Všichni velmi dobře víme, že vznětový motor je úspornější než zážehový. Ne každý ale ví proč. Dnes se na tuto problematiku podíváme a začneme teorií: co je to faktor účinnosti a proč se může lišit.
Ideální a skutečné
První myšlenka, která vás napadne, když se zeptáte na účinnost, je obvykle zřejmá a správná: účinnost nafty je vyšší, což znamená, že je úspornější. Hlavní důvod skutečně spočívá v tomto tvrzení – je to fakt. Pak ale začínají potíže, protože ne každý dokáže vysvětlit vyšší účinnost nafty. A to není překvapivé, protože se jedná o poměrně složitou problematiku, kterou je bez základů termodynamiky a teorie spalovacích motorů velmi obtížné pochopit. Pokusíme se neponořovat do džungle teorie izentropické komprese, izochorického a izobarického zásobování teplem, ale budeme si muset pamatovat hlavní věci.
Spalovací motor je tepelný motor, takže jeho účinnost se obvykle chápe jako tepelná účinnost, tj. poměr práce cyklu k množství tepla dodaného pracovní kapalině v cyklu. Pro úplnější posouzení účinnosti motorů se však používají i další účinnosti: relativní vnitřní účinnost, indexová, mechanická a efektivní účinnost. Společně poskytují úplnější pochopení rozdílu v účinnosti vznětových a benzínových motorů. Důležitá je zejména ta druhá, efektivní, ale začneme se základy – s tepelnou účinností.
Vzorec pro výpočet tepelné účinnosti je jednoduchý: práce cyklu dělená množstvím tepla dodaného pracovní kapalině v cyklu. To znamená, že účinnost bude vyšší, čím více práce se vykoná na jednotku vydaného tepla. Teplo se samozřejmě odebírá z hořícího paliva, takže nejdůležitějšími podmínkami budou parametry spalovacího procesu: je nutné, aby se v jednom cyklu uvolnilo více tepla. A k tomu je důležitá rychlost a úplnost spalování paliva. Benzín a motorová nafta hoří odlišně. U benzínových motorů dochází ke spalování s předběžným smícháním s čelní plochou plamene. To znamená, že homogenní směs paliva a vzduchu začíná hořet od jiskry zapalovací svíčky a poté přes čelo plamene v celé spalovací komoře. Dochází k tomu rychle, ale v provozuschopném motoru nedochází k detonaci (nebo spíše k ní nemělo by dojít). Pro motorovou naftu je typický další typ spalování – difuzní spalování, při kterém zatímco jedna část paliva již hoří a objem plynu se rozpíná, začíná následné spalování zbytku paliva. Důležité jsou zde vlastnosti motorové nafty a benzinu: pokud by v prvním případě mělo být palivo obtížně zápalné a mít nízký bod varu (aby se snížilo riziko detonace), pak by ve druhém případě mělo vřít při vyšší teplotě, ale být hořlavější. V životě to platí: motorová nafta má vyšší bod varu než benzin, ale zároveň je hořlavější: teplota samovznícení motorové nafty je asi 265 stupňů, benzinové směsi – asi 280. To vše je samozřejmě relevantní pouze při práci v motoru, s přihlédnutím k podmínkám, které vznikají při silném stlačení ve válci a aktuálním obohacení nebo ochuzování směsi paliva a vzduchu benzinem.
Nyní si připomeňme, že účinnost spalování paliva přímo závisí na dvou parametrech: úplnosti jeho spalování a stupni komprese (větší komprese – větší návrat energie expanze plynu). Teoreticky směs paliva a vzduchu u benzínu spaluje úplněji díky své blízkosti stechiometrickému stavu, tj. díky dostatečnému množství oxidačního činidla pro spalování (kyslíku), zatímco vznětový motor běží na velmi chudou směs. Kromě toho je směs benzínu po smíchání zapálena zapalovací svíčkou, což je velmi důležité pro spalování při konstantním objemu. U vznětového motoru je vše přesně naopak: jeho difuzní spalování je pomalejší díky tomu, že motorová nafta je vstřikována do vzduchu stlačeného na konci vstřikovacího zdvihu, a nikoli jako hotová směs. A protože spalování je pomalejší, dochází k jeho významnému podílu v období, kdy se píst již pohybuje dolů. Zdálo by se, že by zážehový motor měl mít vyšší účinnost, ale ne: vznětovému motoru pomáhá téměř dvojnásobná převaha v kompresním poměru, která neguje všechny výhody zážehového motoru, pokud jde o rychlost spalování homogennější směsi. A možná je to právě kvůli tomu, co bylo řečeno výše: ve válci vznětového motoru se stlačuje vzduch, nikoli směs, a motorová nafta se dodává na konci kompresního zdvihu. V důsledku toho je termodynamická účinnost vznětového motoru výrazně vyšší než u zážehového motoru. To je však jen špička ledovce a lze ji pozorovat pouze u ideálního motoru existujícího v ideálním světě.
