ČLÁNKY
  Fiat FIRE 1000
od počítače k robotům
 

Článek je převzat z časopisu Automobil 7/85.

Motor Fiat FIRE 1000

      Mluvíme-li o vědeckotechnické revoluci, nemusíme pro příklady chodit daleko. Vždyť právě v automobilovém průmyslu došlo v posledních deseti letech díky rychlému pokroku elektroniky k výrazným kvalitativním změnám nejen uplatňováním nových výpočtových metod ale i zaváděním moderních výrobních technologií. Stále častěji se v informacích o nových výrobcích objevuje symbol CAD (Computer Aided Design), prozrazující využití počítačů, jež spolu s metodou konečných prvků takřka zcela vytlačily z vývoje a konstrukce empirii. Konstruktéři dnes mohou sledovat postup své práce na obrazovce, na níž lze simulovat statické i dynamické zatížení vznikající konstrukce a zjišťovat i eliminovat její deformace nebo vibrace dřív než se první funkční vzorek podrobí laboratorním zkouškám. Nové metody také umožňují lépe využít materiálů a jejich vlastností a snižovat tak hmotnost výrobku. Vysoký stupeň automatizace výroby a mezioperační kontroly pak zvyšuje produktivitu a omezením vlivu lidského činitele potlačuje kolísáni kvality v hromadné výrobě a vznik zmetků. To vše dostal do vínku i jeden z nejmodernějších automobilových motorů, v jehož označení je kromě zdvihového objemu zakódováno, že byl konstruován s pomocí počítačů, jež také řídí jeho výrobu o montáž (FIRE = Fully Integrated Robotized Engine). Rozsahem využití počítačů mu dokonce patří evropské prvenství. Na jeho vývoji se podílely společnosti Fiat a PSA (Peugeot) na základě smlouvy podepsané v roce 1980. V červenci 1981 již běžel první motor na zkušebním stavu v Turíně a v téže době se připravovaly první studie výstavby nového výrobního závodu v Termoli. Na přelomu let 1982/1983 byl vývoj ukončen přizpůsobením konstrukce specifickým podmínkám nové výrobní technologie. Pak

se motoru ujalo stylistické středisko automobilky Fiat, aby, poprvé v dějinách této značky, přispělo i k estetické úrovni tak vysloveně funkčního výrobku. V roce 1984 bylo zhotoveno 120 motorů pro zkoušky a dalších 200 pro ověření sériové technologie. Koncem téhož roku začala v Termoli sériová výroba, jež při plném využití kapacity dosáhne 2200 až 2500 motorů denně, takže každé tři minuty opustí montážní linku jeden kus.

      Příprava nového výrobku si vyžádala obrovské investice — vývoj a zkoušky motoru stály 30 miliard lir, stavba a vybavení závodu v Termoli 600 miliard lir. FIRE 1000 je motor nové generace pro devadesátá léta, určený pro více typů automobilů koncernu Fiat. Poprvé se objevil letos v březnu v malém voze Lancia Y 10, jemuž věnujeme v tomto čísle Automobilu předchozí článek. Vzrůstající požadavky na provozní vlastnosti vozů nižší třídy diktovaly hlavní cíle vývoje nového motoru, zejména:
- snížení hmotnosti v porovnání se sériovými motory téhož objemu,
- kompaktní stavbu a malé vnější rozměry, umožňující uložení poháněcí soustavy s převodovkou vedle motoru ve voze napříč,
- výkon kolem 33 kW při otáčkách nejvýše 5000 ot/min a velký točivý moment při co nejnižších otáčkách,
- malou spotřebu paliva při všech provozních režimech,
- co nejmenší nároky na obsluhu a seřizování, snadný přístup ke všemu příslušenství,
- vyhovění ekologickým, předpisům,
- snadné spouštění za studena.

