Motory s proměnným kompresním poměrem: Jak spojit zážehový a vznětový motor?

Údaj o kompresním poměru býval před lety celkem běžnou součástí základních technických údajů většiny automobilů. Dnes však automobilky nemají potřebu toto široké veřejnosti sdělovat. Přesto z hlediska účinnosti spalovacího motoru se jedná o velmi důležitý údaj. Kompresní poměr je vlastně stupeň stlačení zápalné směsi ve válci - je to poměr zdvihového objemu válce a objemu kompresního prostoru válce. U zážehových motorů se běžně pohybuje od 8:1 do 14:1, u dieselů je podstatně vyšší, přibližně od 14:1 do 23:1. S probíhajícím vývojem dochází u vznětových motorů k jeho snižování, zatímco u zážehových motorů ať už přeplňovaných nebo atmosférických se kompresní poměr daří zvyšovat. Vrcholem je v tomto japonská Mazda s motory 2.0 SkyActiv-G a 2.2 SkyActiv-D. U nich poprvé v historii dosáhly zážehový a vznětový motor stejného kompresního poměru, jenž činí 14,0:1. Dnes, kdy je většina agregátů přeplňovaných, mluvíme v souvislosti s kompresním poměrem o tzv. statickém kompresním poměru (právě kvůli přeplňování).

Výkony kontra spotřeba

Občas se lze v článku zaměřeném na automobily a jejich techniku dočíst, že s rostoucím kompresním poměrem vzrůstá účinnost motoru. Toto však je pravda pouze částečně. Předně musíme rozlišovat, zda se jedná o tepelnou účinnost motoru, nebo o jeho mechanickou účinnost, případně o celkovou účinnost. Ta posledně jmenovaná je dána součtem tepelné účinnosti a mechanické účinnosti. Ano, se vzrůstajícím kompresním poměrem skutečně účinnost motoru roste, ale pouze ta tepelná. Navíc, jak se kompresní poměr zvyšuje, je přírůstek účinnosti stále menší. Důvodem je snižování energetického potenciálu paliva, kdy se značná část tepla odvede ve výfukových plynech.

Nejrychleji dochází ke zvyšování tepelné účinnosti pístového stroje při nízkých hodnotách kompresního poměru. Mechanická účinnost naopak se zvyšujícím se kompresním poměrem mírně klesá, neboť dochází ke zvyšování tření v uložení pohyblivých částí agregátu. V současné době lze s tímto bojovat vhodnou konstrukcí ložisek pohyblivých částí motoru či používáním moderních lehkoběžných olejů. Konečně celková účinnost motoru při zvyšování kompresního poměru rovněž mírně klesá, což znamená, že zvyšovat ji neúměrně by bylo kontraproduktivní.

Infiniti QX50: Čím je jeho motor tak revoluční?

Důvod, proč se konstruktéři spalovacích motorů snaží už od 80. let vyvinout motor s variabilní kompresí, je snaha vyhovět hned několika protichůdným požadavkům. Vysoký kompresní poměr klade u zážehového vyšší nároky na oktanové číslo paliva. Důvodem je zamezení vzniku samozápalů. Takový motor bude nabízet vysoký výkon, ale současně spotřebovávat hodně paliva. Naopak v režimu částečného zatížení bude vykazovat hospodárnost. Uvedené řešení je vhodné pro pohon běžných vozidel, která tráví většinu času při nízkém a středním zatížení a současně nízkých a středních otáčkách.

Nízký kompresní poměr je žádoucí u motorů s předpokladem vysokého zatížení. Při nízké a střední zátěži však bude vykazovat vysokou spotřebu. Jde o vhodné řešení pro motor sportovního vozu, který se bude častěji pohybovat ve vyšší zátěži, převážně na otevřené silnici a tedy mimo město.

Saab SVC – Švédové v roli pionýrů

První firmou na výrobu automobilů, které se pokoušela sestrojit motor s proměnnou kompresí, byla dnes již zesnulá automobilka Saab. Její inženýři na motoru s označením SVC (Saab Variable Compression) začali pracovat už v 80. letech. Patent na takový motor byl Švédy přihlášen v roce 1990. Jednalo se o motor o objemu 2,0 litru, jehož parametry byly v porovnání s někdejšími agregáty obdobné kubatury docela působivé. Ke skutečné realizaci nakonec došlo až v roce 2000, kdy se ukázal model 9-5 poháněný pětiválcem o objemu 1,6 litru doplněný o mechanicky poháněný Rootsův kompresor.

