Automobilové pístové spalovací motory (ICE) mají mnoho ukazatelů – výkon, točivý moment, spotřebu paliva, emise škodlivých látek atd., které do značné míry závisí na jejich konstrukčních parametrech.
Motor je zařízení, které přeměňuje energii spalování paliva na mechanickou práci. Téměř všechny motory automobilů pracují v cyklu sestávajícím ze čtyř zdvihů:
• nasávání vzduchu nebo jeho směsi s palivem;
• stlačení pracovní směsi,
• pracovní zdvih při spalování pracovní směsi;
• uvolňování výfukových plynů.
Nejběžnějšími motory v automobilech jsou pístové motory – benzínové a naftové motory.
Benzínové motory mají nucené zapalování směsi paliva a vzduchu pomocí zapalovacích svíček. Liší se podle typu napájecího systému:
• u motorů s karburátorem začíná míšení benzínu se vzduchem v karburátoru a pokračuje v sacím potrubí. V současné době výroba takových motorů klesá kvůli nízké účinnosti a nedodržování moderních ekologických norem;
• u motorů se vstřikováním může být palivo dodáváno jedním vstřikovačem (tryskou) do společného sacího potrubí (centrální, jednoduché vstřikování) nebo několika vstřikovači před sacími ventily každého válce (distribuované vstřikování). Mohou mírně zvýšit maximální výkon a snížit spotřebu benzínu a toxicitu výfukových plynů díky přesnějšímu dávkování paliva elektronickým řídicím systémem motoru;
• motory s přímým vstřikováním benzinu do spalovacího prostoru, který je do válce přiváděn v několika dávkách, což optimalizuje spalovací proces, umožňuje chod motoru na chudé směsi a tím se snižuje spotřeba paliva a emise škodlivých látek.
Dieselové motory jsou motory, u kterých ke vznícení směsi paliva a vzduchu dochází zvýšením její teploty při kompresi. V porovnání s benzínovými motory mají tyto motory lepší účinnost (o 15-20%) díky vyššímu (dvou i vícenásobnému) kompresnímu poměru (viz dále), který zlepšuje spalovací procesy směsi paliva a vzduchu. Výhodou dieselových motorů je absence škrticí klapky, která vytváří odpor proti pohybu vzduchu na sání a zvyšuje spotřebu paliva. Vznětové motory vyvinou svůj maximální točivý moment (viz níže) při nižších otáčkách klikového hřídele (v běžné řeči „nízký točivý moment“).
Diesely zastaralé konstrukce měly ve srovnání s benzínovými motory řadu nevýhod:
• větší hmotnost a cena při stejném výkonu díky vysokému kompresnímu poměru (1,5-2x více), který zvýšil tlak ve válcích a zatížení dílů, což si vynutilo výrobu odolnějších prvků motoru, zvětšujících jejich rozměry a hmotnost;
• větší hlučnost kvůli zvláštnostem procesu spalování paliva ve válcích;
• nižší maximální otáčky klikového hřídele v důsledku vyšší hmotnosti dílů, což způsobovalo velké setrvačné zatížení. Ze stejného důvodu mají dieselové motory zpravidla menší odezvu na plyn – nabírají rychlost pomaleji.
Motor s rotačním pístem (Wankel) – v něm se rotor-píst nehýbe, jako u benzínových a naftových motorů, ale otáčí se po určité trajektorii. Díky tomu má dobrou odezvu na plyn – rychle nabírá rychlost a poskytuje vozu dobrou dynamiku zrychlení. Kvůli konstrukčním vlastnostem je kompresní poměr omezený, takže jezdí pouze na benzín a má horší účinnost kvůli tvaru spalovací komory. Dříve byl jeho nevýhodou menší zdroj a nyní nízký ekologický výkon, kterému je nyní věnována velká pozornost.
Hybridní elektrárna je kombinací pístového motoru (nejčastěji dieselového motoru), elektromotoru, generátoru a trakčních baterií (trakční baterie je na rozdíl od startovací baterie určena k vybíjení vysokými proudy (50-100 A) na 30-60 minut) baterie . Tato instalace funguje v různých režimech v závislosti na povaze pohybu vozidla. Při intenzivní akceleraci spolupracují píst a elektromotory. Během brzdění motorem generátor nabíjí baterie pomocí zpomalovací energie. Při jízdě v městském cyklu může fungovat pouze elektromotor. To vše umožňuje při zachování (nebo i zlepšení) dynamiky zrychlení výrazně zvýšit účinnost a snížit emise škodlivých látek.
