Spotřeba a emise II

end-logo
Sdílejte:

 

Spotřeba a emise CO2 určují směry vývoje zážehových motorů II

RNDr. Bohumil Ferenc, květen 2001

 



 

Kvantitativní regulace výkonu motoru

Jak bylo v předchozí části naznačeno, je
nejrozšířenějším způsobem ovládání výkonu motoru kvantitativní
regulace. Při ní se do spalovacího prostoru přivádí potřebné
množství směsi, jejíž složení se co nejvíce blíží stechiometrické
hodnotě poměru vzduch/palivo, tj. 14,7 kg vzduchu na 1 kg paliva.
Toto složení má zásadní význam pro účinnost třísložkového
katalyzátoru ve výfukovém potrubí, který provádí dodatečnou
úpravu zbytkových plynů hoření, aby obsahovaly na výstupu do
okolního prostředí co nejméně škodlivých emisních složek.

Protože produktem spalování jsou i emise
CO2, které katalyzátor nepotlačuje, ale naopak na
tento plyn přeměňuje ostatní emisní složky, jejichž obsah má
snížit, musí být termodynamická účinnost spalovacího procesu v
motoru co nejvyšší. K dosažení tohoto cíle výrazně přispělo
použití elektronického řízení průběhu zmíněného děje podle co
nejvíce parametrů motoru i prostředí, ve kterém je tento
provozován.

Elektronika umožňuje svými vlastnostmi
dosáhnout nastavení jak optimálního složení směsi v každém
jednotlivém válci motoru v průběhu jeho oběhového cyklu, tak
nejvhodnějšího okamžiku jejího zážehu, aby přeměna vzniklého
tepla v mechanickou práci motoru proběhla s co nejvyšší
účinností. Byla vyvinuta a zavedena řada soustav jako sekvenční
vstřikování paliva s možností různé doby vstřiku do jednotlivých
válců, nebo zapalování s regulací předstihu zážehu podle meze
klepání u jednotlivých válců a některé další, které přispívají k
optimalizaci průběhu spalování. (Většinou byly popsány v
přílohách AE.)

Stále však zůstává jeden z hlavních nedostatků
zážehových motorů – horší termodynamická účinnost kvantitativní
regulace jejich výkonu při částečném zatížení,
používá-li se k
tomu škrtící klapky. Pokud se kvantitativní regulace
výkonu motoru provádí natáčením škrtící klapky umístěné v sacím
potrubí, mění se nejen množství směsi přicházející do spalovacího
prostoru válce, ale i aerodynamický odpor kanálu sání.
Zmenšováním otevření klapky klesá turbulence nasávané směsi, čímž
je omezováno její vířivé proudění ve válci, které by jinak
podporovalo a urychlovalo spalovací postup a zlepšovalo účinnost
spalování. Při malé turbulenci celý obsah paliva správně
neprohoří. To je, spolu s dalšími faktory uvedenými v první
části, příčinou rozdílu mezi ideálním oběhem a indikátorovým
diagramem reálného zážehového motoru (viz
obr. 2a až 2c).

Z indikátorového diagramu je patrné, že při
vytlačování výfukových plynů je tlak pístu větší než barometrický
pb a při sání je ve válci naopak tlak menší
než pb. Vznikající ztráty prouděním při
sání a výfuku budou tím větší, čím více bude škrtící klapka
proudění při sání omezovat.

Snahou konstruktérů motoru tedy je najít taková
řešení, která by při kvantitativní regulaci výkonu motoru co
nejvíce omezila nepříznivý vliv přivírání škrtící klapky, ale též
umožnila regulovat výkon v oblastech částečného zatížení při
zachování stechiometrické směsi.

