Abstrakt: Článek se zabývá s hodnocením výstupních parametrů traktorových souprav (traktoru a návěsu) v silniční dopravě. Traktory byly vybaveny převodovkou řazenou při zatížení a diferenciální hydromechanickou převodovkou CVT (Continuously Variable Transmission). Měření se rovněž zabývala s hodnocením vlivu nastavení režimu motoru. Jak je z výsledku patrné, výběr vhodného typu převodovky nebo režimu motoru má pozitivní vliv na spotřebu paliva a na přepravní účinnost traktorových souprav.
Kľúčové slová: převodovka řazená pod zatížením 1, diferenciální hydromechanická převodovka 2, režim motoru 3J
FARM TRACTOR WITH DIFFERENT TRANSMISSIONS – FUEL EFFICIENCY IN ROAD TRANSPORT
Abstract: The article deals with the evaluation of the output parameters of tractor sets (tractor and trailer) in road transportation. Tractors equipped with a powershift and a differential hydromechanics transmission – CVT (Continuously Variable Transmission) were included in the evaluation. In the next part of the measurement, the influence of the engine setting mode on the output tractor set parameters was investigated. As can be seen from the results, an appropriate choice of the transmission type or engine speed mode has a positive impact on the fuel consumptions and the efficiency of the transportation of the material with tractor sets.
Keywords: powershift transmission 1, differential hydromechanics transmission 2, engine mode 3
1 Úvod
Doprava tvoří v zemědělství značnou část výrobního a reprodukčního procesu. V České republice patří zemědělství mezi největší přepravce, který se vyznačuje značnou dopravní kapacitou. Zemědělská doprava a manipulace s materiálem představuje více jak polovinu ze zemědělských činností. Každý rok se v zemědělství přepraví asi 100 mil. tun rozličných materiálů (s nízkou nebo naopak s vysokou objemovou hmotností). Zemědělství se vyznačuje složitým časovým a prostorovým uspořádáním pracovních a dopravních operací ve výrobním procesu. Tyto procesy se v zemědělství liší od výrobních procesů ve většině ostatních odvětví. Z tohoto důvodu má zemědělská doprava svoje specifika např.: biologickou činnost přepravovaného materiálu, výraznou sezónnost, různé přepravní podmínky (jízda po silnici, v terénu), většinou jednosměrné materiálové toky, velký počet ložných operací uskutečňovaných na různých místech atd. [1] Roční spotřeba motorové nafty dopravních operací v zemědělství je více než 180 mil. litrů, což představuje 49 % celkové spotřeby motorové nafty v zemědělství. [2] Postupný legislativní tlak na snižování emisí a požadavků ze strany zákazníka na ekonomiku provozu ze strany zvyšujících se cen pohonných hmot a zpřísňujících se emisních limitů nutí výrobce vozidel stále zdokonalovat svoje výrobky. Dochází k neustálé modernizaci jednotlivých funkčních prvků, aby vyhovovaly jak legislativě, tak i požadavkům zákazníka. S rozvojem konstrukčních prvků dochází k modernizaci nejenom osobních a nákladních automobilů, ale i traktorů. Díky jejich následné vyšší konstrukční rychlosti pak dochází při přepravě materiálů k postupnému nahrazování nákladních automobilů traktorovými dopravními soupravami. K 30. 9. 2015 bylo v ČR evidováno 169 144 kusů traktorů a jejich průměrné stáří dosahovalo 31,23 roků. [3]
Díky velké rozmanitosti pracovních podmínek, ve kterých je traktor používán – těžké tahové práce (např. orba), lehčí práce (sečení zelené píce) a silniční doprava je vedle motoru kladen značný pohled na jejich převodová ústrojí. Kdyby bylo možné zkonstruovat spalovací motor s ideální otáčkovou charakteristikou tj. charakteristikou s hyperbolickým průběhem točivého momentu a konstantním výkonem v celém rozsahu jeho otáček, traktor by převodovku nepotřeboval. Z důvodu ale odlišného průběhu, je převodovka velice důležitým prvkem, který má do značné míry vliv nejenom na ekonomiku provozu, ale i na výstupní parametry jednotlivých agrotechnický operací. [4]
U traktorů je nejrozšířenějším typem mechanická převodovka s omezeným, nebo se všemi převodovými stupni řazenými pod zatížením (obr. 1).
