Motor auta

[Mirek]

Článek o teorii spalovacího procesu a získávání výkonu se budu snažit napsat co nejméně učeně, přestože převedení učeného jazyka do populární formy nebývá snadné. Nebudu se plně příliš zabývat vznětovými a dvoudobými motory, protože by článek dospěl do velikosti 5 MB.

V poznámkách jen upozorním na odlišnosti, pokud budou mít k výkladu vztah. I tak bude tento článek značně rozsáhlý. Zkusím také osvětlit funkci přeplňování. Každopádně doporučuji číst pozorně, i když si budete myslet, že toto už znáte. Nikdy není na škodu si věci zopakovat. Výjimečně použiji i několik vzorců, protože je považuji za základ znalostí motorové problematiky. Tvorba emisí je dosti rozsáhlý problém, věnoval bych mu někdy samostatný článek.

Hned na začátku podotýkám, že získávání energie spalováním je jedna z nejhorších variant získávání energie, protože jednak spalování jako takové příliš energie nedává a dále ztráty tepla dosahují 50 – 99% teoreticky získatelné energie. Jenže zatím lidstvo raději svou inteligenci využívá na vymýšlení čím dál ničivějších zbraní a pod proklamovanou ekonomičností uskutečňuje komerční cíle zúčastněných výrobních, reklamních, prodejních lobby, tedy vše zůstávápři starém. Jelikož jsme příliš malá piva na to, abychom s tím pohnuli, nezbývá nám nic jiného, než dále spalovat a ničit životní prostředí. Ale to odbočuji.

Spalovací motory můžeme rozdělit na motory s vnitřním a vnějším spalováním. Do kategorie motorů s vnějším spalováním patří parní stroj a jeho různé modifikace (parní turbíny) a Stirlingův motor. Parní stroj je všeobecně známý ze základní školy, takže ten zde vysvětlovat nebudu. Stirlingův motor vznikl již někdy okolo roku 1815. V podstatě jde o pístový stroj, kde práci koná ohřívané plynné médium (dříve vzduch, dnes vodík, hélium), které díky pohybu pístu mění teplotu a tím i svůj objem a to s vysokou účinností. (Popisování funkce je nutno doplnit obrázky, jinak je těžko vysvětlitelné.

Přesný popis tohoto velmi zajímavého motoru zpracuji na případné přání čtenářů, zde se pro rozsáhlost jím zabývat nebudu.) U těchto motorů probíhá spalování vně pracovní mechanické části a pracovní tlaky jsou vytvářeny pomocí spalování ohřátými médii uvnitř. Spalování probíhá kontinuálně (bez přerušení) při malých tlacích a nižších teplotách, výhodou jsou velmi nízké emise i bez použití katalyzátoru a malé nároky na kvalitu mazadel, protože nepřichází do styku s palivem a produkty spalování. Nevýhodou je malá pohotovost k provozu, špatná regulovatelnost (pomalu probíhající změny) výkonu. V automobilech se kromě pokusných vozidel nepoužívají.

Do kategorie motorů s vnitřním spalováním patří motory zážehové, vznětové, spalovací turbíny a motory raketové. Raketové motory zde nebudeme pojednávat, spalovací turbíny se ekonomicky vyplatí až od asi 735 kW výše a tak na ně zapomeneme také. Nás zajímají motory zážehové a vznětové. U těchto motorů probíhá spalování uvnitř motoru a energie získaná z paliva se přeměňuje přímo na mechanickou práci. Spalování probíhá přerušovaně při vysokých tlacích a teplotách, nevýhodou jsou vznikající vysoké emise a složitější mechanická konstrukce, dále to, že je nutné používat vysoce kvalitní jak palivo, tak mazací oleje a různé filtry. Výhodou je okamžitá pohotovost k provozu a možnost okamžité změny výkonu, regulace je snadná. 

Ještě než začnu, připomínám trochu fyziky – pokud se rozměr něčeho zdvojnásobí, plocha se zvětší 4x a objem 8x. Píši to proto, že když použiji tzv. geometrickou podobnost (použiji určitou věc jako základ a jinou věc včetně všech součástek přesně v určitém poměru zvětším), ne vždy platí pro nové to, co platí pro základní provedení. Kdybych chtěl škodovácký motor přesně zvětšit 2x, měl by objem válců asi 9,5 litrů vážil by 760 kg. To zvětšení jsem sice trochu přehnal (hodnoty ale souhlasí), ale chci upozornit na to, že i malé zvětšení rozměru součástky vede k značnému zvýšení hmotnosti. Pro dosažení vysokých otáček je hmotnost největším nepřítelem. Dále – objem válců se změní 8x, ale průtočná plocha ventilu jen 4x. Takže při stejných otáčkách má motor úplně jiné rychlosti proudění ve ventilu a plnění neodpovídá podmínkám „polovičního“ motoru.