Uspořádání pístového motoru
Značná rozmanitost uspořádání pístových motorů je spojena s jejich umístěním ve voze a potřebou osadit určitý počet válců do omezeného objemu motorového prostoru.
Řadový motor (obr. 1, a) je uspořádání, ve kterém jsou všechny válce ve stejné rovině. Vhodné pro malý počet válců (2, 3, 4, 5 a 6). Řadový šestiválcový motor se nejsnáze vyvažuje (snižuje vibrace), má však značnou délku.
Motor ve tvaru V (obr. 1, b) – jeho válce jsou umístěny ve dvou rovinách, jako by tvořily latinské písmeno V. Úhel mezi těmito rovinami se nazývá úhel odklonu. Nejčastěji se toto uložení válců používá u šesti a osmiválcových motorů a je označeno V6 a V8, resp. Toto uspořádání umožňuje zmenšit délku motoru, ale zvětšuje jeho šířku.
Motor boxer (obr. 1, c) má úhel odklonu 180°, díky čemuž je jeho jednotková výška nejmenší ze všech konfigurací.
Motor VR (obr. 1, d) má malý úhel odklonu (asi 15°), což umožňuje zmenšit jak podélné, tak i příčné rozměry agregátu.
W-motor má dvě možnosti uspořádání – tři řady válců s velkým úhlem odklonu (obr. 1, e) nebo jakoby dvě VR uspořádání (obr. 1, f). Poskytuje dobrou kompaktnost i při velkém počet válců. V současnosti se sériově vyrábí W8 a W12.
Konstrukční parametry motoru
Jakýkoli motor se vyznačuje následujícími konstrukčně specifikovanými parametry (obr. 2), které se během provozu vozidla prakticky nemění.
Objem spalovacího prostoru je objem dutiny válce a vybrání v hlavě nad pístem umístěným v horní úvrati – krajní poloze v největší vzdálenosti od klikové hřídele.
Výtlak válce je prostor, který je uvolněn pístem při pohybu z horní do dolní úvratě. Poslední jmenovaná je krajní poloha pístu v nejkratší vzdálenosti od klikového hřídele.
Celkový objem válce se rovná součtu pracovního objemu a objemu spalovací komory.
Zdvihový objem motoru (objem) je součtem zdvihových objemů všech válců.
Kompresní poměr je poměr celkového objemu válce k objemu spalovacího prostoru. Tento parametr ukazuje, kolikrát se celkový objem sníží, když se píst pohybuje ze spodní do horní úvrati. U benzínových motorů určuje oktanové číslo použitého paliva.
Indikátory motoru jsou hodnoty, které charakterizují jeho provoz. Kromě konstrukčních parametrů závisí na vlastnostech a nastavení systému napájení a zapalování, stupni opotřebení dílů atd.
Tlak na konci kompresního zdvihu (komprese) je indikátorem technického stavu (opotřebení) skupiny válec-píst a ventilů.
Točivý moment na klikovém hřídeli motoru určuje tažnou sílu na kola: čím větší je, tím lepší je dynamika zrychlení vozu. Rovná se součinu síly na rameno (obr. 3) a měřeno v Nm (Newton na metr), dříve v kgf.m (kilogram-síla na metr).
Točivý moment se zvyšuje s rostoucím:
pracovní objem. Proto motory, které vyžadují značný točivý moment, mají velký zdvihový objem;
tlak hořících plynů ve válcích, který je omezen detonací (výbušné hoření směsi benzínu a vzduchu, doprovázené charakteristickým zvonivým zvukem. Mylně nazývané „klepání pístních čepů“) nebo zvýšením zatížení u vznětových motorů.
Motor vyvine maximální točivý moment při určitých otáčkách (viz níže), ty jsou spolu s jeho hodnotou uvedeny v technické dokumentaci.
Výkon motoru je veličina ukazující, kolik práce vykoná za jednotku času, měřeno v kW (dříve v koňských silách). Jedna koňská síla (hp) se přibližně rovná 0,74 kW. Výkon se rovná součinu točivého momentu a úhlové rychlosti klikového hřídele (počet otáček za minutu vynásobený určitým faktorem).
Výrobci získávají motory s vyšším výkonem zvýšením:
pracovní objem, což zase vede ke zvětšení rozměrů motoru a omezení přípustné maximální rychlosti v důsledku značných setrvačných sil zvýšených částí;
otáčky klikového hřídele, jejichž počet je omezen setrvačnými silami a zvýšeným opotřebením dílů. Vysokootáčkový motor stejného výkonu (všechny ostatní při zachování stejné – konstrukce motoru, výrobní technologie, použité materiály atd.) s nízkootáčkovým motorem má kratší životnost, protože v průměru za stejný kilometrový nájezd jeho klikový hřídel bude udělat více revolucí;
tlaku ve válci zvýšením kompresního poměru nebo přeplňováním vzduchem pomocí turba nebo mechanických kompresorů. Pro použití přeplňování je nuceno snížit kompresní poměr, aby se zabránilo detonaci (u benzinových motorů) a snížila se provozní náročnost (zvýšené zatížení ve skupině válec-píst u vznětového motoru, doprovázené nadměrným hlukem) (u vznětových motorů). Přeplňování umožňuje například udržovat výkon s menším zdvihovým objemem.
Jmenovitý výkon je výkon garantovaný výrobcem při plné dodávce paliva při určitých otáčkách. V technické dokumentaci k motoru je uveden tento, nikoli maximální výkon.
Měrná spotřeba paliva je množství paliva spotřebovaného motorem na 1 kW vyvinutého výkonu za jednu hodinu. Je ukazatelem dokonalosti konstrukce motoru: čím nižší spotřeba, tím efektivněji se využívá energie paliva spáleného ve válcích.
Při stejných konstrukčních parametrech mohou mít různé motory různé ukazatele, jako je výkon, točivý moment a specifická spotřeba paliva. To je způsobeno takovými vlastnostmi, jako je počet ventilů na válec, časování ventilů atd. Proto se pro hodnocení výkonu motoru při různých otáčkách používají charakteristiky – závislost jeho výkonu na provozních režimech. Charakteristiky se zjišťují empiricky na speciálních stojanech, protože teoreticky se počítají jen přibližně.
V technické dokumentaci k vozu jsou zpravidla uvedeny vnější otáčkové charakteristiky motoru (obr. 4), které určují závislost výkonu, točivého momentu a měrné spotřeby paliva na počtu otáček klikového hřídele při plné dodávce paliva. Poskytují představu o maximálním výkonu motoru.
Výkon motoru (zjednodušeně) se mění z následujících důvodů. Se zvyšujícími se otáčkami klikového hřídele roste točivý moment díky tomu, že do válců vstupuje více paliva. Přibližně ve středním rozsahu dosáhne svého maxima a poté začne klesat. Je to dáno tím, že se zvýšením rychlosti otáčení klikového hřídele začínají hrát významnou roli setrvačné síly, třecí síly, aerodynamický odpor sacích trubek, což zhoršuje plnění válců čerstvou náplní paliva- směs vzduchu atd.
Rychlý nárůst točivého momentu motoru ukazuje na dobrou dynamiku zrychlení vozu díky intenzivnímu nárůstu tažné síly na kola. Čím déle je hodnota točivého momentu v oblasti svého maxima a neklesá, tím lépe. Takový motor se lépe přizpůsobí měnícím se podmínkám vozovky a budete muset řadit méně často.
Výkon roste spolu s točivým momentem a i když začne klesat, stále roste díky vyšším otáčkám. Po dosažení maxima začne výkon klesat ze stejného důvodu, jako klesá točivý moment. Otáčky mírně nad maximálním výkonem jsou omezeny regulačními zařízeními, protože v tomto režimu není značná část paliva vynaložena na provádění užitečné práce, ale na překonání sil setrvačnosti a tření v motoru. Maximální výkon určuje maximální rychlost vozidla. V tomto režimu vůz nezrychluje a motor pracuje pouze na překonávání sil pohybového odporu – odporu vzduchu, valivého odporu atd.
Měrná spotřeba paliva se také mění v závislosti na otáčkách klikového hřídele, jak je vidět na charakteristice (viz obr. 4). Specifická spotřeba paliva by měla zůstat co nejdéle blízko minima; to svědčí o dobré účinnosti motoru. Minimální měrná spotřeba je zpravidla dosahována mírně podprůměrnou rychlostí, na kterou je vůz provozován především při jízdě ve městě.
