracovaný na základe dostupných historických a technických informácii.

Obr. 4

Obr. 4: Porovnanie ťahových vlastností traktorov s rozdielnym výkonom motora a rovnakej hmotnosti 7 500 kg na strnisku