Vypínání počtu činných válců

patří k jednomu z nejdříve použitých opatření.
Výkonné víceválcové motory jsou v městském provozu a při jízdě
nižší rychlostí většinou jen velmi málo zatíženy. Pracují tedy v
oblasti, kde je jejich termodynamická účinnost obzvláště nízká.
Jejího zlepšení v této oblasti může být dosaženo odpojením
přívodu paliva do jednoho nebo více válců takového motoru. Tím
dochází k vyššímu zatížení válců ke kterým se palivo přivádí a je
v nich spalováno. Při jejich větším zatížení musí být škrtící
klapka mnohem více otevřena, takže ztráty prouděním při sání jsou
nízké. Skrze válce, které nepracují,
procházejí horké
výfukové plyny, aby je udržovaly na provozní teplotě
motoru. Tím se předchází zvýšenému tření a ztrátám výkonu jím
způsobeným. Podle signálu z měřiče množství nasávaného vzduchu
rozeznává řídící elektronika, kdy je třeba přepnout na provoz se
všemi válci. (Systém Motronic fy Bosch.) Poněkud jinak pracuje
obdobná soustava, použitá u některých modelů Alfa Romeo se
čtyřválcovým motorem. Při malém zatížení, které je určováno podle
snímače polohy škrtící klapky a v rozmezí otáček nad
volnoběžnými, až po 2/3 maximálních je v
činnosti pouze jeden pár válců motoru a páry se střídavě
přepínají. Motor tak zůstává v rovnoměrném tepelném stavu a
dvojice „nečinných“ válců je stále připravena k zařazení bez
jakéhokoliv prodlení.

Řízení ventilového rozvodu

Moderní spalovací motory používají v mnoha
případech více než dvou ventilů v jednom válci a také
samostatných vačkových hřídelí pro sací i výfukové ventily.
Takové konstrukce umožňují použít proměnného ovládání chodu
ventilů a tím zlepšit parametry motoru v širokém rozmezí jeho
provozních podmínek. Není tedy třeba volit řešení, které bývá
kompromisem mezi výkonem, kroutícím momentem, spotřebou, emisemi
výfukových plynů a neklidem volnoběhu.

Předmětem řízení může být časování ventilů,
jejich zdvih, průběh otevírání a zavírání, případně různé
kombinace těchto dějů.

Časování ventilů

udává, kolik stupňů otočení klikové hřídele je
otevřený sací a výfukový ventil. Tyto úhly jsou nazývány
rozvodové. Protože se ventily poměrně pomalu otevírají a
zavírají, volí se rozvodové síly větší, než to odpovídá sacímu či
výfukovému zdvihu pístu. Tím se dosáhne, že na začátku a na konci
sacího a výfukového zdvihu je již, respektive ještě, otevřen malý
průřez. Konec výfuku a začátek sání se překrývají, což znamená,
že oba ventily jsou současně otevřené. Tímto překrytím ventilů je
možno zlepšit výměnu náplně ve spalovacím prostoru.

Výfukový ventil se
otevírá krátce před
dolní úvratí a vzhledem k nadkritickým tlakovým
poměrům ve spalovacím prostoru, opustí tento asi 50 %
spálených plynů ještě před začátkem výfukového zdvihu. Vlivem
setrvačnosti proudí sloupec výfukových plynů ještě i tehdy, když
je píst v horní úvrati. Výfukový ventil se uzavře až za horní
úvratí, zatímco sací se otevírá krátce před ní. Tímto překrytím
vzniká ve spalovacím prostoru podtlak a výfukové plyny proudí do
něj, a to jak přímo ze spalovacího prostoru, tak zpětně z
výfukového potrubí, dokud se výfukový ventil neuzavře. Tato
„vnitřní recirkulace“ výfukových plynů se projevuje nepříznivě
hlavně při volnoběhu.

Použije-li se alespoň dvoustavové regulace
časování, aby při volnoběhu bylo překrytí blízké nule a při
vyšších otáčkách a zatížení dosahovalo optimální hodnoty pro daný
motor, lze termodynamickou účinnost motoru zlepšit.

