Technika motocyklu - 6. část - motor

V dalším pokračování teorie motorů si vysvětlíme funkci dvoudobého motoru a jeho srovnání s dnes mnohem běžnějším motorem čtyřdobým, dále budou objasněny zákony při spalování především benzínu a na závěr přijde vysvětlení pojmů kroutící moment a výkon motoru

Technika motocyklu - 6. část - motor

Kapitoly článku

Navázáním na minulý článek je na místě uvést základní princip motoru dvoudobého. I tento typ motoru musí mít zajištěny čtyři základní fáze motoru a to sání-kompresi-expanzi-výfuk. Zásadní rozdíl je však v tom, že jsme zde schopni zajistit vždy dva děje „najednou“ z čehož vyplývá jeden oběh na jedno otočení klikového hřídele. Při pohybu pístu do horní úvratě vzniká pod pístem podtlak a ten je využit pro nasátí směsi, která v tomto případě proudí do klikové skříně motoru (pod píst) přičemž u motoru čtyřdobého používáme pouze prostoru nad pístem. Při sání je současně předchozí směs stlačována pístem do spalovacího prostoru jak známe ze 4T. Při pohybu pístu dolů dochází k expanzi (rozpínání) hořící směsi, v určitém okamžiku je otevřen přefukový kanál, čerstvá směs proudí z prostoru pod pístem nad píst čímž zároveň vytláčí spaliny. Rozvod zde neobstarávají ventily (velká jednoduchost hlavy), ale v dnešní době nejčastěji přefukovací kanály. Rozvod směsi je symetrický vůči úvrati pístu. Jistých výhod má i
rozvod pomocí rotačního disku, avšak se běžně nyní moc neužívá. Vstup do klikové skříně je určován otočným diskem s otvorem, který se točí společně s klikovou hřídelí.


Dvoudobý motor tedy dokáže zvládnout v jedné otáčce klikové hřídele to, na co motor čtyřdobý potřebuje otáčky dvě. Expanze plynů je tedy v každé otáčce a tudíž dvakrát častěji dostáváme sílu na píst, což ve výsledku vede i k dvojnásobnému výkonu (pojmy moment a výkon budou vysvětleny dále). Je na místě otázka proč se tedy silnice hemží „nevýkonnými“ čtyřtakty. Dvojnásobný výkon u dvoudobého motoru vůči čtyřdobému je čistě teoretický bez dalších úvah, ale i tak je výkon zhruba o 80-90% vyšší. Z toho důvodu jsou závodní třídy od minibiků přes motokros až k silničním motocyklům vypsány pro daný objem dvoudobého motoru a přibližně dvojnásobný objem motoru čtyřdobého, čímž na start postavíme zhruba rovnocenné soupeře. Základní problém je větší náchylnost na navržení ideálního válce, hlavy, pístu, kanálů – v kostce součástí, které ovlivňují proudění plynů. Děje jsou zde složité a silně ovlivňují výkon motoru. Nestačí pouhé matematické výpočty a modelace prostoru na PC. Při konstrukci nového motoru je velmi výhodný anemometr (analyzátor proudění plynů). Jedná se o zařízení schopné zjistit v celém válci s hlavou směr a rychlost proudu vzduchu, vykreslit proudové pole na monitor a z výsledků je pak možné odvodit potřebné úpravy k idealizaci proudění. U dvoudobých motorů se silněji projevuje promíchání čerstvé směsi (při výplachu) se spalinami, čímž nám roste spotřeba a emise. Velkým vylepšením se dosáhlo používáním jazýčkového ventilu (jednostranný ventil) na sání a výfukové přívěry, bez kterých se motory nevyrábí už řadu let.
Rozdílnost stavby obou druhů motorů určuje i odlišnost mazání což bylo uvedeno v jednom z předchozích článků.
Jen pro zajímavost uvedu i existenci motoru šestidobého. Není to pouze výmysl našeho Járy Cimrmana, ale skutečně funkční motor – www.sixstroke.com.

Spalovací proces


V minulém díle byla řeč o použití paliv pro spalovací motory a nyní se zaměříme na palivo nám nejbližší – na směs uhlovodíků s nízkým bodem varu, stručně řečeno benzín. Každé spalování je oxidační proces a tudíž je nutná přítomnost kyslíku a to ne v ledajakém množství. Pokud vezmeme 1kg benzínu, tak lze zapálit pouze v rozsahu 6-22kg vzduchu. Ovšem tento rozsah je opravdu extrém a pro chod motoru používáme velmi úzké pásmo hodnot mísení paliva se vzduchem. Při namíchání směsi 1kg benzínu + 14,7kg vzduchu se chemicky sloučí veškeré možné uhlovodíky při spalování s kyslíkem a ve výsledku (při dokonalém spálení) vznikne pouze neškodný oxid uhličitý (CO2) a čistá voda (H2O). Směs obsahující více paliva než je ideální se označuje za bohatou, směs obsahující více vzduchu je směsí chudou. Pro upřesnění tento poměr platí pouze pro benzín a pro jiná paliva (etanol, metanol,..) je odlišný. Z důvodu lepší orientaci a zevšeobecnění problému byl zaveden „součinitel přebytku vzduchu“ označován jako lambda. Jedná se o poměr skutečného množství vzduchu ve směsi s ideálním množstvím pro dané palivo. Je-li lambda=1 jedná se o ideální směs (stechiometrický poměr), ať již se bavíme o jakémkoli palivu. Hodnota lambda>1 je směs chudá, lambda<1 je směs bohatá.