Kompresní poměr se mohl plynule měnit od 8:1 do 14:1, a to na základě jízdních podmínek, které řídicí jednotka motoru zjišťovala prostřednictvím celé řady snímačů. Nejvyšší hodnota komprese se uplatnila při malém zatížení motoru, a tedy i malém úhlu otevření škrticí klapky. Naopak 8:1 přicházelo ke slovu při vysokém zatížení a tedy plném plynu, kdy se škrticí klapka otevírala o maximální úhel.

Změna kompresního poměru byla u motoru SVC docilována naklápěním hlavy válců vůči bloku. Úhel svislé osy hlavy válců (procházející zapalovací svíčkou) se proti ose válce bloku měnil až o 4 stupně. Při tom bylo dosaženo nejnižšího kompresního poměru, tedy 8:1. Naopak při odchylce 0 stupňů činil kompresní poměr 14:1. Při konstrukci motoru SVC se Saab snažil využít co nejvíce komponentů z běžného motoru. Hlava válců tedy byla z pohledu pohonu rozvodů i rozvodového mechanismu řešena stejně jako na jiných motorech. K naklápění hlavy se využíval pomocný elektrohydraulický mechanismus, uložený v bloku. Skládal se z krátkých ojnic, vačky a elektrohydraulického systému, který to celé ovládal.

I když systém fungoval, nakonec se realizace tento motor nedočkal. V souvislosti s ním museli technici řešit problémy třeba se značným namáháním klikového hřídele a ojnic na ohyb, nemluvě o předčasném opotřebení pístů a válců.

PSA-Toyota MCE-5 – Nebývalý rozptyl kompresního poměru

Podobně jako Švédové, snažili se také Francouzi, konkrétně inženýři skupiny PSA vyvinout motor s proměnným kompresním poměrem. Za tímto účelem přizvali k vývoji ještě japonskou Toyotu, čímž vznikla konstrukční skupina MCE-5. Ač vývoj motoru označeného VCRi (Variable Compression Ratio inteligent) byl započat už v roce 1997, první „funkční“ vzorek byl veřejnosti předveden až v roce 2009 pod kapotou Peugeotu 407. Jednalo se o agregát o objemu 1,5 litru se spotřebou paliva 6,5 litru, ovšem s výkonem 162 kW a maximem točivého momentu 420 N.m. Pozdější verze počítala se zavedením přímého vstřikování benzínu, čímž uvedené parametry vzrostly na 198 kW a 460 N.m při současném snížení spotřeby paliva na 6 litrů na 100 km. Šlo tedy o vskutku pozoruhodný agregát z hlediska výkonu, točivého momentu, ale i spotřeby paliva.

Jak motor VCRi vlastně pracoval? Při malém zatížení a tedy přivřené škrticí klapce, se mohl pochlubit kompresním poměrem až 20:1. Tedy na úrovni starého dieselového motoru. Naopak při velkém zatížení a tedy plném otevření škrticí klapky, se mohl kompresní poměr snížit až na 7:1. Změna kompresního poměru probíhala u motoru VCRi jina, než u motoru SVC, byť i tady se využívalo hydrauliky. Motor měl výrazně kratší ojnice. Jedno její oko bylo připevněno klasicky ke klikovému hřídeli, zatímco druhé ke speciálnímu vahadlu. Vtip spočíval v tom, že píst tady nepůsobil přímo na ojnici, ale nejprve na ono vahadlo. Jeho natáčením docházelo k plynulé změně kompresního poměru. Tímto řešením se podařilo výrazně snížit zatížení pístů a válců, tudíž mohl být použit mnohem vyšší kompresní poměr bez toho, aniž by došlo k poškození válců.

Technicky byl motor VCRi vyřešen zajímavě, přičemž ještě v roce 2015 pracovní skupina MCE-5 udávala, že se v dohledné době dočká sériové výroby. V současné době to však nevidíme příliš reálně, neboť v kurzu jsou elektromobily a hybridní vozidla, takže motor VCRi je zdá se nadbytečný.

Američané a HCCI – Kam na to ta Mazda chodí?