Aby byla dodržena stejná střední pístová rychlost, musí být otáčky poloviční a tedy výkon se zvětší pouze 4x. Zatížení motoru odstředivými silami se při polovičních otáčkách nezmění, protože plocha dna pístu a plocha ložisek se zvýší 4x. Plocha povrchu spalovacího prostoru se zvýší 4x, ale objem 8x, takže dochází k menším tepelným ztrátám a měrná spotřeba paliva klesne. Jenže prohořívací dráhy jsou delší a průměrná teplota při spalování se zvýší, takže z důvodu zamezení detonačnímu hoření se musí snížit stupeň komprese. Navíc velikost vůlí se příliš nezmění a tak např. procentuální poměr plochy pístu k ploše vůle pístu ve válci je pro velké písty lepší. Tloušťka olejové vrstvy na stěnách je také konstantní a tak bych mohl pokračovat. Jenže hmotnost pístu se nepřiměřeně zvyšuje, proto se konstrukce velkých motorů řeší trochu odlišně, stěny se dělají tenčí (potřeba pevnosti se totiž osmkrát nezvýší), hřídele duté atd. Na toto pamatujte při jakékoliv úpravě, že něco většího je vždy i výrazně těžší. Také malé zvětšení průměru kanálů má za následek velké zvětšení průtočné plochy (tím narážím na čištění trysek karburátoru drátem atd.). Takže porovnávání dvou motorů tzv. geometrickou podobností je možné jen bezrozměrnými údaji, jako poměr vrtání/zdvih, úhly sklonů ventilů a kanálů a tak dál. Ze všeho toho vyplývá, že používání velkých válců je nevýhodné a proto se většinou nepoužívá objem válce větší než asi 500 cm3.

K dosažení velkého měrného výkonu jsou zapotřebí vysoké otáčky a to nám velké válce neumožní dosáhnout. Nejde jen o dosažitelnost vysokých otáček, ale také v těchto otáčkách dostatečně naplnit válce směsí, což u nevhodného poměru průřezu sacího kanálu a objemu válce není bez přeplňování možné. Takže pro velké objemy platí, že co litr objemu, to aspoň dva válce navíc. U přeplňovaných motorů je nejvýhodnější co největší objem válce, protože klesnou tepelné ztráty a hospodárnost motoru se oproti malým válcům zlepší. Dobré plnění obstará turbo bez ohledu na průřez sacího kanálu a vysoká teplota výfukových plynů je zase výhodná pro výkon turbíny. U vznětových motorů pro nákladní vozidla se naopak válce dělají co největší, protože zde nastupuje v první řadě hledisko ekonomického provozu a životnosti motoru a měrný výkon je až druhořadý. Vůbec nejlepších ekonomických ukazatelů dosahují obrovské lodní motory, kde při vrtání okolo 1 000 mm a téměř stejném zdvihu je poměr objemu k povrchu válce a spalovacímu objemu natolik velký, že motory téměř nepotřebují chlazení – všechno teplo stačí vysálat během sacího a kompresního zdvihu. Maximální otáčky těchto motorů se pohybují někde okolo 125/min a tak času pro odvedení tepla je dostatek.

Motor (bez katalyzátoru):

Základ funkce spalovacího motoru znáte ze základní školy (nebo byste měli znát), proto tuto část přeskočím. Vás zajímá, jak dostat z motoru co největší výkon (za ideálního požadavku nulové spotřeby). Ovšem teoretické závislosti se zrovna na základní škole neučily a tak trochu pomohu.

Pokud budu chtít dosáhnout 100% účinnosti, musel bych dosáhnout nekonečné komprese a nekonečné expanze beze ztrát tepla. Přesně – mělo by se dosáhnout takové expanze, při které bude teplota výfukových plynů stejná jako teplota vstupní směsi. Zatím se to nikomu nepodařilo a asi i nikdy nepodaří. Výrazně vylepšit účinnost se dá změnou poměru komprese vůči expanzi (expanze musí být větší než komprese). Laicky se toho dá nejsnáze dosáhnout pozdním zavřením sacího ventilu a také pozdějším otevřením výfukového ventilu. Takhle na to přišel nějaký Miller a od té doby se tomu říká Millerův cyklus.

