ÚPRAVY VOZIDEL SE ZVÝŠENÝM VÝKONEM MOTORU
Bakalářská práce
Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství
Autor práce: Karel Čech
Vedoucí práce: doc. Ing. Lubomír Moc, CSc.
Liberec 2014
Poděkování
Za pomoc, cenné připomínky a rady při zpracování bakalářské práce tímto děkuji vedoucímu mojí bakalářské práce panu doc. Ing. Lubomíru Mocovi, CSc. Dále bych chtěl poděkovat také mé rodině za podporu při bakalářském studiu.
Abstrakt
Tato bakalářská práce pojednává o úpravách sériových vozidel se zvýšeným výkonem motoru. Úvodní část popisuje konstrukci automobilového pístového spalovacího motoru a jeho technické parametry. Hlavní část práce se zabývá možnostmi zvýšení výkonových parametrů motoru. Zde jsou zmíněny úpravy řídící jednotky, způsoby přeplňování, konstrukční úpravy motoru a změny v příslušenství motoru. Následuje posouzení vlivu zvýšených výkonových parametrů motoru na jízdní parametry vozidla a popis potřebných změn v konstrukci vozidla především v oblasti podvozku. V závěrečné části je provedeno zhodnocení ekonomické náročnosti úprav sériového automobilu.
Klíčová slova
zvyšování výkonu motoru, konstrukce pístového spalovacího motoru, přeplňování, chiptuning, úpravy podvozku
Abstract
This thesis deals with adjustments to the mass production vehicles with enhanced engine power. The introductory part describes the design of automotive piston combustion engine and its technical parameters. The main part of the paper deals with the possibilities of increasing the engine performance parameters where are mentioned modifications of the electronic control unit, overboosting methods, engine modifications and design changes in motor accessories. Follows an assessment of the engine increased performance parameters impact to the driving characteristics of the vehicle and a description of the needed changes in vehicle design especially in the chassis part. The final section is mass production ecomonic evaluation of the car modification complexity.
Keywords:
enhancing engine perfomance, piston combustion engine design, supercharging, chiptuning, chasis modification
6
Obsah
1 Úvod ... 10
2 Vozidlový motor ... 11
2.1 Konstrukce pístového spalovacího motoru ... 11
2.1.1 Kliková skříň a blok válců ... 12
2.1.2 Klikový hřídel ... 13
2.1.3 Ojnice ... 14
2.1.4 Pístní skupina ... 14
2.1.5 Hlava válců ... 16
2.1.6 Rozvodový mechanismus ... 16
2.2 Technické parametry motoru ... 17
2.2.1 Konstrukční parametry ... 17
2.2.2 Provozní parametry ... 18
2.2.3 Příklady technických parametrů motorů ... 19
3 Zvyšování výkonu motoru ... 20
3.1 Konstrukční úpravy motoru ... 20
3.1.1 Blok motoru ... 20
3.1.2 Hlava válců ... 21
3.1.3 Úprava kompresního poměru ... 21
3.1.4 Rozvodový mechanismus ... 22
3.1.5 Klikové ústrojí ... 23
3.2 Úpravy řídící jednotky ... 25
3.3 Přeplňování ... 26
3.3.1 Přeplňování turbodmychadlem ... 27
3.3.2 Přeplňování kompresorem ... 29
3.3.3 Chlazení stlačeného vzduchu ... 31
3.3.4 Možnosti zvýšení výkonu pomocí přeplňování ... 32
3.4 Změny ve vybavení a příslušenství motoru ... 33
3.4.1 Zapalovací svíčky ... 33
7
3.4.2 Sací trakt a vzduchový filtr ... 33
3.4.3 Výfuk ... 34
3.5 Příklady výkonových parametrů upravených motorů ... 34
3.5.1 Nepřeplňovaný zážehový motor ... 34
3.5.2 Přeplňovaný zážehový motor ... 35
4 Změny v konstrukci vozidla ... 37
4.1 Jízdní parametry vozidla ... 37
4.2 Převodové ústrojí ... 37
4.2.1 Spojka ... 37
4.2.2 Převodovka a rozvodovka ... 38
4.3 Podvozek ... 39
4.3.1 Brzdy ... 39
4.3.2 Pružiny a tlumiče ... 41
4.3.3 Vozová kola ... 42
5 Ekonomická náročnost úprav ... 43
5.1 Úprava řídící jednotky ... 43
5.2 Vyšší stupeň úpravy motoru ... 44
5.3 Úpravy podvozku ... 45
5.4 Zhodnocení ekonomické náročnosti přestavby vozidla ... 45
6 Závěr ... 46
7 Seznam použité literatury ... 47
8
Seznam zkratek a symbolů
ABS protiblokovací systém brzd (Antiblockiersystem)
Al hliník
ASR protiprokluzový systém při rozjezdu (Antriebsschlupfregelung)
CNG stlačený zemní plyn (Compressed Natural Gas)
CR systém vstřikování se společným tlakovým zásobníkem paliva (Common Rail)
cs [m.s-1] střední pístová rychlost
D [mm] průměr válce
DOHC ventilový rozvod se dvěma vačkovými hřídeli v hlavě válců
E85 lihobenzinové palivo s podílem bioetanolu 85%
ESP elektronický stabilizační program (Electronic Stability Program)
LNG zkapalněný zemní plyn (Liquefied Natural Gas) LPG zkapalněný ropný plyn (Liquefied Petroleum Gas) mP [kg/kW] výkonová hmotnost
mPe [g.kW.h-1] měrná spotřeba paliva
MPI zážehový motor s vícebodovým vstřikováním do sacích kanálů (Multi-Point Injection)
Mt [Nm] točivý moment motoru n [min-1] otáčky motoru
OHC ventilový rozvod s ventily a vačkovým hřídelem v hlavě válců (Overhead Camshaft)
OHV ventilový rozvod s ventily v hlavě válců a vačkovým hřídelem v klikové skříni (Overhead Valve)
PD systém vstřikování se sdruženými vstřikovači čerpadlo-tryska (Pumpe-Düsse)
9 Pe [kW] efektivní (užitečný) výkon Pi [kW] indikovaný výkon motoru pi [MPa] střední indikovaný tlak PL [kW/dm3] litrový výkon motoru Pm [kW/kg] hmotnostní výkon motoru
pMAX [MPa] maximální tlak oběhu
Si křemík
SV ventilový rozvod s postranními ventily (Side Valve) TDI vznětový motor přeplňovaný turbodmychadlem s přímým
vstřikem paliva (Turbocharged Direct Injection)
TSI
zážehový motor s přímým vstřikem paliva a dvojitým přeplňováním/přeplňováním turbodmychadlem (Twincharger/Turbocharger Stratifield Injection) Vz [dm3] zdvihový objem motoru
Vz1 [dm3] zdvihový objem válce
WRC specifikace vozidel pro automobilové soutěže (World Rally Car)
Z [mm] zdvih pístu
ε [-] kompresní poměr
λ [-] stechiometrický poměr
ξ [-] zdvihový poměr
10
1 Úvod
Život bez osobního automobilu si v dnešní době většina z nás nedovede představit. Automobil v sériovém provedení je pro každodenní použití ideálním dopravním prostředkem pro spoustu lidí. Najde se ovšem i nemalá skupina uživatelů, kteří přemýšlí o tom, jak svoje vozidlo upravit. Někdo se spokojí s úpravou exteriéru či interiéru automobilu a provádí pouze estetické úpravy, najdou se ovšem i tací, kteří chtějí u svého vozu dosáhnout zvýšení výkonových parametrů motoru a zlepšení jeho jízdních vlastností. Tato práce se zabývá právě úpravami motoru a následně i celého vozu pro běžné i sportovní použití.
Práce je rešeršního charakteru a jsou v ní shrnuty nejčastěji prováděné úpravy pohonných jednotek a vozidel. V úvodní kapitole je čtenář seznámen s konstrukcí pohonné jednotky a v následujícím textu jsou popisovány možnosti, jakými lze dosáhnout zvýšení výkonových parametrů motoru. Pro porovnání, jakých je možno dosáhnout výsledků, je uvedeno několik příkladů komplexních úprav, které byly provedeny pro použití vozidel ve vrcholném motoristickém sportu. Při vyšším nárůstu výkonových parametrů bývá nutné upravit i další části vozidla, čemuž se věnuje další část práce. V závěru přichází zhodnocení vhodnosti jednotlivých stupňů úprav a jejich ekonomická náročnost.