Zdroj: [4]
Obr. 1. Schéma převodovky Full PowerShift 18/6: S1 až 9 – lamelové spojky, a – 60 hlavní převodovka, b – 30 skupinová převodovka
Mechanické převodovky disponují vysokou mechanickou účinností. Jejich nevýhodou je, že při přeřazení dochází ke stupňovité změně převodového poměru, což s sebou nese skokovou změnu rychlosti díky ztrátové ploše mezi těmito převody (obr. 2).
Zdroj: [4]
Obr. 2. Znázornění ztrátové plochy – nevyužitelná část výkonu motoru mezi dvěma převody v charakteristice Fhm-v
Tato plocha vyjadřuje rozdíl mezi ideálním a skutečným odstupňováním. Velikost ztrátové plochy se snižuje zejména s rostoucím počtem převodových stupňů. To má ale za následkem nárůst hmotnosti celé převodovky, resp. traktoru.
Možnostmi, jak ztrátovou plochu úplně odstranit je používání bezstupňových převodovek, tj. převodovek s plynulou změnou převodového poměru. Tyto převodovky jsou konstrukčně tvořeny hydrostatickým převodníkem a planetovou mechanickou převodovkou (obr. 3).
Zdroj: [4]
Obr. 3. Diferenciální hydrostatická převodovka, A – hydrostatický převodník, B – slučovací planetový převod
Pro zvýšení rychlostního rozsahu je možné doplnit tuto převodovku navíc o převodovku mechanickou. Účinnost této převodovky je v důsledku použití hydrostatického převodu nižší. Dle Grečenka, 1994 má přibližně diferenciální hydromechanická převodovka o 17 % nižší účinnost než převodovka mechanická.
Cílem příspěvku je posoudit ekonomiku práce traktoru s převodovkou s plynulou změnou převodového poměru a převodovkou řazenou při zatížení současně při nastavení různého režimu motoru.
2 Materiál a metodika
Pro splnění výše uvedených cílů bylo provedeno měření na zemědělských traktorech, které se od sebe lišily pouze typem převodovky. První byl vybaven mechanickou převodovkou plně řazenou při zatížení, počet převodových stupňů byl 19 x 6, s rychlostním rozsahem 0 – 40 km.h-1. Druhým traktor byl vybaven převodovkou s plynule měnitelným převodovým poměrem (CVT), rovněž s rychlostním rozsahem 0- 40 km.h-1.
Měření obou traktorů bylo provedeno při agregaci s plně naloženým návěsem, aby bylo možné motory obou traktorů dostatečně vytížit. Hmotnost obou souprav byla srovnatelná (traktor s převodovkou CVX byl těžší pouze o 40 kg). Měření probíhalo na asfaltové silnici, celková délka trasy byla 21,8 km. Měřený úsek se skládal jak z rovinných tak i ze svahových částí. Převýšení trasy bylo 73 metrů. Ke snímaným parametrům patřily zejména otáčky motoru, spotřeba paliva, rychlost a čas na projetí trasy. Spotřeba paliva a otáčky byly snímány ze sítě CAN-Bus. Rychlost soupravy pomocí GPS modulu. Frekvence vzorkování ze snímačů byla 5 Hz. Získaná data byla zpracována proprietálním software vytvořeným ve vývojovém prostředí LabVIEW a ukládána do paměti měřícího počítače.
K hodnoceným parametrům patřila měrná a hodinová spotřeba paliva a přepravní výkonnost. Pro výpočet parametrů byly použity rovnice:
průměrná okamžitá spotřeba na projetí trasy:
(1)
kde: qi – okamžitá spotřeba paliva [l.h-1] (data z CAN-Bus)
T – čas na průjezd úsekem [s]
f – frekvence vzorkování [s-1]
přepravní výkonnost:
(2)
kde: Gn – hmotnost nákladu [t]
v – průměrná pojezdová rychlost
spotřeba na tunokilometr:
(3)
Všechna vyhodnocení probíhala ve statistickém programu Statistica 12.
3 Výsledky a diskuze
Při porovnávání obou typů převodovek byla navíc sledován vliv režimu motoru na spotřebu paliva. U každého traktoru byla měření provedena při dvou různých režimech – při udržování otáček kdy motor dosahuje nejvyššího výkonu a nejvyššího točivého momentu. Příslušné otáčky byly zjištěny na základě úplné otáčkové charakteristiky naměřené předem v laboratořích Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně za pomoci elektricky vířivého dynamometru.
Udržování režimu motoru probíhalo u převodovky CVT automaticky. U mechanické převodovky probíhalo udržování oblasti maximálního točivého momentu motoru ručním řazením, udržování otáček, u kterých motor disponuje maximálním výkonem, byly nastavovány automaticky.
