Přeplňování (3. díl): budoucnost tříválce 1.2 HTP?

Je to už nějaký rok, co Škoda Auto vyměnila nejslabší čtyřválce 1.4 l ve Fabiích za tříválec 1198 cm³. Řada zákazníků má k tříválci nedůvěru, protože mu schází jeden válec a zvukový projev je přeci jen jiný než na co jsme u čtyřválců zvyklí. Tříválcový motor Fabie má ve čtyřventilové atmosférické verzi nejvyšší výkon 47 kW při 5400 ot./min a největší točivý moment 112 Nm při 3000 ot./min.

"Experimentální tříválcový motor o objemu 1,1 až 1,3 l" (za tímto označením se bezpochyby skrývá současný agregát 1.2 HTP) byl ve Výzkumném centru Josefa Božka na ČVUT v Praze pomocí simulačního programu GT Power opatřen mechanickým dmychadlem resp. turbodmychadlem v několika různých variantách. Přestože jde jen o počítačové simulace, výsledky těchto výpočtů jsou velmi blízké realitě. Relativně nový tříválec 1.2 HTP, který našel uplatnění ve všech malých vozech skupiny VW, projde dříve nebo později technickým faceliftem. Jako velmi pravděpodobné řešení se v současné době jeví uplatnění turbodmychadel, která mohou současně zvýšit maximální výkon a snížit spotřebu.

Prvním krokem bylo vytvoření virtuálního originálu, počítačového modelu současného tříválce 1.2 HTP, aby bylo možno úpravami dosažené výsledky porovnávat s původním atmosférickým řešením.

Bohužel zavedení přeplňování nespočívá pouze ve výměně sacího a výfukového potrubí, do nichž je zařazeno turbodmychadlo. Jak jsme uvedli již v minulých dvou dílech našeho seriálu o přeplňování motorů, má zavedení přeplňování do původně atmosféricky plněného motoru jisté limity. Inženýři musí respektovat nejvyšší spalovací tlaky v motoru, které se aplikací přeplňování zvýšily z hodnot pod 6 MPa (atmosférické plnění) na více než 8 MPa, což je blízko pevnostním limitům klikového hřídele, ložisek a pístu. Je nezbytné nalézt kompromis mezi úpravou kompresního poměru, předstihů zážehu, koeficientem složení směsi a plnícím tlakem tak, abychom se vyhnuli klepání motoru. Při optimálním kompresním poměru je obecně předstih menší než u atmosférické verze. Dále musí být brán zřetel na teplotu výfukových plynů, která nesmí překročit určitou hodnotu. Omezení teploty výfukových plynů se provádí chlazením nasávaného vzduchu nebo obohacováním směsi (přebytečné palivo se ve spalovacím prostoru odpařuje a tím chladí spalovací prostor).

Přeplňování mechanickým dmychadlem

Podrobnosti k tomuto způsobu přeplňování a příklady dnes vyráběných motorů s mechanickým dmychadlem najdete v díle seriálu o přeplňování.

Tříválec dostal nejdříve mechanickým převodem poháněné rootsovo dmychadlo Eaton M24. Výkon dmychadla je regulován přepouštěcím kanálem. Nejdříve bylo třeba zvolit vhodný ozubený převod, který bude pohánět dmychadlo od klikového hřídele. Pro dosažení vysokého momentu od nízkých otáček byly zvoleny pro ladění otáčky 2000 min^-1. Jako optimální převod byla zvolena hodnota 3,2, tedy při otáčkách motoru 2000 min^-1 se točí dmychadlo otáčkami 6400 min^-1. Při otáčkách vyšších než 2000 min^-1 je otevírán přepouštěcí ventil. Maximální spalovací tlaky v motorovém prostoru ukazuje první graf. Druhý graf ukazuje vnější charakteristiku mechanicky přeplňovaného motoru. Ta se získá zaznamenáním všech hodnot výkonu při stále plně otevřené škrtící klapce. Při 2000 ot/min je přepouštěcí ventil uzavřen, s rostoucími otáčkami je postupně otevírán. Točivý moment takto přeplňovaného tříválce má nejvyšší hodnotu 157 Nm při 3000 ot/min, ale až do 3700 ot/min neklesá pod hodnotu 150 Nm, točivý moment vzrostl o 4 0% proti atmosférické verzi. Nejvyšší výkon byl zvýšen na 67 kW při 5000 ot./min, výkon vzrostl o 43 % proti atmosférické verzi. Objevil se ale také problém výskytu vyšších teplot výfukových plynů (přes 920°C) při stechiometrické směsi. Proto musela být směs obohacena, přebytečné palivo se odpařuje a chladí spalovací prostor.

Přeplňování turbodmychadlem

V dalším kroku bylo k virtuálnímu škodováckému motoru připojeno turbodmychadlo s několika rozdílnými naladěními. Tři varianty by bylo možno označit jako extrémní (maximální otáčky turbodmychadla), vysokovýkonnou a ekonomickou. K přeplňování je použito turbodmychadlo Garrett GT12.

Turbína nemá proměnnou geometrii lopatek (o VGT se dozvíte více ve druhém díle), plnící tlak je řízen obtokovým ventilem u turbodmychadla a škrtící klapkou umístěnou za dmychadlem. Mezi dmychadlem a motorem je umístěn mezichladič stlačeného vzduchu. Točivý moment motoru a plnící tlak jsou regulovány současným nastavením polohy škrtící klapky a obtokového ventilu.

Také zde je problém s teplotou výfukových plynů, pro udržení přijatelných hodnot „zasahuje“ bohatá směs a zmenšení předstihu zážehu. Graf s výkony ukazuje možná nastavení otevření obtokového ventilu při různých otáčkách. Nejvyšší křivka náleží maximálnímu točivému momentu jaký lze z tohoto motoru v dané sestavě získat. Otáčky turbodmychadla jsou udržovány na nejvyšší možné hodnotě (cca 200.000 ot./min). Nutné obohacování směsi spolu s malým předstihem zážehu s sebou přináší vysokou spotřebu paliva. Druhá nejvyšší výkonová křivka reprezentuje sportovně vyladěný přeplňovaný motor. Spotřeba je snížena v nízkých otáčkách, ale ve vysokých je k dispozici stále velký výkon. Poslední (modrá) křivka patří ekonomicky naladěnému motoru. Výkon je snížen ve všech otáčkách, ale spotřeba je nejnižší ze všech variant.

Z uvedeného srovnání jsou vidět typické problémy a výhody jednotlivých způsobů přeplňování zážehového motoru. Extrémní nárůst výkonu by znamenal zřejmě výrazné snížení životnosti malého tříválce, ale méně radikální změny ve vnějších charakteristikách mohou být vzhledem ke snížení měrné spotřeby (a tedy i emisí) racionální cestou jak dále zvýšit účinnost spalovacího motoru.

Dva barevné grafy znázorňují pole měrných spotřeb (jednotka gram paliva na kilowatthodinu). Rozsáhlejší tmavě modrá oblast u přeplňovaného motoru výhodně pokrývá nízké a střední otáčky, které jsou nejvíce používané v praxi. Čárkovaně je vyznačena oblast ve které se vozidlo pohybuje v evropském jízdním cyklu při měření spotřeby a emisí.

Zdrojem k tomuto článku byly veřejně dostupné zprávy a odborné články (

1,

2,

3,4), které jsou na stránkách VCJB

volně k dispozici.

Předchozí související články:

Přeplňování (1. díl): teorie+mechanické přeplňování

Přeplňování (2. díl): turbodmychadla

Motor 2.0T FSI (147 kW): nové Octavii RS bude slušet