S tím Millerem je to sice trochu složitější, ale nějací Japonci zkusili podle něho přeplňovaný motor postavit a dosáhli o 10% menší spotřeby (mnoho povyku celkem pro nic.) Pokud později zavřu sací ventil, část směsi vytlačím zpět do sacího potrubí a tím se mi sníží výkon, navíc klesne stupeň stlačení. Pro stejný výkon musím mít větší objem motoru nemluvě o kompresním poměru. Tudy asi cesta nevede. Každopádně na provedení nesymetrického klikového mechanizmu to chce trochu více fištrónu a spoustu práce s vyvážením. Zatím bylo dosaženo u turbokompaudních motorů (klasický motor se dvěma turby, jedním se přeplňuje a další „pohání“ motor) účinnosti 48%, což je výrazně více, než běžných 28 – 33%. Běžně se počítá, že třetina energie uteče výfukem, třetina chlazením a jen třetina se promění v efektivní práci. Toto platí (při konstantních otáčkách) zhruba při 40% výkonu, pokud se odběr výkonu zvýší, přestává to platit. Poklesne teplo odvedené chlazením a více tepla odchází výfukem, množství efektivní práce zůstává zhruba konstantní.

Pokud odebíráme plný výkon, se zvyšujícími otáčkami nepatrně klesá procento efektivní práce, ale narůstá množství tepla odvedeného výfukem na úkor tepla odvedeného chlazením (přestup tepla do stěn probíhá konstantní rychlostí a pokud mu nedáme dostatek času na přestup, není chlazení schopno odvést předpokládané množství tepla). Součet všech tří tepel musí být 100%, proto vždy narůstá odvod tepla výfukem a je tedy výhodné použít turbínu na využití odcházející teploty výfukových plynů. Většinou se turbína spojí s dmychadlem a toto soustrojí přeplňuje motor vzduchem (směsí). Při sacím zdvihu přetlak tlačí na píst a motor tedy nemusí konat zápornou práci pro plnění motoru, to přispívá ke snížení měrné spotřeby. Výkon motoru se zvýší, protože dostaneme do válce více palivové směsi a tím jakoby zvětšíme objem motoru. Expanze je sice krátká, ale nevyužité teplo se zužitkuje v turbíně a tak se měrná spotřeba nezvýší. Pokud správně navrhneme jak motor, tak stupeň přeplňování, můžeme dosáhnout velmi překvapivých výsledků. Nejlépe je to patrné na vznětových motorech, kde přeplňování turbodmychadlem značně zvýší výkon a výrazně sníží spotřebu paliva. O přeplňování bude zvláštní článek.

Návrh hlavy válce začíná volbou materiálu hlavy, tvaru spalovacího prostoru a typu chlazení hlavy (vzduchem, kapalinou). Materiál hlavy je důležitou veličinou, protože u hliníkových slitin, které dnes převažují, není možné vytvářet sedla ventilů, vedení ventilů a závity pro zapalovací svíčky přímo v materiálu hlavy, používají se vložky z odolnějších materiálů, které se zalisovávají s velkým přesahem. Toto vyžaduje jiné tvarové řešení inkriminovaných míst.

Typ chlazení zase určuje vzdálenost mezi válci, vzduchem chlazená hlava zabírá více místa a je méně tuhá, většinou se u víceválců řeší jako hlava pro jeden válec, kolik válců, tolik hlav. Zde vzniká komplikace s realizací rozvodu OHV i OHC, který silně omezuje optimální rozložení chladících žeber. Čtyřventilové provedení u vzduchem chlazeného víceválce je velmi obtížně řešitelný problém.

V základním provedení se dnes převážně používají spalovací prostory třech typů: miskový, klínovitý a střechovitý. První dva najdete výhradně u dvouventilových provedení, střechovitý je určen pro čtyřventilová provedení, je ale možné ho použít i u provedení dvouventilového. Popis vlastností těchto spalovacích prostorů včetně prostoru půlkulového najdete v I. díle Teorie motorů. U motorů vznětových se ještě volí provedení komůrkové a nebo s přímým vstřikem. Komůrka komplikuje výrobu, její uložení musí být kvalitní a je nutné zajistit dobré chlazení.

Přímý vstřik nafty zase vše nezvykle zjednoduší, protože spalovací prostor se vytváří v pístu a tak hlava klasický spalovací prostor nemá, jde o rovnou plochu, kde jsou jen svisle umístěné ventily a vstřikovací tryska (podobně je na tom hlava pro Heronův spalovací prostor, místo vstřikovací trysky se použije zapalovací svíčka). Jakmile máme spalovací prostor a počet ventilů zvolený, hledáme polohu pro umístění zapalovací svíčky a řešíme tvar a umístění sacích a výfukových kanálů.

Speed limits in the United States of America