Autoforum

/

Foto: Archiv Autoforum.cz

Většina z nás časem zjistila, jak zacházet s otáčkami motoru, aby pracoval úsporně. Proč je ale to či ono efektivní a jak se dále zlepšit?

Na začátku byl dotaz

Na našem diskusním fóru se objevila zajímavá otázka našeho slovenského čtenáře na téma otáčky motoru a spotřeba paliva. Chtěl jsem na ni původně zareagovat přímo ve fóru, ale komplikovanost celé záležitosti a také potenciální zajímavost samotného tématu pro širší auditorium mě přiměly zpracovat reakci komplexněji do tohoto článku.

Výchozí otázka zněla takto (dovolím si ji volně přeložit do češtiny):

"Existuje nějaké spektrum nízkých otáček, v nichž auto spotřebovává při stejné rychlosti více, než kdybych podřadil a motor by pracoval ve vyšších otáčkách? Například na 4. rychlostní stupeň 1 500 ot./min by bral více než na 3. rychlostní stupeň 2 000 ot./min?"

Stručná a pravdivá odpověď může znít: „Záleží na konkrétním případu,“ ale to jistě není ta, se kterou byste se spokojili.

Obecnou odpovědí může být ano i ne. Je přílišným zjednodušením paušálně tvrdit, ze nízké otáčky = nízká spotřeba a vysoké otáčky = vysoká spotřeba. Klíčové je to, jakou energii do auta musíte vložit (resp. jakou práci vykonat) abyste jej rozpohybovali, změnili jeho nadmořskou výšku, udrželi jej v určité rychlosti atp. Pro spotřebu je pak určující, s jakou účinností je motor schopen tuto práci konat. Sama účinnost už se od otáček motoru odvíjí, žádná přímá úměra zde ale neexistuje.

Spotřeba vychází z energie, kterou vozu musíte dodat

Začnu proto trochu obšírněji. V prvé řadě je dobré si říci, že spotřeba paliva jako taková závisí primárně na tom, s čím, kam a jakým způsobem jedete. Celková energie potřebná pro přemístění auta z místa A na místo B sestává především ze třech součástí - pohybové energie (zrychlení), polohové energie (změna nadmořské výšky) a energie potřebné pro překonání odporu vzduchu. Jsou tu i další významnější faktory jako valivý odpor nebo ztráty v celém pohybovém mechanismu (motor, převodovka, …), jejich význam už ale není univerzální, neboť se odvíjí od toho, s jakým autem se pohybujete, a tak je v tuto chvíli pro zjednodušení zanedbám. K jednomu z nich se ale později oklikou vrátím.

Množství energie potřebné pro změnu polohy (výšky) a změnu rychlosti (zrychlení) dále ovliňuje hmotnost vozu (čím nižší je, tím méně energie je třeba). Odpor vzduchu pochopitelně určuje součinitel odporu vzduchu a čelní plocha vozu. Jinými slovy, čím méně zrychlujete, čím méně stoupáte do výšky, čím pomaleji jedete a to pokud možno s co nejlehčím, nejmenším a aerodynamicky optimalizovaným autem, tím méně energie pro svou jízdu spotřebováváte. To je zcela obecná teze. Pro lepší představu ji učiním trochu konkrétnější.

Nebudu zabíhat do přílišných detailů, které s ohledem na další výpočty nejsou podstatné, a řeknu, že zde máme vůz o hmotnosti 1 450 kg, s karoserií o čelní ploše 2 m2 a součinitelem odporu vzduchu 0,3, který chceme „dostat“ konstantní rychlostí 100 km/h do vzdálenosti 50 km. Během cesty překonáme převýšení 100 metrů a ke všemu přidáme, že vůz musíme na oněch 100 km/h nějak zrychlit. Pro zjednodušení přidám trochu nesmyslný předpoklad, že vůz zároveň zrychlí na 100 km/h a přitom se po celé dráze bude pohybovat touto konstatntní rychlostí, postupné zrychlování by celý výpočet značně zkomplikovalo a pro další povídání by to nepřineslo nic pozitiviního.

Budu na tomto místě uvažovat pouze tyto tři faktory a zanedbám ostatní. Vzhledem k tomu, že dále budeme řešit rozdíl ve spotřebě při jinak stejném stylu a rychlosti jízdy, pouze s jinými otáčkami motoru, je to jen jakési východisko pro představu, z čeho vůbec spotřeba paliva pramení, jinak je výsledná energie číslem, které mohu určit jakkoli a další závěry neovlivní.

Stručný výpočet proběhne následovně:

Pohybová energie: Ek = 1/2m*v^2
Polohová energie: Ep = m*g*h
Odpor vzduchu: F = 0,5*r*Cx*A*v^2 (výsledkem bude okamžitý odpor v Newtonech, z něhož dále spočítáme Jouly práce nutné vykonat na celé dráze jízdy; ty následně převedeme na kilowatthodiny)

Nebudu vás zatěžovat dílčími výpočty, energie potřebná pro ujetí 50 km konstatní rychlostí 100 km/h, jedno zrychlení na 100 km/h a získání 100 m nadmořské výšky u auta zmíněných parametrů je přesně 4,73 kWh.

