P R A K T I C K Á
D Í L N A
Automobil od A do Z
Servis
Podvozek
Organizace práce
Motor
Systémy a příslušenství
Bezpečnost a hygiena práce
Geometrie
Nářadí a vybavení dílen
Paliva a maziva
Diagnostika a měření
Elektr. zařízení, elektronika
Praktická dílna Spalovací motory IV.
ř íjen 2005
A ut T utoEXPER oEXPERT oEXPER
1
P R A K T I C K Á
D Í L N A
spalovací motory
Spalovací motory IV.
V minulém vydání praktické dílny jsme se věnovali ventilovým rozvodům. V úvodu tématu jsme se dotkli také problematiky rozvodových diagramů. S nimi velmi úzce souvisí pracovní režimy motorů, kterým se budeme věnovat v tomto vydání. A protože by to na celou přílohu samozřejmě nestačilo, přidáme i další prvky, které mají vliv na rovnoměrný chod motoru, a dostaneme se i k systému zavěšení motoru v rámu či karoserii vozidla.
V
základním úhlu pohledu lze všechny spalovací motory s přímočarým vratným pohybem pístu rozdělit podle pracovního režimu do dvou velkých skupin. První z nich tvoří spalovací motory s čtyřtaktním pracovním režimem (čtyřtaktní nebo čtyřdobý motor). Druhá skupina je pak zastoupena motory, dnes v automobilovém průmyslu spíše na ústupu, s dvoutakt-
1 . ttakt akt – sání Píst se pohybuje z horní úvrati do dolní a takto vyvolaným sacím účinkem snižuje tlak ve válci. Otevřeným sacím ventilem proudí do válce směs vzduchu a paliva. Aby byl sací účinek pohybu pístu dolů optimální, otvírá se sací ventil již před horní úvratí. Nasávaná palivová směs má určitou setrvačnost, proto se snížení tlaku vy-
Obr. 1 – Pracovní cyklus čtyřtaktního motoru.
ním pracovním režimem (dvoutaktní nebo dvoudobé motory).
Čt yřt aktní záž eho vý mo Čtyřt yřtaktní zážeho ehový mott or Název sám pochází ze skutečnosti, že v jednom pracovním cyklu se provádějí čtyři zdvihy pístu, a to sací, kompresní (stlačování), expanzní (spalování) a výfukový. K proběhnutí těchto čtyř zdvihů pístu (pracovního cyklu) je potřeba dvou otáček klikové hřídele. Průběh pracovního cyklu je schematicky zobrazen na obr. 1.
2
autoEXPERT Aut oEXPER utoEXPER oEXPERT T
volané pohybem pístu nevyrovná okamžitě. Aby se dosáhlo co možná největšího stupně plnění, využívá se energie proudění nasávané směsi tak, že se sací ventil zavírá relativně dlouho za dolní úvratí. I přesto, že se píst už pohybuje z dolní úvrati do horní, směs proudí do válce dále. Nejlepšího plnění válce se dosahuje, když se sací ventil zavírá přesně po „zaniknutí“ sacího sloupce – tím se rozumí nasávání směsi. I přes tato opatření činí stupeň plnění motoru při vysokých otáčkách asi jen 75 % zdvihového objemu, protože se při vysokých otáčkách a tím i vy-
sokých rychlostech proudění směsi silně projevují účinky třecího odporu v dráze nasávané směsi (vzduchový filtr, sací potrubí a průřez ventilu). 2. ttakt akt – kkom om pr ese ompr prese V taktu komprese se píst pohybuje z dolní úvrati do horní. Samotná komprese (stlačování) začíná až po zavření sacího ventilu. Píst stlačuje nasátou směs. Přitom se zvyšuje tlak a teplota, směs vzduchu a paliva se dostává do plynného stavu. Koncového kompresního tlaku – tlaku na konci taktu komprese – se dosahuje při poloze pístu v horní úvrati. V závislosti na kompresním poměru činí 0,8 až 1,6 MPa (zážehové motory), teplota plynu se přitom zvyšuje asi na 400 °C (673 K). Čím větší je kompresní poměr, tím vyšší je výkon motoru při současně nižší spotřebě paliva. To vyplývá ze vzájemného vztahu kompresního poměru a tepelné účinnosti motoru. Vyšší kompresní poměr zajišťuje menší velikost spalovacího prostoru, čímž dochází i ke zmenšení ploch odvádějících teplo. Toto „navíc získané“ teplo, které se neodvede ochlazovanými plochami, vytváří více pracovní síly (větší tlak) působící na píst. Při zvyšování kompresního poměru se tak velmi výrazně zvětšují síly a teploty působící na hnací ústrojí (píst, pístní čep, ojnice, klikový čep a uložení klikové hřídele), kromě toho existuje nebezpečí, že ve spalovacím prostoru bude dosaženo teploty samovznícení paliva, což je 500 až 600 °C (773 až 873 K). 3. ttakt akt – eexpanz xpanz xpanzee Spalování nasáté směsi začíná zapálením plynu zapalovací jiskrou, která přeskočí mezi elektrodami zapalovací svíč-
ř íjen 2005
P R A K T I C K Á
hybu pístu dolů se výrazně zmenšuje tlak i teplota. Velkou část tepla odvádějí stěny válce, přičemž tlak ve válci klesá. Na konci pracovního taktu poklesne tlak spáleného plynu asi na 0,3 až 0,5 MPa, teplota asi na 900 °C (1173 K).
Obr. 2 – Znázornění pracov− ních taktů čtyřtaktního záže− hového motoru v rozvodovém diagramu.
ky (v závislosti na otáčkách asi 0° až 45° před horní úvratí). Mezi přeskočením jiskry a vytvořením postupujícího čela plamene uběhne asi 0,001 s. Protože aktuální rychlost šíření plamene 25 m.s-1 je relativně nízká, musí se zapalování provést natolik včas, aby největší tlak vznikající při spalování, u zážehových motorů až 6,0 MPa, působil na píst krátce po jeho průchodu horní úvratí. Při vysokých otáčkách tedy musí být bod zapalování nastaven podstatně dříve než při nízkých otáčkách (resp. při chodu naprázdno). Zapálení plynu by mělo vždy začínat v nejteplejším místě spalovacího prostoru, aby se fronta plamene šířila k nejchladnějšímu místu. Tímto opatřením se zabraňuje náchylnosti ke klepání (detonačnímu hoření) v důsledku částečného samozapalování plynu v nejteplejších místech spalovacího prostoru. Spalování plynu má být co nejrychlejší, nemělo by však vést k rychlému „výbuchu“. Pro dosažení takového stavu má velký význam tvar spalovacího prostoru. Při správně probíhajícím spalování působí na píst největší spalovací tlak krátce po průchodu horní úvratí. Spalovací teplota přitom může dosáhnout až 2000 °C (2273 K). Při vrtání válce D = 80 mm a spalovacím tlaku 5,0 MPa působí na píst síla odpovídající zatížení asi 2,5 tuny. Tato síla se prostřednictvím pístu, pístních čepů, ojnice a klikové hřídele převádí na otáčivý pohyb. Při po-
ř íjen 2005
4. ttakt akt – výfuk Výfukový ventil se otvírá už před dolní úvratí, takže spálený plyn v důsledku svého zbytkového tlaku samočinně proudí výfukem do volného prostoru. Jakmile se píst po průchodu dolní úvratí pohybuje znovu nahoru do horní úvrati, vytlačuje zbývající spálený plyn z válce ven. Jak se píst blíží k horní úvrati, snižuje se postupně jeho rychlost. Vytékající výfukové plyny se ochlazují ve výfukovém potrubí (chlazení prouděním vzduchu při jízdě) a snižují svůj tlak. Ve spalovacím prostoru se přitom vytváří mírné snížení tlaku, které zahajuje další takt sání, protože sací ventil se otevřel již před dosažením horní úvratě. Aby se sacího účinku vyfukovaných spalin využilo optimálně, zavírá se výfukový ventil až po překročení horní úvrati. Obr. 2 ukazuje průběh pracovního taktu při uvedených rozvodových dobách ventilů: ● sání otvírá 20° před horní úvratí;
D Í L N A
● sání zavírá 60° za dolní úvratí; ● výfuk otvírá 60° před dolní úvratí; ● výfuk zavírá 20° za horní úvratí.