V obr. 4 je porovnání vypočtených parametrů u jednotlivých variant měření.
Zdroj: vlastní zpracování
Obr. 4. Porovnání vypočtených parametrů u jednotlivých variant měření
Jako první proběhlo vyhodnocení traktoru s převodovkou CVX. Měrná spotřeba paliva byla při maximálním točivém momentu motoru 44,6 ml.tkm-1, což je o 2,6 ml.tkm-1 (o 5,8 %) méně než v případě oblasti s maximálním výkonem. U hodinové spotřeby rovněž dochází k nárůstu z 25,5 l.h-1 na 29,9 l.h-1, což představuje rozdíl 4,4 l.h-1 (17,3 %). S vyššími otáčkami motoru se ale i zvýší přepravní výkonost z 27,3 t.h-1 na 28,4 t.h-1. Při režimu maximální výkon přepraví souprava o 1,1 t.h-1 (o 4 %) materiálu více.
U traktoru s mechanickou převodovkou docházíme k obdobných výsledků. Měrná spotřeba paliva vzrostla u režimu s maximálním výkonem ze 42,9 ml.tkm-1 (ekonomický režim) na 48,8 ml.tkm-1, tj. o 5,9 ml.tkm-1 (13,8 %). Hodinová spotřeba vzrostla o 3,02 l.h-1, tj o 11,9 %. Přepravní výkonost v režimu maximálního výkonu mírně klesla – o 0,4 t.h-1 (o 1,4 %) z 28,3 t.h-1 na 27,9 t.h-1.
Při porovnání převodovek mezi s sebou můžeme vidět, že v případě ekonomického režimu motoru, kdy motor disponuje maximálním točivým momentem, dosahuje příznivějších parametrů převodovka CVX. Má o 3,8 % příznivější specifickou spotřebu a o 3,9 % vyšší výkonost. Při porovnání režimů, kdy motor dosahuje maximálního výkonu, dostáváme výsledky opačné. Nižší specifická spotřeba (o 3,4 %) a vyšší výkonost (1,9 %) je dosažená mechanickou převodovkou. Rozbor kolísání otáček a pojezdových rychlostí u jednotlivých typů a režimu je uvedena na následujících krabicových grafech (obr. 5 a 6).
Grafy znázorňují proměnlivost – kolísání otáček a rychlosti soupravy při průjezdu celou měřenou trasou.
Zdroj: vlastní zpracování
Obr. 5. Krabicový graf otáček motoru u jednotlivých variant měření
Jak je z obr. 5 patrné tak největšího kolísání dosahovala mechanická převodovka s automatickým udržováním otáček, při kterých má motor maximální výkon. Malá variabilita otáček u mechanické převodovky v oblasti maximálního točivého momentu byla zapříčiněna obsluhou, jelikož řazení, resp. změna převodového poměru probíhala manuálně. Při pohledu na variabilitu otáček motoru u převodovky CVT se dá hovořit, mezi posuzovanými režimy motoru, o srovnatelných výsledcích. Proti automatickému režimu mechanické převodovky je nižší. Tyto výsledky potvrzují to, že CVT převodovka dokáže lépe upravit převodový poměr v závislosti na zatížení motoru, tak aby otáčky motoru zůstaly přibližně stejné, tj. nastavené obsluhou.
Zdroj: vlastní zpracování
Obr. 6. Krabicový graf rychlosti soupravy u jednotlivých variant měření
Při posuzování kolísání rychlosti (obr. 6) jsou mezi variantami patrny menší odchylky. Při srovnání s grafem otáček je i celková proměnlivost vyšší. Vyšší variabilita reflektuje větší změny převodového poměru z důsledku např. nárůstu zatížení motoru a udržení nastavených otáček motoru.
