Přeplňování (1. díl): teorie+mechanické přeplňování

Automobil i samotný spalovací motor toho mají za sebou již hodně. I když oběma je už přes 100 let, základní princip činnosti se příliš nezměnil. Zdokonalování stávajících konstrukcí se v posledních letech dostává na samou hranici možností motoru. Dokud budou na planetě Zemi k dispozici zásoby ropy, lze předpokládat další vývoj spalovacích motorů na uhlovodíková paliva a jedním z hodnotících kritériích bude účinnost a s ní související spotřeba paliva. Přeplňování je jednou z cest, která vede k účinnějšímu spalovacímu motoru a proto se s ním budeme setkávat stále častěji.

V prvním díle se podíváme na základní problémy přeplňování a jejich řešení, popsána dnes budou také mechanická dmychadla. Příště se zaměříme na přeplňování turbodmychadly. Teorii se pokusíme vždy ukázat na příkladech z praxe, na konci obou dílů popisujeme zajímavé motory a jejich detaily, text doprovázejí názorné kresby nebo fotografie.

Na úvod trochu teorie…

Spalovací motor potřebuje ke svému provozu určitý poměr vzduchu a paliva. V ideálním případě je pro spálení 1 kg benzínu (nafty) potřeba 14,7 kg (14,5 kg) vzduchu. Převedeme-li hmotnostní poměr na objemy, ke spálení 1 litru paliva budeme potřebovat řádově 10.000 litrů vzduchu. Tento ideální směšovací poměr se někdy označuje jako stechiometrická směs. Pro usnadnění popisu jednotlivých režimů byl zaveden součinitel přebytku vzduchu – lambda. Hodnota 1 vyjadřuje ideální poměr, hodnoty větší než 1 náleží chudé směsi, hodnoty menší než 1 vyjadřují bohatou směs. I když v různých provozních režimech práce motoru se využívá různých směsí od chudých (lambda 1,05-1,3) nabízejících nízkou spotřebu při částečných zatíženích až pro bohatou (lambda 0,85-0,95) pro vysoké výkony při plném zatížení, stacionární (ustálený) režim práce motoru se u dnešních motorů pohybuje v úzkém intervalu kolem lambda=1 (směs potřebná pro správnou činnost katalyzátoru). Toto platí motory atmosféricky plněné i pro motory přeplňované.

Proč vlastně přeplňovat?

Účelem přeplňování spalovacích motorů je zvýšení množství vzduchu a tím i dodávky paliva do spalovacího prostoru za jednotku času. Výsledkem je vyšší točivý moment a výkon u objemově srovnatelných motorů, resp. dosažení obdobných parametrů výkonu a točivého momentu z menšího zdvihového objemu. Současně tedy klesá měrná spotřeba (udává množství spotřebovaného paliva v gramech na kWh) i výkonová hmotnost (vyjadřuje poměr hmotnosti motoru k nejvyššímu výkonu motoru). Uvedené vlastnosti tedy dovolují stavbu objemově malého motoru, který má výkonové parametry podstatně většího motoru při dosažení nízké spotřeby. Tajemství úspěchu je založeno na vhodném naladění systému přeplňování a samotného motoru.

Přeplňování nabízí řešení jedné zásadní nevýhody spalovacího motoru. Tou jsou nízké hodnoty točivého momentu při nízkých - a v praxi nejčastěji používaných - otáčkách motoru. Proto se nejvyšší účinek přeplňování umisťuje zpravidla do nízkých otáček, aby byla tato nevýhoda odstraněna nebo alespoň omezena. Bohužel i zde čeká na motoráře řada úskalí. Zvýšení plnících tlaků znamená také vyšší maximální tlaky ve spalovacím prostoru a tedy i větší zatížení pro klikový hřídel a jeho ložiska nebo samotný píst. Limitem stlačení směsi ve válci (tj. kompresního poměru) je také klepání motoru nebo samozápaly. I tyto problémy však mají řešení. Optimální využití oktanového potenciálu paliva dnes řeší řídící jednotka například řízením předstihu zážehu motoru, který bývá podstatně zmenšen proti atmosférickým motorům.

V neposlední řadě dělají inženýrům starosti vysoké teploty výfukových plynů na výstupu z motoru (při maximálních zatíženích se aplikuje bohatá směs, která výfukové plyny ochlazuje). Omezení teplot musí být provedeno s ohledem na životnost turbíny (u přeplňování turbodmychadlem) i správnou funkci katalyzátoru. I na druhé straně motoru- v sání – jde o teploty. Cílem je dostat do válce maximum vzduchu, jehož hustota se zvyšuje s klesající teplotou. Proto je dmychadlem stlačený (a tím i zahřátý) vzduch ještě před vstupem do válce ochlazen v mezichladiči. Teplota stlačeného vzduchu na výstupu z mezichladiče dosahuje přibližně teploty původně nasátého vzduchu.

Všem způsobům přeplňování je společné to, že je potřeba omezovat velikost plnícího tlaku s rostoucími otáčkami motoru. Jak bylo již výše uvedeno, maximální účinek přeplňování bychom rádi využili v nízkých otáčkách. Při tomto dimenzování dmychadla by další zvyšování otáček motoru znamenalo vyšší otáčky dmychadla a tedy i vyšší plnící tlaky, které by nadměrně zatěžovaly celý motor a jeho životnost by se tedy velmi snížila. Proto se do systému přeplňování řadí obtokový ventil (klapkový nebo talířový) nebo proměnná geometrie lopatek turbíny (zatím u vznětových motorů, vzhledem k nižším teplotám výfukových plynů), případně jejich kombinace. Obtokový ventil je při nízkých otáčkách zcela uzavřen a se zvyšujícími se otáčkami se postupně otevírá a odvádí tak část hmotnostního toku výfukových plynů obtokovým kanálem mimo lopatky turbíny. Výhradně pneumatická regulace obtokového ventilu (otevírání v závislosti na tlaku v sacím potrubí) je nahrazována elektronickou regulací. Více si o řízení plnícího tlaku řekneme v příštím díle věnovaném přeplňování turbodmychadlem.