      Motor musel samozřejmě vyhovovat i požadavkům moderní hromadné výroby s vysokým stupněm automatizace. Zejména co nejmenším počtem dílů, snížením nároků na obrábění, malou hmotností jednotlivých kusů a jednoduchými montážními postupy.

FIRE 1000 je nejen kompaktnější a lehčí než starší čtyřválce Fiat 903ccm a 1049ccm, ale má i zhruba o 30% méně dílů. Většina z 273 kusů, z nichž je sestaven, je na tomto snímku, jenž dokumentuje i jednoduchost celé konstrukce.

      Všestranný pokrok

      Fiat FIRE 1000 je důkazem, že klasický spalovací motor, za nějž se již léta hledá náhrada, má před sebou ještě dobrou perspektivu, neboť zdaleka nebyly vyčerpány konstrukční a technologické možnosti zlepšování jeho vlastností. Vyplývá to i z porovnání s dosavadními čtyřválci Fiat pro menší vozy této značky, ať již se starším OHV 903 ccm, jehož ´životopis´ sahá až do roku 1953 k typu 600, nebo s modernějším ´brazilským´ motorem OHC 1049 ccm, které překonává ve všech směrech.

Z podélného řezu motorem je vidět nejen uspořádání klikového ústrojí, ale i tvar pístů se značně redukovaným pláštěm.Příčný řez motorem, skloněným ve voze lehce vpřed. Ventily jsou v jedné řadě v rovině os válců, ovládány vyčkovým hřídelem prostřednictvím lehkých hrníčkových zdvihátek. Sací a výfukové kanály jsou na protilehlých stranách hlavy.

      Dobrého výsledku se dosáhlo v ´odtučňovací kúře´. Je tím překvapivější, že jen hlava válců, písty, sací potrubí a víka rozvodu jsou z hliníkové slitiny. Konstruktéři naopak těžili z vlastností litiny a zejména pokrokových slévárenských technologií, umožňujících zhotovovat přesné tenkostěnné odlitky. Za pomoci laserové holografie a strukturální analýzy navrhli metodou konečných prvků blok motoru se stěnami tlustými nejvýše 4 mm a s hmotností pouhých 18 kg, aniž by to bylo na úkor jeho tuhosti. Tentýž díl motoru 903 ccm, ačkoli má jen tři hlavní ložiska, váží 24 kg a blok pětiložiskového motoru 1049 ccm je ještě o 9 kg těžší. Také klikový hřídel se čtyřmi protizávažími, opět nevržený za pomoci počítače, je o 25 % lehčí než u motoru 903 ccm - 5,93 kg proti 7,40 kg, resp. 8,20 kg u motoru 1049 ccm. Úspory hmotnosti se dosáhlo i konstrukčním řešením dalších částí, zejména pohonu příslušenství, a tak nový motor váží jen 69 kg (903 ccm má 73 kg a 1049 ccm 96 kg) a překonává jej pouze tříválec Suzuki téhož objemu, jenž je svými 63 kg ´světovým rekordmanem´ této třídy.

Porovnání třikrát uloženého klikového hřídele staršího motoru 903ccm (nahoře) a pětkrát uloženého hřídele FIRE 1000 (dole) dokazuje pokrok, jehož se dosáhlo moderními výpočtovými a konstrukčními metodami. Lepším využitím materiálu se bez újmy pevnosti a tuhosti ušetřilo asi 1,5 kg.

      Neméně zajímavý je i úspěch snahy o redukci počtu dílů, což se navíc také podílí na snížení hmotnosti motoru. Podařilo se to zjednodušením celé konstrukce, zejména uspořádáním přislušenství. Tak např. srpkové čerpadlo oleje je přímo na konci klikového hřídele a čerpadlo chladicí kapaliny, vestavěné do bloku motoru, pohání ozubený rozvodový řemen. Také rozdělovač zapalování je spřažen přímo s koncem vačkového hřídele,  jehož zvláštní vačka pohání podávací palivové

Lehký blok motoru tvoří vnitřní a vnější plášť, vzájemně spojené přepážkami a můstky. Chladicí kapalina omývá stěny válců jen v délce zdvihu pístů.