Některé další koeficienty
Nyní si povíme něco o dalších účinnostech, které se používají k hodnocení účinnosti motorů. První z nich je relativní vnitřní účinnost. Pravděpodobně víte, že pro výpočty v termodynamice se často používají pojmy jako ideální plyn nebo stechiometrická směs (tj. také ideální, obsahující přesně takové množství kyslíku, jaké je nezbytné pro úplné spálení paliva). Tyto výpočty zpravidla nezohledňují některé netěsnosti ve spalovací komoře (nebo spíše je zanedbávají jako nevýznamné), nezohledňují změny v odvodu tepla v důsledku například znečištěného motoru nebo nedokonalostí chladicího systému. Je prostě nemožné vzít v úvahu absolutně všechno, proto byl přijat koncept ideálního termodynamického cyklu, který probíhá v ideálním spalovacím motoru.
Ve skutečnosti se stejná tepelná účinnost, o které jsme hovořili výše, vypočítává i pro ideální benzínové a naftové motory na základě jejich ideálních termodynamických procesů. Relativní vnitřní účinnost tedy ukazuje, jak blízko je skutečný motor ideálu. Přesněji řečeno, jak blízko je jeho termodynamický cyklus ideálnímu cyklu. Tuto účinnost nelze stanovit výpočtem (je nutné testování živých motorů), ale experimentálně bylo zjištěno, že relativní vnitřní účinnost benzínového agregátu je od 0,4 do 0,7 a dieselového agregátu od 0,6 do 0,8 (neboli 40-70 a 60-80 %). Jednoduše řečeno, dieselový motor je ve svých procesech dokonalejší než benzínový motor – je méně závislý na obtížně zohlednitelných faktorech, což ho činí o něco „ideálnějším“.
Udaná účinnost se získá součtem tepelné účinnosti a relativní účinnosti. Tento parametr obecně popisuje, kolik výkonu reálný motor vyprodukuje na jednotku měrného spalného tepla paliva. Protože jsme již zjistili, že obě tyto účinnosti jsou vyšší u vznětového motoru, bude jejich součet vyšší než u zážehového motoru.
Mechanická účinnost, která zohledňuje ztrátu výkonu potřebnou k překonání třecích sil v motoru a náklady na pohon příslušenství, je však u vznětových i benzínových motorů přibližně stejná – asi 0,8 (neboli 80 %).
Konečně jsme se dostali k efektivní účinnosti (nebo ekonomické účinnosti). Jedná se o parametr, který zohledňuje všechny předchozí účinnosti a odráží poměr efektivního výkonu k tepelnému výkonu paliva. V poněkud zjednodušené formě ji lze reprezentovat jako součin ukazatele a mechanické účinnosti a právě tato hodnota se obvykle uvádí jako klasické ukazatele účinnosti spalovacích motorů. Samozřejmě se u různých motorů liší, ale v průměru je u benzínového motoru tato účinnost 0,30 (neboli 30 %), u dieselového motoru – do 0,45 (45 %). V důsledku toho můžeme říci, že dieselový motor bude vždy o 10–15 procent úspornější než benzínový motor: o toto množství produkuje více výkonu na jednotku spáleného paliva jak teoreticky, tak v praxi. Ale můžete to říct, ale nebude to absolutní pravda.
Nejen Otto
Technologie se nezastaví a kupodivu se mění i fyzika motorů. Všechno, o čem jsme mluvili výše, pokud jde o benzínové motory, platí pouze pro ty, které pracují na Ottově cyklu. Mnoho moderních motorů však v režimu volnoběhu nebo minimálního zatížení pracuje na Millerově cyklu a v některých dalších režimech na Atkinsonově cyklu. Proč?