Bod zapálení je v tomto případě 30° před horní úvratí. Miller ův cyklus Millerův Vozidlo Mazda Xedos 9 je vybaveno čtyřtaktním zážehovým motorem, který pracuje v režimu tzv. Millerova cyklu. Jeho specialitou je, že sací ventily zavírají později, totiž asi 70° po průchodu pístu dolní úvratí. Tím se dosahuje následujících výhod: ● snížení podílu nevyužité síly (pozdější začátek komprese); ● snížení teploty komprese (její pozdější začátek); ● snížení nebezpečí klepání a jeho následků; ● snížení teploty výfukových plynů; ● snížení obsahu škodlivin (NO x) ve výfukových plynech. Nepatrné ztráty při přeplňování v sacím potrubí jsou kompenzovány mechanickým dmychadlem. Jedná se o tzv. Lysholmovo spirálové dmychadlo. Jeho využitím se navíc zlepšuje i plnění válců (přeplňovací tlak max. 0,16 MPa) a točivý moment. Tento motor s Millerovým cyklem má při stejném spalova-
A ut T utoEXPER oEXPERT oEXPER
3
P R A K T I C K Á
D Í L N A
cím tlaku nižší teplotu komprese a větší točivý moment než porovnatelné atmosférické a přeplňované motory. Variabilní k om pr ese kom ompr prese U motorů některých vozidel Saab, vybavených systémem SVC (Saab Variable Compression), je kompresní poměr měnitelný od 8 : 1 (při plném zatížení) až do 14 : 1 (při neúplném zatížení) (obr. 3). To je možné pouze v případě, kdy hlava válce a válec tvoří jednu jednotku (monohead), kterou je možné naklápět až o čtyři stupně vzhledem ke klikové skříni. Zvýšení komprese při neúplném zatížení zlepšuje využití paliva.
Dv out aktní záž eho vý mo Dvout outaktní zážeho ehový mott or Dvoutaktní motor se oproti motoru čtyřtaktnímu vyznačuje jednodušší konstrukcí. Ta spočívá především v menším počtu součástí a tím i nižší hmotnosti. K řízení výměny plynů postačují kanálky, přičemž mazání se provádí olejem přimíchávaným do paliva. Přimíchávání lze provádět buď manuálně nebo pomocí dávkovacího čerpadla. Mísicí poměr je značně závislý na výrobci motoru a pohybuje se v rozmezí poměrů 1 : 20 až 1 : 100. Výrazným znakem tohoto typu motoru je, že na jeden pracovní cyklus, tj. sání-komprese-expanze-výfuk, je zapotřebí pouze jedné otáčky klikové hřídele. Dvoutaktní motor tak má v porovnání se čtyřtaktním motorem při stejných otáčkách dvojnásobný počet pracovních taktů. To je možné proto, že sem a tam se pohybující píst působí na pracovní náplň současně ve válci i v klikové skříni (obr. 4). V důsledku dvojnásobného počtu pracovních taktů se zvyšuje tepelné namáhání a opotřebení těch součástí motoru, které se jich bezprostředně účastní. Protože příčinou větší tepelné roztažnosti pístů může docházet k jejich zadírání, je nutné zvětšení montážní vůle, která zase zvětšuje hlučnost chodu motoru v nezahřátém stavu. Přes dvojnásobný počet pracovních taktů nemá dvoutaktní motor v porovnání se čtyřtaktním dvojnásobný výkon. Důvodem je nedostatečné plnění
4
autoEXPERT Aut oEXPER utoEXPER oEXPERT T
Obr. 3 – Motor SVC (Saab).
válce a ztráty čerstvé směsi při vyplachování válce. Pr aco vní cyklus – 1 akt Praco acovní 1.. ttakt Píst se pohybuje z dolní úvrati do horní. Tím vyvolává sání a stlačení směsi, jakmile se zavře přepouštěcí kanál. Zatímco se v klikové skříni vytváří podtlak (pomocné přisávání), ve válci dochází ke stlačení směsi, které náleží k následujícímu pracovnímu taktu. Jakmile píst svou spodní hranou uvolní sací kanál, proudí čerstvá směs do klikové skříně, tedy do prostoru pod píst. Pr aco vní cyklus – 2. ttakt akt Praco acovní Po přeskoku jiskry na zapalovací svíčce a zapálení směsi následuje pracovní takt, který píst tlačí do dolní úvrati. Ještě během tohoto pohybu pístu následuje výfuk, přičemž krátce nato začne přepouštěcím kanálem proudit čerstvá směs z klikové skříně do válce. Jakmile píst svou spodní hranou uzavře sací kanál, nachází se čerstvá směs v klikové skříni pod tlakem (pomocná komprese). Krátce nato uvolní horní hrana pístu výfukový kanál, takže výfukové plyny mohou proudit do příslušného potrubí. Po dalším krátkém časovém úseku píst uvolní níže položený přepouštěcí
kanál, takže předběžně stlačená směs může proudit z klikové skříně do válce (přepouštění). Protože výfukový kanál je při přepouštění ještě otevřen (otevřená výměna plynu), jsou ztráty čerstvé směsi (ztráty z vyplachování) – zejména v případě vadného výfukového zařízení – znatelné. Otevřená výměna plynů u dvoutaktních motorů nepříznivě ovlivňuje spotřebu paliva a hodnoty škodlivin ve výfukových plynech. Díky tomu již nejsou dvoutaktní motory u automobilů aktuální, protože nesplňují současné požadavky na spotřebu paliva a především ochranu životního prostředí. Dvoutaktní princip byl ve své době velmi rozšířen u malých motorů všech typů. Řízení výměny plynu se optimalizovalo využitím otočných šoupátek nebo membránových ventilů. Otočná šoupátka jsou poháněna klikovou hřídelí, membránové ventily jsou řízeny tlakem plynů. Aby se dosáhlo co největšího výkonu alespoň v omezeném pásmu otáček, prováděla se optimalizace výměny plynů s využitím pulzního kmitání ve výfukovém a sacím potrubí. V závislosti na směru vyplachování, který má vliv na charakteristiky motoru, se dvoutaktní motory rozdělují na
ř íjen 2005
P R A K T I C K Á
D Í L N A
Obr. 4. Pracovní cyklus ve dvoutaktním zážehovém motoru.
motory s příčným prouděním, protisměrným vyplachováním a stejnosměrným vyplachováním.