Motor HCCI je benzinový agregát využívající takzvané řízené samovznícení homogenní směsi. V 90. letech jej vyvíjel americký Ford a také GM. V zásadě využívá princip spalování běžné u naftových motorů, ovšem přetavené na benzinový motor. V jeho případě tak jde vlastně o využití samozápalů. Tedy jevu, který u běžných benzinových motorů se zapalováním směsi zážehem od svíčky nechceme. Výhodou takového motoru je velice rychlé hoření, takřka srovnatelné s hořením u naftových motorů. Díky tomu se motor HCCI může pochlubit účinností na úrovni moderních dieselů. Motor HCCI tak, jak jej vyvíjeli Američané, pracoval bez škrticí klapky, čímž se zvyšovala objemová účinnost agregátu.

Celá myšlenka motoru HCCI v podání Američanů spočívá v řízení samovznícení zápalné směsi. Ta se buď vznítí předčasně, nebo naopak opožděně, k čemuž lze využít právě proměnný kompresní poměr. Ten se tady měnil od 12,5:1 po přibližně 16:1. S jeho výší roste také teplota ve válci, která má na samovznícení zápalné směsi zásadní vliv.

Mazda bude do aut montovat crossover. V čem je nový motor Skyactiv-X revoluční?

Jak se tedy kompresní poměr u motoru HCCI měnil? Jak už jsme předeslali, agregát nepoužíval škrticí klapku. Tím se podařilo snížit ztráty v sání, způsobené jeho odporem vůči pohybujícím se pístům (tzv. čerpací ztráty). Benzin se vstřikoval buď před sací ventil a tedy nepřímo, nebo naopak přímo do spalovacího prostoru, ovšem nikoliv jako u naftových motorů těsně před vznícením, ale mnohem dříve. Jinak by nemohlo dojít ke vzniku homogenní zápalné směsi, která je pro motor HCCI klíčová. Změna kompresního poměru se tady děje za pomoci přídavného pístu, který je umístěn tam, kde se normálně nachází zapalovací svíčka. Ta však může být také použita coby pomocný systém pro studený start motoru, pokud by k němu nestačilo jeho nastavení na maximální kompresní poměr. Motor HCCI je zatím zdá se nejnadějnější ze všech projektů proměnného kompresního poměru, tedy s výjimkou nedávno popsaného agregátu Infiniti. Důkazem budiž skutečnost, že motor HCCI plánuje dle některých informací v brzké době uvést na trh i japonská Mazda.

Mercedes-Benz – Poprvé v roce 1986

Nejstarší automobilová značka světa se rovněž zabývala vývojem motoru s proměnným kompresním poměrem již v 80. letech. Svůj plod vývoje - motor příznačně pojmenovaný DiesOtto, představil až v roce 2008 ve vozidle F 700 postaveném na základě někdejší třídy C. Už z názvu je zřejmé, že agregát DiesOtto kombinuje zážehový a vznětový motor.

DiesOtto byl turbodmychadlem přeplňovaný řadový čtyřválec o objemu 1,8 litru s proměnným časováním, variabilním kompresním poměrem a přímým vstřikováním benzínu. Nabízel výkon 175 kW, maximální točivý moment 400 N.m při současné spotřebě paliva 5,3 litru na 100 km.

DiesOtto pracoval ve dvou odlišných režimech. Při jeho spouštění a současně plném zatížení využíval zážehového principu spalování. Naproti tomu v režimu částečné zátěže a při nízkých a středních otáčkách přešel plynule (během jednoho pracovního cyklu) na vznětový princip spalování. Princip změny kompresního poměru byl docilován změnou výšky pístu, pravděpodobně hydraulicky. Píst tak byl u motoru DiesOtto vlastně zdvojený.

Jak to bude dále

Motor s variabilním kompresním poměrem byl zejména v 90. letech a i v následujícím desetiletí předmětem zájmu celé řady výrobců motorů. Kromě výše uvedených se jím dále zbýval třeba Lotus. Z hlediska zvýšení účinnosti představuje určitě dobrou cestu. Problém je, že dnes mají automobilky zájem spíše o elektromotory a hybridní pohony. Kromě Infiniti a jeho nového motoru VC-Turbo jej v sériové produkci zatím nikdo jiný nenabízí. Jak se však ukazuje, jedná se o dobrý nástroj při snaze o sestrojení funkčního motoru HCCI, o kterém se nyní hodně mluví v souvislosti s japonskou Mazdou.