Když se zájemce o auta podívá do technického listu klasického atmosférického zážehového motoru, často tam najde kompresní poměr někde mezi 11:1 a 13:1. U turbomotoru o podobném zdvihovém objemu téhož výrobce ale obvykle stojí číslo výrazně skromnější, zpravidla v rozmezí 9:1 až 10,5:1. Proč tomu tak je?
Atmosférický motor vs. přeplňovaný: Proč se tolik liší jejich kompresní poměry? (1. díl)
Články na téma kompresní poměr:
- Kompresní poměr – co to je?
- Kompresní poměr motoru: Proč má agregát s turbem nižší než atmosféra? (1. díl) - právě čtete
- Kompresní poměr motoru: Proč má agregát s turbem nižší než atmosféra? (2. díl)
Pozor, občas se v tabulkách objeví i kompresní poměr 8,5:1. Někoho může na první pohled napadnout, že přeplňování přece má udělat motor silnější a efektivnější, takže by snad měl mít komprese víc, ne míň. Jenže fyzika to vidí jinak a důvodů, proč konstruktér přeplňovaného agregátu sahá po nižší hodnotě, je hned několik. Nejsou to ústupky lenosti ani spořivosti, je to nutnost, která vyplývá z toho, jak se chová vzduch v okamžiku, kdy ho do válce naženeme pod tlakem.
Kompresní poměr: Co to je?
Pro pořádek krátká rekapitulace. Geometrický (často nazývaný statický) kompresní poměr je vztah mezi objemem válce v dolní úvrati pístu a objemem, který zbyde v okamžiku, kdy se píst vyšplhá nahoru. Pokud má motor v dolní úvrati 500 cm³ a v horní 50 cm³, vychází kompresní poměr 10:1. Říká nám, kolikrát plyny ve válci stlačíme, než přijde okamžik zážehu. S tímto poměrem souvisí jedna velmi důležitá vlastnost, a to tepelná účinnost. Pro idealizovaný Ottův cyklus platí jednoduchý a elegantní vzorec:
η = 1 − 1/ε^(κ−1)
kde ε je kompresní poměr a κ (kappa) je Poissonova konstanta, tedy poměr měrných tepelných kapacit. Pro vzduch se běžně počítá s hodnotou 1,4. Pokud do rovnice dosadíte, vyjde vám něco zajímavého:
- Při ε = 9 vychází účinnost zhruba 58,5 %,
- Při ε = 11 už přibližně 61,7 %,
- Při ε = 13 zhruba 64,2 %,
- Při ε = 14 zhruba 65,2 %.
Jde samozřejmě o teoretický strop – skutečný motor se kvůli ztrátám třením, neúplnému spalování, výměně náplně válce a dalším ztrátám dostane sotva na polovinu této hodnoty. Ale princip je jasný: čím vyšší kompresní poměr, tím lépe motor přetváří chemickou energii paliva na práci. Atmosférický motor s kompresí 13:1 by měl být na papíře účinnější než přeplňovaný kolega s devítkou. Tak proč se ten přeplňovaný spokojí s menší hodnotou?
Hlavní viník: klepání motoru
Odpověď se schovává pod pojmem detonační spalování, kterému se lidově říká klepání. Jde o jev, při kterém se ve válci místo plynulého šíření plamene od svíčky zapálí část směsi sama, tedy předčasně, nekontrolovaně a najednou. Tlak v komoře skokově vyletí a místo elegantního roztlačení pístu dolů to vypadá spíš jako úder kladivem. Pravidelné detonace dokážou rozbít dno pístu, zničit kroužky, ohnout ojnice, vymačkat ložiska.
U přeplňovaného motoru je hranice klepání citlivější, vyšší tlaky a teploty se podle vědeckých prací ve válci dosahují snadněji než u atmosféry, takže se u přeplňovaných motorů musí používat paliva s vyšším oktanovým, respektive cetanovým číslem, a vlastnímu složení směsi věnovat větší pozornost.
A teď se dostáváme k jádru věci. Když přeplňování nažene do válce vzduch o vyšším tlaku, než jaký panuje v okolním ovzduší, začíná píst svou kompresní cestu už z výrazně vyšší startovní úrovně. Místo aby stlačoval atmosférický tlak (zhruba 1 bar), pracuje třeba s 1,5 baru plnicího přetlaku, tedy s absolutním tlakem na sání kolem 2,5 baru. A teď si představte, co se stane, když tenhle už předstlačený vzduch ještě zmáčknete kompresním poměrem 12:1.
Trocha počítání
Pro adiabatickou kompresi platí vztah:
T₂ = T₁ × ε^(κ−1)
a obdobně pro tlak:
p₂ = p₁ × ε^κ
Vezměme si modelový atmosférický motor. Vzduch na sání má teplotu 40 °C (tedy 313 K) a tlak 1 bar. Při kompresním poměru 12:1 vyjde teplota na konci komprese:
T₂ = 313 × 12^0,4 ≈ 313 × 2,70 ≈ 846 K (asi 573 °C)
Tlak vyjde:
p₂ = 1 × 12^1,4 ≈ 32,4 baru
Skvělé, motor s tím v klidu funguje, vlastnosti benzínu (oktanové číslo) na to stačí.