čerpadlo. Rovněž počet součástí rozvodu je menší díky ovládání ventilů vačkovým hřidelem jen prostřednic- tvím tenkostěnných hrníčkových zdvihátek. A tak má FIRE 1000 pouze 273 dílů, což je asi o 30 % méně než motor 1049 ccm podobné koncepce, který má 368 prvků.

      Při návrhu každého detailu nového motoru se konstruktéři snažili co nejvíc omezit nároky na mechanické opracování. Tak např. kryt hlavy válců a víko rozvodu jsou neopracované hliníkové odlitky. Ani spalavací prostory v přesném tlakovém odlitku hlavy válců nevyžadují k dodržení objemů v předepsaných úzkých tolerancích opracování. Odpadlo i vrtání mazacích kanálů v hlavě, neboť je nahradila volná ocelová trubka rozvádějící olej od svislého kanálu v bloku motoru k ložiskům vačkového hřídele a několika otvory odstřikující na vačky a dříky ventilů. Také ozubená kola (rozvodová kola na klikovém a vačkovém hřídeli, kolo pohonu chladicího čerpadla a ozubení čerpadla oleje) se nemusí opracovávat, poněvadž to jsou přesné výkovky ze spékaného kovu. Zbývající plochy obou velkých odlitků vyžadující opracováni jsou uspořádány tak, že se obrábějí jen ve vzájemně kolmých rovinách.

Při pevnostním výpočtu bloku motoru se uplatnila metoda konečných prvků - tak vypadá jako matematický model.

      Také další konstrukční opatření umozňují racionální hromadnou výrobu s rozsáhlým využitím robotů a manipulátorů. Tak například šrouby hlavy válců jsou vzájemně zaměnitelné, podložky jsou zajištěny přímo na šroubech, takže je nelze ztratit a většina spojů je řešena tak, že vylučuje chybnou montáž. Komplexem těchto a dalších opatření se zkrátila doba výroby motoru FIRE 1000 proti motoru 903 cm3 na polovinu. K jeho zvláštnostem patří i konstrukce bloku motoru ze dvou hlavních struktur, spojených jen tenkými přepážkami. Vzájemně spojené válce jsou co nejvíc izolovány od vnějšího pláště bloku a omývány chladící kapalinou jen v délce odpovídající dráze pístních kroužků. Šrouby hlavy válců jsou zakotveny na vnějším plášti a uspořádány v rovinách šroubů vík hlavních ložisek klikového hřídele, takže jejich dotažením se nedeformují válce a pístní kroužky mohou mít menší předpětí.

Lehký blok motoru tvoří vnitřní a vnější plášť, vzájemně spojené přepážkami a můstky. Chladicí kapalina omývá stěny válců jen v délce zdvihu pístů.

      Velká pozornost byla věnována zvýšení mechanické účinnosti snížením třecích ztrát, závisejících především na zatížení vzájemně se pohybujících ploch setrvačnými silami, na tlacích v nich a na relativní rychlosti. Proto byly, kromě již zmíněného opatření k dodržení tvarové přesnosti válců, sníženy otáčky největšího výkonu na 5000 ot/min a zmenšeny průměry klikových o ojničních čepů na 43 mm, resp. 38 mm (motor 903 ccm má f 50,8 resp. 40 mm). Asi 40 % snižení třecích ztrát je však kompenzováno pětinásobným uložením klikového hřídele, což však bylo nezbytné pro zvýšení životnosti a potlačení vibrací.

Blok motoru (pohled shora a zdola) je tenkostěnný odlitek vážící jen 18 kg (po opracování), přesto však mimořádně tuhý. Při zjišťování dynamického kmitání a při pevnostním výpočtu se uplatnila laserová holografie.