Řízení zdvihu ventilů

rovněž umožňuje dosáhnout překrytí ventilů ve
vyšších otáčkách motoru a vyloučit jej v jejich dolním a středním
rozsahu. Při tomto způsobu se nemění poloha rozvodového úhlu v
níž je zdvih ventilů maximální, ale pouze velikost zdvihu
ventilů. Jak vyplývá z
obr. 5, při malém zdvihu
překrytí nevzniká, pouze při větším. Rozdílného zdvihu je
dosahováno použitím dvou různých vaček, které se liší svým
tvarem. Při určování tvaru každé z vaček se vychází z rozvodového
úhlu, maximálního zdvihu a otáček motoru, při kterých má být
těchto charakteristik dosaženo. Vzhledem k odlišným požadavkům
při nízkých a vysokých otáčkách jsou vačky podle otáček
přepínány. Protože se provádí jak větší zdvih ventilů, tak i
malý, bývá úhel jejich dosedací plochy nejčastěji 30°,
což při malém zdvihu zlepšuje proudění skrze sedla ventilů. To se
projevuje příznivě rychlejším vyprázdněním válce při výfuku. Při
tomto úhlu je průtokový průřez větší a protože při malém zdvihu
převládají velké rozdíly tlaku, je výsledkem uvedené rychlejší
vyprázdnění. Při větším zdvihu jsou tlakové rozdíly malé, takže
přínos 30° úhlu je zanedbatelný. Tam se ale uplatní
dříve zmíněné překrytí sacích a výfukových ventilů.

Tohoto způsobu se obvykle využívá u motorů s
jednou vačkovou hřídelí, kdy se nemění poloha rozvodových úhlů.

Řízení průběhu otevírání a uzavírání ventilů

spočívá v spojité změně cyklu vačky mezi dvěma
mezemi, přičemž zdvih ventilů zůstává konstantním. Regulační
článek se nachází mezi hřídelí s vačkami a jejím pohonem a působí
tak, že úplná otáčka hřídele odpovídá otáčce jejího pohonu. Během
celé otáčky je ale hřídel vzhledem k pohonu urychlována a
zpomalována. Toto může probíhat buď tak, že hřídel je proti
pohonu zpomalována, když je ventil otevřen a zrychlena, když je
uzavřen, čímž se cykl vačky prodlouží. Nebo naopak je cykl vačky
zkrácen tím, že je hřídel při otevřeném ventilu proti pohonu
zrychlena a pak zpomalena, když je ventil uzavřen. (Viz
obr. 6.)

Všechny tyto způsoby umožňují řídit ventilový
rozvod, i když s různým stupněm dokonalosti.

Pro zlepšení průběhu plnění válců v závislosti
na otáčkách motoru je rozhodující okamžik uzavření sacího
ventilu. Při jeho dřívějším uzavření je dosaženo nejlepšího
plnění při nízkých otáčkách, při pozdějším uzavření se maximum
plnění posouvá do vyššího rozsahu otáček. To má spolu s dalšími
činiteli, zejména s tvarem vačky, vliv na parametry motoru. Ve
sborníku „Automotive Technology International 94″ byl zveřejněn
článek o této problematice. V něm byl uveden
graf závislosti
kroutícího momentu motoru na otáčkách pro nízko a vysokootáčkové
vačky. I když jde o určitý typ motoru, takže je pouze
informativní, jsou z grafů zřejmá případná zvýšení kroutícího
momentu, vyplývající z volby vačky. To se samozřejmě projeví
nejen na spotřebě, která se podle zmíněného článku sníží o 4 až
10 % v závislosti na motoru, ale i na emisích HC a
NOX, kde je očekáváno zlepšení o 15 až 28 %.

Řízení ventilového rozvodu, zejména s využitím
elektroniky, umožňuje realizovat i řadu dalších cest ke zlepšení
parametrů motorů. Sem patří nejen již dříve zmíněná vnitřní
recirkulace výfukových plynů, která snižuje úroveň emisí
NOX, ale při vhodné konstrukci motoru přispívá k
vrstvení směsi ve válci, takže nedojde ke zhoršení její spalování
ani při vyšším množství recirkulovaných plynů. Bude podrobněji
popsáno v dalším.

Za zmínku stojí i využití u silně přeplňovaných
motorů, pracujících s tzv. Millerovým cyklem, které dosahují
výrazného zlepšení termodynamické účinnosti. Bude rovněž popsáno
později.