Na základě výsledků měření lze říci, že při provozování traktoru v oblastech, kde motor disponuje vyšším točivým momentem dochází k úspoře paliva proti režimům, kdy má motor maximální výkon. Studii, ve které autoři došli k obdobným výsledkům, publikoval Vojáček a kol. v roce 2009. Autoři měřením zjistili, že u soupravy traktoru Case Magnum MX 285 v agregaci s kombinovaným kypřičem Köckerling Exaktgrubber – Vario dochází k úspoře nafty o 9,1 % litrů na hektar při zvýšení výkonnosti o 11,5 % hektarů za hodinu v režimu, ve kterém motor dosahuje maximálního točivého momentu. Další studie, která hodnotila stupňovitou a převodovkou s plynulou změnou převodového poměru je z roku 2011 od autorů Čupera et al. Hodnocení bylo provedeno u traktoru New Holland T7050 při agregaci s pluhem Lemkem Vari Opal 9. Souprava s plynulou převodovkou dosáhla ve srovnání se soupravou s převodovkou mechanickou úspory 14,5 %. Další hodnocení v dopravě u těchto převodovek provedli Bauer et al. v roce 2011. Jejich výsledky rovněž ukazují na vyšší úsporu paliva u převodovky s plynulou změnou převodového poměru díky automatickému nastavení vhodnějšího převodového poměru požadovaným otáčkám
4 Závěr
Z výsledků vyplývá, že i přes nižší účinnost hydrostatické části diferenciální hydromechanické převodovky disponuje tato převodovka nižší spotřebou paliva vztažené na tunokilometr a vyšší přepravní výkoností. Vedle toho je nutné, nezávisle na typu převodovky, nastavit vhodný režim motoru. Jak výsledky, tak i diskutované články ukazují, pokud budeme traktorový motor provozovat v oblastech maximálních točivých momentů, můžeme přispět k úspoře paliva. Jak je již uvedeno v úvodu, jsou současné dopravní prostředky vybavovány moderními prvky, které přispívají nejenom k jejich snadnému ovládání, ale mohou výrazně přispět i ke snížení spotřeby paliva a k jejich efektivnějšímu provozu. Hlavním činitelem v oblasti snižování nákladů na provoz dopravního prostředku tak zůstává na prvním místě její obsluha.
5 Seznam použité literatury
- SYROVÝ, O.- et al. Doprava v zemědělství, 1. vyd., Praha: Profi Press s.r.o., 2008.
- ČUPERA, J. – BAUER, F. – SEDLÁK, P. – HAVLÍČEK, M. – FAJMAN, M. – POLCAR, A. – VYKYDAL, P. – TATÍČEK, M. Doprava v zemědělství a ajejí dopad na životní prostředí :zpráva z projektu. Brno : Mendelova univerzita v Brně, 2010. 281 s.
- Asociace automobilového průmyslu. Složení vozového parku v ČR, databáze on-line [cit. 2018-08-16]. Dostupné na internetě: http://www.autosap.cz/zakladni-prehledy-a-udaje/slozeni-vozoveho-parku-v-cr/#pololeti2015
- BAUER, F. – SEDLÁK, P. – ČUPERA, J. – POLCAR, A. – FAJMAN, M. – ŠMERDA, T. – KATŘENČÍK, J. Traktory a jejich využití, 2. vyd., Praha: Profi Press s.r.o., 2013.
- GREČENKO, A. Vlastnosti terénních vozidel, 1. vyd., Praha: Vysoká škola zemědělská, 1994.
- VOJÁČEK, M. – BAUER, F. – SEDLÁK, P. – ŠMERDA, T. Vliv zatížení spalovacího motoru na energetické a výkonnostní parametry traktorových souprav, In. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis. 2009. Vol. 57, no. 2, s. 155−165. [cit. 2018- 08- 10].
- ČUPERA, J. – BAUER, F. – SEDLÁK, P. – TATÍČEK, M. New Holland s plynulou a stupňovou převodovkou v orbě. In Mechanizace zemědělství. 2011. Vol. 61, no. 11, s. 15–20. [cit. 2018- 08- 10].
- BAUER, F. – SEDLÁK, P. – ČUPERA, J. – TATÍČEK, M. Srovnání traktorů New Holland s plynulou a stupňovitou převodovkou v dopravě. In Mechanizace zemědělství. 2011. Vol. 61, no. 6, s. 22–26. [cit. 2018- 08- 10].
Poďakovanie
Tento článek byl vytvořen s podporou projektu ZETOR (EG15_019/0004799 – ZETOR TRACTORS a.s.) – Optimální agregace strojů s traktorem.
Autori:
Tituly a pôsobisko autorov:
1Ing. Adam Polcar, Ph.D., Ústav techniky a automobilové dopravy, Agronomická fakulta, Mendelova univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, Česká republika, E-mail: adam.polcar@mendelu.cz
2doc. Ing. Jiří Čupera, Ph.D., Ústav techniky a automobilové dopravy, Agronomická fakulta, Mendelova univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, Česká republika, E-mail: jiri.cupera@mendelu.cz
VYTLAČIŤ