Hlava válců je přesný odlitek z hliníkové slitiny - na snímku pohled ze strany spalovacích prostorů, jejichž tvar, zaručující velmi dobré víření směsi, byl rovněž navržen s pomocí počítače.

Blok motoru (pohled shora a zdola) je tenkostěnný odlitek vážící jen 18 kg (po opracování), přesto však mimořádně tuhý. Při zjišťování dynamického kmitání a při pevnostním výpočtu se uplatnila laserová holografie.

Při pohledu shora na hlavu válců je vidět otvory pro hrníčková zdvihátka ventilů a potrubí, jímž se přivádí olej ke třem ložiskům vačkového hřídele.

      Spotřeba - výkon - pružnost

      K hlavním úkolům vývoje nového motoru patřilo všeobecné zlepšení jeho provozních vlastností, tedy dosažení nejen požadovaného výkonu, ale i příznivého průběhu točivého momentu a nízké spotřeby paliva. Předpokladem dobré tepelné účinnosti je co nejvyšší kompresní poměr, jenž však vyvolává další problémy, zejména klepání při větším zatížení. Těžištěm této etapy vývoje bylo hledání nejvhodnějšího tvaru spalovacího prostoru, při němž se opět významně uplatnil počítač. Porovnávaly se různé druhy — Heronův, Mayův i vaničkový, zkoušelo se jednoduché i dvojité zapalování. Nakonec byl zvolen symetrický vaničkový prostor s rovnoběžnými ventily v rovině os válců a se štěrbinou mezi hlavou a pístem u zapalovací svíčky i na protější straně, podporující ke konci kompresního zdvihu víření směsi. Při poměrně vysokém kompresním poměru až 10:1 dával nejlepší výsledky — nízkou měrnou spotřebu, odolnost proti klepání, nízký obsah škodlivin ve výfukových plynech a dovoloval provoz i s velmi chudou směsí. Díky velké rychlosti spalování nevyžadoval motor příliš velký předstih zážehu.

mazací soustava motoru - čerpadlo přímo na konci klikového hřídele dopravuje olej přes plnoprůtokový čistič do hlavního kanálu v bloku a z něj jednak k hlavním ložiskům klikového hřídele, jednak k hlavním ložiskům klikového hřídele, jednak svislým kanálem do hlavy válců. V ní se olej rozvádí trubkou ke třem ložiskům vačkového hřídele, cestou malými otvory stříká na vačky a z nich stéká na zdvihátka a dříky ventilů.

      Velká pozornost byla věnována přípravě směsi, zajišťující nejen snadné spouštění studeného motoru, ale také jeho bezvadnou činnost před dosažením normální provozní teploty i při nízkých otáčkách chudé směsi. Tyto požodavky splnil nový karburátor Weber z hliníkové slitiny (asi o 30 % lehčí než zinkový), jehož tři díly uspořádané nad sebou jsou spojeny se sacím potrubím dvěma průchozími svislými šrouby. Karburátor je odolný proti korozi, umožňuje provoz s alkoholo-benzinovými palivy a je připraven pro další vývoj, např. pro uzavírání dodávky paliva při nuceném volnoběhu aj. Velmi důmyslně je navrženo i hliníkové sací potrubí, jež má v místě ohřívaném chladicí kapalinou prohlubeň, v níž se po spuštění za studena zachycuje zkondenzované palivo, potom se odpařuje a znovu se dostává do proudu vzduchu. Kromě snížení spotřeby má toto potrubí příznivý vliv na náchylnost motoru ke klepáni i na průběh točivého momentu v nízkých otáčkách.