11
2 Vozidlový motor
V této kapitole představím konstrukční řešení a technické parametry sériového motoru. Zaměřím na popis čtyřdobého kapalinou chlazeného pístového spalovacího motoru, který je dnes pro pohon osobních automobilů nejpoužívanější. V osobních automobilech jsou to motory především na kapalná paliva (benzín, motorová nafta, E85), méně používané jsou motory na plynná paliva (LPG, CNG, LNG). Podle způsobu zapálení směsi paliva se vzduchem dále můžeme tyto motory rozdělit na motory zážehové a vznětové.
2.1 Konstrukce pístového spalovacího motoru
Automobilové spalovací motory jsou zpravidla víceválcové. Podle uspořádání válců rozlišujeme motory jednořadové a dvouřadové (nejčastěji uspořádané do V – vidlicové motory, dále pak s plochým uspořádáním válců – tzv. „boxer“ motory). Spíše výjimkou jsou u automobilů víceřadové motory (např. do W).
Obrázek 1: Řadový čtyřválcový motor [35]
12 2.1.1 Kliková skříň a blok válců
V současné době se u automobilů používá společný odlitek klikové skříně a bloku válců, který je nazýván motorový blok. Samostatná kliková skříň, ke které jsou pomocí šroubů připevněny jednotlivé válce, se používá především u vzduchem chlazených motorů. Motorový blok tvoří základní nosný systém motoru sloužící k přenosu a zachycení sil a momentů, které vznikají při chodu motoru. Další funkcí bloku motoru je vytvoření potřebných vazeb a propojení systému chlazení a mazání motoru, uložení náhonu rozvodového mechanismu a pomocných agregátů motoru. Mezi hlavní požadavky na konstrukci bloku motoru patří zajištění tuhosti uložení klikového mechanizmu a utlumení vnitřního hluku a vibrací motoru.
Do klikové skříně je pomocí ložiskových vík uložen klikový hřídel. V dnešní době se kvůli vyšší tuhosti používá převážně úplné uložení klikového hřídele [1]. To znamená, že například u čtyřválcového řadového motoru je klikový hřídel uložen v pěti hlavních ložiscích. Na spodní část klikové skříně se zpravidla připevňuje olejová vana.
Alternativní možností pro zvýšení tuhosti je kliková skříň dělená v ose klikového hřídele, u které jsou ve spodní části jako celek odlita ložisková víka. Nevýhodou tohoto provedení je potřeba utěsnit další dělící rovinu bloku motoru.
Blok válců společně s klikovou skříní bývá odlit z šedé, popř. vermikulární litiny nebo ze slitin hliníku. Konstrukce bloku válců musí zajistit mimo pevnosti a tuhosti také dobré tribologické vlastnosti stěny válce. Blok válců z litiny může být vyroben jako monolitický nebo heterogenní. V případě monolitické konstrukce je pracovní plocha válce zhotovena přímo z odlévaného materiálu, obvykle jen s tepelně zpracovanou kluznou plochou pro vedení pístu. Heterogenní litinové bloky mohou být zhotoveny se suchou vložkou, což se v dnešní době již téměř nepožívá, nebo s mokrou vložkou, která se spíše než u osobních automobilů používá u větších motorů.
V případě bloku válců ze slitin hliníku rozlišujeme podle provedení válce bloky monolitické, kvazimonolitické a heterogenní. Monolitické bloky jsou odlity z nadeutektické slitiny Al-Si (ALUSIL), která zaručuje vynikající tribologické vlastnosti, nevýhodou je vyšší cena. Kvazimonolitické bloky mohou mít na pracovním povrchu válce galvanicky nanesen kluzný povlak nebo mají na místo pracovní plochy v licí formě vkládané matrice z křemíkových vláken, které jsou v průběhu lití infiltrovány do základního materiálu (LOKASIL). Heterogenní bloky z hliníkových
13
slitin mají vložená pouzdra (dnes převážně suchá) z legované litiny, nadeutektické slitiny Al-Si nebo z oceli [3].
Hlavní výhodou bloku ze slitin hliníku je proti bloku z litiny nižší hmotnost a lepší tepelná vodivost. Naopak k nevýhodám patří vyšší cena a nutnost opatřovat bloky ze slitin hliníku speciálními kluznými plochami.
2.1.2 Klikový hřídel
Klikový mechanismus zajišťuje kinematický převod přímočarého vratného pohybu pístu na rotační pohyb klikového hřídele. Dalším úkolem klikového hřídele je pohon rozvodového mechanismu a dalších pomocných systémů motoru. Klikový hřídel je zatěžován časově proměnnými silovými účinky (co do velikosti i směru), které v něm vyvolávají pružné kmity a namáhají ho na krut, ohyb, tah i tlak. Proto jsou dnešní klikové hřídele navrhovány nejen z hlediska pevnostního a únavového, ale i s ohledem na minimalizaci ohybových a torzních kmitů.
Tvar klikového hřídele je dán mimo jiné počtem a uspořádáním válců, zdvihem pístu či pořadím zapalování motoru. V přední části je uloženo řetězové nebo ozubené kolo k pohonu rozvodového mechanismu, olejového čerpadla, případně čerpadla chladicí kapaliny a dalších systémů. Mimo skříň motoru je pak umístěna řemenice pro pohon příslušenství motoru (alternátor, kompresor klimatizace, případně čerpadlo chladicí kapaliny). Na výstupním konci klikového hřídele je připevněn setrvačník s ozubeným věncem pro spouštěč motoru a centráží pro připojení spojky.
Klikový hřídel může být vyráběn litím nebo kováním. Lité hřídele jsou v poslední době používány pro méně zatížené vznětové i zážehové motory osobních aut.
Nevýhodou je menší pevnost, ale vyšší ohybová tuhost a lepší tlumení vibrací. Kované hřídele jsou předkovány a zušlechtěny, u více namáhaných motorů jsou dále kaleny čepy. Materiálem pro lité hřídele je tvárná litina nebo ocelolitina, pro hřídele kované ocel a pro větší zatížení legovaná ocel.
Klikový hřídel je v klikové skříni uložen pomocí ložisek. U dnešních vozidlových motorů se používají převážně ložiska kluzná, která jsou tlakově mazána.
Používají se radiální ložiska, která přenášejí síly kolmé k ose hřídele a kombinovaná ložiska, která přenášejí dále ještě axiální sílu (vzniká vypínáním spojky). Kluzná ložiska bývají zpravidla konstruována jako kompozitní ložiska ze dvou, případně ze tří materiálů (ložiskové pánve s tenkou stěnou ložiskové kompozice). Kluzná ložiska jsou použita i pro uložení ojnice na ojničním čepu klikového hřídele [1].
14 2.1.3 Ojnice
Ojnice přenáší síly mezi pístem a klikovým hřídelem. Je namáhána střídavě na tah a tlak. Z tohoto důvodu je u ní vyžadována velká tuhost a z důvodů snížení setrvačných sil dále nízká hmotnost. Proto jsou k její výrobě používány velmi kvalitní materiály, převážně ušlechtilé oceli. Vyrábí se zápustkovým kováním s následným obráběním funkčních ploch a tepelným zpracováním, další možností je výroba pomocí slinování z práškové oceli.
Ojnice se skládá z ojničního oka, dříku a dělené hlavy ojnice. V ojničním oku je obvykle zalisováno bronzové pouzdro, méně často pak tenkostěnná ocelová ložisková pánev s výstelkou z olověného bronzu. Dřík ojnice má u sériových motorů nejčastěji profil ve tvaru I. Hlava ojnice bývá u motorů osobních automobilů vyráběna jako dělená, obvykle vodorovně. V současnosti se stává nejpoužívanějším dělení ojnice řízeným lomem po obrobení otvoru v hlavě ojnice, přesnou polohu obou částí pak zajišťuje nerovný povrch lomu. Obě části ojnice jsou k sobě sešroubovány ojničními šrouby.
2.1.4 Pístní skupina
Pístní skupinu tvoří píst, pístní kroužky, pístní čep a jeho pojistky. Zajišťuje utěsnění spalovacího prostoru, přenos síly od tlaku plynů na ojnici, zachycení boční síly od klikového mechanismu a její přenos na stěnu válce.