Důvodem je, že inženýři ve snaze o co nejúčinnější a nejšetrnější motor narazili na skutečnost, že v nezatížených režimech se účinnost benzínových objemových motorů začala jevit jako nepřijatelně nízká. Jejich ztráty škrticí klapkou, tedy ztráty, ke kterým dochází při vstupu vzduchu při minimálním otevření škrticí klapky, se rapidně zvyšují. Zde se turbulence stává abnormálně vysokou a tření vzduchu je příliš velké. Vznětové motory tento problém nemají kvůli absenci samotné škrticí klapky, ale u benzínových motorů se muselo něco dělat. Navíc čím větší je objem motoru, tím větší jsou ztráty škrticí klapkou, takže správným krokem by bylo zmenšení objemu motoru bez snížení jeho výkonu. Jak? Použitím kompresoru, který je schopen nejen zvýšit efektivní kompresní poměr, ale také minimalizovat ztráty škrcení zmenšením objemu motoru. Výsledkem je zvýšení účinnosti o 15-20 % (a výkonu až o 30 %) při menším objemu motoru a širším rozsahu otáček a zatížení. Lze však jít ještě dál.
Pokud v Ottově cyklu trvají všechny čtyři zdvihy stejnou dobu, pak při práci podle Millerova cyklu v okamžiku komprese zůstává sací ventil po určitou dobu otevřený. V tomto případě je plnění válců horší, výkon klesá, ale při práci bez zatížení to není kritické a tepelná účinnost se okamžitě zvyšuje o 5-7 %. Atkinsonův cyklus má přibližně stejný fyzikální význam, i když je realizován jiným, složitějším způsobem. Může však také poskytnout zvýšení účinnosti do 10 %. Na tomto pozadí se použití dvou zapalovacích svíček v jednom válci, jak to například udělal Mercedes, nebo vícekontaktních zapalovacích svíček pro optimální zapálení směsi paliva a vzduchu jeví jako dětská hra. V důsledku toho se nyní někdy hovoří o účinnosti benzínového motoru do fantastických 45 % nebo dokonce 50 %.
To se však podobá marketingovému triku: v některých režimech se účinnost může skutečně výrazně zvýšit, ale ve výkonových režimech benzínový motor vždy pracuje na Ottově cyklu a jeho účinnost v nejcitlivějším okamžiku pro řidiče se nijak nezvyšuje a v nejlepším případě nepřesahuje 35 %. A dnes benzínové motory používají neuvěřitelně pokročilé systémy přímého stratifikovaného vstřikování, ve kterých vstřikovače velmi přesně rozdělují palivo po celé spalovací komoře, což pomáhá připravit co nejhomogennější směs paliva a vzduchu. Existuje také samostatné přímé vstřikování, které zajišťuje jeden nebo více vstřiků s chudou směsí při sacím zdvihu a vstřik s obohacením při kompresním zdvihu, a systémy variabilního časování ventilů a systémy variabilního zdvihu ventilů a některá další technická vylepšení. A to vše ve snaze zvýšit účinnost, která je i přes vše výše uvedené daleko od účinnosti dieselových motorů.
Ani dieselové motory však nestojí na místě: nyní si je nelze představit bez přeplňování a palivová zařízení, která umožňují téměř dokonale nastavit vstřikování, se stává přesnější a složitější. A přesto je pro Ottovy motory s největší pravděpodobností nemožné dohnat dieselové motory z hlediska účinnosti. Ale se zapojením Atkinsona a Millera by se pravděpodobně něco podařilo. Nebýt „zelené agendy“, díky které musíme častěji myslet na baterie a elektromotory, a ne na běžné spalovací motory. Existuje však důvod se domnívat, že věk spalovacích motorů ještě neskončil a boj o účinnost bude pokračovat v blízké i vzdálené budoucnosti. Budeme to i nadále sledovat, a to s velkým potěšením.
Shrňme si to
Odpověď na otázku položenou v názvu již byla v textu uvedena, ale formulujeme ji znovu, stručně a jednoduše. Vzhledem k vyššímu kompresnímu poměru a zvláštnosti spalování paliva potřebuje vznětový motor díky své vyšší účinnosti k vykonání stejného množství práce méně paliva. To znamená, že bude vždy úspornější než benzínový motor se stejným pracovním objemem.