Zk oušení k om pr esního tlaku Zkoušení kom ompr presního
➟
Zk ouš k a kkom om pr esního tlak u Zkouš oušk ompr presního tlaku umo žňu je sstt ano vit závěr y o s umožňu žňuje anovit závěry o stt a vu utěsnění sspalo palo vacího pr u mopalovacího pros ostt or oru os t or u. PPok ok ud jsou výsledky měř ení oru. okud měření je tých š patné, lz uje jetých lzee př přii malém počtu u kilome tr ů (pr o v ozních hodin) usukilometr trů (pro tní poš k oz ení mo z o vat na mís ození mott omístní pošk r u, př sokém počtu u je přii vy vysokém uje jetých kilo-tých kilo me ů na značné opo tř ebení někt emetr trů opotř třebení něktetr r ých funkčních ssk k upin. Předpokladem správně provedené zkoušky kompresních tlaků jsou následující body: ● motor zahřátý na provozní teplotu; ● dekompresovaný motor, tzn. že jsou vymontovány všechny zapalovací, resp. žhavicí svíčky nebo všechny vstřikovací trysky; ● škrticí klapka je otevřena naplno; ● napájení spouštěče plným napětím akumulátoru; ● nastavená předepsaná vůle ventilů; ● rovnoměrná spouštěcí doba; ● u motorů se vstřikováním jsou uzavřena všechna vstřikovací potrubí; ● u tranzistorových zapalování je centrální konektor vytažen ze spínací skříňky, aby nedošlo k jejímu poškození. Pokud se má přesně změřit kompresní tlak jednotlivých válců, musí se vytvořit podmínky stejné jako při jízdě. Je-li motor studený, je kompresní tlak menší, protože ohřívání nasávaného vzduchu
ř íjen 2005
během komprese je ještě poměrně malé. Naměřená hodnota pak neodpovídá poměrům při jízdě. Avšak u motoru se špatným chováním při spouštění – když už bylo zkontrolováno zapalování, rozběhové otáčky, vůle ventilů a vstřikovací soustava – může být měření kompresního tlaku i při studeném motoru prospěšné. Po vyšroubování svíček nebo vstřikovačů (dekompresi) dosahuje motor při protáčení pomocí spouštěče vyšších otáček, které více odpovídají běžným pracovním podmínkám než nižší rozběhové otáčky. Škrticí klapka musí být otevřena naplno, aby motor mohl nasávat dostatek vzduchu. Je-li škrticí klapka otevřená neúplně nebo je zavřená, nemůže zkoušený válec dostatečně nasávat a z toho důvodu má také poměrně malou kompresi. Hodnoty pro zkoušení kompresního tlaku jsou udávány výrobci vozidel, přičemž se rozlišuje mezi určenými a mi-
nimálními hodnotami (mezní opotřebení). Je běžné, že se kompresní tlak při zvyšujícím se počtu ujetých kilometrů (provozních hodin) zmenšuje. Hodnoty pro jednotlivé válce by však měly být co nejrovnoměrnější. Maximální přípustný rozdíl tlaku u motoru zahřátého na pracovní teplotu nesmí překročit 0,15 – 0,3 MPa u zážehových motorů, nebo 0,3 – 0,5 MPa u vznětových motorů. Přesné hodnoty i zde stanoví výrobce.
➟
Ztr átám kkom om pr esního tlak u Ztrátám ompr presního tlaku ečně př iléhav důsledk u nedos v důsledku nedostt at atečně přiléhajících pís tních kr oužků lz átk opístních kroužků lzee kr krátk átkodobě zabr ánit vvss tř íknutím malého zabránit tříknutím mno žs tví vvelmi elmi vis k ózního oleje do množs žství visk válce. PPak ak ttepr epr v e následu je měř enásleduje měření kkom om pr esních tlaků. ompr presních Vycházíme-li v obr. 5a z toho, že výrobce udává pro nový zážehový motor kompresní tlak 1,2 MPa, minimální
Obr. 5 – Zobrazení kompresních tlaků zážehového motoru v barech.
A ut T utoEXPER oEXPERT oEXPER
5
P R A K T I C K Á
hodnotu 0,8 MPa a maximální dovolený rozdíl tlaků 0,15 MPa, pak to znamená následující: Na obr. 5a je kompresní tlak jednotlivých válců prakticky stejný, leží ale u nejnižší hodnoty. Z rovnoměrnosti kompresního tlaku u neporušeného motoru je možné usuzovat na rovnoměrné opotřebení. Velmi nízká hodnota ukazuje na to, že daný motor má za sebou již velký počet ujetých kilometrů (provozních hodin), a tím i velké opotřebení. Podobný obraz je však možné získat i po poměrně malém počtu ujetých kilometrů (provozních hodin), pokud se vozidlo používá převážně na krátkých trasách. Na obrázku měřený motor může být bez problémů provozován dál, vykazuje však již slabiny ve výkonu a spotřebě paliva i mazacího oleje. Hodnoty emisí ve výfukových plynech však lze i přesto dodržet, pokud je v pořádku jejich dodatečné ošetření. Obr. 5b ukazuje typický případ velké nerovnoměrnosti. Kompresní tlak ve válci č. 3 je daleko pod minimální hodnotou. To ukazuje na netěsnost ventilů nebo pístních kroužků v tomto válci. Kromě toho je významně překročen maximální dovolený rozdíl tlaku mezi válcem 3 a ostatními válci. Motor tak má nejen už výše uvedené slabiny, ale v důsledku tohoto rozdílu má při pouhých čtyřech válcích již velmi zřetelně neklidný chod naprázdno.
Zk ouš k a ztr át Zkouš oušk ztrát átyy tlaku Pomocí přístroje na měření ztráty tlaku je možné lokalizovat příčinu zhoršení kompresního tlaku. Přístroj je třeba nejprve připojit k místnímu rozvodu stlačeného vzduchu a jeho ukazatel nastavit na nulovou hodnotu. Pak se na zkoušený válec např. na místo zapalovací svíčky našroubuje adaptér a do něj se zastrčí píšťalka pro hledání polohy zapalování v horní úvrati. Při otáčení klikovou hřídelí uchází v průběhu taktu komprese z válce vzduch a píšťalka píská. Poloha zapalování v horní úvrati je nalezena, jakmile píšťalka zmlkne. Nyní se motor zablokuje, píšťalka se vytáhne a pomocí tlakové hadice se k adaptéru připojí zkušební přístroj.