Píst patří mezi tepelně i mechanicky nejvíce zatížený díl spalovacího motoru. Je zatěžován mechanicky silou od tlaku plynů a dále setrvačnými silami, zejména u vysokootáčkových motorů. Dále je píst namáhán vysokými teplotami spalin ve spalovacím prostoru. Tepelně nejvíce namáhanou částí pístu je dno pístu, horní můstek a přechodové hrany mezi dnem a horním můstkem. Teplo je z pístu odváděno do stěny válce pláštěm pístu, pístními kroužky a můstky mezi kroužky. Dále je teplo z pístu odváděno přímo mazacím olejem (u olejem chlazených pístů) nebo vzduchem a olejovou mlhou.
Dno pístu spoluutváří spalovací prostor motoru. Bývá rovné, případně uzpůsobené tvaru a umístění ventilů nebo je tvarované pro získání optimálního tvaru spalovacího prostoru. Plášť pístu vede píst ve válci. Kvůli úspoře hmotnosti a následnému zmenšení velikosti setrvačných sil může být plášť zkracován či
15
odlehčován. V pístu jsou obvykle tři drážky pro pístní kroužky (dva těsnící a jeden stírací). Dále je v plášti pístu nálitek pro otvor, kde je uložen pístní čep.
Písty jsou vyráběny nejčastěji tlakovým litím ze speciálních slitin hliníku, pro extrémní namáhání jsou vyráběny i kované písty z hliníkových slitin. Vzhledem k vysokým teplotám ve spalovacím prostoru, kdy dochází k teplotní roztažnosti materiálu pístu, se používají bimetalické písty, u kterých je do tělesa pístu zalit ocelový kroužek nebo vložka z invaru (slitina železa a niklu s nízkým koeficientem teplotní roztažnosti). Tyto písty se vyznačují menší teplotní roztažností [1].
Pístní kroužky zajišťují utěsnění spalovacího prostoru (těsnící kroužky), zamezení průniku mazacího oleje do spalovacího prostoru (stírací kroužek) a odvod tepla z pístu. Nasazení pístních kroužků do drážky v pístu umožňuje zámek (radiální rozříznutí), při montáži je nutné brát zřetel na polohu jednotlivých zámků vůči sobě.
Pístní kroužky jsou vyráběny z oceli nebo ze speciální litiny, pracovní plocha kroužků bývá pro zlepšení kluzných vlastností a zvýšení životnosti povrchově upravena například tvrdochromem [2].
Pístní čep přenáší síly mezi pístem a ojnicí. Většinou bývá v pístu i ojničním oku uložen volně (plovoucí pístní čep). Výhodou je vyšší odolnost proti opotřebení díky lepšímu vytváření olejového filmu ve styčných plochách.
Obrázek 2: Sestava pístní skupiny a ojnice [36]
16 2.1.5 Hlava válců
Hlava válců uzavírá spalovací prostor, zabezpečuje výměnu náplně válce motoru, dále jsou v ní umístěny vstřikovače, žhavící či zapalovací svíčky. U kapalinou chlazených motorů tvoří hlava válců jeden celek. Konstrukce hlavy válců je mimo jiné závislá na druhu motoru, způsobu řešení rozvodového mechanismu, počtu a rozmístění ventilů, sacích a výfukových kanálů, umístění zapalovací svíčky, vstřikovací trysky, řešení spalovacího prostoru a způsobu chlazení motoru. Hlava válců je upevněna pomocí šroubů k bloku válců, mezi hlavu a blok se vkládá těsnění hlavy válců.
Hlava válců se vyrábí jako odlitek z šedé litiny nebo ze slitin hliníku. Výhodou litinové hlavy je pevnost, tuhost a nižší cena. Naopak nevýhodou je vyšší hmotnost a nižší tepelná vodivost než u hliníkové hlavy. V současnosti převažují u osobních automobilů hlavy válců z hliníkové slitiny. Jedná se o konstrukčně velmi složitý odlitek vzhledem k optimálnímu umístění rozvodového mechanismu a dalších dílů a dále z hlediska vnitřního uspořádání sacích a výfukových kanálů a průtoků pro mazací olej a chladicí kapalinu.
2.1.6 Rozvodový mechanismus
Rozvodový mechanismus řídí výměnu náplně válců motoru, tedy odstranění spalin a naplnění spalovacího prostoru vzduchem nebo směsí vzduchu s palivem.
V dnešních automobilových motorech se používají ventilové rozvody. Podle uspořádání vačkového hřídele a ventilů rozlišujeme tři základní druhy ventilových rozvodů.
Rozvod typu SV se u vozidlových motorů nevyskytuje, rozvod typu OHV je dnes používán zřídka, například u starších typů motorů (např. Škoda Felicia 1.3 MPI).
U motorů současných osobních automobilů je nejrozšířenější rozvod typu OHC, kde je v hlavě válců uložen jeden vačkový hřídel, případně DOHC, u kterého jsou v hlavě válců uloženy dva vačkové hřídele.
Základním prvkem mechanických rozvodů je vačkový hřídel, který pomocí vaček a dalších přenosových členů řídí otevírání a uzavírání ventilů. Vačkový hřídel je v případě rozvodu OHC umístěn v hlavě válců a jeho pohon je od klikového hřídele zajištěn pomocí řetězu nebo ozubeného řemenu. Ventily mohou být ovládány vačkami přímo, pomocí vahadel, nebo přes hrníčková zdvihátka. Polohy a počty vaček jsou závislé na počtu válců motoru a počtu ventilů na válec. Vačkový hřídel se vyrábí v celku kováním nebo odléváním. Funkční plochy vaček bývají broušené a leštěné.
17
Ventily patří k velmi namáhaným dílům motoru, jsou vystaveny rázům při dopadu do ventilových sedel při zavírání a vysokým teplotám a tlakům. K extrémnímu teplotnímu zatížení dochází zejména u výfukového ventilu při průtoku výfukových plynů. Výfukové ventily jsou zpravidla z austenitických ocelí, ventilové sedlo má pro zvýšení životnosti žáruvzdorný návar. Sací ventily jsou méně tepelně namáhané a bývají vyráběné z legované oceli [2].
Obrázek 3: Schéma jednotlivých typů rozvodových mechanismů (V. H. = vačkový hřídel) [37]
2.2 Technické parametry motoru
Mezi základní technické parametry motorů patří parametry konstrukční a provozní, v následujících podkapitolách uvádím některé podstatné veličiny.
2.2.1 Konstrukční parametry
Mezi základní konstrukční parametry motoru patří průměr válce D a zdvih pístu Z. Tyto parametry doplňuje počet válců a jejich uspořádání. Z předešlých hodnot vychází zdvihový objem válce Vz1 a zdvihový objem motoru Vz udávaný v decimetrech krychlových. Podíl zdvihu pístu a průměru válce nazýváme zdvihový poměr a označujeme ξ. Podle velikosti zdvihového poměru rozlišujeme motory tzv.
podčtvercové, čtvercové a nadčtvercové. Obvyklé hodnoty se pohybují v rozmezí 0,6 až 1,1 pro zážehové motory a 0,9 až 2,2 pro vznětové motory. Velikost zdvihového poměru ovlivňuje také tuhost celého klikového mechanismu. Pro nižší hodnoty poměru ξ je klikový mechanismus motoru tužší protože má kratší ojnici a menší poloměr kliky.
Poměr mezi celkovým objemem válce a kompresním objemem válce označujeme kompresní poměr ε. Udává se jako poměr čísla uvedeného ve zlomku k jedné a zaokrouhluje se na jedno desetinné místo. S rostoucím kompresním poměrem
18
se zvětšuje tepelná účinnost a výkon motoru. Velikost kompresního poměru je u zážehových motorů limitována podmínkou, aby konečná kompresní teplota stlačené směsi byla nižší, než je teplota vznícení směsi. U vznětových motorů je velikost kompresního poměru dána podmínkou, aby kompresní teplota stlačeného vzduchu byla vždy vyšší, než je teplota vznícení vstřikovaného paliva. Hodnoty kompresního poměru se u zážehových motorů pohybují nejčastěji v rozmezí 8:1 až 12:1, u vznětových motorů v rozmezí 15:1 až 20:1.
Střední pístová rychlost cs do značné míry určuje životnost motoru, protože s její velikostí souvisí například opotřebení válců, pístních kroužků či teplotní namáhání motoru. Je dána otáčkami a zdvihem pístu.