Některé ze současných a připravovaných aplikací

Jedna z prvních soustav je použita u některých
modelů vozů Alfa Romeo. Mění ve dvou stupních natočení
vačkové hřídele sání vůči poloze hřídele klikové. Při volnoběhu
nedochází k překrytí ventilů, jeho nejvhodnější velikost je
nastavena až ve vyšších, předem zvolených otáčkách motoru.
Natáčení je realizováno
mechanismem, který je
tvořen pístem s přímými zuby. Píst je posouván v drážkové
objímce, uložené ve středu hnacího řetězového kola vačkové
hřídele sání. Jak se píst posouvá podél drážkované objímky,
uložené ve středu hnacího řetězového kola vačkové hřídele sání.
Jak se píst posouvá podél drážkované objímky, zabírá do
šroubovicovitého pastorku. Tím je vačková hřídel natočena o pevný
úhel vzhledem k řetězovému hnacímu kolu a dosáhne se potřebného
překrytí. K posouvání pístu se používá tlaku oleje mazání motoru.
Ten může působit na píst po otevření otvoru, kterým je olej
přiváděn a také průtoku do ovládací komory. Otevírání přívodu
oleje provádí stavěcí člen ovládaný elektromagnetem. Nepůsobí-li
elektromagnet na stavěcí člen, jsou přívody oleje uzavřeny a píst
je vrácen působením pružiny do výchozí polohy (bez překrytí
ventilů). Současně je olej vytlačen výtokovým kanálem z
mechanismu.

Novější soustava VVT-i fy Toyota

umožňuje spojitou změnu časování sacích ventilů
mezi minimálním překrytím při nízkých otáčkách a maximálním při
nejvyšších. Mechanická část
sestává ze dvoudílného
souosého převodu, jeden díl je upevněn ke hnacímu konci vačkové
hřídele sání, druhý k ozubu pro řemen časování. Každý díl se
zasouvá do vnějších a vnitřních šroubovicových drážek válcového
pístu, který se nachází mezi oběma souosými částmi převodu.

Píst se pohybuje axiálně působením
hydraulického tlaku oleje mazání motoru. Posuvem pístu se mění
vzájemné natočení (fáze) mezi oběma souosými díly převodu a tedy
i časování ventilů. Tlak oleje je ovládán elektromagnetickým
ventilem podle signálů z řídící jednotky, který ovládá i další
soustavy řízení chodu motoru.

Soustava může měnit časování sacích ventilů v
rozmezí až do 60 % klikové hřídele naprosto spojité, až do
maximálního překrytí. Tím se ovládá i vnitřní recirkulace
výfukových plynů v různých provozních podmínkách motoru a tak
provádí optimalizace spotřeby a emisí NOX, případně i
HC.

Honda vybavuje motory svých modelů
soustavou, která používá různých profilů vaček pro nízké a vysoké
otáčky. Mimo rozdílných profilů mají vačky i různý zdvih.
Provádění změn je ale krokové, nikoliv plynulé.

Soustava označovaná V-tec ovládá chod jak
sacích, tak výfukových ventilů. Prošla dvěmi etapami vývoje.
Starší typ používá dvou
vaček pro nižší otáčky, které jsou stejné. Mají mírný oblouk,
malý zdvih a krátký interval otevření. Jsou umístěny po stranách
střední vačky s větším zdvihem, strmými boky a dlouhým intervalem
otevření. Vahadla patřící k vačkové skupině jsou spojena
hydraulickými pístky, které působí jako západka.

Při nižších otáčkách nechává řídící elektronika
elektromagnetický ventil uzavřený, takže malé pístky, umístěné ve
vahadlech za sebou, jsou stabilizované v boční základní poloze
pružinou. Nespojují tedy vahadla, takže tato se mohou pohybovat
nezávisle na sobě, v souladu s průběhem vaček, které s
nimi souvisejí. Tedy ventily jsou ovládány oběma bočními vačkami,
zatím co prostřední pracuje „volnoběžně“. Prostřední vahadlo je k
vačce přitlačované pružinou, která se nachází mezi ventily.

Jakmile vzrostou otáčky motoru na
předprogramovanou hodnoty, otevře elektromagnetický ventil přívod
oleje z mazacího systému motoru do olejového potrubí za blokovací
pístky. Ty se přesunou proti síle pružiny do pravé boční polohy.
Všechna tři vahadla se spojí do jednoho celku a určujícím bude
prostřední vačkový profil, protože jeho zdvih je ve všech úhlech
otáčení hřídele větší než mají obě krajní vačky.

Při poklesu otáček dochází ke zpětnému přepnutí
při poněkud nižší hodnotě než při zvyšování.