6
autoEXPERT Aut oEXPER utoEXPER oEXPERT T
D Í L N A
Stlačený vzduch přicházející do válce uniká více nebo méně všemi netěsnostmi (ventily, pístní kroužky a těsnění pod hlavou válce), přičemž přístroj ukazuje stupeň netěsnosti v procentech. Tuto kontrolu je třeba provést ve třech polohách pístu, a to: ● v poloze zapalování v horní úvrati; ● asi v 1/3 zdvihu pístu; ● krátce před otevřením výfukového ventilu, tj. asi 60° před dolní úvratí. Sluchovou nebo zrakovou zkouškou otevřeného sacího potrubí, výfuku, otvorů pro plnění oleje, nádrže chladicí kapaliny, kompenzační nádrže a na sousedních otvorech pro svíčky se zjistí, kde je závada, resp. kde dochází k největšímu úniku tlaku (netěsnosti). Zkouška se provádí na motoru zahřátém na provozní teplotu, přičemž odchylka mezi jednotlivými válci může být maximálně 5 %. Dovolená ztráta tlaku je celkově maximálně 25 % (mezní hodnota), u pístů a pístních kroužků maximálně
20 % a u ventilů i těsnění hlavy válců maximálně 10 %. Výsledky měření lze hodnotit následujícím způsobem: ● ztráta tlaku do 6 % = velmi dobrá; ● ztráta tlaku do 12 % = dobrá; ● ztráta tlaku do 20 % = uspokojivá; ● ztráta tlaku do 25 % = dostatečná. N er o vnoměr nos u ero vnoměrnos nostt chodu mo mott or oru V důsledku neustálého střídání pracovního a nepracovních taktů naprázdno je chod motoru nerovnoměrný. Tím dochází ke kolísání otáček, které se projevují neklidným chodem motoru. Tato nerovnoměrnost se zvětšuje, čím menší je počet válců (velký interval zapalování), čím menší jsou otáčky motoru a čím větší jsou rozdíly sil působících na písty. U vznětových motorů je tato nerovnoměrnost chodu větší než u zážehových motorů, a to v důsledku působení větších sil v jednotlivých pracovních taktech. Při chodu naprázdno může velká nerovnoměrnost chodu vést až k rachocení v hnacím ústrojí.
ř íjen 2005
P R A K T I C K Á
Obr. 6 – Torzní tlumič (V. A. G.).
Další pomocná zař íz ení zaříz ízení mo u mott or oru Tor zní tlumič orzní Torzní tlumič se skládá z pevného kotouče (malá hmota) a setrvačníku ve tvaru věnce (velká hmota – obr. 6). Oba díly jsou navzájem spojeny vulkanizovanou pryží, a proto se mohou proti sobě otáčet o několik úhlových stupňů. Pevný kotouč je svou čelní plochou přišroubován ke klikové hřídeli. Účelem torzního tlumiče je vyrovnávání kolísání otáček klikové hřídele. Při náhlém zrychlení zůstává setrvačník pootočen o několik stupňů za aktuální pozicí klikové hřídele, zatímco při deceleraci tuto polohu příslušně předchází. Torzní tlumič je nejčastěji montován na řadové šestiválcové motory, někdy je možná jeho aplikace také u řadových čtyřválců nebo u osmiválcových motorů do V. Torzní tlumič je důležitý nejenom pro klidný chod motoru, ale také pro rovnoměrný pohon vačkové hřídele a její malé opotřebení. Dv o jhmo tr vačník Dvo jhmott o vý se setr trvačník Kolísání otáček klikové hřídele, vyvolané nerovnoměrností frekvence zapalování, se obvykle přenáší na převodovku, na hnací ústrojí a prostřednictvím zavěšení náprav i na karoserii. Jako nepříznivý jev se mohou tyto frekvence projevovat např. jako rachocení převodovky, resp. jako dunění nebo hučení. Do určité míry je možné tyto projevy potlačit pomocí zkrutných pružin v unášecím kotouči spojky.
ř íjen 2005
D Í L N A
Obr. 7 – Dvojhmotový setrvačník (LuK).
Dvojhmotový setrvačník je svou zadní čelní stranou přišroubován ke klikové hřídeli a podobně jako torzní tlumič se skládá ze dvou hmot (obr. 7), které jsou vzájemně pohyblivě spojeny. Mezi oběma hmotami se nachází několikastupňový systém tlumicích pružin, skládající se ze tří skupin pružin a třecího mechanismu. Pohyblivý díl dvojhmotového setrvačníku se může otáčet proti síle pružin až k pevnému dorazu. Při spouštění a zastavování motoru dochází mezi setrvačnými hmotami k největšímu protáčení, tzn. že do akce se zapojují všechny tři skupiny pružin. Při otáčkách chodu naprázdno pracují tlumicí pružiny prvního stupně, zatímco během jízdy se v závislosti na zatížení motoru uplatňují i tlumicí pružiny 2. a 3. stupně. Unášecí kotouč spojky v tomto případě nemá žádné zkrutné pružiny.
Obr. 8 – Dvojhmotový setrvačník s planetovou redukcí (planetový dvojhmotový setrvačník).
Dvojhmotový setrvačník zabraňuje např. u vznětového motoru BMW chvění motoru a rachocení převodovky při chodu naprázdno, rušivým zvukům v hnacím ústrojí a dunění nebo hučení karoserie. Takový automobil může bez újmy na pohodlí posádky jezdit nižší rychlostí při vyšším rychlostním stupni a tím s nižší spotřebou paliva a nižšími emisemi. Dv o jhmo tr vačník Dvo jhmott o vý se setr s plane eduk cí s planett o v ou rreduk edukcí Planetová redukce zabudovaná do dvojhmotového setrvačníku (obr. 8) umožňuje proměnlivost účinku v závislosti na převodovém poměru. Tímto opatřením je možné systém tlumení optimálně vyladit a zvýšit t ak pohodlnost jízdy. Dalšími výhodami jsou snížení spotřeby paliva, protože řidič může bez ztráty komfortu dříve řadit na vyšší stupeň, a snížení zatížení celého pohonu i pomocných agregátů a tím prodloužení jejich životnosti. Hydr odam p Hydrodam odamp Hydrodamp je speciální konstrukce torzního tlumiče složená ze systému odpružených hmot a hydraulického tlumení (obr. 9). Tento obzvláště pružný torzní tlumič řeší narůstající problémy s kmitáním v hnacích ústrojích moderních užitkových automobilů. Příčinou těchto problémů jsou stále se zvětšující točivé momenty motorů, především v oblasti nízkých otáček. Ty při nízkých (úsporných) otáčkách zesilují kmitání, která nepříznivě ovlivňují
A ut T utoEXPER oEXPERT oEXPER
7
P R A K T I C K Á
D Í L N A
komfort jízdy a vedou k předčasným závadám v hnacím ústrojí. Zdokonalené tlumení je žádoucí k tomu, aby kompenzovalo zejména extrémní zatížení při rozjíždění. To je obzvlášť nutné při naložení velmi těžkého nákladu, kdy vzniká riziko, že se motor začne při rozjíždění nebo v nízkých otáčkách dusit. Za palo vací gener át or Zapalo palovací generát átor na klik o v é hř ídeli kliko hřídeli Funkci spouštěče a alternátoru bude v budoucnosti přebírat jeden zapalovací generátor, umístěný v oblasti setrvačníku (obr. 10). Ten bude spouštět motor, napájet elektroinstalaci vozu proudem a při akceleraci obstarávat dodatečný tah – využití tohoto systému nabývá na významu především u hybridních pohonů vozidel. Využitím této technologie se stanou zbytečnými takové spotřební díly, jako klínový řemen a ozubený věnec i pastorek spouštěče. Spouštění motoru bude pohodlnější a řidič ho ani nezaznamená, což umožňuje také plně automatizovaný režim Start/Stop. V yvažo vací hř ídele yvažovací hřídele Pístové motory jsou známy svým více nebo méně neklidným chodem. Kromě výše uvedené nerovnoměrnosti je příčinou neklidu i přímočarý vratný pohyb pístu, kdy dochází k jeho neustálému rozběhu do maximální rychlosti,