Mechanické přeplňování

U mechanického přeplňování je dmychadlo poháněno dnes nejčastěji mechanickým ozubeným převodem od klikového hřídele motoru. To znamená, že tento další „spotřebič“ ubírá část výkonu motoru, který by jinak mohl být využit na kolech vozidla. Výhodou mechanického přeplňování je skutečnost, že jisté stlačení vzduchu je k dispozici již od nejnižších otáček motoru. Přímá vazba otáček dmychadla s otáčkami klikového hřídele poskytuje okamžitou odezvu v nestacionárním provozu Některé zdroje uvádějí, že výhodou tohoto způsobu přeplňování je nižší cena. Studie ukazují, že mechanické přeplňování nabízí ve srovnání s přeplňováním turbodmychadlem nižší výkonové zisky a také měrná spotřeba nedosahuje parametrů motorů přeplňovaných turbodmychadlem. Tato nevýhoda může být zmírněna odpojováním dmychadla při nižších zatíženích motoru. Mechanická vazba dmychadla s klikovou hřídelí je také zdrojem nadměrného hluku.

Ve vozidlových motorech se můžeme setkat s různými konstrukcemi. Mezi nejpoužívanější patří Rootsovo, Lysholmovo, nebo křídlové dmychadlo. Volkswagen vyvinul motory s tzv. spirálovým G-dmychadlem. K automobilový výrobcům, kteří v současné době používají ve svých vozech mechanická dmychadla patří Mercedes-Benz a Jaguar. U Mercedesu našly překvapivě široké uplatnění rootsovy dmychadla v modelech označených Kompressor. Najdeme je v řadách C, CLK, SLK a E. Provedení konstrukce čtyřválcového motoru o objemu 1796 cm³ s rootsovým dmychadlem je na tomto obrázku, dmychadlo samotné je pak zde a jeho pohon zde. Na dalších dvou obrázcích je vidět systém chlazení stlačeného vzduchu u modelu C 200 Kompressor a u modelu CLK 230 Kompressor.

V tabulce technických dat je přehled parametrů různě vyladěných verzí motoru přeplňovaného kompresorem. Tři základní čtyřválce v právě inovované generaci řady C (Sportscoupé) mají shodný zdvihový objem, ale prakticky všechny ostatní parametry se liší. Měrný výkon motoru roste od základního modelu C180K (58,4 kW/l) až k C230K (78,5 kW/l). Srovnání spotřeby paliva není vzhledem specifickému průběhu standardního měřícího cyklu příliš názorné (srovnatelná by byla měrná spotřeba, tedy absolutní spotřeba vztažená k výkonu motoru v daných režimech jízdy), potenciál turbodmychadel je však v tomto směru vyšší. Zajímavé je srovnání spotřeby s verzí CGI (přímé vstřikování benzínu+mech. kompresor. Spotřeba motoru CGI je téměř o 1 litr benzínu (98 okt.) nižší než u srovnatelného C 200 K.

* motor s přímým vstřikování benzínu

U výkonných Mercedesů z dílen AMG dostaly přednost dmychadla Lysholm (vyrábí je japonská firma IHI), která jsou elektromagneticky odpojována. Jeden z rotorů je pokryt teflonovou vrstvou. V modelu C32 AMG (již není ve výrobě) se dmychadlo otáčí 3,3x rychleji než klikový hřídel motoru a při nejvyšších otáčkách motoru (6200 ot./min) je třeba k jeho pohonu výkon 44 kW. I přes tuto nevýhodu dokázal Mercedes dostat z motoru V6 slušný výkon 260 kW/ 6100 ot/min. Lysholmovo dmychadlo našlo uplatnění i v motoru V8 55AMG. Jeho vrcholná verze pohání i auto snů-Mercedes-Benz SLR. I když kombinovaná spotřeba je u tohoto motoru asi nejméně sledovaným parametrem, je zajímavé ji srovnat s nejslabším C180K. Vzhledem k zaměření modelu SLR je totiž spotřeba motoru o zdvihovém objemu 5,5 l, necelých 15 l benzínu na 100 km celkem slušná hodnota.

*limuzína E55 AMG

**kupé SLR, nejvyšší rychlost neomezena

***elektronicky omezeno

Jaguar dodává svá nejsilnější kupé/kabriolety v provedení XKR s mechanicky přeplňovaným motorem 4,2 l V8 (291 kW/6100 ot/min). Nejvyšší plnící tlak 0,8 bar zde produkuje dmychadlo Roots.

V příštím díle se podíváme na přeplňování motorů turbodmychadly. V současnosti jej používají prakticky všechny automobilky v kombinaci s vznětovými motory, řada z výrobců má v nabídce také turbodmychadlem přeplňované zážehové verze.

V tomto článku byly využity materiály firem Mercedes-Benz a Jaguar. Dále byla použita kniha Františka Vlka, Vozidlové spalovací motory a různá vysokoškolská skripta.