Když si někdo představí, jak hoří směs ve válci motoru, většinou si vybaví plamen šířící se ven od svíčky jako kruhovou vlnu. V principu je to tak. Jenže rychlost té vlny je dost skromná.
Squish efekt je pro moderní motory a jejich efektivitu naprosto zásadní
Články na téma jak fungují motory:
- Zážehový spalovací motor - jak funguje?
- Dvoutaktní motor - princip fungování
- Vznětový motor - jak funguje?
- Výkon motoru na etanol
- Vrtání a zdvih motoru – který parametr je rozhodující?
- Výhody motoru podélně vs. napříč
- Proč je tříválec účinnější než čtyřválec?
- Střední pístová rychlost – co to je?
- Písty bývají dole širší než nahoře. Víte, proč to tak je?
- Offset klikové hřídele vůči válci
- Offset klikovky vůči válci: Má to i nevýhody, bohužel
- V motoru palivo nevybuchuje. Dělat to nesmí
- Detonační spalování a jeho problémy (2. díl)
- Spalovací motor a jeho účinnost: Kde se nám nejvíc ztrácí?
- Vstřikování vody dává smysl jen u některých motorů
- EGR a diesel: Proč už nestačí jeden okruh?
- Tepelná roztažnost kovů má zásadní vliv na konstrukci motoru
- Vyvažovací hřídel hraje u čtyřválce větší roli než u tříválce
- Squish efekt: Co dělá tvar dna pístu se spalováním - právě čtete
- Honování válců: Proč se to dělá?
Klidná směs hoří rychlostí asi dvaceti metrů za sekundu. Zní to dobře, ale při šesti tisících otáčkách za minutu má motor na celý expanzní zdvih jen pár tisícin sekundy a každý milimetr šíření plamene je drahý. Konstruktéři si proto už dlouho lámou hlavu, jak směs ve válci rozhýbat tak, aby plamen dohnal píst dřív, než stihne ujet svou cestu dolů.
Jeden z nejstarších a zároveň nejhezčích způsobů, jak to udělat, se jmenuje squish. Česky se mu dá říkat „vytěsňovací efekt“ nebo „výtlačná zóna“. Jak asi sami uznáte, je to překlad značně nedokonalý, takže zůstaňme u cizojazyčného názvu. Jde o trik, který se schovává v geometrii pístu a hlavy válce. Žádný senzor, žádná elektronika, žádný díl, který by se dal ukázat na fotce. Jen tvar. A přesto u moderních motorů odpovídá za podstatnou část jejich účinnosti.
- Přečtěte si také: Tepelná roztažnost kovů má zásadní vliv na konstrukci motoru
Jak to funguje
Spalovací prostor moderního motoru rozhodně není rovná pánev. Hlava má sedlový strop, čtyři ventily a centrálně umístěnou svíčku, píst má vyfrézovanou misku nebo prohlubeň. Mezi hlavou a obvodem pístu zůstává v horní úvrati prstencový pás, kde se obě plochy přiblíží na pouhých osm desetin až jeden a půl milimetru. Tomu pásu se říká squish zóna.
Když píst stoupá k horní úvrati, vzduch nebo směs v té úzké štěrbině nemá kam jít a je vytlačována ven, do volnějšího prostoru spalovací komory uprostřed nad svíčkou. V posledních zlomcích milisekundy před zážehem proběhne tímto směrem doslova malá tlaková exploze, která uvnitř spalovacího prostoru vytvoří turbulentní pohyb.
A teď přichází to klíčové. Turbulentní směs hoří mnohem rychleji než klidná. Plamen se zachytává na vírech, šíří se po nich v podstatě takovými skoky, a místo původních dvaceti metrů za sekundu uhání rychlostí padesát metrů za sekundu, někdy ještě vyšší.
Proč na tom záleží
Rychlejší hoření znamená dvě věci najednou. Zaprvé se uvolnění tlaku ve válci stihne dřív, blíž k horní úvrati, kdy je píst ještě vysoko a dokáže z tlaku vytěžit maximum. Pomalu hořící směs by uvolňovala tlak až ve chvíli, kdy už píst klesá dolů, a velká část energie by se promrhala teplem do stěn válce a do výfuku.
