Autoforum

/

Foto: Archiv Autoforum.cz

Všichni víme, že pod kapotou auta pracuje spalovací motor. Víte ale též, na jakých principech funguje a co vše jej tvoří? Pojďme si to projít.

Jak budou proponenti elektromobilů tvrdit, spalovací motor má ohromnou spoustu mechanických součástek, které se nějak hýbat musí a jinak hýbat nesmí. Oproti tomu elektromotor má pohyblivou součást v podstatě jen jednu. A zastánci elektromobilů budou mít v tomto případě pravdu - spalovací motory, dnes v autech běžné, jsou skutečně složitá zařízení.

Svou složitostí jsou však motory s vnitřním spalováním, jak se přesně jmenují, ať už benzínové, dieselové nebo spalující jakékoliv jiné palivo, velmi zajímavé. Přesto existuje spousta lidí, kteří jim rozumí jen omezeně nebo vůbec. A aby takových bylo co nejméně, pojďme se na princip fungování spalovacího motoru v kostce podívat.

V kostce proto, že píšeme primárně o autech, nikoliv o technice. Ze stejného důvodu také budeme brát zřetel zejména na čtyřdobé pístové motory s vnitřním spalováním benzínu či nafty; dvoudobé, pětidobé či šestidobé motory - ano, i takové existují - tolik zkoumat nebudeme. Také slovo pístové je důležité, protože existují i motory s vnitřním spalováním, které pístové nejsou - například plynové turbíny. Zde je spalování kontinuální, zatímco v pístových motorech je přerušované.

Ovšem, motory také nebyly vynalezeny ze dne na den. Druhou polovinu 19. století však lze označit za dobu, kdy vznikly pístové motory s principem, jaký známe dnes. V roce 1860 postavil první takový motor Belgičan Lenoir. O tři roky později tento systém vylepšil Angličan Nikolaus Otto a tehdy vzniklo spalování, známé jako Ottův cyklus, který dnes používá drtivá většina pístových motorů s vnitřním spalováním v automobilech. V roce 1882 vznikl Atkinsonův cyklus, podle Jamese Atkinsona, který je podobný tomu Ottovu, jen dává méně výkonu s menší spotřebou paliva - a dnes se často používá v motorech hybridních automobilů.

Čtyřdobý spalovací motor

Ottův cyklus čtyřdobého spalovacího motoru se skládá ze čtyř dob, taktů či fází - sání, komprese, výbuch a výfuk. Při sání je otevřen sací ventil a do spalovací komory válce nasaje píst pohybem dolů vzduch, příp. vzduch s palivem ve formě aerosolu, máme-li motor s nepřímým vstřikováním. V kompresní fázi píst pohybem nahoru stlačí obsah spalovací komory - objeví-li se někde slovní spojení kompresní poměr, udává, v jakém poměru je nasávaný obsah ke stlačenému, jaký je poměr objemu válce, když je píst v dolní úvrati (bottom dead center), k objemu v horní úvrati (top dead center).

Výbuch je fáze, kdy zapalovací svíčka zažehne - odtud zážehový motor - stlačený obsah válce, který tak zvýší svou teplotu a začne se rozpínat, čímž tlačí píst dolů. To platí v případě motoru spalujícího benzín, bioetanol, zemní plyn (CNG) nebo LPG. Je-li v nádrži auta nafta, případně bionafta, spalování neprobíhá po zážehu svíčkou, nýbrž po velmi rychlém vstřiku paliva do stlačeného vzduchu ve spalovací komoře. To se vysokou teplotou vznítí - odtud název vznětový motor - a opět se obsah válce rozpíná a tlačí píst dolů. Poslední fází je výfuk, kdy jsou shořelé plyny pístem vytlačeny ze spalovací komory otevřeným výfukovým ventilem pryč.

Problém vzniká, když se palivo v zážehovém motoru vznítí samo od sebe. Moment, kdy svíčka zapálí směs, je totiž potřeba naprosto přesně určit a u leckterých moderních motorů je také do určité míry proměnlivý. Když se palivo vznítí samo, snahy řídící elektroniky o co nejvyšší výkon nebo co nejnižší spotřebu přijdou vniveč a motor se může vážně poškodit, když se tzv. detonační hoření opakuje příliš často. Hrozí ve chvíli, kdy je kompresní poměr a s ním i teplota a tlak příliš vysoké, do té míry, že se benzín sám vznítí.