Obr. 9 – Hydrodamp (Voith). 1 – primární díl 2 – pevně nastavený doraz 3 – tlumicí kapalina 4 – plovoucí tlumicí prstenec 5 – zabudovaný ventil vratného chodu 6 – sekundární díl 7 – účinek plnění 8 – tlumení vyvolávané škrticím účinkem 9 – ventil vratného chodu uzavřen
závaží a přesného vyvažování poměrně snadno a nebudí tím žádné kmitání 1. řádu, tak problematičtějším se jeví kmitání 2. řádu, které vzniká vlivem tam a zpět se pohybující (oscilující) hmoty klikového ústrojí a silových účinků plynu při pracovním taktu. Tyto kmity působí ve směru válce a ve směru otáčení. Přitom vznikají vibra-
ce a hluky, které ovlivňují komfort i v kabině posádky. Čím menší je počet válců, resp. čím větší je píst, tím větší je i tento problém. Řešení přinášejí vyvažovací hřídele s vypočítanými a vnesenými nevyváženostmi, protože svým vyladěným kmitáním v protisměru dosahují požadované klidnosti chodu (obr. 11). Zatímco čtyřválcové motory potřebují k optimalizaci svého chodu dvě vyvažovací hřídele, které jsou postaveny navzájem proti sobě a otáčejí se s dvojnásobným počtem otáček klikové hřídele, vystačí pětiválcové motory stejně jako nové motory V6 firmy Mercedes-Benz s jednou vyvažovací hřídelí otáčející se proti směru otáčení klikové hřídele stejnými otáčkami. Řadové šestiválcové motory a motory V12 díky své vyváženosti hmot, které se dosahuje i u motorů V8 příslušnými protizávažími umístěnými na klikové hřídeli, žádnou vyvažovací hřídel nepotřebují. Za věšení mo u Zavěšení mott or oru Motory bývají v automobilech uloženy převážně na blocích z tvrdé pryže (silentblocích), namáhaných na tah i tlak. Tyto bloky tlumí přenášení kmitů a hluků z motoru na karoserii a podvozek. Vyššího účinku tlumení se dosahuje použitím hydraulického uložení, které je konstruováno tak, aby různým
Obr. 10 – Zapalovací generá− tor (Sachs Dyna Start).
aby byl záhy zcela zastaven v jedné z úvratí. Zatímco kliková hřídel se vyrovnává jako rotující těleso pomocí přesazení čepů klikové hřídele, vyvažovacích
8
autoEXPERT Aut oEXPER utoEXPER oEXPERT T
Obr. 11 – Pohon vyvažovacích hřídelí (Porsche 944).
ř íjen 2005
P R A K T I C K Á
sahu provozních otáček. Pod pojmem plné zatížení se rozumí zatížení, které může motor překonat bez poklesu otáček. K dispozici je přitom maximální možné množství paliva. Hodnoty zjištěné v celém rozsahu otáček jsou základem pro průběh křivek točivého momentu, výkonu a specifické spotřeby paliva. Z průběhu těchto křivek lze určit maximální točivý moment, maximální výkon a minimální spotřebu paliva při příslušných otáčkách.
Obr. 12 – Hydraulické uložení motoru.
způsobem zpracovávalo nízko- a vysokofrekvenční kmitání (obr. 12). Při nízkofrekvenčním kmitání se tlumicí kapalina (směs alkoholu a vody) pohybuje sem a tam otvorem trysky mezi dvěma pracovními komorami. Výsledkem je poměrně měkké tlumení. Protože vysokofrekvenční kmit y není možné dostatečně rychle kompenzovat během jejich vzniku, účinkuje na ně celý blok uložení. Výsledkem je tuhé tlumení.
Char akt eris tik Charakt akteris eristik tikaa př ení přii čás částt ečném zatíž zatížení Protože motor je při běžném provozu jen zřídka plně zatěžován, jsou rovněž důležitá měření při částečném zatížení. Zde se provádí řada měření v celém rozsahu provozních otáček motoru, při konstantním zatížení, tj. nastave-
D Í L N A
ní polohy škrticí klapky, které je menší než maximální (plné otevření). Při konstantním zatížení (poloze škrticí klapky) by teoreticky měla být v celé oblasti otáček stejná měrná spotřeba paliva i stejný točivý moment, neboť vlastně musí vždy stejné množství energie jedné náplně válce dodávat stejnou mechanickou práci na klikové hřídeli. Podle toho by měl výkon růst přímo úměrně s otáčkami. Příčinami odchylek od ideálního stavu v oblasti nízkých otáček jsou ztráty při chodu naprázdno překonáváním tření motoru, který běží nezatížený, tepelné ztráty, nedostatek vzduchu a špatné podmínky pro směšování paliva a vzduchu vzhledem k nízké rychlosti proudění. V oblasti vysokých otáček to jsou ztráty při plnění způsobené stoupajícími hydraulickými odpory proudění,
V ýk ono ame tr u ýkono onovv é par parame ametr tryy mo mottor oru Char akt eris tik u Charakt akteris eristik tikaa mo mott or oru Užitné vlastnosti spalovacího motoru určuje jeho točivý moment, výkon a spotřeba paliva. Charakteristika motoru (rychlostní) je závislost užitečného výkonu, točivého momentu a měrné (specifické) spotřeby paliva na otáčkách motoru (obr. 13). Zjišťuje se na zkušebním stavu, tzv. dynamometru (brzdě). U průmyslových motorů se používají i jiné charakteristiky motoru, např. zatěžovací. Podle zatížení motoru lze rozlišovat rychlostní charakteristiku vnější (při plném zatížení) a rychlostní charakteristiky částečné (při částečném zatížení). Vnější char akt eris tik charakt akteris eristik tikaa (př ení) (přii plném zatíž zatížení) Motor je zahřátý na provozní teplotu a jeho parametry se zjišťují s úplně otevřenou škrticí klapkou v celém roz-
ř íjen 2005
A ut T utoEXPER oEXPERT oEXPER
9
P R A K T I C K Á
D Í L N A
Obr. 13 – Charakteristika čtyřdobého motoru při plném zatížení (vnější charakteristika).
ztráty při plnění způsobené vysokými vnitřními teplotami válců a ztráty způsobené třením. Motory s karburátory mají více zakřivené křivky točivého momentu než motory se vstřikováním, protože sací průřezy se musí udržovat menší, aby se dosáhlo vyšší rychlosti proudění směsi nutné pro rozprašování paliva. Především v oblasti vysokých otáček tím silně rostou rychlosti proudění, dochází ke ztrátám při plnění a k poklesu točivého momentu. Provozní (stabilní) oblast otáček motoru leží mezi otáčkami maximálního točivého mo-
Obr. 14 – Úplná charakteristika motoru.
mentu a otáčkami maximálního výkonu (obr. 13). Při klesajících otáčkách v důsledku zvýšení jízdních odporů se klesající výkon vyrovnává narůstajícím točivým momentem. Úplná char akt eris tik eristik tikaa charakt akteris (char akt eris tik po tř eb y) (charakt akteris eristik tikaa sspo potř třeb eby) Na obr. 14 je znázorněn točivý moment v závislosti na otáčkách při různé specifické spotřebě paliva, závisející na zatížení. Křivky konstantní specifické spotřeby paliva mohou být otevřené i uzavřené. Protože se uzavřené křivky podobají mušlím, nazývají
se v zahraniční literatuře také mušlové křivky. Navíc tato charakteristika obsahuje ještě křivky s konstantním užitečným výkonem, ze kterých je vidět, že motor může podat stejný užitečný výkon při naprosto rozdílné specifické spotřebě paliva. V ýk on mo u ýkon mott or oru U spalovacích motorů se rozlišuje mezi jmenovitým výkonem Pi = teoretický výkon a efektivním výkonem Pe = využitelný výkon. Efektivní výkon je v důsledku ztrát energie – chlazením, vyzařováním, třením a v teplu odváděném výfukem – menší než jmenovitý výkon. Účinnost jednotlivých typů motorů se pohybuje mezi 25 až 50 %. V technickém průkazu vozidla se udává efektivní výkon (Pe), který má motor při jmenovitém počtu otáček, např. 100 kW. Při přenosu výkonu na kola dochází vlivem tření k dalším ztrátám, kterými se spotřebuje dalších asi 30 % efektivního výkonu motoru. Efektivní výkon motoru (Pe) je násobkem velikosti točivého momentu ( M) a počtu otáček ( n). Vypočítá se v kW podle následujícího vzorce:
M.n Pe = ______ ; 9550 přičemž točivý moment se zadává v Nm a otáčky motoru v min-1. Výrobcem uváděný jmenovitý výkon se vždy vztahuje k tlaku vzduchu 760 torr (101,3 MPa) a teplotě vzduchu 20 °C. V běžné praxi se ještě často výkon udává ve starých jednotkách tzv. koň-
10
autoEXPERT Aut oEXPER utoEXPER oEXPERT T
ř íjen 2005
P R A K T I C K Á
ských silách (k), i když oficiální údaj je v kW. Přepočet je jednoduchý: 1 kW odpovídá 1,36 k (podle DIN) a 1 k odpovídá 0,736 kW. 1 k je přitom výkon, který je potřebný pro zvednutí 75 kg do výšky 1 m za dobu 1 s.
sacím potrubím a proměnností rozvodových dob. Rychlosti spalování lze naproti tomu ovlivnit např. zlepšenou turbulencí směsi ve válci, vyšší kompresí, optimalizací tvaru spalovacího prostoru nebo dvojitým zapalováním.
Měr ný ob jemo vý výk on Měrný objemo jemový výkon o vý výk on) (litro výkon) (litr Pod pojmem měrný objemový výkon (PH) se rozumí jakého efektivního užitečného výkonu (Pe) se dosahuje z jednoho litru zdvihového objemu daného motoru. Měrný objemový resp. litrový výkon je tedy měřítkem kvality konstrukce motoru. Jeho hodnotu získáme vydělením efektivního výkonu objemem motoru:
Točivý momen momentt Točivý moment je násobkem síly působící na píst na ramenu páky, která jako otáčivá síla působí na spojku. Hodnotu točivého momentu určuje spalovací tlak, účinná plocha pístu a délka ramene kliky na klikové hřídeli. Motory s velkým objemem dosahují vysokého točivého momentu, a to např. jen díky velkým plochám pístů, na které působí spalovací tlak. Protože malý motor má i malé písty, nemůže být jeho točivý moment při tomto porovnání nijak velký. Avšak i u něj je možné dosáhnout značného výkonu, a to vyššími otáčkami, tzn. větším počtem pracovních taktů. Protože to však kvůli spotřebě paliva a pohodlí neodpovídá praxi, vyvolává takový motor v oblasti nízkých otáček dojem, že je téměř bez síly. O překonání tohoto nedostatku se konstruktéři pokoušejí využitím většího počtu ventilů, proměnlivých rozvodových dob,
Pe PH = ______ ; VH kde P H je měrný objemový výkon v kW.l -1 , P e užitečný výkon motoru v kW a VH objem motoru v litrech. Měr ný hmo tnos tní výk on Měrný hmotnos tnostní výkon Měrný hmotnostní výkon ( m PM ) je měřítkem odlehčení konstrukce. Proto může mít např. motocykl s výkonem 100 kW podstatně vyšší akceleraci než automobil se stejným výkonem. Měrný hmotnostní výkon se získá vydělením hmotnosti vozidla ( m F ) efektivním výkonem motoru (Pe):
D Í L N A
přepínacího sacího potrubí či turbodmychadel. Do jisté míry je možné točivý moment a tím i výkon zvýšit zdokonaleným plněním válců, avšak nic z toho nemůže nahradit velký objem. Řidič automobilu s malým objemem motoru to nejzřetelněji pocítí ve stoupání nebo při akceleraci, kdy je v porovnání s automobilem s velkým objemem značně v nevýhodě. Velké točivé momenty umožňují silnou akceleraci a pohodlnou jízdu, aniž by bylo nutné často řadit. Pokud se maximálního točivého momentu dosahuje již při hodně nízkých otáčkách, může být automobil provozován s velmi malou spotřebou. Leží-li však hodně vysoko (v oblasti vysokých otáček), pak má motor sportovní charakter a v oblasti maximálních otáček pracuje obzvláště účinně. Obr. 15 ukazuje ovlivnitelné hodnoty pětilitrového vznětového motoru VW (V10 TDI), který je montován do modelu Phaeton a do terénního automobilu Tuareg. Tento motor má maximální výkon 230 kW (313 k) a maximální točivý moment 750 Nm při 2000 min-1. Motor V12 v modelu Mercedes Maybach poskytuje z objemu 5,5 litru maxi-
mF [kg.kW-1] mPM = ______ . Pe
Fakt or vlivňu jící aktor oryy o ovlivňu vlivňující on mo u výkon mott or oru výk Velký zdvihový objem je nejlepším předpokladem vysokého výkonu motoru. Proto může např. motor V12 s objemem 6 l disponovat výkonem až 440 kW (600 k). Výkon motoru však nezvyšuje jen jeho objem, nýbrž i větší síly působící na píst, větší otáčky nebo točivý moment motoru. Toho lze dosáhnout technickým řešením jednotlivých oblastí nebo současným využitím několika řešení. Síla působící na píst se při stejném objemu motoru zvětšuje využitím lepšího plnění válce, např. většího počtu ventilů, turbodmychadla, přepínacím
ř íjen 2005
Obr. 15 – Průběh točivého momentu a výkonu motoru V10 TDI (VW).
A ut T utoEXPER oEXPERT oEXPER
11
P R A K T I C K Á
mální výkon 405 kW (550 k) a točivý moment 900 Nm při 2300 min-1.
D Í L N A
vý ventil). Zvětšením sacího průřezu se dosahuje rychlejšího plnění válce a většího točivého momentu i výkonu
motoru. Protože má každý válec jenom jeden výfukový ventil, jsou nižší tepelné ztráty v porovnání se čtyřventilovou technikou, a navíc teplejší výfukové plyny aktivují katalyzátor rychleji, tzn. že se rychleji a tím i účinněji dosahuje jeho provozní teploty a tím i snížení emisí. Technika se čtyřmi ventily vybavuje každý válec dvěma sacími a dvěma výfukovými ventily. Výhody tohoto uspořádání spočívají ve zlepšení procesu výměny plynů zvětšením průtočného průřezu (vyšší točivý moment a pružnost motoru), zvýšení otáček, protože ventily jsou malé a lehké (větší výkon), snížení ztrát při vyplachování a spotřeby paliva v důsledku kratších rozvodových dob (větší výkon při nízkých otáčkách). Mezi další výhody patří i čistší spalování a malá náchylnost k detonačnímu hoření směsi, na kterou má velký vliv ideální umístění zapalovací svíčky (uprostřed) i plochý spalovací prostor (krátká dráha plamene). Pětiventilová technika (obr. 16) používaná např. u Audi (tři sací a dva výfukové ventily) zlepšuje výměnu plynů. Ta díky velkým průtočným průřezům probíhá rychleji, zlepšuje tak plnění válce a zvyšuje výkon motoru. Velké průtočné průřezy umožňují kratší doby otevření ventilů, čímž se zmenšuje jejich překrytí. Tím se snižují ztráty čerstvé směsi a hlučnost spalování. Svíčky umístěné uprostřed zkracují dráhu plamene, takže se snižuje riziko kle-
Vliv vventilo entilo v é ttechniky echniky entilov V závislosti na stanovených cílech výkonových parametrů se v současnosti nejvíce konstruují motory se dvěma, třemi, čtyřmi nebo pěti ventily na válec, přičemž rozhodující roli mají točivý moment a výkon motoru, ale i úspora paliva a snížení emisí. Při použití dvouventilové techniky je každý válec vybaven jedním sacím a jedním výfukovým ventilem. Kvůli omezenému průtočnému průřezu je plnění válce pomalé a dosahovaný výkon malý. Tato technologie je však jednoduchá a levná. Současné motory osobních automobilů jsou vybaveny většinou tříventilovou technologií (2 sací a jeden výfuko-
12
autoEXPERT Aut oEXPER utoEXPER oEXPERT T
ř íjen 2005
P R A K T I C K Á
D Í L N A
pání při vysoké kompresi a dosahuje se intenzivnějšího využití paliva. Mezi hlavní výhody tohoto uspořádání patří: vysoký točivý moment, vysoký výkon při malém zdvihovém objemu, nižší spotřeba paliva v důsledku vysoké účinnosti motoru a klidný chod díky tichému spalování. Př epínací sací po tr ubí Přepínací potr trubí Tvarování sacího potrubí má rozhodující vliv na tvoření směsi a plnění válců. Příznivý vliv má na rychlost spalování, točivý moment, podmínky chodu i výkonu motoru a na emisní hodnoty motoru. Rozdíly v jeho délkách k jednotlivým válcům nutně zapříčiňují rozdílné odpory proudění směsi a tím i různé plnění válců. Délka sacího potrubí ovlivňuje frekvenci kmitajícího sloupce plynů. Protože se při konstantní délce sacího potrubí může dosahovat optimálního plnění válce jen v určitém intervalu otáček, je účelné využít měnitelného sacího potrubí. Dlouhá sací potrubí jsou optimální při nízkých otáčkách, krátká při vysokých. Přepínací sací potrubí jsou měnitelná, tzn. že se v závislosti na otáčkách vždy automaticky nastaví tak, aby optimalizovala točivý moment, resp. výkon motoru. Využití plastů při výrobě sacího potrubí snižuje hmotnost, jejich špatná tepelná vodivost udržuje nízkou teplotu nasávaného vzduchu a tím i příslušně vysoký obsah kyslíku v sacím potrubí.
Obr. 16 – Pětiventilová technika (Audi A4).
Přepínací sací potrubí, které je např. u motoru Audi V6 přepínatelné ve dvou, resp. u motoru Audi V8 ve třech stupních, umožňuje měnit sací dráhy přesně podle potřeby. Tím se dosáhne vysokého točivého momentu, jakož i vysokého výkonu motoru. V dolním intervalu otáček jsou přepojovací klapky u Audi V6 zavřeny až do otáček 4100 min-1 (obr. 17). Dlouhé sací dráhy s malým průřezem zvyšují rychlost proudění a tím i točivý moment. V horním intervalu otáček (nad 4100 min -1) se přepojova-
Obr. 17 – Přepínací sací potrubí (motor Audi V6). Přepojovací klapky jsou zavřené, motor nasává tzv. kanály točivého momentu (dlouhé sací dráhy).
ř íjen 2005
cí klapka otevře (obr. 18), což znamená krátké sací dráhy. Krátké sací dráhy s velkým průřezem zde zrychlují plnění válců a tím zvyšují výkon. Zpožděné přepínání zabraňuje cukání při rovnoměrné jízdě s otáčkami nad 4100 min-1. Motor V8 nového modelu BMW 7 je vybaven stupňovitě měnitelným sacím zařízením. Délka sacího potrubí se v intervalu otáček nad 3500 min-1 pomocí elektromotoru a šnekového převodu automaticky a stupňovitě mění od 230 do 670 mm.
Obr. 18 – Přepínací sací potrubí (motor Audi V6). Přepojovací klapky jsou otevřené, motor nasává tzv. výkonovými kanály (krátké sací dráhy).
A ut T utoEXPER oEXPERT oEXPER
13
P R A K T I C K Á
Tur bodm y chadlo urbodm bodmy Proud výfukových plynů, jehož síla je závislá na otáčkách motoru, pohání turbínové kolo turbodmychadla, které je spojeno s čerpadlovým kolem. To vytváří přeplňovací tlak, který zlepšuje plnění válců, zvyšuje točivý moment i výkon motoru a snižuje spotřebu paliva. Podle konstrukce lze turbodmychadla rozdělit na: ● turbodmychadlo bez obtoku pro nízké jmenovité otáčky (motor y nákladních automobilů), ● turbodmychadlo s obtokem pro omezení přeplňovacího tlaku (motory osobních automobilů), ● turbodmychadlo s obtokem pro osobní automobily s řídicí jednotkou Motronic, ● turbodmychadlo s vodicími lopatkami. Turbodmychadla s přestavitelnými vodicími lopatkami (vznětové motory Audi a VW) nepotřebují žádný obtok (obr. 19). Pomocí podtlakové skříňky se aktivuje nastavovací kroužek (obr. 20),
14
autoEXPERT Aut oEXPER utoEXPER oEXPERT T
D Í L N A
který mění polohu vodicích lopatek, umístěných na nosném prstenci. Ty pak ovlivňují proud výfukových plynů působící na turbínové kolo.