2.2.2 Provozní parametry
Mezi provozní parametry motoru patří otáčky motoru n. Vyššími otáčkami motoru lze zvýšit jeho výkon. Proto se otáčky motoru volí co největší, aby se aby se pro požadovaný výkon zmenšily rozměry, hmotnost i cena motoru. Negativně se však vyšší otáčky projeví na rychlejším opotřebení a větší hlučnosti, proto se vždy musí dospět k určitému kompromisu. Při chodu motoru rozlišujeme otáčky spouštěcí, volnoběžné, jmenovité, nejvyšší dovolené a kritické.
Podle [2] je významným ukazatelem kvality pracovního oběhu motoru jeho střední indikovaný tlak pi. Střední indikovaný tlak je pouze fiktivní veličinou, nedá se přímo měřit, lze jej výpočtově určit zpracováním indikátorového diagramu. S využitím hodnoty středního indikovaného tlaku lze stanovit indikovaný výkon motoru Pi. Významným parametrem pracovního oběhu motoru je rovněž maximální tlak oběhu pMAX, jeho znalost je důležitá při řešení různých konstrukčních problémů, výpočtech namáhání apod. Jeho skutečnou velikost lze určit měřením. Výkon, který lze odebírat z výstupního hřídele motoru, se označuje jako efektivní výkon Pe. Efektivní výkon motoru se zjišťuje měřením točivého momentu Mt na výstupním hřídeli motoru a příslušných otáček. Ze změřeného točivého momentu motoru lze stanovit další významný parametr pracovního oběhu, střední efektivní tlak pe, který je stejně jako již zmíněný střední indikovaný tlak fiktivní veličinou, umožňuje však objektivně porovnávat různé motory z hlediska energetického využití zdvihového objemu motoru.
S využitím hodnoty středního efektivního tlaku lze stanovit efektivní výkon motoru.
K dalším parametrům spalovacího motoru patří točivý moment motoru Mt, který je dán silou vyvolanou tlakem spalin na píst a ramenem klikového hřídele. Litrový
19
výkon motoru PL je podíl efektivního výkonu a zdvihového objemu motoru, podobně také hmotnostní výkon motoru Pm. Dále je mezi parametry motoru možno zařadit měrnou spotřeba paliva mPe, výkonovou hmotnost mP a další údaje.
2.2.3 Příklady technických parametrů motorů
Pro příklad uvádím konkrétní hodnoty technických parametrů motorů používaných v sériových automobilech. Jedná se o řadové čtyřválcové motory, pro porovnání uvádím dva zážehové a dva vznětové motory, první jsou starší konstrukce a druhé jsou používané v současnosti. Vybral jsem typické představitele motorů používaných například ve vozech Škoda Octavia se srovnatelnými výkony. Srovnáním jednotlivých hodnot můžeme vidět současný trend ve výrobě spalovacích motorů, tzv. downsizing – snižování zdvihového objemu při zachování výkonových parametrů motoru.
Tabulka 1: Porovnání technických parametrů zážehových motorů [5]
motor 1,6 MPI 1,2 TSI
zdvihový objem cm3 1595 1197
vrtání mm 81,0 71,0
zdvih mm 77,4 75,6
kompresní poměr - 10,5:1 10,0:1
max. výkon kW 75 při 5600 min-1 77 při 5000 min-1
max. točivý moment Nm 148 při 3800 min-1 175 při 1550–4100 min-1 Tabulka 2: Porovnání technických parametrů vznětových motorů [6]
motor 1,9 TDI PD 1,6 TDI CR
zdvihový objem cm3 1896 1598
vrtání mm 79,5 79,5
zdvih mm 95,5 80,5
kompresní poměr - 19,0:1 16,5:1
max. výkon kW 74 při 4000 min-1 77 při 4400 min-1
max. točivý moment Nm 240 při 1900-2400 min-1 250 při 1900- 2500 min-1
20
3 Zvyšování výkonu motoru
Maximální výkon motoru lze zjistit z údajů, které udává jeho výrobce. Tato hodnota se vzhledem k tomu, že každý díl je vyrobený a smontovaný s určitými tolerancemi, pohybuje v určitém intervalu. Proto se pouhým slícováním vhodných dílů může výkon motoru zvýšit.
Pro ilustraci, na čem vlastně záleží výkon motoru, můžeme vycházet ze vzorce pro výpočet efektivního výkonu čtyřdobého motoru:
kde: Pe – efektivní výkon [kW]
pe – střední efektivní tlak [MPa]
Vz – zdvihový objem motoru [dm3] n – otáčky motoru [min-1]
Ze vztahu vyplývá, že výkon motoru můžeme zvýšit zvětšením zdvihového objemu, dosažením vyšší hodnoty středního efektivního tlaku a zvýšením otáček motoru [7].
3.1 Konstrukční úpravy motoru
Následující úpravy se týkají změn a vylepšení v konstrukci motoru. V dnešní době jejich provádění pomalu ustupuje, protože pro zájemce o vyšší výkon, kteří chtějí upravit motor co nejjednodušším, a nejrychlejším způsobem je nejvýhodnější využít služeb úpravců řídicí jednotky. Dále popisované úpravy se nejvíce využívají u starších, zejména nepřeplňovaných motorů, kde pouhá úprava řídící jednotky nepřinese velký nárůst výkonu. Dalším případem, kdy se tyto úpravy používají je naopak požadavek maximálního zvýšení výkonu při přestavbách pro motoristický sport.
3.1.1 Blok motoru
Výkon motoru je mimo jiné dán také zdvihovým objemem, proto se při pokročilých úpravách někdy přistupuje k jeho zvětšení. Zda je úprava možná (a o kolik lze objem zvýšit) záleží na konkrétním typu motoru. Zdvihový objem je dán vrtáním a zdvihem. Při změně vrtání je nutné pořídit novou sadu pístů a pístních kroužků, při změně zdvihu dále ještě klikový hřídel s odpovídajícím poloměrem kliky. Jde tedy většinou o velmi nákladnou přestavbu. Finanční náročnost takovéto přestavby je nižší, pokud lze odpovídající díly použít ze sériově vyráběného motoru.
21 3.1.2 Hlava válců
Úpravy hlavy válců spočívají především ve vylepšení aerodynamických podmínek pro průtok sacích a výfukových plynů. Nabízí se změny průměru povrchu a tvaru kanálů, úpravy ventilů a slícování sacího a výfukového potrubí s hlavou.
Na špatně sesazeném spoji mezi hlavou a zejména sacím potrubím může docházet k odtržení proudu směsi a tím k vytváření nevhodných turbulencí. Z toho plyne, že každá nerovnost či překážka v potrubí způsobuje snížení plnící účinnosti motoru. Úpravy spočívají v obroušení přesahů (vyčnívajících hran) sacích a výfukových potrubí a ústí kanálů v hlavě. Po obroušení je nutné důkladné odstranění částic obroušeného materiálu a brusiva například tlakovým vzduchem a vypláchnutím.
Sací a výfukové kanály nabízí také možnosti pro zlepšení proudění plynů.
Aerodynamické podmínky se mohou vylepšit zvětšením průřezu potrubí a samozřejmě také úpravou povrchu kanálů. Při broušení je důležité, aby byly všechny kanály vybroušeny na stejný průměr. Snížením drsnosti povrchu broušením s následným leštěním se zvýší rychlost proudění plynů a navíc se omezí usazování nečistot na stěnách. Dále je možno přistoupit k zaoblení ostrých hran zasahujících do kanálů (například na ventilovém vodítku). Vylepšování aerodynamických podmínek pro proudění plynu se aplikuje především u nepřeplňovaných motorů.
Další často používanou úpravou je snižování hlavy. Snížením hlavy se zároveň změní tvar kompresního prostoru v hlavě. Proto je nutné při snižování hlavy upravit i tvar kompresního prostoru a naopak, pokud dojde ke změně kompresního prostoru v hlavě, doporučuje se snížení hlavy, aby se zachoval stávající kompresní poměr.
Velikost úběru materiálu je závislá na požadovaném kompresním poměru a je dále omezená konstrukcí motoru, zejména faktem, že při velkém snížení hlavy by mohlo dojít ke kolizi pístu v horní úvrati s ventily. Například u motoru 1,3 MPI u vozidla Škoda Felicia se znatelný výsledek v nárůstu výkonu dostaví již při snížení hlavy o 0,5 až 0,8 mm a s upravenou řídící jednotkou je možné hlavu snížit až o 1,5 až 1,9 mm [15].