Druhý důvod je možná ještě důležitější. Klepání motoru, technicky detonace, vzniká tehdy, když se neshořelá zbytková směs ve vzdálených koutech spalovacího prostoru samovolně vznítí od žhavých plynů a tepla, ještě než ji plamen stihne dohnat. Pokud plamen putuje rychle, dorazí tam dřív, než se neshořelá směs zvládne sama zapálit. Squish tak nepřímo dovoluje konstruktérovi zvýšit kompresní poměr, použít chudší směs nebo agresivnější předstih. Tedy věci, které zlepšují účinnost a snižují spotřebu.
Není proto náhoda, že se squish poprvé objevil ve větší míře u letadlových motorů ve čtyřicátých letech, kde každé procento účinnosti rozhodovalo o doletu. Do osobních aut se masově dostal až s tlakem na nízké emise, kdy bylo třeba získat účinnost odkudkoli.
Geometrie, která rozhoduje
Konstruktér pracuje hlavně se dvěma čísly. Prvním je výška, tedy vzdálenost pístu od hlavy v horní úvrati v místě squish pásu. Typicky je to někde mezi 0,8 a 1,5 milimetru, jak už bylo uvedeno výše. Druhým parametrem je oblast, ve které ke stlačování dochází, tedy poměr plochy squish zóny k celkové ploše pístu. U běžného atmosférického motoru bývá kolem 25 až 40 procent.
Když je výška squish prostoru moc velká, efekt skoro mizí. Vzduch v zóně se sice odehraje, ale chybí mu razance. Turbulence vznikne mizivá, motor hoří pomalu, je náchylný ke klepání a ztrácí účinnost. Když je naopak moc malá, hrozí mechanický kontakt pístu s hlavou. Při tepelné dilataci, ve vysokých otáčkách nebo po opravě, kdy se hlava nechala srovnat, by to byl problém.
Když se po generálce hlava srovnává broušením, uberou se z ní třeba dvě, tři desetiny milimetru. Tím se ale automaticky zmenší výška mezery a píst se dostane blíž k hlavě motoru. Samozřejmě je třeba s tím počítat a případně to kompenzovat volbou silnějšího těsnění pod hlavou.
Squish u různých typů motorů
Zatímco klasický nepřímo vstřikující benzínový motor má squish zónu spíš mírnou, u moderních motorů s přímým vstřikováním je její role mnohem výraznější. Squish určuje, jak se palivový rozprach rozprostře v komoře. Pokud je geometrie špatná, palivo se nesměšuje rovnoměrně se vzduchem, motor začne kouřit, zanášet sací ventily a zvyšovat emise pevných částic. Každý moderní GDI motor proto má squish geometrii odladěnou v aerodynamických simulacích a v testovacích válcích s optickým přístupem.
Diesel jde ještě dál. Naftové motory s přímým vstřikem mají na vrcholku pístu hlubokou prohlubeň ve tvaru jakési misky. Když píst stoupá, squish vystřelí vzduch z obvodu přímo do téhle prohlubně, kde vzniká silný točivý vír. Vstřikovací tryska pak palivo rozstříkne přímo do víru a směs se promísí během několika setin sekundy. Bez squish efektu by diesel s přímým vstřikem prostě nehořel zdaleka tak rovnoměrně.
Když squish hraje proti motoru
Squish efekt má i své stinné stránky. V chladném motoru, kdy je olej hustý a tolerance těsnější, může squish zóna působit jako akustický rezonátor. Odtud charakteristické cinkání některých studených motorů, které po zahřátí ustoupí. Některé motory zase trpí karbonovými usazeninami právě ve squish pásu. Tlustá vrstva sazí postupně mění geometrii a někdy způsobí, že se směs zapálí dřív, než svíčka stihne přeskočit.
Zdroj médií: Depositphotos.