Novější
typ
soustavy pracuje třístupňově. Je poněkud jinak
řešen, olejové potrubí je rozděleno do dvou nezávislých dílů a
vahadla jsou vybavena dvěma přepínacími mechanismy.

Při otáčkách motoru mezi 1200-2500 ot/min
není do potrubí přiváděn olej a blokovací pístky jsou vysunuty v
základní poloze, takže vahadla ventilů pracují nezávisle. Jeden
sací ventil zůstává uzavřen a druhý je otevírán vačkou pro
časování v nízkých otáčkách.

V rozsahu otáček mezi 2500 až
6000 -1 je přiveden olej jen do horní části
potrubí. Tím se do záběru zasune jen horní blokovací pístek a obě
vahadla pracují současně. Oba ventily jsou tedy současně
otevírány, přičemž je zdvih určován vačkou pro časování při
nízkých otáčkách.

Při rychlostech
> 6000 min-1 je olej přiváděn do obou
částí potrubí. Oba blokovací pístky jsou v záběru, takže nejenže
oba ventily pracují současně, ale jejich činnost je řízena oběma
vačkami. Vačka pro časování ve vysokých otáčkách je natočena
vzhledem k vačce pro časování v nízkých. Jejich společným
působením se dosáhne většího zdvihu ventilů a navíc je možnost
rozdílné rychlosti při otevírání a uzavírání ventilů podle tvarů
obou vaček.

Rover u své motorové řady K používá
soustavy označované VVC (variable valve control), která mění
geometrickou charakteristiku průběhu otevírání a zavírání sacích
ventilů. Mechanická část regulace
(zjednodušeně)
využívá hnacího disku mezi hřídelí s vačkami a hřídelí pohonu.
Hřídele jsou vzájemně nezávislé, ale jejich osy leží na stejné
přímce. Disk má radiální výřezy do nichž zabírají klikové čepy
jak vačkové hřídele, tak hřídele jejího pohonu.

Střed otáčení disku se může přemísťovat
vzhledem ke středu otáčení vačkové hřídele. Jsou-li středy
shodné, pohon i vačková hřídel se otáčejí společně, jako by
tvořily pevný celek. Při posunutí středu hnacího disku od středu
vačkové hřídele vytvoří excentricita změnu úhlové rychlosti vačky
v průběhu otáčky. Každá úplná otáčka vačky tedy odpovídá otáčce
pohonu, ale vačka je během ní vzhledem k pohonu zrychlována a
zpomalována.

Geometrie hnacího disku je uspořádána tak, že
může být posunut, aby prodloužil cykl vačky (jejím zpomalením,
když je ventil otevřen a zrychlením, když je uzavřen), nebo
zkrátil její cykl (zrychlením vačky, když je ventil otevřen a
zpomalením, když je uzavřen).

Ovládání mechanické části se provádí
prostřednictvím dvou elektromagnetů. Jeden je k prodloužení cyklu
vačky, druhý ke zkrácení. Elektromagnety jsou řízeny
elektronickou jednotkou a ovládají ventil v hydraulické části. Ta
je napájena olejem mazání vačkové hřídele.

Součástí hydraulické jednotky je píst a ozubená
tyč, která natáčí ovládací objímku otočného hnacího disku a tím
řídí časování sacích ventilů.

Soustava umožňuje rozdělení ovládání sacích
ventilů, např. dvojice předních a dvojice zadních válců u
čtyřválcového motoru. Přitom je pro každou dvojici použito jen
samostatného řídícího mechanismu.

Popsaná soustava umožňuje měnit překrytí
ventilů mezi 21° až 58°, přičemž je jejich
zdvih konstantní. Složitější elektronicko-hydraulické soustavy
vyžadují pro své řízení nejen informace o provozních podmínkách
motoru, ale i o stavu svých důležitých součástí. Regulace
časování se uvádí do funkce pouze tehdy, když hydraulický tlak a
teplota dosáhne určité minimální hodnoty.

Měření teploty oleje u soustav se spojitou
regulací časování je důležité i pro kompenzaci změn v hydraulické
řídící jednotce vlivem teplotní závislosti viskozity
hydraulického oleje.

Spojité soustavy bývají také vybaveny snímači
polohy vačkové hřídele, které umožňují zjistit její skutečné
natočení.