3.1.3 Úprava kompresního poměru
Zvětšením kompresního poměru dojde k určitému nárůstu středního efektivního tlaku a tím i ke zvýšení výkonu motoru. U vznětových motorů je vysoký kompresní poměr nutností a je omezen především pevnostními možnostmi, ale u zážehového motoru je kompresní poměr omezen hranicí detonačního hoření paliva, což dovoluje
22
maximální kompresní poměr přibližně 12 : 1 [14]. Příliš velký stupeň komprese snižuje pružnost motoru v nižších otáčkách a motor takzvaně „tvrdne“. Aby při vyšších hodnotách kompresního poměru nedocházelo k detonačnímu hoření paliva, používá se benzin s vyšším oktanovým číslem. Například upravené motory závodních automobilů používají benziny s oktanovým číslem 98 až 102, v extrémních případech různé směsi etanolu [15]. Zvyšování kompresního poměru se používá u nepřeplňovaných motorů, u přeplňovaných motorů zajišťuje vyšší kompresní tlak kompresor či turbodmychadlo.
S ohledem na zvýšený kompresní tlak se také při zvýšení kompresního poměru doporučuje věnovat pozornost těsnění hlavy válců. Pro vysoké tlaky se používá například utěsnění spalovacího prostoru měděnými kroužky, které se použijí spolu se sériovým těsněním, které zabezpečuje utěsnění chladicí kapaliny.
3.1.4 Rozvodový mechanismus
Pro dosažení maximálního výkonu je důležité správné naplnění válců motoru čerstvou směsí. O okamžiku otevření a zavření ventilů rozhoduje tvar vačky a časování vačkového hřídele. Časování je dáno úhlem otevření ventilu měřeným na klikovém hřídeli a úhlem mezi osou sací a výfukové vačky. Vliv na správné naplnění válce směsí má také zdvih ventilu a ten záleží na zdvihu vačky.
Výpočet a optimalizace vačky a následná výroba vačkového hřídele je velmi složitým procesem a kromě strojního vybavení jsou potřeba teoretické i praktické zkušenosti v oboru. Při úpravách se mohou použít sériově vyráběné vačkové hřídele s vhodnými parametry, jako jsou tvar a rozmístění vaček, průměry a rozmístění ložisek a další. Tyto požadavky většinou splňují pouze vačkové hřídele motorů, které mají stejného výrobce a liší se jen některými modifikacemi (např. stejný motor v atmosférické a přeplňované verzi). Druhou možnost představují vačkové hřídele s tzv. ostrými vačkami vyráběné pro konkrétní typ motoru. Tyto vačky se vyznačují dlouhou dobou otevření výfukových a sacích ventilů, což zaručuje dostatečné vypláchnutí a naplnění válce směsí při vyšších otáčkách motoru. Nevýhodou je horší chod motoru při nižších otáčkách a nižší pružnost motoru. Při použití takovéto vačky se doporučuje použití ventilových pružin s vyšší tuhostí, jednodušším řešením je podložení stávajících pružin podložkami, které zajistí větší předpětí a tím vyšší sílu pružiny.
V závislosti na stupni úprav lze dále přistoupit i k úpravám či výměnám ventilů.
Ventil se v oblasti spodní části dříku a talířku dostává do kontaktu s proudící směsí, a proto se i zde provádějí některé úpravy. Pro zlepšení proudění plynů se například
23
opracovává kuželová část přechodu mezi dříkem a talířkem, aby se už při malém pootevření ventilu zajistilo lepší proudění směsi. Samozřejmostí je nutnost takto opracované plochy vyleštit. Dále se opracovává ventilové sedlo, aby se zajistilo správné utěsnění spalovacího prostoru.
Obrázek 4: Porovnání sériového a upraveného výfukového ventilu použitého při úpravě vozidla Škoda Favorit [43]
Při zvyšování výkonu motoru samozřejmě dochází k vyššímu tepelnému namáhání zejména výfukových ventilů, řešením je výměna sériových ventilů za ventily s vnitřním chlazením. Tyto ventily mají v dříku dutinu, která je částečně naplněna sodíkem, ten se při provozu roztaví a zajišťuje lepší přenos tepla z talířku do dříku a dále do vodítka. Tyto ventily se používají i u některých sériově vyráběných motorů s vyšším výkonem. Jako příklad lze uvést motor 1,4 TSI s maximálním výkonem 132 kW který je použit například ve vozidle Škoda Fabia RS druhé generace [17].
3.1.5 Klikové ústrojí
Motor je v sériovém provedení dimenzován na vyšší výkon, než je nastaven výrobcem. Hranice bezpečného zvýšení výkonu je dána mnoha faktory a liší se i podle výrobce či typu konkrétního motoru. Pokud je přírůstek výkonu po úpravách velký, bývá nutné některé namáhané díly vyměnit za díly k tomu uzpůsobené. Méně finančně nákladné je vyleštění povrchu exponovaných dílů, tím se omezí iniciace únavových
24
trhlin a zvýší se jejich únavová pevnost. Dále snížení hmotnosti posuvných a rotačních součástí ovlivňuje pružnost i životnost motoru. Jako příklad je možné uvést odlehčení setrvačníku, ojnic či pístů.
Obrázek 5: Odlehčený, dynamicky vyvážený a leštěný závodní klikový hřídel [38]
Při velkém zvýšení výkonu se nejčastěji přistupuje k výměně ojnic za ojnice s profilem H. Další možností je výměna pístů za speciální sportovní písty (například tzv. T písty). Na trhu se sportovními díly lze najít jak písty, tak ojnice pro konkrétní typ motoru.
Obrázek 6: Porovnání sestavy pístní skupiny a ojnice motoru 1,8 T, vpravo sériové provedení, vlevo díly určené pro závodní použití [39]
25
3.2 Úpravy řídící jednotky
Elektronická řídící jednotka v současných automobilových motorech kontroluje pomocí mnoha čidel jednotlivé děje v motoru a v závislosti na získaných hodnotách řídí chod motoru. Mezi snímače (čidla) nacházející se v motoru patří například: snímač otáček motoru, snímač množství nasávaného vzduchu, snímač polohy pedálu akcelerace, snímač polohy vačkového hřídele, snímač teploty chladicí kapaliny, snímač teploty oleje, snímače tlaku a teploty nasávaného vzduchu atd. S ohledem na informace z těchto čidel ovládá řídící jednotka tzv. akční členy. Mezi akční členy patří například:
palivové čerpadlo, vstřikovací ventily, zapalovací cívky nebo žhavicí svíčky, ventil zpětného vedení výfukových plynů, ventilátor dochlazování, škrticí klapky a další [8].
Pomocí změny datových polí v paměti řídicí jednotky je možné ovlivňovat průběh a velikost výkonu a krouticího momentu, a to mnohdy při stejné či dokonce nižší spotřebě než má upravovaný vůz při použití sériové řídicí jednotky.
Obrázek 7: Průběh výkonu a točivého momentu před a po úpravě (vyšší hodnoty) řídící jednotky u motoru 1,9 TDI PD ve vozu Škoda Fabia RS [40]
26
Na našem trhu je několik odborných firem zabývajících se touto problematikou, jejich činnost často navazuje na činnost spojenou s úpravami motorů pro automobilové soutěže. Tvorba chipu, kterým se nahrazuje originál, vyžaduje velkou dávku zkušeností a nezbytné technické vybavení. Dalším požadavkem jsou pak samozřejmě hluboké znalosti a zkušenosti v oblasti vlastní optimalizace výkonu motoru. Výsledek úpravy se ověřuje na zkušebním stanovišti a při jízdní zkoušce, aby bylo možno potvrdit dosažené parametry motoru. Bohužel i v tomto odvětví se najdou firmy, jejichž úpravy nedosahují kvalit renomovaných úpravců, a proto je nutné ověřit si kvality té či oné firmy pomocí referencí a zkušeností zákazníků. Mnoho zkušeností s úpravci lze dohledat na internetových fórech, která se touto problematikou zabývají. Dále je nutné si uvědomit, že u kvalitních úpravců bývá cena úpravy vyšší, než u „neznačkových“, ale mnohdy se vyplatí, protože kvalitní úpravci dávají na své produkty záruku a případné komplikace se zákazníkem řeší k jeho spokojenosti. Častým jevem je fakt, že při úpravě u nekvalitní firmy motor nedosahuje deklarovaných výkonových parametrů nebo dokonce úprava zhorší fungování motoru oproti sériovému provedení. Řešením takovéto situace bývá návštěva kvalitního úpravce, který řídící jednotku motoru upraví správně. Počáteční finanční úspora se proto nemusí vždy vyplatit [9].
