motor

end-logo
Sdílejte:

 

Motor – teorie 1/4

Autor:
Jiří Čech (uveřejněno 03.12.2003)
 

Obsah kapitoly 1:

typy
motorů
,účinost motoru,
chudá a bohatá směs,
proměnné časovní ventilů,
Spalovací prostor,
Spalovací prostor
, Použití více ventilů,
Rozvod,
Sací potrubí má
významný vliv na plnění válce
, vícebodové
vstřikování
, Výfukový trakt je
také důležitý
, Pro
zvýšení výkonu lze postupovat dvěma směry

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 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 zůstává při 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.

Vzorec pro výpočet výkonu čtyřdobého motoru:

po staru:

                              

        Vc . n . pe                 (k;
dm3, 1/min, atm)

                               P =
—————

             900

                nově:

        Vc . n . pe                 (kW;
dm3, 1/min, MPa)

                               P =
—————

             120

P = výkon v k nebo kW

Vc = objem všech válců motoru v dm3

n = otáčky motoru za minutu

pe = střední indikovaný tlak v atm nebo
MPa

Pro dvoudobý motor použijeme ve jmenovateli
hodnoty 450 nebo 60.

Skutečný výkon získaný spalováním je vyšší, ale je
zapotřebí započítat mechanickou a hydraulickou účinnost motoru (to je právě
zohledněno v hodnotě jmenovatele a středního indikovaného tlaku). Střední
indikovaný tlak se získá z indikátorového diagramu (záznam průběhu tlaku
kreslícím zařízením na papír – taková zvláštně vypadající uzavřená křivka, jejíž
kladné a záporné plochy se sejmou planimetrem a výsledek udává střední hodnotu
proběhlého průběhu tlaku jednoho oběhu, je proto nutné zprůměrovat několik po
sobě jdoucích průběhů, protože se jednotlivé diagramy od sebe dost liší).

Běžně se hodnota výkonu motoru získává měřením na
motorové brzdě, zde lze také určitým postupem změřit mechanické ztráty motoru.
Při měření na brzdě se neměří přímo výkon, ale točivý moment motoru, z něj a z
otáček motoru se okamžitý výkon vypočítává. Dále se tato hodnota přepočítá na
barometrický tlak 100 kPa a teplotu 25° C – toto je základní hodnota výkonu
motoru, která se udává v technických údajích k vozidlu.

Vzorec pro výpočet výkonu zjištěný na motorové
brzdě:

                               Mt . n

               P =     ———–

                            9 549,3

P  = výkon v kW

Mt = točivý moment v Nm

n   = otáčky motoru za min.

K měření výkonu motorovou brzdou je třeba mít
možnost přístupu k tomuto drahému zařízení. Lze si pomoci i jinak – měřením
výkonu akcelerační metodou, která vychází z druhého pohybového zákona:

                M =

motor 4.44/5 (88.75%) 16 votes


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: