Teorie motoru 1.

Motor – teorie (1. část)

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.

Vzorec pro výpočet výkonu čtyřdobého motoru:

po staru:

        V_c . n . p_e                 (k;  dm³, 1/min, atm)

                               P =  ---------------

             900

                nově:

        V_c . n . p_e                 (kW;  dm³, 1/min, MPa)

                               P =  ---------------

             120

P = výkon v k nebo kW

V_c = objem všech válců motoru v dm³

n = otáčky motoru za minutu

p_e = 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:

                               M_t . n

               P =     -----------

                            9 549,3

P  = výkon v kW

M_t = 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 = ε . I

M = točivý moment (Nm)

ε = úhlové zrychlení motoru (rad/s²)

I = hmotný moment setrvačnosti rotačních hmot motoru

     se spojkou a předlohovým hřídelem převodovky (kg/m²)

Celá „sranda“ je založena na měření zrychlení motoru od … do určitých otáček. Pásmo měřených otáček se rozdělí na několik stupňů, které se mohou mírně překrývat. Prohřátý motor se prudkým sešlápnutím plynu roztočí, v určených otáčkách se vypne zapalování ve třech válcích (začne se měřit čas) a jeden válec se snaží dosáhnout druhé určené hranice otáček (ukončí se měření času). Ostatní válce vytvoří zátěž, jinak by měření bylo značně nepřesné. Takto se postupuje od prvního válce k poslednímu a měří se ve všech určených stupních. Získá se tím momentová křivka, podle které se výkon vypočítá a průběh křivky se porovná s předpisem výrobce. Nutné je ovšem mít přepočítací tabulky a nebo znát patřičné rotační hmotnosti. (Pro získání tabulek a kontrolu správnosti vypočtených hodnot se statisticky měřilo 40 dobrých motorů od každého typu socialistického vozidla, získané hodnoty se zprůměrovaly a byly součástí návodu k použití.) Tohle měření umí realizovat PALTEST JT 300, 301 a 302. Šlo v první řadě o to nalézt metodu, která by dokázala změřit co nejvíce parametrů bez demontáže motoru nebo jeho částí, pokud možno namontovaný ve vozidle. Dále bylo možné stejným způsobem změřit těsnost spalovacího prostoru (kompresní tlaky), kdy se měřilo úhlové zrychlení při částečném a definovaném otevření škrtící klapky. Také se dalo bezdemontážně ověřit stav opotřebení olejové náplně, mechanická účinnost atd. (Chytré české hlavy dokázaly dát dohromady i přístroj, který na základě zvuků vydávaných motorem dokázal změřit vůli ventilů s přesností na 0,01 mm.) Celý test měl asi 45 kroků, při kterých se měřilo od výkonu přes dobíjení, zapalování až po velikost emisí. Dnes je to už pryč, moderní vozidla mají u řídící jednotky autodiagnostický systém, který po připojení na diagnostický přístroj vše důležité vypíše.

                Je celkem jasné, že tyto měřící metody nedosahují přesnosti přímého měření motorovou brzdou, případně jinými měřidly. Rozdíl je ale malý, opakovatelnost měření velmi dobrá a nás ani tak nezajímá absolutní hodnota, jako spíše odchylka od normálu nebo od posledního měření. Proto se lze na měření těmito nepřímými metodami spolehnout. Technicky není obtížné si podobné zjednodušené zařízení vyrobit i v domácích podmínkách a změřením několika nových motorů po záběhu si vytvoříme základní tabulku. Pokud jste si všimli, podle vzorce je závislost úhlové rychlosti a hmotnosti rotačních hmot přímo úměrná (lineární) a tedy procentuální nárůst zrychlení proti původní hodnotě zrychlení sériového motoru udává přímo procentuální nárůst výkonu.

Takže – výkon motoru je dán třemi základními veličinami. Z hlediska spalování tedy množstvím paliva spáleného ve válcích motoru za optimálních podmínek (zapálení směsi v pravý okamžik a minimální ztráty profukem okolo pístu a (v nejhorším případě) ventilů). Předpokládám běžnou mechanickou účinnost motoru, která nám nebude ubírat výkon. Tak, jak jsem to napsal, to vypadá jednoduše, jenže ke spálení paliva je zapotřebí vzduch a to v relativně úzkém rozmezí směšovacího poměru s palivem, protože mimo tuto oblast jednak klesá zápalnost paliva a jednak se nedá palivo plně energeticky využít. Ideální směšovací poměr, kdy je pro každou molekulu paliva přítomen potřebný počet molekul vzduchu je 14,7:1. Tato hodnota je tzv. stechiometrický poměr a označuje se λ = 1. λ < 1 je označení pro bohatou směs a λ > 1 je označení pro směs chudou. Tento poměr je hmotnostní, tzn. že na spálení 1 kg paliva je zapotřebí 14,7 kg vzduchu. (Každý si může ověřit známý „ekologický“ výpočet, kolik při hodnotách 1,205 kg/m3 vzduchu a 0,75 kg/l benzínu potřebuje vozidlo vzduchu na ujetí třeba z Prahy do Tater (600 km) – toto množství stačí zhruba na 1 rok člověku k dýchání.) Měřením ve vývojových laboratořích se dospělo k poznatku, že největšího výkonu se dosahuje při obohacení směsi palivem o 20% a největší účinnosti při ochuzení směsi o 15%. Funkci těchto hodnot rozeberu později. Mezi těmito hodnotami se v provozu udržuje směšovací poměr, aby motor správně pracoval. Takže výkon motoru je v prvé řadě dán množstvím palivové směsi, kterou jsme schopni dostat do válců. Proto hlavním ukazatelem je objem válců a schopnost tento objem co nejvíce naplnit. Dalším ukazatelem jsou otáčky motoru a tzv. střední indikovaný tlak. Otáčky motoru nemohou růst donekonečna, motor by se odstředivými silami rozletěl. Otáčky tedy používáme takové, při kterých je ještě mechanická účinnost v přijatelných mezích. Pro běžný silniční provoz se používá horní hranice asi 6 000 ot/min. Musíme si uvědomit, že odstředivé síly rostou z druhou mocninou rychlosti a tak je pro vysoké otáčky nutné použít díly s co nejnižší hmotností, což zase vede buď k omezené životnosti a nebo k použití drahých materiálů. Pro dosažení vysokých otáček musíme používat motory s co nejmenším zdvihem (ale i to má své hranice s ohledem na poměr vrtání x zdvih, který by neměl klesnout pod 0,75. Při menších poměrech klesá dosažitelný střední indikovaný tlak pod rozumnou míru; je to způsobeno zhoršující se účinností a špatným vyplachováním válců). Dobrým ukazatelem rezervy je střední pístová rychlost – udává se v m/s a vypočítává ze vzorce:

         L . n

v_p = --------

          30

v_p = střední pístová rychlost

L = zdvih pístu v metrech

n = otáčky motoru za minutu

Pro běžné motory tato hodnota většinou nepřekračuje 16 m/s (při max. výkonu, škodovka má 12 m/s), čím je tato hodnota nižší, tím jsou menší mechanické ztráty a zůstává větší rezerva pro další sportovní úpravy. Závodní motory dnes dosahují až 28 m/s (běžně okolo 20 – 22 m/s) při zcela nepatrné životnosti (400 km a dost). Protože maximální velikost objemu je většinou dána velikostí bloku motoru a střední indikovaný tlak nelze jen tak snadno zvýšit, jsou otáčky vlastně jedinou veličinou, kterou pro další nárůst výkonu mohu použít. Ovšem dosažení vyšších otáček má také své hranice a proto se musí provést spousta relativně náročných úprav, abychom vůbec nějaký rozumný nárůst výkonu zaznamenali. Zvyšování otáček s sebou přináší nejen problém zhoršující se mechanické účinnosti, ale i problém hydraulických ztrát při výměně obsahu válce. Musíme si uvědomit, že je na vše daleko méně času a že i vzduch má svoji hmotnost, která podléhá setrvačným silám. Také se začne projevovat viskozita vzduchu, při vysokých rychlostech v sacím potrubí nepříznivě ovlivňuje plnící účinnost. (Proto pouhopouhá výměna vačkového hřídele nemusí přinést očekávaný výsledek.)

                Aby byla směs paliva ze vzduchem s největší účinností ve válci spálena, musí být stlačena. Tomuto se všeobecně říká komprese a poměru stlačení kompresní poměr. Jak moc je vhodné směs stlačit závisí na několika okolnostech, první z nich je tzv. antidetonační odolnost paliva. Česky řečeno – odolnost paliva proti detonačnímu hoření (známé to cinkání motoru, nesprávně nazývané klepáním ventilů – při výbuchu dojde k nárazu tlakové vlny na stěny válce a spalovacího prostoru, prudce se vymezí vůle na pístní skupině a celé to dohromady vytvoří charakteristické cinknutí), protože palivo má v motoru hořet (od toho se jmenuje „spalovací“) a ne vybuchovat. Proč palivo vybuchuje místo aby hořelo – na to je mnoho teorií, kromě detonace z nadměrného kompresního tepla nebo vznícení od rozpálených částí spalovacího prostoru nejvíce přichází v úvahu vliv chemicko-štěpný, který v detonačním hoření převládá. To je povídání na tři stránky a protože s tím nic neuděláme, necháme to zatím povolanějším (bude rozebráno v článku o emisích). Rychlost hoření je asi 15 – 25 m/s, detonace dosahují až 500m/s. Nedosahuje se mohutnosti detonací výbušnin, kde je rychlost asi 2 500 m/s, ale i tak dlouhodobé působení detonací nepříznivě ovlivňuje životnost a tvorbu emisí. Antidetonační odolnost paliva se posuzuje tzv. oktanovým číslem. Na zjišťování oktanového čísla paliva a oktanového nároku motoru jsou zavedeny přesné měřící postupy. Pro zjišťování oktanového čísla paliva se používá zkušební motor s měnitelným kompresním poměrem. Při přesně daných podmínkách se hledá takový kompresní poměr, kdy začne docházet k detonacím. Potom se použije směs heptanu (s okt. číslem 0) a isooktanu (s okt. číslem 100). Procentuální poměr směsi udává oktanové číslo. Tato směs v různém složení se potom zkouší v daném motoru a až se dosáhne stejné mohutnosti detonací při stejném kompresním poměru, dostáváme oktanové číslo paliva. Podobným způsobem se zjišťuje i oktanový nárok motoru. Metody jsou zde dvě, jedna zvaná „výzkumná“ a druhá „motorová“. Obě metody se liší měřícími postupy, „motorová“ udává hodnoty poněkud nižší, „výzkumná“ se více přibližuje skutečnému provozu a většinou hodnoty takto získané jsou přesnější.

Stupeň komprese má přímý vliv na účinnost a dosažený výkon, ovšem nárůst není lineární, nejdříve hodnota účinnosti rychle stoupá s kompresním poměrem, později ostrý nárůst plynule přejde do jen pomalu se zvyšující přímky. Z křivky vyplývá, že od hodnoty 4:1 do 12:1 (rozdíl 8) se zvýší účinnost tepelného oběhu ze 40 na 64%, ale od 12:1 do 20:1 (také rozdíl 8) se zvýší účinnost jen o dalších 6%. Proto rozumně použitelná hranice komprese je asi 12:1, při dalším zvyšování začíná převládat nepříznivý vliv ztrát z vysokých tlaků nad ziskem z účinnosti, dále hrozí nebezpečí samovznícení paliva kompresním teplem (které je naopak využíváno u vznětových motorů) v jiný okamžik, než je určeno zapalováním. Pro běžný provoz i sportovní úpravy se nepoužívají hodnoty vyšší než asi 10,5:1 – potom začíná být hoření tvrdé a pro silniční provoz nevhodné. Kompresní poměr patří k důležitým konstrukčním veličinám motoru a udává se vždy, protože se dá usuzovat na oktanový nárok paliva i bez doporučení výrobce. Obecně se pro sériové motory dá říct, že co stupeň komprese, to 9 – 10 oktanů. Každopádně na vznik detonací má vliv ještě několik jiných činitelů – otáčky motoru, vlhkost vzduchu, obsah kyslíku ve vzduchu, teplota vzduchu, tvar spalovacího prostoru atd. Proto různé motory při  stejných kompresních poměrech mají odlišný oktanový nárok.

Vzorec pro výpočet kompresního poměru:

                               V_1v + V_k

                       ε = --------------

                                    V_k

ε = kompresní poměr

V_1v = objem 1 válce

V_k  = objem kompresního prostoru

Skutečný kompresní poměr (přesněji stlačení) ale neodpovídá vypočtenému či jinak změřenému, protože se sací ventil zavírá až za DÚ a píst zatím urazil část dráhy k HÚ a o tuto část se zmenší objem válce. Skutečná komprese nastává až po uzavření sacího ventilu. Podle momentálního stavu odběru výkonu a otáček se kompresní poměr zmenší a nebo i nepatrně zvýší (vysvětleno níže).

                Vliv složení směsi na činnost motoru:

                Jak jsem již uvedl, v nasávané směsi musí být určité množství vzduchu a paliva. Proč to tak je, je dáno výhřevností daného paliva – v našem případě benzínu. Zde se zohledňuje výhřevnost paliva ve směsi se vzduchem při stlačení – ta je odlišná od normální výhřevnosti při spalování na volném vzduchu. Porovnáme-li  výhřevnost benzínu a lihu, je základní hodnota pro benzín asi o 62% vyšší než pro líh, ale ve směsi se vzduchem se rozdíl zmenší asi na 2%. Jenže na spálení 1 kg benzínu potřebujeme asi 14,7 kg vzduchu a na 1 kg lihu vzduchu asi 6,5 – 8,9 kg, takže pro stejné množství tepla potřebujeme více lihového paliva než benzínu (základní výhřevnost se obejít nedá). V případě výkonu motoru je na tom líh lépe, protože jeho oktanová hodnota (až 130) umožňuje použití výrazně většího kompresního poměru a díky vnitřnímu výparnému teplu (líh při odpařování odnímá velké množství tepla vzduchu, ten zmenšuje svůj objem a do válce ho nasajeme hmotnostně více) a ve stejném motoru vzroste výkon asi o 10% při zhruba dvojnásobné spotřebě. Líh je jediné dostupné palivo, s kterým lze dosáhnout ve stejném motoru stejného výkonu, stačí jen přetryskovat karburátor. Problémem je nutnost značně předehřívat sací potrubí, vysoké výparné teplo lihu způsobuje zamrzání karburátoru. Dále líh působí nepříznivě na kvalitu mazacích olejů a tak se musí často měnit a nebo používat speciální oleje pro motory na lihová paliva.

                Líh – pro jednoduchost – rozdělujeme na etylalkohol a metylalkohol. Etylalkohol jistě všichni důvěrně znáte, s metylem se radši moc nekamaráděte, je po něm špatně vidět atd. Etyl má směšovací poměr asi 8,9:1 a metyl 6,5:1. S etylalkoholem se dá při řádném obohacení (6:1) dosáhnout o 12,5% vyššího středního indikovaného tlaku než u benzínu, s metylalkoholem (3:1) o 15% - platí pro původní kompresní poměr. Při speciálních úpravách (kompresní poměr 13,5:1 atd.) se výkon dále zvýší.

Spalování za vysokých tlaků se liší od spalování na volném vzduchu a proto je nutno dodržovat určité zákonitosti při tvorbě směsi. Benzín na volném vzduchu celkem dobře zapálíte (respektive zapálíte páry benzínu, od kterých se vznítí kapalná část) a protože si samočinně odebírá kyslík z ovzduší, celkem dobře svým tempem vyhoří za tvorby přijatelných emisí. Pod tlakem už to není tak jednoduché – protože chceme dosáhnout vytvoření velkého tlaku, snažíme se dosáhnout vysoké teploty, která zabezpečí značné objemové roztažení spalované směsi, jenže při vysokých teplotách a tlacích dochází k různému slučování a disociacím jednotlivých prvků a meziproduktů spalování, které v tak krátkém čase nemohou proběhnout úplně a tak jejich výsledkem jsou jedovaté zplodiny. Zapálení směsi také probíhá pod tlakem a protože v tomto případě nebývají páry v takovém stavu jako na volném vzduchu, zapálení je obtížnější. V poměru λ = 0,75 – 1,2 je směs snadno zápalná, proto se tato oblast v provozu motoru využívá. Navíc i výkonové a účinnostní charakteristiky se shodují se zápalností směsi a tak nám tato fyzikální shoda spoustu problémů vyřešila. Pokud začne bohatost směsi překračovat uvedenou hodnotu, schopnost zapálení rychle klesá, až nelze směs zapálit vůbec (známé to „ulití“ motoru při nesprávném postupu spouštění či chodu teplého motoru na sytič). V opačném případě lze zvyšováním energie jiskry tuto hranici posunout výrazně výše, ovšem je zapotřebí mít směs co nejhomogenější, aby se v okamžiku zapálení nacházelo v místě přeskoku jiskry dostatečné množství zapálení schopné směsi (kde nic není, ani smrt nebere – čistý vzduch nezapálíme). Každopádně oba uvedené limity mají protichůdný vliv na výkon, spotřebu a tvorbu emisí. Navíc má každá bohatost směsi jinou rychlost hoření. Na rychlost prohořívání směsi má vliv také teplota, stupeň víření (podporované otáčkami motoru), vlhkost vzduchu a složení paliva. Každý z těchto faktorů se podílí jinak, nejvyšší vliv má víření a bohatost směsi. Bohatá směs hoří rychleji než chudá, ovšem u příliš bohaté směsi rychlost rapidně klesá. Při zapálení směsi probíhá hoření nejprve pomalu, s narůstajícím tlakem a teplotou se rychlost hoření zvyšuje, k čemuž napomáhá i narůstající víření směsi. Naštěstí jde o definovatelnou záležitost, takže při určitém uspořádání motoru je rychlost hoření při stejných podmínkách opakovatelná a to nám napomáhá při určování regulace předstihu zážehu. Rychlost hoření je důležitý faktor, i když obtížně ovlivnitelný.

Nejdříve si rozebereme směs bohatou. Podle měření dosáhneme nejvyššího výkonu motoru při směsi bohatější o 20%. Proč to – při této bohatosti se zcela jistě využije všechen kyslík přítomný ve válci. Teoreticky by se měl kyslík plně využít při stechiometrické směsi, protože však neumíme v tak krátké době připravit úplně homogenní směs (nesplněný sen mnoha výzkumných pracovišť), určité procento molekul paliva nemá okolo sebe dostatečné množství molekul vzduchu na spálení, v pohybu paliva ke vzduchu navíc později brání zplodiny již zreagovaných molekul a tak se vždy určitá část kyslíku s uhlovodíky nepotká a proto se nevyužije. Z tohoto důvodu se obohacuje o již zmíněných 20% směs palivem, aby se tomuto odpomohlo. Přebytek paliva při svém odpaření odnímá teplo nasávanému vzduchu, ten zmenší svůj objem a také hmotnost těžšího paliva pomáhá setrvačnosti sloupce směsi při proudění do válce před zavřením ventilu, tím se ho do válců dostane více, což ke zvýšení výkonu také přispívá (asi o 2%). Při dalším obohacování se kromě snížení zápalnosti paliva zmenšuje objem vzduchu a tak není možné využít původní množství vzduchu, který je pro maximální výkon optimální. Z hlediska emisí je v případě bohaté směsi značná tvorba CO a HC_x, produkce NO_x je díky nižším teplotám při spalování bohaté směsi relativně malá.

Stechiometrická směs, kdy je teoreticky přesně splněna podmínka správného poměru paliva a vzduchu, se v motorech bez katalyzátoru používá minimálně, protože vzhledem k nemožnosti dosáhnout homogenní směsi dochází při spalování k nadměrné (prakticky maximální) tvorbě NO_x. Přestože hodnota CO je téměř na dosaženém minimu a tvorba HC_x také silně poklesne, tento režim se kromě volnoběhu prakticky nepoužívá (volnoběh se vyznačuje spalováním za nízkých tlaků, kde nevzniknou teploty, při nichž vzniká produkce NO_x). Přesně naopak je tomu při použití katalyzátoru, protože se oxidační a redukční pochody v katalyzátoru odehrávají při použití stechiometrické směsi nejúčinněji.

Chudá směs přispívá ke zvýšení účinnosti spalování, která je nejvyšší jen při určitém poměru smíšení ze vzduchem, a to zhruba 16,7 – 17,3:1. Zde se naopak využije všechno palivo, protože se vše odehraje obráceně než u bohaté směsi. Rychlost hoření je znatelně menší než u směsi bohaté, teplota při spalování je vyšší. Rozdíl v účinnosti je okolo 20%. Přeloženo do srozumitelného jazyka – rozdíl v účinnosti je sice 20%, ale rozdíl v dodávce paliva překračuje (ovšem podle toho jak se to počítá) 30%, ale výkon při bohaté směsi vzroste jen o 15%. Takže pro zvýšení výkonu o 15 % se spotřebuje o více jak 30% více paliva. (Z tohoto pohledu zvyšování výkonu obohacováním směsi není optimálním řešením.) Pokles výkonu oproti bohaté směsi je normálně asi 15%, ale směrem k otáčkám volnoběhu se musí směs z funkčních důvodů obohacovat a tak se rozdíl výkonu zmenšuje. Tvorba emisí – NO_x silně klesne, CO zůstává blízko nulové hodnoty, ale tvorba HC_x se začíná mírně zvyšovat oproti stechiometrické směsi, ovšem pořád je asi pěti - šestinová proti směsi bohaté. Z tohoto pohledu je provoz motoru bez katalyzátoru na takto chudou směs s ohledem na životní prostředí a naši peněženku nejšetrnější. S dalším ochuzováním směsi narůstá HC_x, ostatní sledované emise zůstávají nízké. Protože se při pokračujícím ochuzování zhoršuje homogenizace směsi a to dále zhoršuje podmínky spálení paliva, rychlost hoření dále klesá, účinnost poklesne a výkon klesne ještě více, tento režim – i přes nepovedené pokusy automobilek s přímým vstřikováním paliva do válců, kde se snaží dosáhnout poměru až 50:1 – je pro provoz spalovacího motoru nevhodný stejně, jako provoz s nadměrně bohatou směsí. Karburátory jsou seřízeny tak, aby pracovaly při částečném zatížení s ochuzenou směsí o 15%, kdy se dosahuje největší hospodárnosti.

Provoz motoru v celém rozsahu otáček a výkonů potřebuje různé složení směsi. V otáčkách volnoběhu se používá směs bohatší, se zvyšujícími se otáčkami bohatost klesá (pokud nechceme odebírat plný výkon), v ostatních otáčkách je možné používat jak směs chudou, tak bohatou. S ohledem na odebíraný výkon (úhel sešlápnutí plynového pedálu) se v při malém sešlápnutí používá směs bohatší, od asi 15-20% plynule přejde na chudou (v režimu částečného zatížení je zapotřebí dosáhnout co největší hospodárnosti) a mezi 85-90% se opět plně obohatí. Tohle umí zařídit většina karburátorů a mechanických vstřikovacích zařízení, v poslední době se od maximálního obohacování při plném výkonu upouštělo z důvodu zmenšení množství emisí, obohacování se ponechávalo jen u sportovních verzí (proto byl rozdíl ve výkonu škodovek řady Š 742, „užovky“ měly asi o 5% větší výkon než mají „emka“) . Motory s katalyzátory mají režim řízení směsi odlišný, převládá stechiometrická směs z důvodu splnění emisních norem. Zde je vše řízeno počítačem, každý typ motoru je vyladěn na motorové brzdě a získané optimální hodnoty jsou uloženy do paměti, podle které se vstřikování a zapalování řídí.

A teď troška informací o důležitosti víření směsi. Víření směsi napomáhá promísení paliva se vzduchem a urychluje prohořívání směsi, víření také zvyšuje antidetonační odolnost. Problému se věnoval Harry Ricardo již na počátku vývoje motorů a dospěl k závěru, že velikost víření má určitou míru, při příliš vysokém víření přechází nadměrné množství tepla do stěn spalovacího motoru a zvyšuje tepelné ztráty. Jeho známé spalovací prostory s vysokým stupněm víření sice přinášely určitý zisk na antidetonační odolnosti a kvalitě spalování, ale pro značné tepelné ztráty se přestaly záhy používat. Směs by měla vířit hlavně ve válci, pokud dochází k víření už v sacím potrubí, zvýší se hydraulické ztráty a plnění motoru se zhorší. Ricardo je jedním z nejznámějších a nejúspěšnějších výzkumníků, jeho práce využívá celý odborný svět. Na jeho výzkumech je konstrukce motorů postavena. Firma s jeho jménem existuje dodnes.

A jak to tedy vlastně přesně funguje. Budeme předpokládat přípravu směsi karburátorem a popis se bude vztahovat na jeden válec, plně otevřenou škrtící klapku karburátoru a otáčky největšího točivého momentu. (Tato část je pro další chápání souvislostí důležitá, proti školní teorii jsou zde důležité odlišnosti.)

Motor se již točí. Píst se dostává při výfukovém zdvihu k horní úvrati a vytláčí zplodiny spalování přes výfukový ventil do výfukového potrubí. Asi 10 - 15° před horní úvratí se začíná otevírat sací ventil a část zplodin se dostává vlivem většího tlaku zplodin do sacího potrubí. Po překročení HÚ se začíná dovírat výfukový ventil a píst pokračuje v pohybu od HÚ do DÚ. Sací ventil se začíná otevírat čím dál tím více, vytlačování se plynule mění v sání, někde okolo 10° za HÚ se výfukový ventil zavře úplně a teď již probíhá fáze sání plně. Píst zrychluje svůj pohyb směrem k DÚ a zároveň pokračuje otvírání ventilu, přes který proudí do válce směs připravená karburátorem. (Nezapomeňte, že se nasají i zplodiny vniklé do sacího kanálu při otevření sacího ventilu!) Otevírání ventilu se začne někde v okolí poloviny dráhy pístu zpomalovat, až se zastaví a začne se zase zavírat. V tuto dobu i píst začíná zpomalovat s blížící se DÚ. Přes zavírající se ventil stále proudí setrvačností do válce směs a to i přesto, že píst stojí v DÚ a začíná se pohybovat směrem k HÚ. Pohybující se píst zmenšuje objem válce, ale vzhledem k setrvačnosti sloupce směsi v potrubí stále proudí směs do válce, i když výrazně méně díky zavírajícímu se sacímu ventilu. Někde okolo 40° za DÚ se ventil uzavře úplně a nastává kompresní zdvih. Píst při pohybu k HÚ stláčí nasátou směs, její teplota roste a zvětšuje se tedy tlak více, než by odpovídalo stupni stlačení. V této fázi se (v ideálním případě, nemusí to být vždy pravda) všechno palivo rozprášené ve vzduchu teplem odpaří a stává se plynným, dochází vlivem víření k promíchání směsi (v ideálním případě homogenizaci). Někde okolo 25 – 28° (platí asi při 3 000 ot/min) před HÚ dochází k zapálení směsi jiskrou na elektrodách zapalovací svíčky. Od tohoto okamžiku začíná prohořívat zhruba v kulových plochách objem směsi, spalováním se zvyšuje teplota a narůstá tlak ve válci, který až do dosažení HÚ působí proti pohybu pístu. Maximálního tlaku (asi 4,0 – 4,5 MPa) by se teoreticky mělo dosáhnout v HÚ, ale podle měření je nejvhodnější maximum tlaků 10 – 15° za HÚ. (Jde totiž o poměr tlaků před HÚ a za HÚ, pokud by byla směs zapálena dříve, tlak na píst před HÚ by narůstal do značné výše a působil proti pohybu pístu více, než je nezbytně nutné pro tento druh uspořádání motoru. K tomu hrozí nebezpečí detonačního hoření z nadměrného nárůstu tlaků. Na to, abychom dosáhli co největšího zisku výkonu, je zapotřebí mít co největší poměr tlaků ve prospěch „za HÚ“.) Píst se dále pohybuje od HÚ k DÚ, směs dále prohořívá, tlaky by se měly dále zvyšovat, ale protože se zvětšuje spalovací prostor, nárůst tlaku záhy přechází v pokles. (Paradoxně teplota spalování dosahuje vrcholu opožděně za tlakovým vrcholem, v nejvyšším bodě dosahuje asi 2 – 2 500° C a nijak moc neklesá až do otevření výfukového ventilu.) Všechno palivo shoří za dalších asi 40 – 45° otočení klikového hřídele a dále na píst působí jen tlak zplodin. Zhruba 40 - 45° před DÚ se začne otvírat výfukový ventil a zplodiny o teplotě asi 900 – 1 000° C začínají vlivem tlaku asi 0,5 MPa unikat do výfukového potrubí. Bod otevření výfukového ventilu se volí tak, aby se dosáhlo takového poklesu tlaku ve válci, kdy na odstranění zbytků spalování bude zapotřebí co nejmenšího výkonu. (Tento okamžik ale nesmí nastat příliš brzy, jinak dojde ke ztrátě užitečného tlaku. Je zapotřebí si uvědomit, že i když je ventil otevřen a zplodiny unikají ven z válce, je v něm ještě pořád nějaký tlak, který působí na píst. Také rychlost pohybu pístu se mění zhruba sinusově a okolo úvratí je malá a tak na únik zplodin vlastním přetlakem je relativně dost času.) Píst dosáhl DÚ a začíná se pohybovat k HÚ, výfukový ventil se dále otvírá a někde okolo 50 – 70° za DÚ dosáhne maxima a začne se zavírat. Mezitím píst vytláčí zbytky zplodin z válce a – dále můžete číst od začátku tohoto odstavce. Toto vše probíhá za zhruba konstantních rychlostí hoření a ostatních průběhů tlaků atd. Vše je optimálně sladěno a proto máme maximální točivý moment a minimální měrnou spotřebu paliva.

Proč takový popis – protože se zde jasně ukazuje nedokonalost nynější konstrukce spalovacích motorů. Výše uvedené totiž platí pro určité otáčky a plně otevřenou škrtící klapku karburátoru, nebo-li plný výkon v těchto otáčkách. Pokud se nad tím důkladně zamyslíte, zjistíte, že jakmile se změní otáčky nebo otevření klapky karburátoru, tak spousta toho, co jsem popsal, najednou není pravda. Seškrcením přívodu směsi se omezí setrvačnost sloupce směsi a pro nasátí do válce je zapotřebí více práce odebrané z kladné práce motoru (zvýšení hydraulických ztrát má za následek významný pokles výkonu a značné zvýšení měrné spotřeby paliva), dále se sníží kompresní poměr, protože do válce se dostane méně směsi, která je ale stlačena do konstantního objemu, platném pro plné naplnění válce směsí, takže ještě pokles účinnosti. Sací ventil se zavírá příliš pozdě a část nasáté směsi se vytlačí zpět do sacího potrubí. Výfukový ventil se otevírá pro tento režim příliš brzy a dojde tedy ke ztrátě užitečného tlaku. Přeloženo do srozumitelného jazyka, pro optimální funkci je zapotřebí měnit úhel otevření a zdvih ventilů, kompresní poměr, případně délku sacího a výfukového potrubí. Při přechodu do jiného režimu se náhle zvýší měrná spotřeba z nějakých 280 g/kWh na 500 – 800 g/kWh podle míry otevření škrtící klapky, takže přesto, že odebíráme z motoru jen poloviční výkon, spotřeba paliva nijak zvlášť neklesá, spíše naopak. Toto uvádím pro „sportovní řidiče“, kteří drží neustále motor ve vyšších otáčkách bez ohledu na potřebu odebíraného výkonu (na trojku třeba 80 km/h, i když to už vezme pětka). Největší účinnosti a tedy nejmenší spotřeby se dosáhneme, pokud budeme udržovat motor v optimálních otáčkách a pokud možno s plně sešlápnutým akcelerátorem (vyřadit obohacovací systém karburátoru pro plný výkon, jinak si moc nepomůžeme). V běžném provozu téměř nerealizovatelné, lze se tomu přiblížit způsobem jízdy známou z Ekonomy Rallye – rozjet na určitou rychlost odvislou od optimálních otáček motoru, vyřadit, nechat jet na neutrál, při poklesu pod určitou hranici opět zařadit, akcelerovat, dosáhnout určité rychlosti, vyřadit atd.

Celá problematika je o to horší, že výrobci toto nijak nechtějí řešit, protože měnitelný rozvod a kompresní poměr prodraží konstrukci a vůči konkurenci se vozidlo stává neprodejné. Pokud jim to někdo nepředepíše zákonem, nikdo s nimi jen tak nehne. Motor s pevně nastaveným rozvodem má jakýsi průběh křivky točivého momentu a tím i rozmezí použitelných otáček a pomocí nastavení rychlosti a úhlu otevírání ventilů se dá toto rozmezí „vyrobit“ dostatečně široké pro normální provoz (zbytek necháme na převodovce). Je to kompromis, protože dosažitelný výkon se „rozpustí“ do průběhu momentu. Občasné výkřiky různých VVTi, VTEC atd. jsou jen berličky, protože buď řeší problém jen dvoustupňově, nebo jen řídí skokově sací ventily, případně plynule posunují úhel vačkových hřídelů pro sání a výfuk proti sobě (úhel otevření zůstává stejný, změní se jen překřížení ventilů v HÚ) atd. Ani „evropsky oceněné“ řešení BMW, kdy nepoužívají škrtící klapku a množství nasávané směsi řídí velikostí zdvihu ventilu toho moc neřeší, protože pořád něco něčím škrtí, když už ne klapkou, tak sacím ventilem. Něco sice získali, ale jinak žádná sláva. Jediný, kdo se do toho pustil správným způsobem, je Rover, který s nejvyšší elegancí vyřešil plynulé zvětšování úhlů otevření ventilů pro sání i výfuk (pouze zdvih ventilů zůstal konstantní, což je kaňka na jinak technicky geniálním řešení). Rover řešil změnu otevření ventilů poměrem zrychlování a zpomalování vačky během jedné otáčky (pro každý ventil musí být zvlášť vačka). (Někdy okolo roku 1984 jsem zkoušel tuto možnost dát dohromady, ale moje řešení využívající vlastnost křížových kloubů během otáčky měnit úhlovou rychlost v závislosti na vyklonění se ukázalo jako příliš těžkopádné a rozměrově nepřijatelné. Proto mne velmi potěšilo potvrzení principu, tento byl správný, jenže já neměl počítač s CAD – CAM programy, který by mi pomohl najít řešení jiné. Přepočítávat na kalkulačce pohyby hřídelů á la Rover by mi trvalo několik měsíců. Navíc je toto řešení vhodné jen pro rozvod 2OHC.) Jejich provedení je založeno na změně excentricity, dva v sobě nasunuté hřídele (jeden je dutý) jsou vůči sobě při otáčení vychylovány a tím se mění úhlová rychlost jednoho z nich. Celé zařízení je přijatelně malé. Pouze neumožňuje změnit zdvih ventilů, byl by potřeba další vložený prvek mezi vačku a ventil. (Tady by se velmi hodilo použít řešení od BMW.) Každopádně buďme rádi aspoň za tyto pokusy, pořád lepší než drátem do oka.

Pro zajímavost jeden teoretický výpočet:  Favorit potřebuje na udržení rychlosti 50 km/h na rovině výkon 1,5 kW (to není blábol, to je oficiální měření). Pokud budeme uvažovat nejnižší měrnou spotřebu 280 g/kWh (motor Favorita ji skutečně v optimu má), tak na ujetí 100 km potřebuje 2 x 1,5 (kW) x 0,280 (kg/kWh) x 0,75 (měrná hmotnost benzínu) =  1,12 l benzínu. Už jste někdy viděli Favorita s takovou spotřebou? Maximálně když ho táhli na laně. Favorit 136 měl základní výkon 46 kW a tedy odběr 1,5 kW je mimo jakoukoliv rozumnou možnost ekonomického provozu. Je sice pravdou, že by se v praxi jen stěží dosáhlo takové spotřeby, ale hodnota okolo 2 l/100 km je reálná. (Oficiálně spočítaná minimální spotřeba pro patřičně „vymakaný“ rodinný vůz velikosti Formana při ustálené rychlosti 90 km/h je 1,8 l/100km, pod tuto hodnotu se již dostat nelze. Z praktického hlediska je možné takový vůz provozovat někde okolo 3 l/h. Mluvíme o benzínu, s naftou budou hodnoty jiné, možná i vyšší (nižší výhřevnost nafty).)

Spalovací prostor:

Spalovací prostory můžeme rozdělit na spalovací prostory umístěné v hlavě válců a spalovací prostory v pístu, případně kombinované (vznětové komůrkové motory). Spalovací prostory v pístu se používají v téměř stoprocentně u vznětových motorů, kde to svým způsobem ani jinak nejde. Tvar spalovacího prostoru pro zážehový motor je odlišný od tvarů používaných motory vznětovými.

Nejdříve se podíváme na prostory v pístu. Jejich opětovnému použití přispěl začátkem osmdesátých let minulého století tlak na snížení emisí a spotřeby paliva. Katalyzátory teprve započaly svůj vývoj a tak jediná cesta byla zdokonalit spalovací proces. Co je na nich zvláštního – díky možnosti velmi přesné výroby (tlakové odlitky) se dá dodržet stejnost velikosti a tvaru ve všech válcích. Tím je dán i malý rozptyl průběhu spalování při jednotlivých cyklech. Tvorba emisí je vzhledem k rovnoměrné teplotě spalovacího prostoru a malému rozptylu průběhu spalování nízká. Ze všech používaných prostorů v pístu se největšího rozšíření dočkal prostor Heronův. Jednoduchý tvar „lavóru“ uprostřed pístu při správně skloněném sacím kanálu napomáhá víření (spíše rotaci s osou válce) směsi, která umožňuje měkké vyhoření. Rotační víření směsi napomáhá zvýšit odolnost proti detonacím. Tento prostor můžete vidět ve Felicii 1,6 a tříválcové Fabii 1,2. Všeobecným problémem prostorů v pístu je omezení velikosti ventilů vrtáním válce, které musí být uspořádány svisle. Jen s velkými problémy lze takto realizovat čtyřventilové provedení, pro technické komplikace, které nepřinesou očekávaný zisk (směr proudů směsi z jednotlivých sacích kanálů si navzájem překáží), se nepoužívá. Z technologického hlediska jde o oblíbené řešení, výroba hlavy válců je jednodušší, všechno je „kolmé a rovné“. Pro úpravy na vyšší výkon zrovna vhodné nejsou, obtížně se dodatečně zvyšuje kompresní poměr a malé ventily škrtí ve vysokých otáčkách přívod směsi.

Spalovací prostory v hlavě prošly rozsáhlým vývojem. Původně velmi používané provedení rozvodu SV (ventily po straně válců „vzhůru nohama“) bylo se zvyšujícími se požadavky na výkon a hospodárnost rychle opuštěno, protože nekompaktnost prostoru omezovala plnící účinnost (za ventily se proud směsi o 180° obracel) a zvyšovala náchylnost k detonačnímu hoření (použitelné max.do cca 7,5:1). Rozvody OHV a OHC umožnily vytvořit kompaktní prostory několika provedení, z kterých dnes zůstaly miskový, klínový a střechovitý. (Půlkulový prostor si probereme zvlášť.)

Miskový tvar je vlastně totéž co Heronův prostor, jen není kruhový, ale má tvar vaničky. Vhodný pouze pro dvouventilové provedení. Ventily se umisťují svisle, vyplachování díky dost velké antidetonační mezeře není nejlepší. Produkce CO + CH_x má vyšší, NO_x nižší než ostatní prostory. Pokud se správně umístí svíčka, je odolný proti detonacím. Vyniká nad nimi nejmenším poměrem plochy povrchu k objemu spalovacího prostoru. Kanály se dají vyvést buď všechny na jednu stranu, nebo sací a výfukové na každou stranu zvlášť. Miskové prostory se časem přestaly používat, výhodněji vyšel Heron.

Klínový spalovací prostor všichni znáte, má ho každá škodovka včetně Favorita. Opět jen dvouventilové provedení. Spalovací prostor je vůči ose válce odkloněn, všechny ventily jsou rovnoběžné a odkloněné od osy válce. Vychází lepší poměr velikosti ventilů vůči vrtání válce, antidetonační mezera se snadno nastavuje. Svíčka se umístí mezi ventily a tak vyjdou prohořívací dráhy krátké. Klínový prostor se dobře opracovává, antidetonační mezera má 25 – 30% plochy pístu. Klínový prostor se vyznačuje uspokojivým středním indikovaným tlakem, sníženým množstvím CO + CH_x, avšak zvětšeným množstvím NO_x. Poměr plochy proti objemu má jen o něco horší než miskovitý. Kanály se dají rozumně vyvést pouze na jednu stranu, což je výhodné i nevýhodné z hlediska vyhřívání sacího potrubí. Moskvič 408 (1360) měl kanály rozdělené a tak plnění motoru bylo katastrofální (při objemu 1360 cm3 pouze 45 k). Tento prostor je nejčastěji používán u dvouventilového provedení, umožňuje také dobře tvarovat kanály u motorů do V.

  Střechovitý prostor je vlastně modifikace půlkulového spalovacího prostoru pro použití čtyř ventilů. Použití dvou ventilů je také možné, ale není to ono – v tom případě je lepší použít půlkulový prostor. Ventily jsou odkloněny od osy válců a sací od výfukových. Úhel mezi ventily se dělá od 45° do 90°, menší úhel je výhodnější, většinou se pohybuje okolo 60°. Závodní motory mají úhel co nejmenší, protože se lépe dosahuje vyššího kompresního poměru a v případě prasknutí pružiny píst zatlačí ventil zpět do vedení a zmenšuje se tak možnost vážného poškození motoru. Menší úhel zlepšuje vyplachování kompresního prostoru. Protože sací ventily mívají větší průměr, prostor není geometricky přesně střechovitý, vrchol není v ose válce. Proto sací ventily jsou méně a výfukové více odkloněny od osy válců. (Ovšem nemusí to být pravidlem, lze použít i symetrický tvar.) Umístění svíčky – nejlepší místo je uprostřed mezi všemi ventily. Pro letecké motory se používají svíčky dvě, každá v horním rohu. Prohořívací dráhy vychází stejně dlouhé jako při použití jedné svíčky, ale v případě poruchy jedné válec nevynechá úplně funkci, i když k mírnému poklesu výkonu na válci dojde. Výroba takového spalovacího prostoru včetně kanálů je obtížná, jako materiál hlavy se používají prakticky pouze hliníkové slitiny. Střechovitý prostor se vyznačuje vysokou účinností výměny obsahu válce včetně vypláchnutí spalovacího prostoru a dosažený střední indikovaný tlak je vysoký a měrná spotřeba nízká. Krátká dráha plamene podporuje odolnost proti detonacím, na stejné palivo lze zvýšit kompresní poměr až o jeden stupeň. Spalovací tlaky mohou dosáhnout takových hodnot, že je spalování příliš tvrdé. Tvorba CO + CH_x bývá nízká, ale z důvodu vysokých spalovacích tlaků má vysoké NO_x. Poměr povrchu k obsahu je o 10% horší než u ostatních, proto má větší tepelné ztráty. Tento nedostatek se vyvažuje jakostnějším spalováním. Při návrhu konstrukce čtyřventilového střechovitého prostoru je nutné zvlášť dbát o správné provedení chlazení můstku mezi výfukovými ventily, při nadměrném zahřátí se deformuje dosedací plocha sedel a ventily přestanou dovírat. Kanály se dají vyvést pouze odděleně na každou stranu zvlášť, pokud se nepoužijí sací kanály souosé s válci (to skutečně lze).

Poměr povrchu k objemu závisí na poměru Z/D (vrtání/zdvih), proto všechny popisované hodnoty jsou přepočítány na stejný poměr Z/D.

 Půlkulový prostor má nejnižší poměr povrchu k objemu a tedy nejmenší tepelné ztráty. Píst má vypuklé dno pro dosažení velkého kompresního poměru. Rovné dno je možné použít jen při zdvihovém poměru > 1. Lze použít nadprůměrně velké ventily se vzájemným úhlem okolo 90°, jejich kolizi při překrytí v horní úvrati se zabrání jejich mírným vyosením. Svíčka se umisťuje na vrcholu prostoru, podobně jako u střechovitého prostoru. Pokud to rozvod OHC nedovolí, umístí se svíčka co nejblíže k výfukovému ventilu. Při správně zvoleném sklonu velkého sacího kanálu se proud směsi minimálně brzdí a vyplachování je nejlepší ze všech tvarů spalovacích prostorů. Malý poměr povrchu k objemu ovšem ještě více zhorší tvorbu emisí a přestože tento jediný prostor dosahuje tepelné účinnosti 33%, tak se již prakticky nepoužívá. Posledním „mohykánem“ byly vzduchem chlazené motory Porsche, kde se využívaly přednosti tohoto provedení při použití jen dvou ventilů na válec. Byly učiněny i pokusy vytvořit půlkulový prostor se čtyřmi ventily, u motocyklů uspěla Rudge Whitworth (OHV) a Hopwood BSA (OHC) s jednoválcovým uspořádáním, víceválec zkusilo úspěšně BMW, ale ani jedno řešení se neujalo pro nadměrnou složitost, která nebyla vyvážena patřičným ziskem výkonu. Sací kanály pro eliminaci můstku mezi výfukovými ventily byly umístěny proti sobě, takže proud směsi se navzájem ovlivňoval. Konstrukce byla komplikovaná střídavým umístěním sacích a výfukových kanálů. Půlkulový prostor se nepoužívá ani u závodních motorů, protože dva velké ventily jsou příliš těžké a omezují dosažitelné otáčky. Kanály se vyvedou odděleně jako u střechovitého prostoru. Všichni výrobci poznali výhody střechovitého prostoru a tak bez mrknutí oka půlkulový opustili. Ze socialistické produkce měl tento prostor Moskvič 412 (1500) se svíčkou umístěnou zešikma. Přestože tento celohliníkový motor byl vyvinut ve spolupráci s Renaultem (82x70, 8,8:1, OHC s vahadly, plnoprůtokový filtr) výkon 70 k/5800 ot/min nebyl nic moc a spotřeba se nedostala pod 8,5 l/100km. Navíc pod 3000 ot/min se mu zrovna nechtělo jet. Dalším byla Tatra 613 se vzduchem chlazeným motorem, měrný výkon se pohyboval pod hranicí 50 k/dm³ (velký výkon odebíral chladící větrák, jinak by parametry byly lepší). Později se tvar spalovacího prostoru modifikoval za účelem snížení spotřeby, zvýšil se kompresní poměr a úpravou otevření ventilů se zrušilo překřížení ventilů v HÚ. Spotřeba skutečně o mnoho klesla, ale pořád to byl díky objemu 3,5 dm³ „nenažranec“.   

Počet ventilů:

Použití více ventilů ve válci není opět nic nového, čtyřventilové provedení 2OHC s ovládáním ventilů pomocí krátkých zdvihátek použil Švýcar Henri na třílitru Peugeot již v roce 1913. Použití hrníčkových zdvihátek převlečených přes ventilové pružiny se datuje někdy v roce 1920, opět Henriho konstrukce. Toto řešení nebylo dodnes překonáno, jeho hmotnost již nelze snížit jinak, než použitím lehčích materiálů (titan). Počet ventilů v jednom válci během vývoje dosáhl osmi (!), ale nakonec se vše ustálilo na čtyřech. Naposledy fanatici od Hondy někdy v polovině osmdesátých let použili 8 ventilů u motocyklové závodní čtyřdobé pětistovky, která ovšem neměla válec kruhového průřezu, ale oválného – stejný tvar jako atletická dráha na stadionu. Svým způsobem jde o „ošvindlovaný“ čtyřventil, spalovací prostor byl střechovitý a na každé straně „střechy“ byly v řadě čtyři ventily. FIFA tento motor zakázala předpisem kruhového vrtání válce, protože technické možnosti ostatních výrobců zaostávaly natolik, že by nakonec závodily jen samé Hondy. Chytré hlavy od Audi zkusili vyřešit pětiventilové uspořádání rozvodu (tři sací a dva výfukové), ale když jsem viděl, jak se pátý ventil stydí před ostatními čtyřmi a je umístěn mimo logické chápání, kdy proudy směsi ze všech tří sacích kanálů se navzájem bijí, bylo mi jasné, že v obrovské snaze předvést technický pokrok za každou cenu zase šlápli vedle (u Audi to není poprvé a asi také naposled). Jedinou pomocí se stalo přeplňování turbodmychadlem, to dokáže spoustu technických potratů napravit. Ani pro závodní WRC není tento motor vhodný, nepoužitelný průběh točivého momentu i přes jeho výši (600 Nm!) z Octavie už předem vytvořil outsidera. Yamaze pětiventil (pokud nepočítám motocyklové motory Yamahy, ale tam se vzhledem k hmotnosti motocyklu všechno „tváří jako dělo“) ve F1 udělal nebetyčnou ostudu („nahoře nic, dole nic a mezi tím detonace“) a tak jediné pětiventily u produkčních modelů provozuje Ferrari. Bohužel uspořádání jejich rozvodu mi zůstalo utajeno a tak se zdržuji komentáře. Každopádně pětiventilové motory nemají u všech modelů a tak si také o tom myslím své. Tři ventily (2 sací a 1 výfukový) používal s oblibou a velmi úspěšně Bugatti, v době mezi oběma válkami se zkoušelo všechno možné.

Rozvod:

Rozvod je mechanické zařízení, které zajišťuje otvírání a zavírání ventilu. Součástí rozvodu je vačkový hřídel s pohonem, zdvihátka, ventilové tyče, vahadla, ventilové pružiny s příslušenstvím a ventily. Podle technického provedení nemusí mít rozvod vahadla a ventilové tyče, případně i vratné pružiny. Rozvod bez ventilových pružin se nazývá desmodromický, zavírání ventilů zajišťuje druhý vačkový hřídel s přislušným mechanizmem (velmi náročné na technické provedení a přesnost výroby, kromě Ducati nevím o nikom, kdo by desmodromický rozvod používal). Dobře navržený desmodromický rozvod umožňuje extrémně zvýšit rychlosti a přechody ze zrychlení do zpomalení, na stejnou plochu otvírací křivky stačí daleko menší úhel otevření. Na tvaru a velikosti zdvihu vačky záleží plnění a vyprazdňování obsahu válce. Vačka by měla zajišťovat rychlé otevření a zavření ventilu, čím rychleji dokážeme ventil otevřít a zavřít, tím se nám lépe podaří naplnit a vyprázdnit válec. Jenže to je ten kámen úrazu – rychlost otvírání a zavírání ventilu je omezena dynamickým namáháním příslušných částí. Nechci se pouštět do hlubokomyslného teoretického rozboru včetně grafů a vzorců, ti, kdo se výrobou vačkových hřídelů zabývají, to znají lépe a ostatním to vlastně k ničemu není. Pouze chci vysvětlit funkci a proč to nebo ono funguje a nebo nefunguje.

Z hlediska uspořádání rozvodu se dnes používají dva systémy, OHV, OHC (2OHC). Rozvody SV a F se již nepoužívají pro nemožnost dosáhnout kompaktního tvaru spalovacího prostoru.

OHV rozvod je význačný tím, že vačkový hřídel je uložen v bloku motoru blízko klikové hřídele a ovládání ventilů se řeší pomocí zdvihátek, ventilových tyčí a vahadel. Pohon je krátkým řetězem nebo ozubenými koly. Jeho výhodou je levnější odlitek hlavy, který nemusí být extra přesný a z pozice servisních prací se při demontáži hlavy nemusí znovu pracně seřizovat poloha vačkového hřídele vůči klice. Vůle ventilů se snadno seřizuje pomocí šroubu na vahadle. Nevýhodou je kromě slévárensky složitějšího bloku značná pružnost rozvodu a větší počet součástí rozvodu, které zvyšují hmotnost pohyblivých částí, které musí pružina vracet. Také ovládání čtyř ventilů na válec je rozvodem OHV problematické.

OHC rozvod má vačkový hřídel uložený v hlavě, pohon je řetězem nebo ozubeným řemenem, výjimečně několika koly. Ovládání ventilů je vahadly, pokud jsou ventily v řadě, je možné použít přímo hrníčková zdvihátka nasazená na ventily, hmotnost takového řešení je nejmenší dosažitelná. Rozvod má minimum součástí, které jsou navíc lehké, pružina ventilu může mít menší sílu. Výhody a nevýhody jsou v obráceném gardu proti rozvodu OHV.

Rozvod 2OHC se nejvíce používá u čtyřventilových provedení (i když existuje mnoho dvouventilů s 2OHC včetně Tatry 613), kde jedna vačka ovládá sací a druhá výfukové ventily. Lze to i jednou vačkou, ale u čtyřventilů se umísťuje svíčka do osy válce uprostřed mezi ventily a její poloha koliduje s polohou vačkového hřídele. (Při použití OHC u čtyřventilu vačka ovládá pomocí hrníčkových zdvihátek jedny řadu ventilů a druhou pomocí vahadel, tím se uvolní místo pro umístění svíčky do osy válce.) Pohon bývá řetězem nebo ozubeným řemenem, ozubená kola jen zcela výjimečně u závodních motorů. Oddělení obou vaček umožňuje za chodu jejich vzájemné úhlové natočení. U OHC i 2OHC je při použití hrníčkových zdvihátek problém s nastavováním vůle ventilů, chybí regulační prvek. Řeší se to kalenými podložkami vkládanými mezi zdvihátko a ventil, nebo mezi vačku a zdvihátko do vybrání ve styčné ploše vačky a zdvihátka atd. Každopádně se musí demontovat vačkový hřídel, což prodražuje servisní práce. Sériové motory dnes používají zdvihátka s hydraulickým vymezováním vůle, kde tlak oleje zajišťuje dodržování stanovené vůle za cenu větších mechanických ztrát. Předepsaná bývá jen kontrola rozvodu po 80 000km.

Z pohledu sériové produkce se rozvody mezi sebou z provozního hlediska neliší, záleží jen na úvaze výrobce, který rozvod je pro dané použití vhodnější (vhodnost motoru pro pozdější závodní úpravy atd.). V případě závodních motorů připadají v úvahu pouze OHC a 2OHC, OHV neumožní dosažení vysokých otáček. Dnes je celkový trend přidávat ventily a tak se OHV rozvod pomalu opouští, Japonci už rozvod OHV nepoužívají přes 15 let. OHV rozvod je ale ekonomicky velmi výhodný při použití u osmiválcových motorů do V a úhlu otevření 90°. Pokud uložíme vačkový hřídel vysoko mezi obě řady válců, lze jedním hřídelem ovládat všechny ventily (např. Tatra 603).

Pokud jste již viděli vačkový hřídel, jistě víte, že je na něm cosi, co má vejčitý tvar. To jsou jednotlivé vačky a jejich tvar určuje průběh otvírání ventilu vzhledem k otáčkám klikového hřídele. Tvar vačky je především dán požadavkem na co nejmenší skokové změny ze zrychlení do zpoždění – ventil se nejdříve co nejrychleji otvírá, před dosažením maximálního otevření začne zpomalovat až se zastaví, okamžitě se zase začne zavírat (zrychluje) a před uzavřením opět zpomalí, aby dosednutí do sedla mělo optimální rychlost (musí trochu „ťuknout“, příliš pomalé dosednutí snižuje životnost sedla). Přechody mezi jednotlivými stavy musí být plynulé, jinak i sebelepší materiál se začne vytloukat z nezvládnutých sil – vratná pružina nedokáže zachytit zrychlující síly, ventil a všechny příslušející části odskakují a dochází k nekontrolovatelným nárazům mezi sebou. Zmenší se přesnost otevření ventilu, ventil může „přeskočit“ vačku (při otvírání se urychlí natolik, že pokračuje setrvačností proti síle pružiny dále a než se s tím pružina vyrovná, zavírací bok vačky už odběhne ze své polohy a nemůže řídit rychlost pohybu ventilu a tak ventil dosedne se zpožděním vysokou rychlostí do sedla, kde udělá ještě 2-3 odskoky, které výrazně ovlivní plnění válce). V nízkých otáčkách problémy nejsou, ale pokud se motor více roztočí, mohou se při použití nevhodně nabroušené vačky rozkmitat vratné pružiny a prasknout. Při návrhu rozvodu je nutné přihlížet i k pružnosti rozvodu, OHV má nižší tuhost než OHC. Tuhost rozvodu se projevuje vlastním kmitáním, které se různě přičítá nebo odčítá od frekvence ostatních částí rozvodu a je nejčastější příčinou havárií rozvodů. Právě rozvod OHV je na správné provedení vačky citlivý a neumožňuje kvůli své malé tuhosti dosažení vysokých otáček, hranice u škodováckých motorů byla něco málo nad 8 500 ot/min. OHC rozvody, protože se u nich nepoužívají velké a dlouhé součásti, má svůj rezonanční kmitočet asi 3x vyšší. Co se týká sériových motorů a používaných otáček, poruchy rozvodu a praskání pružin jsou věci zcela ojedinělé a mají ji na svědomí většinou vady materiálů, nebo nedostatečné mazání.

Nejčastěji se pro sériové motory používala tzv. vačka harmonická, která se dobře navrhuje a vyrábí. Protože u ní vznikají ostřejší přechody ze zrychlení do zpoždění, které mají vliv na životnost částí rozvodu při provozu ve vyšších otáčkách, vačka se začala modifikovat vytvořením dvou až tří kruhových obloků, které rozvedou jeden skok na několik stupňů, což už je technicky přijatelné. (Existují způsoby výpočtu vačky s plynulým průběhem zrychlení, ale výpočet je značně složitý a má význam jen pro vysokootáčkové motory.) Rozdíly mezi harmonickou a modifikovanou vačkou ve zdvihové křivce jsou minimální a na plnící účinnost nemají vliv. Přestože maximální rozdíl v křivce zdvihu je asi 0,07 mm, rozdíl v průběhu zrychlení je významný (dobře vidět na grafickém znázornění). Tvar vačky je kromě těchto důležitých veličin dán také uspořádáním rozvodu, jestli vačka běží po rovném dnu zdvihátka a nebo po obloukové ploše vahadla, vizuálně se mohou vačky se stejnou zdvihovou křivkou značně lišit. Rozměry vačky jsou dány dodržením Herzových tlaků ve styčné ploše, překročení vypočítaných hodnot vede k vydírání materiálu ve styčné ploše, proto poloměr kružnice a šířka vačky nesmí být příliš malá.

Úhel otevření a zdvih ventilu mají vliv na plnící účinnost. Zde se proti sobě staví několik vlivů. Výsledek je ten, že s určitým nastavením rozvodu můžeme dosáhnout optimálního plnění jen v určitém úzkém rozsahu otáček. Jak jsem uvedl výše, ventil se otevírá před a zavírá za úvratí, ačkoli teoreticky by tomu tak být nemělo. Otevírání a zavírání se musí přizpůsobit zrychlujícím silám v rozvodu, protože není možné otevřít ventil naráz v HÚ a také naráz zavřít v DÚ. Snad v nějakých extrémě malých otáčkách se tomu můžeme technicky přiblížit, ale jinak nejsme schopni udělit ventilu nekonečné zrychlení a zpomalení. Také v době začínajícího sání musíme mít již něco přiměřeně otevřeno, aby se nezvyšovala ztráta v sání (ventil je průměrem o dost menší než vrtání válce a i malý pohyb pístu vytvoří značný sací efekt v průřezu ventilového sedla). Z tohoto důvodu se ventil začíná otevírat již před HÚ. Průběh otevírání ventilu by se měl přizpůsobovat pohybu pístu, proudění směsi ventilem má optimální rychlost a pozitivně ovlivňuje plnění válce. Jelikož směs má nějakou setrvačnost, dochází k plnění válce i při zavírání ventilu přetlakem směsi, vyvolaným setrvačností proudění. Proto se ventil zavírá opožděně za DÚ, jinak by se nadměrně škrtil přívod směsi do válce. Pohyb pístu směrem k HÚ sice zmenšuje objem válce, ale ventil už je značně přivřený a tak k vytlačení směsi zpět do sání nedochází. Dobře provedený rozvod zabezpečuje asi 85-90%-ní naplnění válce čerstvou směsí, praktické hodnoty jsou asi o 10% nižší. Pokud se podíváte na bod maximálního otevření ventilu vůči poloze pístu, bývá někde okolo 120° za HÚ, kdy již píst zpomaluje rychlost. Tato „teoretická anomálie“ má jednoduché vysvětlení – uvedení sloupce směsi v sacím potrubí do pohybu nastává vždy s určitým zpožděním díky momentu setrvačnosti a pružnosti směsi (jako by jste se snažili něco uvázané na pružině rychle přemístit, nejdříve se to pohne pomalu a potom pružina předmět vymrští určeným směrem), proto i proudění směsi nemá konstantní rychlost a nekopíruje pohyb pístu. V momentě dosažení maximální rychlosti směsi je nutné mít ventil co nejvíce otevřený, aby neškrtil zbytečně přívod čerstvé směsi do válce. Z tohoto důvodu je otevření ventilu vůči úvratím asymetrické. Běžně používané hodnoty pro oblast otáček maximálního točivého momentu karburátorového motoru okolo 3 000/min jsou: otevření 8-15° před HÚ a zavření 40-45° za DÚ, takže celkové otevření se pohybuje mezi 230 - 240°. Pokud chci dosáhnout stejného naplnění válce v jiných otáčkách, musím upravit úhel otevření ventilu a také pokud možno i zdvih ventilu. V nízkých otáčkách se začíná s otvíráním později a se zavíráním dříve, je dobré přiměřeně zmenšit zdvih ventilu, aby se dodržela stejná rychlost proudění směsi ventilem. Ve vyšších otáčkách je tomu naopak. O kolik zvětšit a nebo zmenšit otevření a zdvih ventilu se nedá jednoznačně říci, protože zde vstupují do hry další činitelé, jako je průměr a délka sacího potrubí a tzv. plnost vačky, neboli „plocha“ otevření ventilu (o kolik se otevře ventil na 1° otočení klikové hřídele). Názorně je to vidět v rozdílném průběhu křivky točivého momentu u Felicie BMM a MPI, kdy při prakticky stejném úhlu otevření ventilů má MPI maximální točivý moment o 1 150 ot/min níže (u MPI je použito dlouhé sací potrubí menšího průměru). Je ale známé, že vyššímu točivému momentu ve vyšších otáčkách pomáhá opožděnější zavírání sacího ventilu, závislost ale není lineárně úměrná. Pokud chcete zvyšovat výkon motoru výměnou vačky, nechte si poradit od lidí, co se tím zabývají a mají působení různě velkých vaček změřené.