Proč jednoduše neudělat zařízení, které nám bude vyrábět ideální směs pro provoz motoru? Pomiňme teď skutečnost, že děje v sání jsou velmi složité a do jisté míry je schopna řídící jednotka vstřikování pomocí zhruba 7 čidel nastavit správnou směs. Tvorbu směsi pomocí karburátoru a vstřikování probereme podrobněji. Spalováním mírně bohaté směsi (lambda=0,85-0,9) dostáváme z motoru maximální výkon na druhou stranu spalováním chudé směsi (lambda=1,1-1,2) se dostáváme na nejpřijatelnější ekonomiku jízdy čili zde máme nejmenší spotřebu. Složení nám silnou měrou ovlivňuje další parametry a to především zahřívání motoru. Při přechodu kapaliny (zde benzínu) z kapalné fáze do plynné (vypařování) je velká spotřeba tepla, čímž se chladí spalovací prostor tudíž při provozu na chudou směs (ač se to na první pohled mohlo zdát naopak) je motor více tepelně namáhán a dochází tak až k propálení pístu. U benzínových motorů se používá rozsah složení směsi zhruba lambda=0,8-1,2, přičemž při použití katalyzátoru je z důvodu správných katalických pochodů nutno dodržet lambdu rovno 1 (problémem se budeme zabývat u tvorby směsi). Naftové i plynové motory jsou schopny pracovat i s velmi chudou směsí (cca lambda=5, tzn. 5×více vzduchu než je potřeba), u benzínových motorů to lze ošidit tvorbou vrstvené směsi, kdy dopravíme zápalný poměr směsi jen blízko zapalovací svíčce, čímž se zvyšuje ekonomika provozu (pouze u přímého vstřiku). Často se setkáme s pojmy kvantitativní a kvalitativní regulace. Způsob regulace u zážehového motoru, kde výkon ovlivňujeme množstvím (kvantitou) směsi vlivem otvírání škrtící klapky, je kvantitativní. U motoru vznětového dochází do válce pořád stejný objem vzduchu (není zde škrcení a tím odpadají určité ztráty=vyšší účinnost) a výkon je regulován pouze množstvím paliva do směsi (kvalitou), tudíž se jedná o regulaci kvalitativní.




Pokud stlačujeme plyn na velký tlak dochází k tvorbě tepla, což u vznětového motoru využíváme pro zapálení vstříknuté nafty. U motoru zážehového však k tomuto jevu může dojít taky aniž by jsme si to přáli. Jedná se o detonační hoření. Chemická podstata hoření je na výklad příliš složitá a ani v dnešní době není zcela přesně objasněna. Na vznik detonačního hoření mají zásadní vliv následující parametry – oktanové číslo paliva, kompresní poměr, tvar spalovacího prostoru, zatížení motoru, počet a umístění zapalovacích svíček, průměr pístu, teplota motoru a vzduchu. Pokud dojde k zapálení směsi začne hoření probíhat rychlostí cca 30m/s a vlivem hoření se zvyšuje i tlak, který se šíří podstatně rychleji.




Jak bylo uvedeno v jednom z předchozích článků, rychlost tlaku je stejná rychlosti zvuku (zvuk je tlaková vlna) a v podmínkách motoru je to přibližně 1000m/s. Tímto dochází k nárůstu tlaku rychleji než k samotnému hoření a tak se může stát, že vlivem kompresního tepla se vznítí i vzdálené palivo a dojde k hoření z více míst. Při samotném vznícení dochází k prudkému nárůstu tlaku což negativně ovlivňuje životnost některých součástí a klesá výkon. Rychlost tlakové vlny při detonačním hoření je až 2500m/s. Oktanové číslo je odolnost paliva proti detonačnímu hoření. Jeho hodnota se získává porovnávací metodou v laboratorním motoru s proměnným kompresním poměrem. Motor se spustí na zkoušené palivo a hledá se takový kompresní poměr, při kterém dojde k detonacím. Při tomto nastavení zkoušíme „laboratorní palivo“ s takovým složením, kdy bude vykazovat stejné detonace. Palivem je směs dvou různých uhlovodíků – izo-oktan má OČ 100, n-heptan má OČ 0 tzn. procentuální podíl izo-oktanu ve směsi je zároveň oktanovým číslem dané směsi. Metody na zjištění jsou dvě s určitými odlišnostmi – motorová a výzkumná. V některých zemích se značí benzín dle průměru obou typů měření, jinde jen dle jednoho typu. Čím větší je kompresní poměr, tím větší sklon motoru k detonacím. Kompresní poměr má vliv i na tepelnou účinnost motoru, avšak při zvyšování nad hodnotu cca 1:12 nám přináší potíže a užitek skoro žádný. Pokud si představíme, jak je zapálena směs dostaneme odpověď na otázku, jak ovlivní tvar spalovacího prostoru, průměr válce a počet svíček sklon k detonacím. Směs zapalujeme od svíčky (energie cca 40mJ) od které se šíří tlaková vlna před plamennou frontou. Tento tlak nám může stlačit nejvzdálenější, doposud nezapálenou, směs na kritický tlak při kterém dojde k samovznícení. Z toho důvodu mají motory s velkým vrtáním dvě svíčky (např. DR Big).

POKRAČOVAT V DALŠÍ KAPITOLE

Kapitoly článku

Jak se Vám líbil tento článek?
Průměr: 1.00
Známkováno: 6x

Vložení komentáře

Pokud chcete vložit komentář, tak se registrujte a přihlaste.



TOPlist