Takže tu máme potřebu „výroby” 4,73 kWh v motoru, která je zkrátka objektivní. Aniž bychom dodali vozu tuto energii, není možné definovaný přesun uskutečnit. Této energie budeme využívat po dobu půl hodiny (50 km ujetých průměrnou rychlostí 100 km/h), motor tedy musí vozu de facto průběžně (jen to zrychlení nám to kazí) dodávat 9,46 kW.

Otázkou ovšem je, s jakou efektivitou tuto energii vytvoříme, tomu pak bude odpovídat spotřeba paliva. Tím se dostáváme k meritu věci. U zážehových motorů se sice obvykle udává účinnost okolo 30 %, ale motor jí nedisponuje v celém spektru otáček; v některých otáčkách bude vyšší, v jiných nižší. V jakých otáčkách se tedy pohybovat, aby spotřeba paliva pro získání potřebné energie byla co nejnižší?

Měrná spotřeba paliva napoví mnohé

Pro další úvahy musíme začít pracovat s tzv. „měrnou spotřebou paliva”, tedy relativní veličinou. Jde o množství paliva spotřebované na vyprodukovanou mechanickou práci a vyjádřeno pak může být třeba v gramech na kilowatthodinu. Měrná spotřeba je v různých otáčkách motoru různá a nemá žádnou jednoduchou spojitost s běžně dostupnými specifikacemi agregátu, jakkoli svým optimem má pochopitelně nejblíže k točivému momentu. Ale rozhodně není pravdou, že motor má vždy nejnižší spotřebu paliva v oblasti maxima točivého momentu, jak se často traduje.

Pamatuji si, že tento graf kdysi uváděly specifikace starých škodovek, pro dnešní auta se jej ale vůbec není možné dopátrat a stvořit ho vlastními silami také není reálné. Cesta ke křivce měrné spotřeby paliva je totiž složitá, musíme mít velmi přesné údaje pro ten či onen konkrétní motor. Nejde jen o přesný průběh točivého momentu, který napovídá mnohé o efektivitě motoru v jednotlivých otáčkách, svou roli hrají třeba i ztráty dané třením pístů ve válcích nebo už samotné opakované úvádění pístů motoru do pohybu. Tyto ztráty intenzivně rostou s rostoucími otáčkami motoru a to pochopitelně tím spíše, čím více motor používá válců. Proto také výrobci v posledních letech tíhnou ke snižování jejich počtu, i když tím motor přichází o své jiné přednosti. Neumím tedy v tomto případě sloužit jakýmkoli výpočtem, ale pro představu můžeme použít graf některého z konkrétních starších motorů, který je k nalezení na internetu.

Podařilo se mi najít grafy měrné spotřeby paliva několika motorů, přikládám z nich ten nejúplnější a nejpřehlednější - ukazuje současně křivky točivého momentu a měrné spotřeby a navíc je barevně odlišuje. Na grafu tak můžete najít zeleně zbarvenou křivku točivého momentu (zde označnou jako střední efektivní tlak na píst, ale průběh točivého momentu bude stejný) a fialovou křivku měrné spotřeby paliva, platit by měly pro benzinový motor Jaguaru.

Z grafu je patrné, že měrná spotřeba paliva není nejnižší ve vysokých otáčkách, kde rostou již zmíněné mechanické ztráty v motoru a efektivita spalovacího procesu tak klesá. Stejně tak není nejnižší v nízkých otáčkách, kde spalné teplo odváděné chladičem (stěnami válců) je v poměru k produkované mechanické práci výrazem většího množství energie přiváděné v palivu než při vyšších otáčkách motoru. Efektivita spalovacího procesu tak opět klesá.

Zejména tyto dva faktory pak obvykle posouvají nejnižší měrnou spotřebu paliva do jiných sfér, než v jaké se nachází maximální točivý moment agregátu, zpravidla na půl cesty mezi volnoběžné otáčky a ty, ve kterých se nachází maximum točivého momentu. Je to ale opravdu jen jeden z příkladů, který - dle grafů, které jsem mohl shlédnout - bude přibližně platit pro většinu motorů běžných aut. Snad pouze u „méněválcových“ motorů křivka měrné spotřeby směrem k vyšším otáčkám roste pozvolněji. Třeba agregáty sportovních vozů jsou ale obvykle naladěny úplně jinak (jejich měrná spotřeba bývá nejnižší v mnohem vyšších otáčkách) a podobných nestandardních případů bychom našli řadu.

Takže v případě tohoto motoru prostě stačí pohybovat se co nejblíže cca 2 300 ot./min a je vyhráno? Ne tak docela, tento graf totiž ukazuje měrnou spotřebu paliva pro využití motoru na plný plyn. Výsledek tak bude vypovídající pro využití motoru v letadle či lodi, ale v autě motor takto konstantním způsobem zdaleka nevyužíváme.