Ještě poznámku, úhel otevření se udává při určité ventilové vůli, která bývá větší než provozní. Tato vůle eliminuje nepřesnosti vzniklé při broušení na začátku a konci zdvihu a negativně ovlivňuje měření. Skutečné otevření je tedy větší, ale nebere se vážně, protože nepatrný zdvih ventilů plnění neovlivní. Pokud si u specializované firmy vyberete odpovídající vačkový hřídel, nezapomeňte se zeptat na předepsanou provozní vůli. Bývá odlišná od sériového provedení (většinou větší), při nastavení jiné vůle se nedosahuje optimálního výkonu.

Sací potrubí má významný vliv na plnění válce. Ideální potrubí je rovné, maximálně hladké a není narušeno žádnou škrtící klapkou či vystupujícím vstřikovacím ventilem. Každý ventil by měl mít samostatné potrubí. Tohoto ideálu dosáhneme jen u přímého vstřiku do válce a náhradou škrtící klapky posuvným šoupátkem (ať žije diesel!). Posuvná šoupátka se u závodních motorů používají běžně, s přímým vstřikem už to tak silné není. Jakýkoliv ohyb sacího potrubí zvětšuje hydraulický odpor a nepříznivě působí na pohyb vzduchu. O vlivu sacího potrubí toho všeobecně mezi laiky není moc známo, většinou se jen udělá „větší díra a vyleští se to“. Jak to vlastně ve skutečnosti funguje. Každé potrubí má určitou délku a vnitřní průměr, tím je dán i objem potrubí. Každý objem znamená i vlastní rezonanční frekvenci, ovšem neplatí to absolutně – na vlastní frekvenci působí i průměr, délka, drsnost stěn potrubí, ohyby a různá přesazení, teplota a vlhkost směsi. Zde se řešení poměrů velmi obtížně počítá, protože na řešení kmitů v potrubí působí mnoho proměnných a zatím nikdo nedal dohromady výpočetní postup, který by byl natolik přesný, že by za to stál. Za chodu motoru se díky sacím cyklům rozpohybuje sloupec směsi, při sacím zdvihu se hmota sloupce pohybuje směrem k ventilu. Tento se v určitý okamžik zavře, pohybující se sloupec narazí na překážku, od které se odrazí a pohybuje se zpět, dosáhne otevřeného konce sacího potrubí, od kterého se odrazí (ano, od otevřeného konce – působí zde rozdíl tlaků) a vrací se zpět. Je jasné, že hmota vzduchu, která se dostala do válce, se automaticky přisaje. Pokud se otáčky a rezonance sloupce směsi dostane do shody, dochází k plnění válce s minimálním nárokem na odběr energie z kladné práce motoru. Při perfektně provedeném sacím traktu je možné vlivem setrvačné hmoty sloupce směsi dosáhnout v rezonanci přeplnění válce přetlakem až 0,5 bar, což vlastně úplně eliminuje zápornou práci sání a navíc způsobí naplnění válce přes 100% (podobně jako nízkotlaké přeplňování). Kmitů v sacím potrubí může za jednu sací periodu proběhnout i více, pokud jde o celé číslo, podmínky pro plnění jsou stejné, jako když proběhne jen jeden kmit. Kdo jste viděl výkonové křivky závodního motoru, jsou na nich zřetelně viditelné hrby, kdy se sání nacházelo v rezonanci a kdy ne. Při změně otáček na kteroukoli stranu od optima se postupně mění tlakové poměry v sání a plnění se plynule zhoršuje. Nejnepříznivějších podmínek se dosáhne v okamžiku, kdy v momentě zavření ventilu k němu dorazí podtlaková část kmitu. Z měření vyplynulo, že malý průměr nebo velká délka potrubí příznivě působí na plnění motoru v nízkých otáčkách, velký průměr nebo krátké potrubí pozitivně působí v otáčkách vysokých. Což znamená, že pro provoz ve vysokých otáčkách je lepší používat velkých průměrů sacích kanálů a větší délky, protože při malém průměru by výsledná délka potrubí mohla vyjít příliš malá. Velký průměr omezí ztráty turbulencemi směsi u stěn. Totéž obráceně platí pro seřízení na provoz v nízkých otáčkách. Popsané jevy jsou platné pro pevně nastavený rozvod. Každopádně čím menší průměr použijeme, tím pečlivěji musíme vyhladit stěny pro omezení seškrcení průřezu potrubí turbulencemi. Pokud použijeme plynulou změnu otvírání ventilů, kmity nastanou včetně všech vlivů také, ale rovnoměrnost plnění válců se ve velkém rozsahu otáček zlepší, rezonanční kmity motoru a nasávané směsi nebudou mít takový rozdíl. Při správně navržené změně úhlu otevření ventilů a průměru a délky sacího potrubí se dosáhne konstantní plnící účinnosti ve velkém rozsahu otáček. Pokud to nejde, lze si pomoci prodlužováním a zkracováním délky sacího potrubí. Celé to lze realizovat i obráceně, ovšem měnit délku sacího potrubí nelze donekonečna (v nízkých otáčkách vychází délka i přes 1000 mm). (Už jste to někde v praxi viděli? Já ještě ne. Sice některé motory mají několika stupňové zkracování či prodlužování sacího potrubí pomocí klapek, ale k dokonalosti to má daleko.)

Jenže v praxi sací potrubí není rovné a hladké a většinou není přesně slícováno s kanály v hlavě válců. Od takových nepřesností nastávají odrazy vln a jsou obtížně definovatelné. Přesahy při lícování způsobují silné turbulence a tím seškrcují průtok směsi kanály. Navíc jsou jednotlivé větve na jednom konci spojeny a ústí do společné komory pod karburátorem nebo jednobodovým vstřikováním a navzájem se ovlivňují. Škrtící klapka karburátoru negativně ovlivňuje plnění válce, i když je plně otevřena. Nic z toho pro plnění motoru není ideální. Tady nějaké leštění a broušení moc zisku nepřinese, i když je každé procento dobré. Z pohledu čtyřválce je nejhorší varianta pětikanálová hlava. Velká oblíbenost pětikanálové hlavy vyplývala z jednoduché slévárenské technologie výroby, hlava se odlévá na méně jader a jednodušeji se dodrží přesnost polohy kanálů. Sací potrubí je také jednoduché. Kanály musí v hlavě udělat prudkou změnu směru, která nepříznivě ovlivňuje proudění směsi. Sloučení sacích kanálů do dvojic způsobuje následující: po sacím zdvihu prvního válce nastává sání třetího válce, směr proudění směsi musí ostře změnit směr a tak plnění třetího válce se zhorší. Plnění válce čtvrtého nastává ve stejném směru proudění a tak se podmínky pro plnění zlepší. Ovšem pro plnění druhého válce platí totéž, co pro válec třetí. První válec je na tom stejně jako čtvrtý. Každopádně se zde o nějakém pulzačním plnění dá jen velmi těžko mluvit. Takže pokud chceme dosáhnout kvalitního plnění všech válců, je zapotřebí mít pro každý válec samostatné potrubí. Ne že by to nešlo i s pětikanálem, ale nedosáhne se tak dobrých výsledků. Pokud chcete vyrazit z motoru nějaký větší výkon, poohlédněte se po motoru, který má více kanálů než pět.

Pokud chcete využívat pulsačního plnění, je důležité mít vícebodové vstřikování. Použití karburátoru nebo několika karburátorů tento jev naruší až znemožní. Pokud už se podaří sloupce směsi rozkmitat, prochází směs dvakrát a vícekrát přes karburátory, kdy si vždy přisaje paliva. Protože nemáme jistotu počtu průchodů směsi přes karburátor, rozhodí se nám bohatost směsi natolik, že přestane být zápalná. Navíc při kmitu směrem ven se odstředivou silou vymrští palivo ze směsi a zůstane v lepším případě zachyceno ve filtru (při dalším sání se nasaje zpět do potrubí), v horším odletí do ovzduší. Z tohoto důvodu bývá pod karburátorem prostor, do kterého ústí všechny větve sacího potrubí, tam dochází k určitému vyrovnávání jednotlivých pulzací a přes karburátor proudí vzduch jen jedním směrem. Problém pulzací přes karburátor je zvlášť zřetelný u dvoudobých motorů, kde se používá jeden karburátor na válec umístěný co nejblíže k motoru. Jak se to řeší dnes nevím, ale dříve se u závodních motorů do sání mezi karburátor a motor vkládaly jazýčkové ventily, které bránily zpětnému pohybu směsi.

Zatím jsme se věnovali pouze sacímu traktu. Výfukový trakt je také důležitý, ačkoli jeho provedení není tak citlivé na nepřesnosti. Proudící plyny mají vůči atmosféře přetlak a tak je jejich pohyb méně brzděný. Každopádně za výfukovým ventilem musí být kus trubky o nějaké minimální délce, jinak se nepříznivě změní podmínky pro výměnu obsahu válce a motor nedostanete přes 30% výkonu. Trubka totiž vytvoří určitý přetlak, který omezuje rychlost výtoku plynů z válce. Pokud se odvádí plyny nadměrnou rychlostí, která bývá i v nadzvukové oblasti, dochází k rozkmitání objemu plynů ve válci a následnému ovlivnění pohybu pístu a začáteční fáze sání. Pokud tomu nevěříte, zkuste si odmontovat výfukové potrubí hned za litinovým svodem a garantuji vám, že škodovka za obrovského randálu víc než 60 km/h nepojede. Pro kmity v potrubí platí vše podobně jako pro sání, jenom délky potrubí jsou pro vysokou rychlost horkých plynů výrazně delší. Kmity v potrubí mají probíhat tak, aby se při plném otevření ventilu dosáhlo maximálního podtlaku, který pomáhá vyprazdňování válce, protože se při tom vzhledem ke značnému překřížení ventilů v HÚ nasaje čerstvá směs až do výfukového potrubí, má přetlaková vlna dorazit k výfukovému ventilu v okamžiku jeho zavření, protože se opět čerstvá směs vrátí do válce. Opracování kanálů se provádí podobně jako u sání. Velkým problémem je změna délky výfukového potrubí, protože se všechny použitelné klapky v horkých spalinách ničí. V Jawě na to šli jinak, pro rozšíření použitelných otáček u dvoudobých motorů použili rezonanční Hellmholtzovy komory. Každá komora byla vyladěna na určitý kmitočet a přivařena v přesně určené vzdálenosti k výfukovému potrubí a tak napomáhala rezonancí plnění motoru v daných otáčkách. Komor bylo asi 7. Tyto komory lze pro čtyřtaktní motor použít také, výpočet najdete v patentové literatuře Jawy. Zatím jsem neviděl, že by je někdo v praxi používal.

Na rozdíl od sacího traktu lze jednotlivé větve výfukového potrubí na druhém konci spojovat. Pokud správně zvolíme délky a čísla válců, dosáhneme lepšího průběhu točivého momentu v nízkých otáčkách a tím rozšíříme rozsah použitelných otáček při částečném snížení maximálního výkonu. Spojují se vždy válce, kde probíhají cykly v protifázi (u čtyřválce 1./4. a 2./3.). Na konci se obě potrubí spojí do jednoho, při výfuku v jednom potrubí dochází k Venturiho efektu a zvyšuje se podtlak v potrubí druhém. Obě dvojice se po určité dráze dají spojit a tak docílit dalšího prohloubení tohoto jevu. Toto řešení se používá u motorů pro rallye a podobně, kde zase tak na maximálním výkonu nezáleží. Motory pro různé formule a pro závody na okruzích mívají větve samostatné, protože se zde potřebuje dosáhnout maximálního výkonu. Provedení výfukového traktu je čistě individuální, pokud není motor omezen hlukovými limity, záleží na stylu jízdy toho kterého závodníka, jaký průběh točivého momentu zvolí.

Tlumiče hluku výfukového potrubí každopádně negativně ovlivňují dosažitelný výkon a tak jejich řešení by se měla věnovat mimořádná péče. V sériové produkci používané levné rezonanční tlumiče jsou pro sportovní úpravy nevhodné, protože expanzní kmitání v tlumiči brzdí odvod plynů ven do ovzduší. Pro škodovky bylo vyvinuto několik typů sportovních tlumičů, které jsou vyrobitelné i v amatérských podmínkách. Jejich popisy s výkresy byly zveřejněny v literatuře o úpravách škodovek, není problém se k nim dostat (navštivte knihkupectví nebo obecní knihovnu). Vymýšlet něco jiného považuji za ztrátu času a plýtvání materiálem, tyto tlumiče jsou navrženy dobře. Po vyrobení doporučuji jako povrchovou úpravu šopování hliníkem, jakákoli jiná povrchová ochrana nemá životnost. Jestli máte možnost, použijte k výrobě pláště nerezový plech.

Pro dosažení slušných výkonových parametrů a ploché momentové křivky se začala v sériové produkci používat v rezonančních tlumičích výfuku speciální tlumítka, která udržují konstantní protitlak. Přesný princip vám neposkytnu, ale jde pravděpodobně o něco na principu rychlého termostatu (se změnou zatížení se mění teplota výfukových plynů). Bohužel samostatně nejsou tlumítka k sehnání.

Pro zvýšení výkonu lze postupovat dvěma směry (použijeme-li konstantní objem motoru) – buď se budeme snažit co nejvíce naplnit válce směsí a tím získat vysoký točivý moment v běžných otáčkách, nebo půjdeme cestou zvyšování otáček při zhruba původní velikosti točivého momentu. Zde popíši jen některé principy, kompletní popis a vysvětlování přínosu jednotlivých úprav je minimálně na dva obsáhlé články.

První varianta je obtížnější a nepřinese zvlášť velký zisk, protože vyžaduje zásadní změny sacího a výfukového traktu, pro které nemusí být v motorovém prostoru dost místa. (Jedno řešení je použití přeplňování turbodmychadlem nebo mechanickým kompresorem, toto řešení nebývá vždy optimální a cenově vychází nepříznivě.) Zcela jistě pomůže výměna karburátoru za vícebodové vstřikování včetně sacího potrubí, protože se zmenší ztráty v sání, které jsou velmi významné. Zvýšením komprese asi na 10,5:1, použitím sportovního vzduchového filtru, vylepšeným vyvážením a snížením posuvných a rotačních hmotností, obrobením sacích a výfukových kanálů a naladěním délky sacích a výfukových větví potrubí včetně výměny tlumiče, úpravou tvaru ventilů a změnou zdvihu se lze dostat ke kýženému výsledku. Pokud použijeme klasický vačkový hřídel, zvýší se nám výkon asi o 20 – 35%. Kromě toho nám slušně klesne spotřeba paliva, protože se sníží mechanické a hydraulické ztráty. Máme-li možnost použít ještě vačkový mechanizmus umožňující v určitém rozsahu (aspoň dvoustupňově) měnit otevření a zdvih ventilů, můžeme se dostat ke zvýšení výkonu o 50 – 80% a to s lepším průběhem výkonové křivky. Motor je sice více namáhán spalovacími tlaky a teplotami, ale odstředivé síly zůstávají na původních hodnotách a dokonce se v určitých režimech mohou snížit (odstředivá síla působící na píst je eliminována v HÚ tlakem plynů ze spalování atd.). Při použití původního zpřevodování sice nezískáme o moc vyšší maximální rychlost, ale budeme silní v kopcích, nemluvě o akceleraci. Omezujícím faktorem pro takový postup je dimenzování převodovky na takový točivý moment, u škodovek byla převodovka počítána na 120 Nm, Favorit spolehlivě snáší 165 Nm. Pokud nemáme převodovku zrovna dvakrát bytelnou, je lépe se zaměřit na dosažení ne sice vysoké, ale co možná nejplošší křivky točivého momentu v co největším rozsahu otáček. Pokud vlastníte kalkulačku, spočítejte si výkon (podle vzorce na začátku článku) při 120 Nm a 5 500 ot/min. A teď zpětně přepočítejte, jaký točivý moment dá 50 kW a 5 500 ot/min. Už víte o čem je řeč? Pokud pořád ještě ne, podívejte se na výkonové křivky škodovek nebo Favorita v Andrtovi nebo Cedrychovi. Motor s plochou křivkou točivého momentu dokáže jet na pětku 40 km/h a také z ní akcelerovat bez kašlání a škytání a celková dynamika vozu odpovídá motoru s minimálně o 25 – 40% větším objemem. Ovšem plochou křivku točivého momentu bez měnitelného rozvodu dosáhnete jen s obtížemi.

Druhá varianta není tak náročná na náklady, většinou stačí odlehčit díly, podobně jako v předchozí variantě opracovat sací a výfukový trakt, zvýšit kompresi, přetryskovat karburátor nebo upravit program v řídící jednotce vstřikování a zapalování a použít vačkový hřídel s velkým stupněm otevření. Výkon se zvedne o více než 60%, ovšem za cenu provozování ve vysokých otáčkách, které namáhají mechanické díly (zvlášť ojnice a písty) nad únosnou mez. Protože pro dosažení vysokých otáček se většina dílů odlehčuje ubíráním materiálu, zvýší se hodnota zatížení na 1 mm² a je nebezpečí havárie při zanedbání včasné výměny těchto dílů. Rozvod OHV začíná být na hranici použitelnosti a vybrat vhodné ventilové pružiny nebývá snadné. Problémem je malý točivý moment v nízkých otáčkách, motory mají vysoký volnoběh a při vačce 320/320 do 5 500 ot/min kašlou a chrchlají. Při otevření nad 270° začínají problémy s teplými starty, při náhodném zhasnutí motoru je obtížné motor uvést opět do chodu. Takto vyladěný motor není vhodný do normálního provozu, velmi obtížně se ovládá při pomalé jízdě v koloně. Náklady sestávají pouze v nákupu vačkového hřídele, případně zakoupení nového programu do řídící jednotky, ostatní je vlastně jen hromada práce, kterou si zručný člověk může udělat sám (pokud ví jak). Použití suché klikové skříně sníží ztráty při víření vzduchu s olejem v klikové skříni a to dost významně, ovšem pokud to nekoupíte jako hotové a odzkoušené, nedoporučuji se tím zabývat, není to pro amatérské laborování.

U motorů, které mají klikový hřídel uloženou za každým zalomením a robustní blok válců se s úspěchem dá použít přeplňování turbodmychadlem či mechanickým dmychadlem. V takovém provedení se dá dosáhnout zvýšení výkonu nad 100%, aniž by se motor musel zvlášť vysoko vytáčet. U motorů s klikou uloženou za každým druhým zalomením je problémem menší tuhost bloku, prostě chybí v kritických místech materiál. Tyto motory není vhodné přeplňovat vysokým tlakem, doporučuje se maximálně 0,4 bar (motor se kroutí), což zvýší výkon asi o 30%. Při zvyšování výkonu přeplňováním není nutné věnovat zvláštní péči provedení sacího traktu, přetlak do válců dostane co chcete. Výfukový trakt se od atmosférického liší významně, turbo se umísťuje co nejblíže k ventilům, aby se nezvyšovala ztráta tepla expanzí a sáláním. V dnešním provedení se turbodmychadlo vyrábí jako součást výfukového potrubí, celek je velmi kompaktní. Problémem přeplňování je enormní nárůst tepelného namáhání, zvlášť u malých válců.

Pro všechny varianty zvyšování výkonu platí, že čím větší výkon chceme dosáhnout, tím větší péči musíme věnovat provedení jednotlivých detailů. I při přeplňování je nutné pro dosažení extrémních výkonů vše řešit jakoby pro atmosféricky plněný motor, jinak při tlacích i okolo 5 bar nemusí být plnění válců dostatečné. Dále platí, čím větší výkon, tím nižší životnost. Každý motor má svoji výkonovou hranici, na kterou byl při vývoji počítán. Tato hranice bývá asi o 30 – 50% vyšší než výkon základní. Proč tomu tak je – žádný výrobce neriskuje problémy s životností a poruchami, pokud by dodával motory na horní hranici výkonu. Při sériové výrobě dochází k určitým povoleným odchylkám rozměrů odlitků, drsnosti a průměru potrubí atd., výrobce se tímto jistí, že i při hodně velkém úletu (když se sejdou povolené tolerance na negativně maximální hranici) bude vše v normálu. Všimněte si, že některé motory jedou lépe a některé hůře – stačí, když se sejde nebo nesejde několik přesně lícujících dílů. (Jen pro zajímavost – motory pro skupinu N se nesmí kromě přetryskování nijak upravovat. U továrního Favorita se pečlivým výběrem dílů podle povolených tolerancí, lícování a hmotnosti dosáhlo nárůstu výkonu téměř o 9 kW.) Pokud zvýšíme výkon do této hranice, životnost a poruchovost nám zůstává stejná.

Pokračování příště.