Zvyšování účinnosti spalovacích motorů

Pístové spalovací motory způsobily revoluci v rychlosti a efektivitě přepravy zboží a osob. Čtyřdobý spalovací motor vynalezl v roce 1876 německý inženýr Nicolaus Otto. Proto také německy hovořící část světa nazývá benzinové motory také jako Ottomotor. Mnohem známější je jméno Rudolfa Diesela, který si nechal patentovat svůj vznětový motor v roce 1892.

Účelem spalovacích motorů je přeměňovat chemickou energii paliva na teplo, a to dále prostřednictvím tepelného oběhu transformovat na mechanickou práci, využitelnou pro pohon pracovních strojů, dopravních prostředků, elektrických generátorů apod. Kvůli omezení teplot a tlaků, kterých je možno technicky dosáhnout, je účinnost spalovacích motorů nižší než u motorů používajících jiný druh energie než je tepelná. Na mechanickou práci je ve spalovacích motorech přeměněno 10–50 % chemické energie paliva.

Nejnižší účinnost má parní stroj (do 12 %), benzínové a dieselové motory dosahují účinnosti kolem 25 %, přeplňované motory s turbokompresorem poháněným výfukovými plyny (turbo) mají účinnost kolem 35 %, letadlový turbínový motor vykazuje účinnost 20–25 %, stacionární spalovací turbína s tepelnými výměníky může dosahovat účinnosti i přes 50 %. V článku se dozvíte, jaké prvky ovlivňují účinnost spalování.

Prvky ovlivňující účinnost spalování:

• Složení paliva,
• tvorba směsi,
• rychlost hoření,
• způsob plnění a
• spalovací prostor.

Stručný přehled vývoje jednotlivých prvků motoru a jejich účinnosti

Přelom 19. a 20. století

• Rozvody typu SV, F.
• Kompresní poměr 5-6.
• Odpařovací karburátor.
• Žhavící zapalování.
• Účinnost max. 10 %.

1920

• Rozvody typu OHV (Ricardo).
• Elektrické zapalování (firma Bosch).
• Poměr vrtání ke zdvihu je menší než jedna.
• Karburátor.
• Kompresní poměr 8.
• Účinnost max. 20 %.

1930

• Rozvody typu OHC.
• Přeplňování Rootsovým mechanickým kompresorem.
• Poměr vrtání a zdvihu je zhruba stejný.
• Kompresní poměr 8-10.
  
• Úúčinnost až 25 %.

1960

• Řízený karburátor.
  
• Přeplňování turbodmychadlem.
  
• Účinnost až 30%.

1970

•  Elektronické zapalování CDI.
  

1990

• Elektronická řídicí jednotka.
• Vstřikování paliva.
• Kompresní poměr až 14:1.
• Účinnost až 35 %.

Současnost

• Rozvody DOHC.
• Trend downsizingu - malé motory s turbem.
• Hybridy - plug in hybridy, mild hybridy atd.
• Účinnost okolo 40 %.

Faktory ovlivňující účinnost spalování

 1. Řízený předstih zážehu (u benzinových motorů)

Jedná se o regulační parametr a udává se buď v milimetrech (vzdálenost pístu před horní úvratí) nebo ve stupních. Hoření směsi ve válci trvá jen několik milisekund, nejvyšší účinnosti lze dosáhnout, když všechno palivo dokonale shoří hned za horní úvrati pístu. Pokud by směs neshořela ve válci, ale dohořívala by ve výfuku, tak by se plýtvalo palivem a výfuková soustava by se ničila. Největší předstih zážehu je vyžadován při nejvyšších otáčkách motoru, a naopak nejmenší předstih při nejnižších otáčkách. Automobily řeší tento problém odstředivým a podtlakovým regulátorem předstihu anebo inteligentní řídicí jednotkou.

2. Ideální spalovací prostor

Velký vliv na výkon motoru má tvar prostoru, kde palivo hoří. Jedná se o konstrukci spalovací komory, místo zapalovací nebo žhavící svíčky, pozice sacích a výfukových ventilů. Tak jako u dieselových jednotek, i u benzínových motorů má tvar a velikost spalovacího prostoru vliv na průběh spalování (spotřeba paliva, obsah škodlivin ve spalinách, hlučnost, průběh točivého momentu, maximální možný kompresní poměr a odolnost proti detonacím).

• Kompaktnost – pro zajištění tepelné účinnosti je nutné omezit tepelné ztráty.
• Správné víření – správně navržen.
• Správné umístění ventilů na správných místech.
• Správné umístění zapalovací svíčky - musí být v místě, kde je po kompresním zdvihu bohatá směs a šířící plamen nezpůsobí detonační hoření.
• Správná teplota - spalovací prostor by neměl mít body, které jsou příliš horké.

Dieselový motor může mít spalovací komoru dělenou, u tzv. komůrkových motorů, kterým se říká také vznětové motory s nepřímým vstřikováním paliva. Dělenými spalovacími prostory se rozumí dva samostatné objemy. Palivo se vstříkne do komůrky v hlavě válce motoru. Komůrka je spojena s druhou částí spalovací komory, která se nachází ve dně pístu. Průchod mezi komorami je řešen kanálky.

3. Kompresní poměr

Je poměr mezi objemem nasáté a stlačené směsi ve válci. Užití maximálního možného kompresního poměru těsně před hranicí samozápalu a detonačního hoření zvyšuje účinnost. U zážehových motorů do 14:1. U dieselů až 23:1.

4. Víření

Tvar sacího potrubí a tvarování dna pístu má vliv na víření, které má zase vliv na kvalitu prověření směsi. Víření se zvyšuje s rychlostí otáček, jenže tato rychlost není dostatečná k zachování úhlové dálky spalování, průběh tlaku ve válcích není optimální. U zážehových motorů se tento problém řeší změnou předstihu zapalování.

Budoucnost ve znamení hybridů?

Současný tlak na produkci alternativních řešení v dopravě zřejmě povede k dalšímu rozvoji hybridních pohonů, které  kombinují spalovací motor s elektrickým motorgenerátorem, umožňujícím rekuperaci kinetické energie při brzdění. Spalovací motor by tak mohl být provozován při konstantním nebo jen málo proměnlivém zatížení jako nezávislý generátor elektrické energie, nebo při sdíleném pohonu s elektromotorem (tzv. power-split hybrid). Otázkou realizace takových řešení bude zejména ekonomické zhodnocení návratnosti vyšší počáteční investice do komplikovaných technologií. A samozřejmě také vývoj elektrických akumulátorů z hlediska prodlužování jejich životnosti, zvyšování účinnosti a snižování hmotnosti.