Přeplňování (1. díl): teorie+mechanické přeplňování

Přeplňování (1. díl): teorie+mechanické přeplňování

 
 

V dalším seriálu se zaměříme na přeplňování spalovacích motorů, což je jedna z cest jak zvýšit jejich účinnost. První díl je věnován teorii a přeplňování mechanickým kompresorem, který je dnes používán mj. v řadě motorů Mercedes-Benz.

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.

Technická data vozů Mercedes-Benz s dmychadlem Roots
Model Sportcoupé C 180 K C 200 K C 230 K CLK 200 CGI*
Zdvihový objem [cm3] 1796179617961796
Počet válců/ventilů 4/4 4/4 4/4 4/4
Kompresní poměr 109,38,510,3
Výkon [kW/ot./min] 105/5200 120/5500141/5800 125/5300
Max.toč.mom. [Nm/ot./min] 220/2500 240/3000260/3500-4000 250/3000
Poh. Hmotnost [kg] 1485148514901495
Zrychlení 0-100 km/h [s] 9,79,18,19,0
Max. rychlost [km/h] 223234240235
Komb. spotřeba [l/100 km]7,98,68,97,8
Palivo benzín(okt.) 95989598
* 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.

Technická data vozů Mercedes-Benz s dmychadlem Lysholm
Model Sportcoupé C 32 AMG E 55 AMG* SLR**
Zdvihový objem [cm3] 319954395439
Počet válců/ventilů 6/3 8/3 8/3
Kompresní poměr 99 8,8
Výkon [kW/ot./min] 260/6100 350/6100460/6500
Max.toč.mom. [Nm/ot./min] 450/4400 700/2650-4000780/3250-5000
Poh. Hmotnost [kg] 156018351768
Zrychlení 0-100 km/h [s] 5,24,73,8
Max. rychlost [km/h] 250250334
Komb. spotřeba [l/100 km]11,512,914,5
Palivo benzín(okt.) 989898

*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.

Spolupracujeme s TipCars.com
 







Doporučujeme
Vyzkoušeli jsme kupé Škoda posledních osmdesáti let. Tudy kráčí historie! (+video) Vyzkoušeli jsme kupé Škoda posledních osmdesáti let

Dnešní doba patří automobilům SUV a atraktivních kupé…

Kontrolky v autě: Znáte jejich význam? Kontrolky v autě: Znáte jejich význam?

Co který symbol na palubní desce znamená, jsme psali již…

 

AutoRevue
Renault Scénic a Grand Scénic: MPV s příchutí crossoveru [první jízdní dojmy] Renault Scénic a Grand Scénic: MPV s příchutí crossoveru [první jízdní dojmy]

Renault v první polovině letošního roku představil novou…

Tohle bolí! Ultravzácné Ferrari F40 v Británii shořelo na popel Tohle bolí! Ultravzácné Ferrari F40 v Británii shořelo na popel

Někomu se nepoštěstí vidět Ferrari F40 jedinkrát za život…

 






 
Exkluzivní spy video: Modernizovaná Škoda Octavia (2017) poprvé na silnici

Exkluzivní spy video: Modernizovaná Škoda Octavia (2017) poprvé na silnici

Včera

Třetí generace octavie se v rámci nadcházející modernizace dočká přepracovaného vzhledu a bohatší výbavy.




Blesk.cz

Recenze: Sova Samuela Bjrka budí strach. A čeho se bojí její autor?

Recenze: Sova Samuela Bjrka budí strach. A čeho se…

Když se loni na pultech knihkupectví objevil titul V lese visí anděl, jen se po něm zaprášilo. Samuel Bjrk nyní…

Čvančarová o líbání s Donutilem v seriálu Doktor Martin: Jako olíznutí krávy!

Čvančarová o líbání s Donutilem v seriálu Doktor…

Ta mlaskla! Věčně zamračený Miroslav Donutil (65) jako doktor Martin Elinger se konečně usmívá díky zasnoubení s…

 

iSport.cz

Padesát českých hráčů se připravuje na NHL. Kde žádný není?

Padesát českých hráčů se připravuje na NHL. Kde žádný není?

Více než padesát českých hokejistů se účastní přípravných kempů klubů NHL. S čtyřmi hráči mají největší…

Ščasný ve Spartě končí! Trénink po prohraném derby vedli asistenti

Ščasný ve Spartě končí! Trénink po prohraném derby…

Bídné derby se Slavií (0:2) leccos naznačilo, v pondělí se přistoupilo ke konkrétním krokům. Zdeněk Ščasný končí…

 

Reflex.cz

Týden volné lásky a sexu aneb Oslava konce období hojnosti v severním Nigeru

Týden volné lásky a sexu aneb Oslava konce období…

Zapadající slunce ozařuje obličeje vysokých, až anorekticky štíhlých mužů. Jejich výšku ještě zdůrazňují pštrosí…

Expertka na péči o děti Eva Kiedroňová: Na dobrém začátku života miminka závisí všechno

Expertka na péči o děti Eva Kiedroňová: Na dobrém…

Česká miminka plavou, otužují se a cvičí podle jejího metodického systému, maminky zase hýčkají svá batolata…