Úprava řídicí jednotky je jedna z nejpoužívanějších metod zvýšení výkonu motoru. Pro většinu motoristů, toužících po vyšším výkonu motoru bývá prvním stupněm úpravy jejich automobilu. Nárůst maximálního výkonu motoru je závislý na mnoha parametrech, běžně se pohybuje v rozmezí 5 až 10% u motorů zážehových nepřeplňovaných, 15 až 30% u přeplňovaných, 5 až 10% u vznětových motorů nepřeplňovaných a 20 až 40% u přeplňovaných. Po úpravě dojde také ke zvýšení krouticího momentu motoru a s tím souvisí nižší spotřeba než u sériové řídicí jednotky při srovnatelných jízdních podmínkách [10]. Při dalších úpravách motoru (přeplňování, vstřikování paliva) je profesionální úprava řídící jednotky takřka vždy nutná.
3.3 Přeplňování
Během letitého vývoje v oblasti konstrukce spalovacích motorů vzniklo mnoho různých variant a typů mechanismů pro přeplňování. Nejrozšířenějšími způsoby jak pro sériová vozidla, tak pro tuning jsou přeplňování turbodmychadlem a kompresorem.
Dalším způsobem používaným například u zážehových motorů je dynamické plnění válce.
27
V dnešní době se vzhledem k trendu v konstrukci automobilových motorů získávat větší výkony s použitím motorů s nižším zdvihovým objemem (downsizing) objevují přeplňované motory ve velkém množství jak u vznětových (takřka u všech), tak i u zážehových motorů. Pro ilustraci lze uvést nabídku motorů pro současnou generaci vozu Škoda Octavia: 1,2 TSI, 1,4 TSI, 1,8 TSI, 2,0 TSI, 1,6 TDI a 2,0 TDI – všechny nabízené motory jsou vybaveny přeplňováním [11].
Cílem přeplňování je vyšší výkon a krouticí moment srovnatelný s motory o vyšším zdvihovém objemu fungující na principu zvýšení množství vzduchu a tím i paliva ve spalovacím prostoru za jednotku času. Spolu s tímto klesá měrná spotřeba.
K tomuto účelu je zapotřebí vždy přeplňovací systém naladit ke konkrétnímu motoru.
Přeplňování umožňuje dosáhnout vyššího krouticího momentu i v nízkých otáčkách.
To s sebou nese zvýšení plnících tlaků a tím vyšší maximální tlaky ve spalovacím prostoru. Následkem je vyšší zatížení klikového hřídele, jeho uložení a pevnostní nároky na samotný píst [12].
Pomocí systému přeplňování umožňuje do motoru dopravit při stejných otáčkách a zdvihovém objemu více směsi paliva a vzduchu. Při zvyšování množství vzduchu musíme však zvýšit i přísun paliva. Pro správné hoření musí být zachován poměr směsi vzduchu a paliva v blízkosti tzv. stechiometrického poměru (ozn. λ = 1, pro λ < 1 by byla směs bohatá a pro λ > 1 by se jednalo o směs chudou).
Stechiometrický poměr je poměr pro spálení 1 kg paliva a 14,7 kg vzduchu pro benzín nebo 14,5 kg vzduchu pro naftu. Převedeme-li hmotnostní poměr na objemy, ke spálení 1 litru paliva budeme potřebovat řádově 10 000 litrů vzduchu [12]. Měřením v laboratořích se dospělo k poznatku, že největšího výkonu se dosahuje při obohacení směsi palivem o 20% a největší účinnosti při ochuzení směsi o 15% [7].
3.3.1 Přeplňování turbodmychadlem
Používá se turbodmychadlo poháněné turbínou. Jedná se o dva lopatkové stroje na společném hřídeli. Turbínové lopatkové kolo je roztáčeno dynamickými účinky proudících výfukových plynů. Toto kolo přes hřídel roztáčí lopatkové kolo radiálního turbodmychadla. Dmychadlo axiálně nasává vzduch a radiálně jej vytlačuje dále po směru proudění do spirální skříně, která slouží jako difuzor. Ve spirální skříni roste průtočná plocha a tím klesá rychlost a roste tlak vzduchu proudícího do spalovacího prostoru. Nevýhodou turbodmychadel je tzv. turboefekt, který se projevuje prodlevou mezi okamžikem sešlápnutí plynového pedálu a okamžikem zvýšení výkonu motoru
28
prací turbodmychadla. Prodleva je způsobena dobou, kterou potřebují výfukové plyny k dosažení vyššího tlaku a také setrvačností rotoru.
Jelikož je turbínové kolo vystaveno vysokým teplotám výfukových plynů, a navíc pří chodu rotor koná 10 000 až 200 000 otáček za minutu v závislosti na velikosti turbodmychadla, hmotnosti rotujících částí a potřebném tlaku, je celá sestava turbodmychadla velice namáhanou částí motoru. Při vysokých otáčkách je nutné dokonalé vyvážení rotoru. Hřídel turbodmychadla je uložen ve fluidních, olejových ložiskách. Klasická kuličková ložiska by při těchto otáčkách měla velmi nízkou životnost. Olejová ložiska fungují tak, že je mezi rotujícím hřídelem a pouzdrem ložiska malá mezera vyplněná tlakovým olejem, takže se tyto části nedotýkají. Hřídel v podstatě plave na olejovém filmu. Olej se většinou bere z mazací soustavy motoru a musí být po průchodu turbodmychadlem chlazen [13].
Obrázek 8: Řez turbodmychadlem (červeně výfukové plyny, modře vzduch, zeleně olej)[41]
U vozidel s turbodmychadlem se z důvodů vysokého tepelného namáhání důrazně doporučuje po vyšším zatížení (např. rychlá jízda) nevypínat hned motor, ale klidnou jízdou nechat motor „dochladit“ (cca 2 až 5 minut). V opačném případě se lopatky turbínového kola, které byly vystaveny vysokým teplotám, při náhlém zastavení působením vlastní tíhy mírně zdeformují. Při dalším roztočení turbodmychadla se začne
29
projevovat nevývažek, který má za následek zvětšování vůle v prostředním kluzném ložisku turbodmychadla, což může vést až k jeho destrukci [8].
Protože je turbodmychadlo běžně nastaveno tak, aby dodávalo optimální množství vzduchu při nižších otáčkách (z důvodů nižší měrné spotřeby motoru), je nutné při vyšších otáčkách práci turbodmychadla regulovat. Při plném zatížení motor produkuje velké množství spalin a při průtoku turbínovou sekcí navrženou pro částečné zatížení by docházelo ke škrcení průtoku. Nejčastěji se tento jev řeší pomocí obtokového ventilu, tzv. wastegate. Při překročení určité úrovně tlaku se ventil otevírá a spaliny proudí do výfukového potrubí za turbínou. Otevírání ventilu může být zajištěno mechanicky (pružinou) nebo řízeno elektronicky. Dalším způsobem regulace pracovního režimu turbodmychadla je použití lopatkového rozváděcího ústrojí v turbínové skříni. Princip spočívá v natáčení vodících lopatek v závislosti na otáčkách motoru. Při nízkých otáčkách je klapkami zúžen vstupní průřez a tím dojde ke zvýšení rychlosti spalin a tudíž i k zvýšení otáček turbínového kola. Tak se dosáhne požadovaného plnícího tlaku už při nižších otáčkách motoru. Naopak při vyšších otáčkách se lopatkami průřez zvětší, tím se otáčky turbíny sníží a plnící tlak není tak velký. Dalším regulačním prvkem používaným zejména u zážehových motorů je tzv. blow off ventil. V průběhu decelerace se ve skříni turbodmychadla hromadí průběžně dodávaný plnicí vzduch (průtok do válců je omezen škrticí klapkou). Tlak tohoto vzduchu by se zvyšoval a způsoboval by brzdění oběžného kola dmychadla, což by vedlo ke snížení tlaku plnicího vzduchu. V tomto případě je přepouštěcí ventil otevřen a stlačený vzduch je přes obtokový kanál veden zpět na stranu sání turbodmychadla nebo ven do atmosféry.
3.3.2 Přeplňování kompresorem
Výkon sloužící k pohonu kompresoru je odebírán z klikového hřídele motoru, což oproti turbodmychadlům představuje jejich hlavní nevýhodu. Tato nevýhoda z hlediska odběru výkonu je ovšem výhodou z hlediska snazší montáže na nepřeplňovaný motor. Z tohoto důvodu je možné v nabídce prodejců najít sady pro montáž kompresoru na atmosférický motor. Postup montáže je mnohem jednodušší než při montáži turbodmychadla. Výhodou proti turbodmychadlu je rychlá odezva na změnu polohy plynového pedálu. Použití kompresorů k přeplňování je v současnosti méně používané, než přeplňování turbodmychadly. V současné době jsou u zážehových motorů v malé míře používána spirální a šroubová dmychadla.
30
Nejpoužívanějším typem je Rootsovo dmychadlo, které patří do skupiny kompresorů s vnější kompresí. Dmychadlo má dva rotory nejčastěji se dvěma nebo třemi zuby umístěné ne společné skříni. Ke stlačení vzduchu nedochází v pracovním prostoru dmychadla (v zubových mezerách) ale až za ním.
Obrázek 9: Rootsovo dmychadlo [42]
Lysholmovo dmychadlo je podobné Rootsovu, ale jeho rotory bývají více zakroucené. Patří mezi dmychadla s vnitřní kompresí a proto na rozdíl od Rootlsova dmychadla je efektivnější pro vysokotlaké přeplňování, nevýhodou jsou vyšší ztráty při běhu naprázdno. Rootsovo dmychadlo může být vybaveno obtokovým kanálem pro přepouštění vzduchu při nízkém zatížení a jedinou zátěží bude mechanický pohyb rotorů. Naproti tomu v Lysholmově dmychadle bude docházet ke stlačování vzduchu, dokud bude poháněno.
Obrázek 10: Lysholmovo dmychadlo[44]
31
Dalším používaným typem je G dmychadlo, které patří mezi spirální dmychadla.
Pracuje na principu dvou excentricky uložených spirál, které se po sobě odvalují a tlačí tak vzduch ze sacích otvorů do otvorů výstupních. Objem vzduchu se postupně snižuje, takže jde o kompresor s vnitřní kompresí. Mezi výhody patří nízká úroveň vydávaného hluku a nízká hmotnost, nevýhodou problémy s těsněním mezi spirálami a skříní a vysoké výrobní náklady.
K automobilovým výrobcům, kteří v současné době používají ve svých vozech mechanická dmychadla, patří např. Mercedes a Jaguar. Motor vybavený Rootsovým dmychadlem můžeme najít i v některých vozech koncernu Volkswagen s motorem TSI, například u motoru 1,4 TSI s dvojitým přeplňováním ve Fabii RS druhé generace.
3.3.3 Chlazení stlačeného vzduchu
Protože při stlačování nasávaného vzduchu dochází k jeho zahřátí, což má za následek zvětšení jeho objemu oproti studenějšímu vzduchu, používá se u vyšších stupňů přeplňování chlazení stlačeného vzduchu. Podle [1] se použití mezichladiče stlačeného vzduchu doporučuje použít u přeplňovaných systémů se součinitelem stlačení plnicího vzduchu větším než 1,5. Při tomto stlačení se vzduch v kompresoru ohřívá o 43 – 50 K a poměrné zvýšení hustoty dosahuje hodnot jen kolem 1,3 podle účinnosti kompresoru.
K chlazení vzduchu se používá mezichladič stlačeného vzduchu, tzv. intercooler.
Míra ochlazení stlačeného vzduchu je závislá mimo jiné na velikosti teplosměnné plochy chladiče, druhu chladicího média (u osobních aut je téměř výhradně vzduch v mezichladiči chlazen náporem vzduchu), vstupní teplotě chladicího média, poměru hmotnostního toku stlačeného vzduchu a chladicího média.
Chlazení plnicího vzduchu se u přeplňovaného motoru projevuje zvýšením hustoty plnicího vzduchu při nepatrném snížení tlaku ztrátou v chladiči, snížením maximálních spalovacích tlaků a teplot, snížením tepelného a částečně i mechanického namáhání motoru, snížením měrné spotřeby paliva při jmenovitém výkonu, zvýšením výkonu při stejné spotřebě paliva asi o 5 – 6% v závislosti na účinnosti chlazení [1].
Dalšími možnostmi, jak ochladit vzduch na vstupu do motoru jsou systémy na vstřikování vody nebo oxidu dusného. Takovéto úpravy nejsou v běžném provozu příliš obvyklé a používají se především pro závody upravených vozidel. V případě vstřikování oxidu dusného je navíc kromě ochlazení nasávané směsi (cca o 50°C) zajištěn přísun většího množství kyslíku, protože oxid dusný se při vyšší teplotě
32
rozkládá na dusík a kyslík. Vzhledem ke značnému tepelnému zatížení motoru při vstřikování oxidu dusného lze systém použít pouze na krátký čas (cca 30 sekund) [14].
3.3.4 Možnosti zvýšení výkonu pomocí přeplňování
Při aplikaci přeplňování na atmosférický motor je jedním z požadavků plně uložený klikový hřídel (u čtyřválcového motoru pětkrát uložený). Pro čtyřválec s třikrát uloženým klikovým hřídelem se z důvodu jeho nižší tuhosti doporučuje přeplňování přetlakem maximálně 0,4 bar [7]. Dále je třeba brát v potaz, že použitím přeplňování se podstatně zvyšuje náchylnost k detonacím. Přeplňováním se zvyšuje celkový kompresní poměr, je tedy nutné, aby základní kompresní poměr motoru byl co možná nejnižší.
Pokud je kompresní poměr nevhodný, přistupuje se k jeho snížení například úběrem materiálu ze dna pístu nebo zvětšením kompresního prostoru v hlavě válců. Instalace kompresoru je v tomto případě jednodušší než instalace turbodmychadla. Pokud je použito turbodmychadlo, jedná se buď o turbodmychadlo používané na podobném motoru (shodné připojovací rozměry), nebo se dá koupit i kompletní sada k přestavbě.
Při použití turbodmychadla je dále nutno přizpůsobit mazací soustavu motoru většinou je nutné přidat chladič oleje. Instalací přeplňování se také zvýší tepelné namáhání celého motoru, proto je většinou nutno upravit chladicí soustavu.
Obrázek 11: Sada na přestavbu atmosférického motoru 2,0 MPI na přeplňovaný[45]
33
Druhá možnost se týká zvýšení výkonu u přeplňovaného motoru. Zde se většinou stávající turbodmychadlo mění za turbodmychadlo s lepšími parametry (vyšší přetlak plnicího vzduchu). Turbodmychadla s vyšším výkonovým potenciálem se používají buď ze sériových automobilů, které mají vyšší výkon než námi upravovaný vůz, nebo lze využít služeb mnoha výrobců turbodmychadel specializujících se na takovéto úpravy.
Při instalaci přeplňování na atmosférický motor nebo výměně turbodmychadla na přeplňovaném motoru za turbodmychadlo s jinými parametry je nutné upravit patřičným způsobem i řídicí jednotku motoru.
3.4 Změny ve vybavení a příslušenství motoru
3.4.1 Zapalovací svíčky
Zapalovací svíčky, respektive celá zapalovací soustava je u zážehových motorů jedním z důležitých prvků pro dosažení odpovídajícího výkonu motoru. Proto se při úpravách často sériové svíčky mění. Podle [14] je zvýšení výkonu a pružnosti motoru dáno vyšší schopností svíčky vytvořit jiskru, která umožní takové zapálení směsi, aby proběhlo rychlé šíření čela plamene zejména v první fázi. Důležitým požadavkem je rovněž schopnost svíčky zapalovat směs i při jejím nedokonalém složení, toto nastává především v přechodových stavech, zejména při akceleraci.
3.4.2 Sací trakt a vzduchový filtr
Výkon motoru je závislý mimo jiné na množství a způsobu dopravy vzduchu (respektive palivové směsi) do válce. Zejména u nepřeplňovaných motorů je významnou překážkou v sacím traktu vzduchový filtr. Na trhu s tuningovými doplňky existuje několik výrobců nabízejících sportovní vzduchové filtry. Skládají většinou z několika vrstev bavlněné tkaniny, které zaručují vysokou propustnost vzduchu.
Někteří úpravci ale použití sportovních filtrů pro běžný provoz nedoporučují.