Proti tomu lze bojovat různými způsoby, například protažením výfukových svodů, které tak rychleji odvádějí horké výfukové plyny a pomáhají ochlazovat horní část spalovací komory. Také pomáhá snížení kompresního poměru, ale tím zase trpí výkon a ve všech dnešních motorech je kompresní poměr konstantní, nedá se měnit. Také existuje vstřikování vody, které obsah spalovací komory ochladí, ale to je běžnější v závodních motorech než u silničních aut. Anebo výrobce pro motor předepíše vysokooktanové palivo, tedy je nutno tankovat Natural 98 místo 95. Vyšší oktanové číslo totiž znamená lepší odolnost paliva proti detonačnímu hoření.

Ale zpět k principu fungování motoru. Píst je tedy v jediné pracovní fázi - výbuchu - tlačen dolů, čímž pohání klikovou hřídel. To je hřídel, která mění posuvný pohyb pístu v otáčivý pohyb, který je potřeba k tomu, aby se točila kola a auto jelo dopředu. Popsat slovy, jak to funguje, není úplně snadné, ale pokud jste někdy viděli parní lokomotivu, jistě si uvědomujete páky a závaží na kolech - kliková hřídel v motoru auta funguje na stejném principu. Velmi dobře to je vidět na videu o odstavec níže.

Otáčivý pohyb klikové hřídele je pak přes převodovku a hřídele přenášen na kola, otáčí jimi a auto se pohybuje. Převodovka může být manuální, automatická nebo bezestupňová, anebo to může být nějaká forma automatizované manuální převodovky, využívající jedné či dvou spojek. Rozdíl mezi automatem a automatizovaným manuálem je po technické stránce poměrně zásadní, přestože máte u nohou stejné dva pedály, jelikož automatizovaný či robotizovaný manuál funguje na principu fyzického spojení klikové hřídele a kol pomocí spojky, stejně jako klasická manuální převodovka, kdy máte tři pedály. Automat naopak přenáší točivý moment kapalinou v hydrodynamickém měniči točivého momentu, kliková hřídel a kola nemají fyzické spojení, ale to je na jiný článek.

Různé konfigurace motoru

Existují tři základní konfigurace válců v motoru - řadová, vidlicová a plochá. Existovalo několik dalších uspořádání, letadla používala třeba hvězdicové motory. Řadové motory, např. čtyřválec na videu výše, jsou dnes nejběžnější, hodí se do malých aut, kde bývají umístěny napříč anebo když chcete motor vystrčit mimo rozvor auta. Takové umístění motoru znamená nejvíc místa pro posádku, ale neprospívá to jízdním vlastnostem, protože motor je těžký. Také, chcete-li umístit řadový motor mimo rozvor auta, nevejde se obvykle nic většího než pětiválec, jelikož šestiválce už bývají příliš dlouhé.

Je-li potřeba většího motoru před přední nebo naopak za zadní nápravou, přichází ke slovu vidlicové nebo ploché motory. V případě vidlicových je nejběžnější mimo rozvor umístit šestiválec, a to podélně (kliková hřídel je rovnoběžná s podélnou osou karoserie auta) i napříč (kliková hřídel je kolmo k podélné ose karoserie auta). Vidlicové čtyřválce se dnes nepoužívají, vidlicové osmiválce však často také mohou být umístěny před přední nápravou, a to nejen podélně, jak to vídáme u některých Audi, ale i napříč - zde zmiňme třeba Cadillac STS nebo Lincoln Continental, mezi americkými auty zejména 90. let se ale najde příkladů více.

Motory V8 jsou už dost velké a těžké, proto se mimo rozvor umisťují méně často, ale V6 vynikají svou kompaktností a proto je řada výrobců montuje, nebo aspoň donedávna montovala, napříč před přední nápravu, tam, kde běžně jsou čtyřválce. Zmiňme například Ford Mondeo ST220 či velké Peugeoty nebo Citroëny, ale příkladů by se našlo více více.

Vidlicový osmiválec vlevo, plochý čtyřválec vpravo

Nikoliv však produkty koncernu VW, jelikož šestiválcové Passaty, Superby a Golfy neměly motor vidlicový, nýbrž něco na pomezí řadového a vidlicového motoru. Říkalo se tomu VR6 a třebaže válce nebyly v jedné řadě, svíraly velmi ostrý úhel, a tak motor měl jednu hlavu válců. Výhody jsou jasné - na půdorys jen o malinko větší než u řadového pětiválce se vejde o válec navíc, což znamená větší výkonový potenciál pro vrcholové modely a také více kultivovanosti. Existoval i motor VR5, který se ale vyráběl jen několik málo let na přelomu tisíciletí. Šestnáctiválec v Bugatti Veyron a dvanáctiválec v Bentley Continental jsou motory stejného principu, jen jich je víc - Veyron má v podstatě dva bloky VR8, Bentley zase dva bloky VR6.

A pak existují ploché motory, jinak též motory s protiběžnými písty či boxery, jimiž jsou dnes nejvíce známe vozy Porsche a Subaru. Ty také mohou být umístěny mimo rozvor a dělají se čtyř- a šestiválce, vznětové i zážehové, a jejich hlavní výhody jsou vidět už v názvu - jsou ploché, tedy výrazně nižší, takže auto s takovým motorem má těžiště mnohem níž než konkurent s vidlicovým či řadovým motorem. Další výhodou je fakt, že vždy dva písty ležící proti sobě se najednou posunují směrem k hlavě válců i od ní. To znamená výrazně nižší vibrace takového motoru.

Ovšem, nejen Porsche a Subaru vyrábělo boxery. Také ve Ferrari jsme byli svědky motorů s protiběžnými písty, a to například v modelu 512 BB, kde BB znamenalo Berlinetta Boxer a vůz měl uprostřed - tedy mezi posádkou a nápravou, uvnitř rozvoru - uložený dvanáctiválcový plochý motor.

Dalším významným typem motoru je motor s rotačními písty, zvaný také Wankel. Zde chybí posuvný pohyb pístu a kliková hřídel, která ho převádí na otáčivý, protože píst sám rotuje a při tomto pohybu koná všechny čtyři fáze spalovacího cyklu. Dobře to je vidět na následujícím pohyblivém obrázku. Mezi výhody patří, že lze z malého objemu vydolovat vysoký výkon bez přeplňování, ale zase mají tyto motory vysokou spotřebu paliva a oleje.

Ventilové ústrojí

V hlavě válců jsou ventily, jejichž funkce je popsaná výše. Ventily otevírají vačkové hřídele pomocí vaček a tyto hřídele pohání rozvodový řemen, rozvodový řetěz nebo ozubená kola. Jsou to součásti klíčové úplně stejně jako píst nebo kliková hřídel. Když jsou na motoru potřeba udělat rozvody, hovoří se o potřebě vyměnit rozvodový řemen či řetěz; platí, že řetěz vydrží násobně déle než řemen, ale je ho potřeba mazat a je hlučnější.

Ozubený řemen je naopak tišší a nepotřebuje mazání, ale na některých motorech je potřeba ho měnit třeba každých 100 tisíc kilometrů. Je to ve většině případů náročný a drahý zásah, ale musí být prováděn preventivně v předepsaných intervalech, jinak hrozí přetržení řemene či řetězu. To znamená, že pohyb pístů a ventilů není synchronizován a u většiny motorů dojde k nárazu pístu do ventilu, motor se tzv. potká. Ventil se tak ohne, neuzavírá správně svůj otvor a musí být vyměněn. Tušíte správně, opravit „potkaný” motor je mnohem dražší než vyměnit rozvody preventivně.

Existují v podstatě tři typy rozvodů - OHC či SOHC, DOHC a OHV. První je Overhead Camshaft, tedy vačková hřídel v hlavě válců. S znamená Single, tedy že je jedna hřídel v hlavě válců a otvírá jak sací, tak výfukové ventily. V případě DOHC jsou tu hřídele dvě, jedna pro sací, druhá pro výfukové ventily. Rozvod OHV, Overhead Valve, má v hlavách válců jen ventily, vačková hřídel s vačkami je u klikové hřídele a ventily otevírá pomocí zdvihátek, tedy kovových tyček, které přenášejí pohyb vaček. Je to méně používaný systém, ale odpadá tu rozvodový řemen či řetěz, protože vačková a kliková hřídel jsou si fyzicky blízko a jsou spojeny ozubenými koly. Vždy platí, že na jednu otáčku vačkové hřídele připadají dvě otáčky klikové hřídele.

Existují také systémy s proměnlivým časováním ventilů. Principem je, že se určitým způsobem dá měnit moment a délka otevření sacích nebo sacích i výfukových ventilů. Cílem je dosáhnout nízké spotřeby v nízkých otáčkách a zároveň vysokého výkonu ve vyšších otáčkách, bavíme-li se o atmosféricky plněném motoru, tedy takovém, který nemá turbodmychadlo ani kompresor.

Ventilové ústrojí