A teď stejnou úvahou pro přeplňovaný motor. Plnicí tlak 1,5 baru znamená absolutní tlak na sání 2,5 baru. Teplota vzduchu po stlačení v turbu a průchodu mezichladičem ať je třeba 60 °C (333 K), i s intercoolerem se náplň ohřeje proti atmosféře o nějaký ten desetistupeň, ostatně to je realistická hodnota při dlouhodobém plném zatížení nebo méně účinném výměníku. Při kompresním poměru 12:1 dostaneme:
T₂ = 333 × 12^0,4 ≈ 333 × 2,70 ≈ 900 K (přibližně 627 °C)
p₂ = 2,5 × 12^1,4 ≈ 81 barů
Zatímco atmosféra by tedy v okamžiku zážehu měla ve válci kolem 32 barů, přeplňovaný motor by byl na 81 barech a teplota by se vyšplhala o dalších padesát stupňů výš. Takhle žhavá a hustá směs je doslova bombou nastraženou na vlastního majitele – stačí maličko, místně horký výfukový ventil, usazenina karbonu, která doutná, mikrosekundové zaškobrtnutí předstihu, a samozápal je tady.
Pokud by konstruktér místo 12:1 použil 9,5:1, čísla se posunou mnohem rozumnějším směrem:
T₂ = 333 × 9,5^0,4 ≈ 333 × 2,46 ≈ 820 K (asi 546 °C)
p₂ = 2,5 × 9,5^1,4 ≈ 58 barů
Tlak v okamžiku zážehu se srazil zhruba o třetinu, teplota klesla skoro o osmdesát stupňů. Motor dostává prostor, kde se může natlakovat z turba, aniž by si sám sobě ublížil.
Efektivní kompresní poměr: orientační vodítko, ne přesná veličina
Tady stojí za to udělat ještě jedno upřesnění. Statický kompresní poměr je veličina daná tvarem válce a polohou pístu. V tunerské praxi se ovšem často objevuje pojem efektivní kompresní poměr (ECR), který bere v úvahu, jak velký byl tlak na začátku stlačování. Bývá orientačně počítán jednoduchým vzorcem:
ECR ≈ ε × (p_sání / p_atmosférický)
Je důležité říct, že jde o hrubý odhad používaný hlavně tunery, nikoli o exaktní termodynamickou veličinu (v učebnicích bývá pojem dynamický kompresní poměr definován ještě jinak – s ohledem na okamžik zavření sacího ventilu). Přesto je to užitečné vodítko pro porovnání.
Pokud má motor statický kompresní poměr 10:1 a běží jako atmosféra s 1 barem na sání, jeho ECR podle tohoto vzorce zůstane 10. Stejný motor s plnicím přetlakem 1 bar (tedy 2 bary absolutně) na sání bude mít ECR kolem 20. Jinak řečeno, vzduch se ve válci nakonec zhustí přibližně tolik, jako by atmosférický motor měl geometrický kompresní poměr blízko 20:1, což si nedovolí ani benzín s vysokým oktanem.
Tahle úvaha hezky ukazuje, proč si přeplňovaný motor s plnicím tlakem 1,5 baru a statickým poměrem 9,5:1 v praxi vede srovnatelně s atmosférou kolem 12:1, pokud jde o tlak ve válci okamžiku zážehu. Statická hodnota je nižší, ale dynamicky se vyrovná.
Když turbo zlobí, zlobí pořádně
Ještě je tu jeden důležitý aspekt, který souvisí s tepelným režimem. Plnicí vzduch se v turbodmychadle stlačuje a tím se i ohřívá, adiabatická komprese platí všude, nejen ve válci. Stlačený vzduch zkrátka přidá teplotu, a to účinnost motoru ve výsledku zhoršuje.
Proto má dnes prakticky každý turbomotor mezichladič (intercooler), který se snaží toto ohřátí kompenzovat. Ale ani sebelepší výměník nedokáže vrátit teplotu na okolní úroveň. Vždycky bude náplň v sání teplejší než u atmosféry. A protože k samozápalu paliva nepotřebujete jen vysoký tlak, ale i vysokou teplotu, má každý stupeň navíc velký vliv.
K tomu se přidává fakt, že turbomotor většinou v okolí výfukového potrubí, turbínové skříně a celého vedení k turbu sálá víc tepla než atmosféra. Hlava válců se prohřívá rovnoměrněji a celý prostor spalování je teplejší. Všechno přispívá k tomu, že hranice klepání se posouvá dolů, a konstruktér to musí kompenzovat snížením geometrické komprese.
Zbytek, tedy druhou část, si rozebereme v pokračování tohoto textu.
Zdroj info: Internal Combustion Engine Fundamentals (John B. Heywood), MIT Sloan Automotive Laboratory, Car and Driver.
Zdroj médií: Depositphotos.
Zdroj médií: Depositphotos.
Diskuze (1)
U přímovstřikových motorů se rozprášením a odpařením benzínu sníží teplota ve spalovacím prostoru a tím se oddálí detonační spalování. Proto mohou mít vyšší kompresní poměr oproti nepřímému vstřiku.
Petr Klöpsch,
