V našem seriálu o konstrukci spalovacích motorů a procesech v nich obsažených jsme se už dostali k mnoha zajímavým předpokladům. Například, že když rozvíříme směs paliva, získáme násobně vetší energii z plamene. Jenže jak to správně udělat?
Kouzelné víry ve válcích
Články na téma válce motoru:
- Jak hoří palivo ve válci
- Kouzelné víry ve válcích - právě čtete
Ve válci potřebujeme, aby palivo a vzduch se správně promísily, protože jen tak se všechno palivo spálí, bude vysoký výkon, nízké emise a spotřeba. Jenže jsme si třeba v článku o plameni říkali, že když mícháme plamenem moc, může se stát, že ho sfoukneme. Otázka tedy zní – jak s náplní míchat, aby to bylo správně, ne moc rychle i pomalu (a to v celém rozsahu otáček), co to udělá s dobou zapálení směsi, tlakem ve válcích, výplachem… Jde o to, že my známe přibližně tři základní druhy vírů ve válcích – obvodový, příčný a toroidální. Ve válcích spalovacích motorů je hra s druhy a poměrem těchto vírů hlavní zábavou mnoha a mnoha konstruktérů. Pojďme si je postupně představit.
Obvodový neboli Swirl
Zde náplň ve válci víří kolem jeho osy. Osa víru a osa válce se prakticky shodují a kdybyste se na vířící náplň dívali shora, vypadalo by to jako rotující voda ve výpusti umyvadla. Docílí se ho tak, že sací kanál je buď vyústěn mimo osu válce, nebo se už samotný kanál vytváří se šroubovicí. Hybnost a rotaci si s sebou náplň přinese do válce, kde se sice změnou parciálních tlaků velmi rychle rozpadne, ale to už je náplň prakticky shořelá.
Problém se swirlem je ten, že se mění s velikostí otevření ventilů, což vede k nestabilnímu spalování. Také tu je problém s tím, že buben víru směřuje ke dni pístu, tedy dolů. Strhává tedy s sebou palivo daleko od hlavy válců, takže na vrstvenou směs to opravdu není. Swirl se tak používá hlavně u vznětových motorů. Hlavně ale tento druh víření palivové směsi vyvažuje změny mezi jednotlivými cykly a díky němu je třeba méně kompromisů v časování a dodávce paliva.
Příčný neboli Tumble
Druhý typ víru má svou osu kolmou na osu válce. Tumble sice také rychle padá ke dni pístu, ale pak se vrací nahoru k prostoru pro svíčku. Je tak vhodný pro vrstvené spalování například chudých směsí. Snižuje tendenci klepání, v USA se ho hojně používalo, protože snižoval potřebné oktanové číslo, ovšem zase může být vír příliš velký a sníží pak objemovou účinnost (tedy kolik energie dostaneme z objemu motoru) a tedy i výkon.
Toroidální
Jde o radiální vír, který vzniká ne samotným vháněním směsi do válce, ale pohybem pístu. Písty mají různě tvarované dno, aby byl pohyb náplně co nejlepší. Toroidální vybrání je jakási velká kapsa v pístu se špičkou uprostřed, kdy píst pohybem nahoru vtlačuje směs do této kapsy, kde vzniká výrazná rotace.
Také čtěte
Problémy
A jsme u tradiční kapitoly – u problémů. Nic není tak jednoduché, zvlášť ne u spalovacích motorů. Jak jsme předestřeli nahoře, víření sice zlepšuje odpaření paliva a jeho rozmístění ve válci, ale není stejnoměrné. Ventily se otevírají postupně. Pohyb pístu má také neustále jinou rychlost a vstupuje nám do toho rozdílná teplota motoru, zátěž, ale třeba i tlak a vlhkost vzduchu. S otáčkami motoru roste turbulence a doba hoření se zkracuje. Tím roste mírně úhel hoření, ovšem ne přímo úměrně, jak bychom mohli očekávat. Je tu třeba velký vliv odvodu tepla i plochy plamene apod.
A tak se musí volit vhodně doba předstihu zážehu, který zároveň závisí na kompresním poměru a složení směsi, zároveň je výrazně ovlivněna produkce škodlivin, a to z hlediska dokonalosti hoření. Také je třeba se zabývat tím, jak vysoká teplota bude na výfukových ventilech. Pokud bychom u dnešních motorů nechali teplotu příliš vysokou, brzy bychom utavili turbodmychadla. Když příliš nízkou, přicházeli bychom o využitelnou energii právě v lopatkách turbíny.
Všechna kouzla s vhodným nastavením ventilů, předstihu a zážehu byla opravdu zajímavou hrou pro konstruktéry, a to až do doby, kdy se na trhu objevily specializované programy, které dokázaly během několika hodin propočítat ze zadaných parametrů nejvhodnější kombinace. Ale stále se konstruktéři potýkali s tím, že to víření nejde variovat. Například ve vysokých otáčkách se objevují vysoké tlakové ztráty a přílišné víření vede k extrémním požadavkům na variabilní časování ventilů.
Jenže chytré hlavy si uvědomily, že my se nemusíme spokojit jen s tím, že prostě nějaký ten vír ve válci máme. Existují takzvané vírové klapky v sání, které dokážou upravit požadavky na rotaci náplně. Představte si ventil, který je vyosený a vytváří nádherný swirl. Co udělat, aby tento swirl se snížil, když ho nepotřebujeme (v zátěži, startu, vysokých otáčkách…)? Pošleme mu naproti ještě jeden proud, který má stejnou hybnost proudu, ale opačným směrem! Samozřejmě, že to nebudeme dělat až ve válci, ale necháme oba proudy tuhle práci vykonat ještě před sacím ventilem. A tak tuhle klapku můžete znát třeba z motorů Opel Twinport apod. U tumblu je to stejné a takové nastavení najdeme třeba u motorů FSI.
Dnes už tedy víme vše důležité o náplni válce. Víme, jak se do válce směs dostane, jestli je lepší OHV nebo OHC, jak vypadá správný ventil, pověděli jsme si o tom, jak náplň hoří i to, co musíme zabezpečit, aby správně hořela. Už jsme si také povídali o tom, co se stane, když nehoří správně a dochází k detonačnímu hoření. Takže o náplni válce víme prakticky všechno. Máme tady hromadu článků o turbodmychadlech nebo třeba přepouštění výfukových plynů do sání (EGR ventily). A tak my se příště zaměříme na to, co vlastně z toho spalovacího motoru letí ven. Řekneme si, co jsou to imise a emise a jaký je mezi nimi rozdíl, co za brikety nám to padá z výfuku, když jsou všichni z toho tak vyplašení…
Zdroj info: Brody Walker: Engineering Fundamentals of Internal Combustion Engine, Larsen&Keller Education 2017, Prof. Ing. Jan Macek, DrSc, Ing. Bohuslav Suk, CSc.: Spalovací motory, skripta ČVUT FSI, 2000.
Zdroj médií: Rheinmetal Technipedia.
Zdroj médií: Rheinmetal Technipedia.