      Vzhledem k velikosti a hmotnosti vozidel, jež má nový motor pohánět, byl považován za dostatečný výkon 33 kW, tedy stejný jako má starý motor 903 ccm OHV. FIRE 1000 jej ale dosahuje při otáčkách o 600 ot/min nižších a zejména porovnání točivých momentů je pro něj mnohem příznivější, a to nejen maximální hodnotou 80,4 N.m/2750 ot/min proti 67 N.m/3000 ot/min, ale hlavně jeho průběhem v širokém rozpětí otáček, neboť mezi 1800 a 4000 ot/min je k dispozici přes 90 % maxima a od 1200 ot/min až k otáčkám největšího výkonu je točivý moment větší než jeho maximum u motoru 903 ccm. Při částečném zatížení a nízkých otáčkách se příznivě projevuje velká rychlost proudění v sacích kanálech díky relativně malému průměru a zdvihu ventilů (pro srovnání: FIRE 1000 má průměr sacích ventilů 30,5 mm, zdvih 7,1 mm a při otáčkách největšího výkonu 5000 ot/min rychlost proudění 83,6 m/s, kdežto motor 903 ccm má průměr ventilů 29,1 mm, zdvih 7,65 mm a při 5600 ot/

/min rychlost 78 m/s). Na celkově velmi dobrých provozních vlastnostech motoru se podílí i bezdotykové elektronické zapalování s podtlakovou regulací zážehu. K nejcennějším výsledkům vývoje patří příznivá měrná spotřeba pod 260 g/kW.h v rozpětí otáček od 2000 do 4000 ot/min, potvrzená provozními zkouškami, při nichž měl vůz Panda s motorem FIRE 1000 ještě asi o 15 % nižší průměrnou spotřebu než s motorem 903 ccm OHV.

Také souměrný spalovací prostor byl navržen za pomoci samočinného počítače. Na kresbě je vidět i umístění zapalovací svíčky.

      K přednostem nového motoru patří i nepatrné nároky na údržbu, neboť díky malým třecím ztrátám a tedy malému opotřebení se takřka nemění důležité rozměry, jimž musí odpovídat seřízení palivové a zapalovací soustavy. Výrobce zaručuje provoz 100 000 kilometrů bez nejmenších problémů. Podmínkou optimální konstrukce motoru FIRE 1000 byl i základní předpoklad, že se při jeho dalším vývoji nebude objem příliš zvětšovat změnou vrtání nebo zdvihu. Nevylučuje se ovšem odvození menší tříválcové nebo větší pětiválcové verze těchže základních rozměrů a zkoušel se již i prototyp přeplňovaného motoru o výkonu asi 58 kW/7500 ot/min. Již dnes je však motor připraven na provoz s bezolovnatým benzínem, jenž si vyžádá nejvýš úpravu kompresního poměru pro palivo, které bude k dispozici.

      Fiat FIRE 1000 patří k významným novinkám v konstrukci motorů a zaslouží si pozornost z mnooha důvodů. Však také vzbudil zájem nejen svým ´počítačovým´ původem a velmi dobrými provozními vlastnostmi, ale také jednoduchým řešením (v jednoduchosti je i krása) a v neposlední řadě designem. Fiat zatím vylučuje, že by jej vyráběl také pro někoho jiného a neuvažuje dokonce ani o svém francouzském partneru ve vývoji. Není ovšem pravděpodobné, že by jej Peugeot sám, vzhledem ke své tíživé finanční situaci, vyráběl pro svou potřebu. Očekává se ale zájem jiných výrobců o licenční kooperaci a je pravděpodobné, že mu Fiat vyhoví - když ne z jiných důvodů, tak jistě pro urychlení návratnosti obrovských investic vložených do vývoje i přípravy vlastní výroby v robotizovaném závodě Termoli. Rozhodně je FIRE 1000 pro turínského giganta deviza v dnešní době i konkurenci zvlášť cenná.

Charakteristika nového motoru dokazuje, že jeho vývoj se zaměřil mj. na příznivý průběh točivého momentu s maximem při nízkých otáčkách (P-výkon, Mt-točivý moment, n-otáčky).

Fiat FIRE 1000

Fiat FIRE 1000