Přes poměrně dokonalé vlastnosti výše uvedených
soustav se uvádí na trh a připravují další typy, většinou
využívající odlišná řešení.

Soustava Valvetronik společnosti BMW
pracuje se spojitě měnitelným časováním ventilů i mechanismem
jejich zdvihu. Je navržena pro snížení emisí při částečném
zatížení motoru (hlavně CO2) cestou snížení spotřeby.
Dosahuje toho odstraněním škrtící klapky – jedné z hlavních
příčin čerpacích ztrát u zážehových motorů.

Místo škrtící klapky je použito krokového
motoru, který řídí výstředníkovou hřídel,
umístěnou v blízkosti
vačkové hřídele sání. Výstředník ovládá páku
mezi vačkovou hřídelí a každou dvojicí zdvihátek sacích vaček.
Páka má profilovaný stykový povrch, který se opírá o lalok
vačkové hřídele.

Krokový motor natáčí výstředníkovou hřídel
podle signálu snímače polohy plynového pedálu. Jak se jeho poloha
mění, rotační pohyb každé páky zase mění zdvih sacího ventilu.
Zdvih a časování výfukových ventilů jsou stálé!

Jak se uvádí v literatuře (např. Grohe: Otto
und Dieselmotoren, vydavatelství Vogel SRN) je na zdvihu ventilu
závislý jeho průtokový průřez, ale i střední rychlost proudění,
čehož je pravděpodobně využito u této soustavy k řízení výkonu
motoru místo škrtící klapky.

Největší přínos by se dosáhl zcela nezávislou
funkcí jednotlivých ventilů, což však nelze řešit mechanickými
soustavami, ani když jsou doplněny elektronikou a hydraulikou.
Při plně měnitelném časování se sníží ztráty vznikající během
výměny náplně.

Soustava EVA (elektromagnetic valve
actuator) společnosti Aura System Inc, využívající elektromagnetů
a pružin, je již zkoušena na motorech různých výrobců a bude
pravděpodobně uvolněna do r. 2003 pro sériovou výrobu.

Pro každý ventil je použito samostatného
elektromagnetu. Konec
dříku ventilu je upevněn v disku armatury, který je „zavěšen“ ve
středu válcového tělesa aktuátoru dvěma pružinami. Jednou nahoře
a druhou dole. Na každé straně disku je také elektromagnet, který
po přítahu ventil otevře nebo uzavře. Jsou-li elektromagnety bez
proudu, zůstává ventil v mezipoloze. Energie „nahromaděná“ v
pružinách podporuje pohyb ventilů.

Časování ventilů je možno měnit podle
nejrůznějších parametrů motoru, podobně jako u vícebodového
sekvenčního vstřikování, nebo řízení předstihu jednotlivých válců
na mezi jejich klepání. Od použití se předpokládá snížení
spotřeby o 10 až 30 % a zlepšení emisí HC o 10 % a
NOX až o 40 %.

Významným přínosem je zjednodušení konstrukce
motoru tím, že odpadne vačková hřídel, rozvod časování, řetěz či
řemen pohonu časování, drážky vaček a jiné.

Většina z popsaných soustav využívá regulace
časování ventilů k omezení jejich nedostatků, které jsou jinak
limitujícími činiteli termodynamické účinnosti motoru. Protože u
čtyřtaktních zážehových motorů je dosud v převážné míře používáno
talířových ventilů, vznikají od toho následující problémy.

Použití vačkové hřídele pro otevírání a
uzavírání talířových ventilů vyžaduje, aby vůle mezi vačkou,
zdvihátkem a ventilem byla překonána pozvolna a ventil byl zvedán
nejdříve pomalu, aby se předešlo nepřijatelné hlučnosti a
opotřebení. Ventil také nemůže být náhle uzavírán, protože by
narážel na své sedlo a „plaval“.