Princip práce je tak velmi jednoduchý: Při nízkých otáčkách se vstupní průřez zmenší (obr. 21), takže se vynutí zrychlení proudu výfukových plynů a tím i zvýšení otáček turbínového kola. Tak se dosáhne požadovaného přeplňovacího tlaku už při nízkých otáčkách, aniž by došlo k propadu ve výkonu (díra v přeplňování). Při vyšších otáčkách se vstupní průřez zvětší (obr. 22), takže se turbínové kolo neotáčí tak rychle a přeplňovací tlak není tak velký. Tato regulace rychle zajistí maximální přeplňovací tlak, který se udržuje v určitém intervalu otáček (obr. 23). V případě nastavení nouzového provozu se otevře největší vstupní průřez. Turbodmychadlo Holset vyvinuté pro užitkové automobily Iveco má na vstupu turbíny měnitelný průřez, kterým proudí výfukové plyny. Elektronická regulace umožňuje měnit charakteristiku tohoto turbodmychadla. Ta se přizpůsobuje podle otáček motoru a požadovaného výkonu. Při běžném provozu se turbodmychadlo nastaví na maximální výkon. V dolním a středním intervalu otáček se průřez na vstupu turbíny zmenší. Tím se automaticky zvýší tlak, a tím i otáčky turbíny a oběžného kola kompresoru. Protože se tak do válce dostává o hodně více vzduchu, může se vstřikovat i více pa-
Obr. 19 – Přestavitelné turbodmychadlo (VW).
ř íjen 2005
P R A K T I C K Á
D Í L N A
liva – přesně takové množství, které i v dolním intervalu otáček umožňuje dostatečný výkon motoru bez kouřových emisí. Dodávané množství paliva a vzduchu reguluje řídicí jednotka podle aktuálního vyhodnocení polohy pedálu akcelerátoru a pracovních podmínek motoru. Je-li teplota chladicí kapaliny příliš nízká nebo příliš vysoká, resp. je příliš vysoká teplota vzduchu v sacím potrubí, množství paliva i přeplňovací tlak se sníží za účelem ochrany motoru. U vozidel Saab 3,0 V6 Ecopower stačí jediné turbodmychadlo poháněné výfukovými plyny z přední řady válců k tomu, aby přeplňovalo všech šest válců. Dynachar ger Dynacharger Jak již bylo uvedeno výše, plnění válců motoru je možné zvětšit pomocí turbodmychadla. Přitom se výrazně zvětšuje točivý moment a výkon motoru, ale zmenšuje se spotřeba paliva. Bohužel k tomu dochází až tehdy, kdy se turbodmychadlo otáčí dostatečně rychle. A právě zde nastává problém, protože při nízkých otáčkách motoru je proud výfukových plynů ještě příliš slabý a nemá tak potřebnou účinnost. Aby se vysokého přeplňovacího tlaku a tím i relativně velkého točivého momentu dosáhlo co nejrychleji, za-
Obr. 20 – Přestavování vodicích lopatek.
čal se u některých vozidel využívat tzv. Dynacharger. Dynacharger je turbodmychadlo řízené pomocí pole charakteristik, které pohání elektromotor s vysokým výkonem. Tak se může dosáhnout požadovaného přeplňovacího tlaku, ještě než se motor rozběhne do patřičných otáček. Turbínové kolo tohoto turbodmychadla se pomocí elektroniky rozběhne několika desítkami tisíc otáček za
Obr. 21 – Nastavení vodicích lopatek při nízkých otáčkách.
ř íjen 2005
méně než jednu sekundu. Nasávaný vzduch se stlačí, přitom se ohřeje a proudí do spalovacího prostoru. Tím se částečně stávají zbytečnými i žhavicí svíčky, obohacování směsi při spouštění či pomocný ohřev. Dřívější dosažení vysokého točivého momentu dovoluje i dřívější přeřazení na vyšší rychlostní stupeň. Tím se snižuje hladina hlučnosti, spotřeba paliva i hodnoty emisí.
Obr. 22 – Nastavení vodicích lopatek při vysokých otáčkách.
A ut T utoEXPER oEXPERT oEXPER
15
P R A K T I C K Á
D Í L N A
výkonu 95 kW (128 k) a se zdvojeným zapalováním výkonu 109 kW (148 k). Použitím dvou svíček ve válci se zkracuje dráha plamene ve spalovacím prostoru. Směs se zapálí po kratší době a proto se méně ohřívá. Zatímco se tak zmenšuje náchylnost ke klepání, zvyšuje se spalovací tlak a tím i síla působící na píst. Motor má velký a rovnoměrný točivý moment ve velkém intervalu otáček, čímž se zlepšuje i jeho pružnost. Hlavními výhodami tohoto řešení je vysoký točivý moment, vysoký výkon, nízká spotřeba paliva a snížení obsahu škodlivin ve výfukových plynech.
Obr. 23 – Průběh točivého momentu a výkonu u Audi V8 TDI s měnitelnými turbodmychadly (bi−Turbo).
Spalo vací pr os Spalovací pros ostt or Tvar spalovacího prostoru se navrhuje promyšleným tvarováním povrchu dna pístu nebo hlavy válců, takže v moderních motorech se tak vytvářejí protilehlé čelní plochy – stlačovací plochy. Při kompresi směs vystřeluje velkou rychlostí z takto vytvořené stlačovací štěrbiny do okolního spalovacího prostoru, tj. k zapalovací svíčce (obr. 24 a 25). Stlačovací plochy vyvolávají kompresní turbulenci, která je velmi důležitá právě při nízkých otáčkách (malá turbulence na vstupu) pro rychlé šíření fronty plamene a tím i pro dokonalé spalování.
Tvarování spalovacího prostoru má příznivý vliv na kvalitu spalování, spotřebu paliva, charakteristiku chodu motoru, výkonové charakteristiky motoru a podíl škodlivin ve výfukových plynech. Zdv o jené zapalo vání Zdvo zapalování Zdvojené zapalování – dvě svíčky na válec – je vedle již popsaných technologií s větším počtem ventilů, turbodmychadla a přepínacího sacího potrubí další cestou ke zvýšení výkonu. U jinak nezměněného motoru vozidla Alfa Romeo 75 Twin Spark 2,0 se dosahuje s jednoduchým zapalováním
Obr. 24 – Spalovací prostor se stlačovací hranou/stlačovací štěrbinou (V. A. G).
16
autoEXPERT Aut oEXPER utoEXPER oEXPERT T
F áz o vě posunuté ázo zdv o jené zapalo vání zdvo zapalování Současné motory V6 v osobních automobilech Mercedes-Benz jsou vybavovány měnitelným sacím systémem, tříventilovou technikou a zdvojeným zapalováním – dvěma svíčkami na válec. Specialitou jejich zdvojeného zapalování je, že svíčky nezapalují současně, nýbrž s malým časovým zpožděním (s fázovým posunutím). Tím se zabraňuje příliš rychlému zvýšení tlaku ve válci. Motor tak při nezměněné účinnosti dosahuje lepší kultury chodu, tzn. že běží měkčeji a tišeji. Spalování je dokonalé i při nepříznivých podmínkách, jako je spouštění za studena, chod naprázdno nebo neúplné zatížení. To má velmi příznivý vliv na točivý moment, spotřebu paliva a složení výfukových plynů. ZPRACOVÁNO PODLE ZAHRANIČNÍCH MATERIÁLŮ JIŘÍ ČUMPELÍK
Obr. 25 – Spalovací prostor se stlačovacími zónami (Toyota).
ř íjen 2005