Podle [8] nejsou sportovní filtry pro každodenní provoz vhodné. Většinou totiž nebývají řádně ošetřovány a do motoru se potom dostávají mechanické nečistoty, které mají negativní vliv na životnost motoru. V případě, že jsou naopak často čištěny a pro zvýšení účinnosti filtrace syceny olejem, zanášejí se klapková tělesa a omezuje se životnost čidel měřících množství a teplotu nasávaného vzduchu. Relativně malý nárůst výkonu, je tak draze vykoupen vícenáklady na provoz a údržbu.
34 3.4.3 Výfuk
Dalším upravovaným, či spíše měněným dílem je výfuk. Ovšem pro dosažení vyššího výkonu nestačí pouze zajistit volný průchod výfukových plynů. Dalším požadavkem je optimální tvar a délka výfukového potrubí. I v případě výfuku je možno najít několik výrobců specializujících se na tzv. sportovní laděné výfuky.
Rozhodujícími vlastnostmi jsou zde průtočný odpor potrubí a tzv. rezonanční délka potrubí, která je důležitá zejména pro optimalizaci točivého momentu [14].
3.5 Příklady výkonových parametrů upravených motorů
V této podkapitole představím, jaké nárůsty výkonových parametrů je možné úpravami motorů získat. V přehledu jsou uvedeny úpravy zážehového motoru. Pro příklad jsem uvedl vozy značky Škoda vyráběné v nedávné minulosti, se kterými se dnes můžeme v silničním provozu setkat v hojném množství. Konkrétně jsem vybral pohonné jednotky, které byly použity i pro kompletní přestavbu určenou k nasazení ve vrcholném motoristickém sportu.
3.5.1 Nepřeplňovaný zážehový motor
Příkladem vozu s nepřeplňovaným motorem je Škoda Felicia s motorem 1,3 MPI. Rozdílných výkonových parametrů tento motor dosahoval už z výroby. První verze dosahovala výkonu 40 kW a točivého momentu 99 Nm, druhá verze měla nejvyšší výkon 50 kW a točivý moment 106 Nm [21]. Od roku 1998 se tyto motory od sebe lišily pouze vačkovým hřídelem a softwarem řídící jednotky [9].
Maximální výkon tohoto motoru (verze s výkonem 50 kW) lze pomocí úpravy řídící jednotky zvýšit na 61,5 kW a točivý moment vzroste oproti sériovému provedení v celém rozsahu využitelných otáček o 5 - 7 Nm [22].
Příkladem celkové přestavby, která se týkala nejen motoru, ale i celého vozidla je úprava pro soutěžní použití, konkrétně se jedná o vozidlo Felicia Kit Car. Jde se o přestavbu prováděnou továrním týmem Škoda Motorsport, po jejímž provedení měl motor se zachovaným zdvihovým objemem nejvyšší výkon 108 kW a nejvyšší točivý moment 155 Nm. Při zvětšení zdvihového objemu na 1491 cm3 (použitím vložek válců s větším funkčním průměrem a současně zvětšením zdvihu), dosahoval motor nejvyššího výkonu 122 kW a točivého momentu 170 Nm [16]. Podle [16] mají oba motory oproti sériovému provedení klikový hřídel ocelový kovaný namísto běžného,
35
montovaného do sériových automobilů, který je litý. Rovněž původní ojnice jsou nahrazeny ojnicemi z oceli o vyšší pevnosti. Písty obou verzí motoru jsou kované z hliníkové slitiny (oproti litým sériovým). Blok motoru je až na drobné úpravy beze změny. Hlavy válců jsou upraveny ze sériových odlitků. Mají obrobené kompresní prostory a sací kanály. Dále jsou alternativně používány ventily s větším průměrem.
Podle potřeby optimálních parametrů výkonu a točivého momentu se také využívá několika typů vačkových hřídelů. Samozřejmostí je také úprava řídící jednotky motoru.
Přestavba na přeplňovanou verzi není u tohoto motoru obvyklá z důvodů nízké tuhosti třikrát uloženého klikového hřídele. Dále je cena přestavby neúměrná získanému výkonu a nízké životnosti takto upraveného motoru.
Tabulka 3: Porovnání parametrů variant motoru 1,3 l [16, 21, 22]
použití zdvihový objem
[cm3]
nejvyšší výkon [kW při ot./min]
max. točivý moment [Nm při ot./min]
sériová Felicia 1289 40/4500 99/2500
sériová Felicia 1289 50/5000 106/2600
Felicia s úpravou ŘJ 1289 61/5500 112/4500
Felicia Kit Car 1289 108/7500 155/5750
Felicia Kit Car 1491 122/7500 170/5750
3.5.2 Přeplňovaný zážehový motor
Jako příklad přeplňovaného motoru jsem vybral motor 1,8 l, který se používal mimo jiné v Octavii první generace. Základem tohoto motoru je nepřeplňovaný řadový čtyřválec s rozvodem DOHC s pěti ventily na každý válec. Motor dosahuje maximálního výkonu 92 kW a maximálního točivého momentu 170 Nm [23].
Tento motor byl posléze doplněn výfukovým turbodmychadlem s chladičem stlačeného vzduchu, který se vyráběl v několika výkonových variantách. První varianta používaná v běžné Octavii měla výkon 110 kW a točivý moment 210 Nm, druhá varianta používaná v Octavii RS a měla maximální výkon 132 kW a maximální točivý moment 235 Nm [24]. Tyto dva motory se od sebe liší jen softwarem v řídící jednotce motoru [9]. Například ve vozidlech Audi TT quatro nebo Seat Leon se používala varianta tohoto motoru s výkonem 165 kW a točivým momentem 280 Nm [24]. V tomto motoru jsou už použity některé jiné komponenty, mimo jiné: vstřikovací jednotky,
36
turbodmychadlo, dva mezichladiče stlačeného vzduchu, kované písty a jiné sací a výfukové potrubí.
Mezi úpravci je tento motor poměrně oblíben, proto jeho úpravy nabízí mnoho firem. Pouhým přechipováním řídící jednotky přeplňovaného motoru 1,8 T (132 kW) vzroste jeho výkon podle [25] na 139 kW, což není nijak výrazný nárůst, ovšem hodnota maximálního točivého momentu se zvýší o 95 Nm na konečnou hodnotu 330 Nm. U jiného úpravce jsou hodnoty udávané po úpravě ještě vyšší, konkrétně maximální výkon 165 kW a maximální točivý moment 335 Nm [26]. Hodnoty různých úpravců se odlišují, protože každý výrobce má svá vyzkoušená data, která přehrává v řídící jednotce. Liší se samozřejmě i další parametry, jako je spotřeba, emise a u vyšších výkonů často i životnost turbodmychadla potažmo celého motoru. Pokud se podle [27] přistoupí k výměně turbodmychadla a vstřikovacích jednotek, může se výkon při „ladění“ chipu na míru dostat i na hodnotu 171 kW a točivý moment v tomto konkrétním dosahuje 375 Nm.
Pro zajímavost lze uvést, že stejný základ (atmosférický motor 1,8 l/92 kW) má i motor v závodním speciálu Škoda Octavia Kit Car, kde upravený motor se zvětšeným zdvihovým objemem v nepřeplňované verzi dosahoval nejvyššího výkonu 194,5 kW a nejvyššího točivého momentu 245 Nm. V závodních speciálech Škoda Octavia WRC a Fabia WRC byl motor taktéž se zvětšeným zdvihovým objemem navíc vybaven turbodmychadlem. Tento motor dosahoval výkonu 221 kW a točivého momentu 600 Nm [27]. Maximální výkon je ovšem u vozidel skupiny WRC omezen pravidly, točivý moment omezen není. Poslední dva jmenované motory prošly kompletní úpravou pro použití ve vrcholných soutěžích v podmínkách továrního týmu Škoda Motorsport.
Tabulka 4: Porovnání parametrů variant motoru 1,8 l [23, 24, 25]
použití zdvihový objem
[cm3]
nejvyšší výkon [kW při ot./min]
max. točivý moment [Nm při ot./min]
sériová Octavia 1781 92/6000 170/4200
sériová Octavia 1781 110/5700 210/1750 - 4600
sériová Octavia RS 1781 132/5500 235/1950 - 5000
Octavia RS s úpravou ŘJ 1781 139/4500 330/3000 - 3500
Audi, Seat 1781 165/5900 280/2200 - 5000
Octavia Kit Car 1966 194,5/8000 245/6500
Octavia WRC 1999 221/5500 600/3250