Jinou nepříjemností je „clonění“ talířového
ventilu při nízkém zdvihu a jeho nežádoucí ovlivňování prouděním
sacím a výfukovým kanálem. Ventily této konstrukce, dokonce i s
agresivním profilem vačky, spotřebují více času na průchod přes
rozsah svého zdvihu, než na setrvání při maximálním otevření.
Není-li sací ventil dostatečně otevřen, nevyužije se plně podtlak
vytvořený ve válci posunem pístu k dolní úvrati. Proto se otevírá
dříve, než píst dosáhne horní úvrati a začne sací zdvih. Ve
výfukovém kanálu napomáhá dřívější otevření výfukového ventilu
před dolní úvratí v expanzním (pracovním) zdvihu. Přetlak ve
válci urychluje vytlačení zbytků spálených plynů. Pozdější
uzavření tohoto ventilu za horní úvratí využívá k témuž účelu
setrvačnosti proudícího sloupce výfukových plynů. Tímto dřívějším
otevřením a pozdějším uzavíráním ventilů dochází k jejich
překrytí. To musí být ovšem vhodně nastaveno, aby se urychlilo
vyprázdnění válce od spalin, ale aby nedošlo k vytlačení čerstvé
náplně do výfuku.

Nedostatečná rychlost otevírání ventilů je
zřejmou příčinou snížení termodynamické účinnosti motoru, protože
se tímto ztrácí energie využívaná v uvedených dějích, které
působí proti pohybu pístu ve válci.

Stejně tak je problémem uzavírání ventilu.
Zdvihátko musí být neustále v kontaktu s vačkou, zejména když
přejíždí její nos a mění směr svého pohybu. Je to zajišťováno
ventilovou pružinou. Na překonávání její síly je potřeba další
energie počítané do třecích ztrát motoru, ve kterých je hlavním
viníkem ventilový rozvod.

Převážnou většinu výše uvedených nedostatků má
odstranit použití kulových rotačních ventilů.

Společnost Coates International vyvinula
a vyrábí soustavy
CSRV (Coates Spherical
Rotary Valve), která takových prvků používá.
Ventily jsou připevněny na hřídeli, která je na obou koncích
nesena utěsněnými válečkovými ložisky a jako střední podpěry
používá keramické grafitové ložisko. To dovoluje vyloučit mazací
olej v horní části hlavy motoru.

Utěsnění válce zajišťují dvoudílná kluzná
keramicko-uhlíková těsnění. Hřídele ventilů se otáčejí poloviční
rychlostí klikové hřídele. Při otáčení se otevírají a uzavírají
průchody v bočních a obvodových plochách ventilů, což je
ekvivalentní funkci talířových (ventilů). Dochází k „převracení“
nasávané směsi, které podporuje její rychlejší spalování.
Otevírání průtočného průřezu je podstatně rychlejší a jeho
dosahovaná plocha je výrazně větší. Není tedy potřebné využívat
překrytí ventilů, aby výměna náplně byla dostatečně účinná.

Kulové rotační ventily odstraňují i jiné
nedostatky talířových. Talíře těchto ventilů jsou trvale
vystaveny velkému tepelnému namáhání a teplo, které se v nich
hromadí, vytváří sklon k detonačnímu hoření, které omezuje horní
hranici kompresního poměru.

Naproti tomu kulové rotační ventily se otáčejí
vně spalovacího prostoru a jsou ochlazovány a „plněny“ směsí na
opačné straně tohoto prostoru. Tím je vytvářena nižší teplota ve
spalovacím prostoru a kompresní poměr motoru může být zvýšen.
Informační dokumentace fy Coates uvádí, že jsou vyráběny motory s
kompresními poměry 12:1, 13:1, 14:1 a dokonce 15:1, v závislosti
na aplikacích. V téže dokumentaci se uvádí, že zvýšení
kompresního poměru se mnohem více projeví na snížení spotřeby
motoru, než na zvýšení jeho výkonu. Tak např. zvýšení kompresního
poměru z 8.0:1 na 11.0:1 přidá jen 5 % výkonu motoru, ale
sníží spotřebu o 20 %. Předpokládá se, že ostatní faktory
motoru jsou stejné.

Možnost zvýšit kompresní poměr příznivě
ovlivňuje i skutečnost, že kulové rotační ventily nemusí být
mazány, na rozdíl od dříků talířových. U těch dochází k zavádění
mazacího oleje do spalovacího prostoru, což rovněž zvyšuje sklon
k detonacím.

Společnost Coates International ověřuje spolu s
výrobci motorů vozidel různých značek využití této konstrukce a
její přednosti.

Ohodnoťte článek


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: