Novinky

Odeslat stránku emailem

Zašlete tuto stránku svým přátelům, ať se na ní také podívají.

Rozdíly mezi jednotlivými druhy automobilových motorů - 2. díl

Přinese elektrický motor konec spalovacího motoru?

Rotační spalovací motor

    Rotační motor – konkrétně Wankelův rotační motor – nemá písty, ale místo nich má rotor ve tvaru zaobleného trojúhelníku. Hlavními rozdíly oproti pístovému motoru jsou menší počet součástí, nižší vibrace a schopnost motoru fungovat při vysokých otáčkách. Motor je relativně malý, s vysokým poměrem výkonu vůči hmotnosti. Jednoduchý koncept a složitá geometrie rotačního motoru ve srovnání s pístovými motory vyvolávají vášnivé debaty o tom, proč se mu nedostává větší popularity.

    Abychom si mohli představit vnitřek rotačního motoru, musíme nejdřív vědět, co je to epitrochoida (jinak také epicykloida). Epitrochoidy jsou geometrické tvary, které vznikají pohybem bodu spojeného s geometrickým útvarem, který se odvaluje po vnějšku nebo vnitřku jiného útvaru. Pokud jste někdy použili spirograf, hráli jste si s epitrochoidami. Skříň rotačního motoru je jednoduchá epitrochoida vzniklá pohybem dvou kružnic. Uvnitř skříně se excentricky otáčí rotor, a tím se mění objem tří pracovních prostorů (komor) mezi nimi.

    Rotační motory využívají stejný čtyřdobý cyklus jako pístové motory: sání, komprese, expanze a výfuk. Otáčením rotoru se zvětšuje objem první komory, a tím se nasává vzduch a palivo – fáze sání. Jak se rotor dál otáčí, objem komory se zmenšuje, tím se stlačuje její obsah a dochází k fázi komprese. Problémem v dalším kroku je, že geometrie mezi skříní a rotorem rozděluje komoru na dva prostory. Tato protáhlá a rozdělená zapalovací komora může bránit dokonalému spalování, protože část směsi paliva se vzduchem je oddělena od zapalovací svíčky.

    Jako řešení se používají buď dvě zapalovací svíčky, nebo jedna svíčka s vybráním v rotoru, které umožňuje průchod směsi do obou prostorů komory. Běžně se používají dvě zapalovací svíčky, a automobilka Mazda u svých závodních vozů používala dokonce tři svíčky. Ve fázi expanze rozpínající se plyny otáčejí rotorem. Nakonec expanze otočí rotor do polohy, kde se ve skříni nachází výfukový kanál. Objem mezi skříní a rotorem se opět zmenší, a tím dojde k vytlačení výfukových plynů z komory – fáze výfuku.

    Rotační motory nemusejí přeměňovat přímočarý pohyb na otáčivý, nedochází u nich k prudkým změnám směru pohybu pístů, a proto vytvářejí mnohem menší vibrace. U rotační konstrukce také působí fáze expanze na větším úhlu otočení hřídele, a tím se omezuje sporadické působení momentu na klikový hřídel (od zapálení do výfuku se hřídel otočí o cca 270 stupňů, oproti 180 stupňům u pístových motorů). Jediný rotor v rotačním motoru je také srovnatelný se třemi válci u pístového motoru. Rotační motory mají často kvůli plynulému chodu dva rotory, a jsou tak srovnatelné s motory V6.

    Už v 60. letech 20. století se někteří šéfové automobilek i sledovatelé dění v oboru domnívali, že rotační konstrukce začne u osobních i nákladních aut převládat. Automobilka Mazda, první společnost, která začala rotační motory sériově vyrábět, však jejich výrobu v roce 2012 zastavila s tím, že dokud nebude mít odběr na 100 000 kusů ročně, výrobu Wankelova motoru neobnoví. Výzkum směřující k vylepšení tohoto motoru ale stále probíhá.

    Pokud má rotační motor tolik výhod, co se s ním stalo? Rotační motor může fungovat s pouhými třemi pohyblivými částmi, takže je jednoduchý a jeho údržba je snadná. Základní pístové motory mají nejméně 40 pohyblivých částí. To vedlo k určitým konspiračním teoriím o tom, jak by auto s tak malým počtem součástí připravilo firmy vyrábějící díly o miliony. Ve prospěch pístových motorů oproti rotačním ale mluví hlavně náročnost těsnění, krouticí moment při nízkých otáčkách a tepelná účinnost.

    I když Mazda některé tyto problémy řešila, stále docházelo k určité kontaminaci mezi komorami a nezamýšlené spotřebě oleje, která vedla k problémům s emisemi a účinností. Zpřísňující se regulace emisí měla na vozidla s rotačními motory neblahý vliv. Kromě toho se klikový hřídel otočí třikrát za každou otáčku rotoru. Tento poměr 3 : 1 nedokáže poskytnout konkurenceschopný krouticí moment v nízkých otáčkách (v porovnání s pístovým motorem). Proto jsou rotační motory vynikající pro aplikace se středně vysokými až vysokými otáčkami, například u letadel, plavidel a závodních vozů – ale ne pro denní dojíždění do práce.

    Tepelná účinnost rotační konstrukce je omezená kvůli větší ploše spalovacího prostoru (oproti pístovým motorům). Ta umožňuje únik tepla do skříně a rotoru. Je také třeba poznamenat, že zhruba třetina chlazení rotačního motoru se provádí olejem, takže je nezbytné olejové chlazení. Dalším problémem u rotačních motorů jsou emise. Například motor použitý v posledním vyráběném modelu Mazda RX-8 nesplňuje současné emisní normy, takže výroba aktuální konstrukce bez emisních vylepšení by dnes nebyla možná.

    Výhody rotačních motorů – menší počet součástí a nižší vibrace – byly možná důvodem, proč se některé firmy pustily do výzkumu motorů s protiběžnými písty typu OPOC (opposed-piston/opposed-cylinder). Jde o pístové motory s písty v jedné rovině, ale ve válcích umístěných naproti sobě. Při čtyřech pístech pohybujících se ve dvou protilehlých válcích a v přímém směru se díky vyvažování protichůdných sil mezi sousedními písty snižují vibrace. Také se zvyšuje počet pracovních zdvihů na jeden zdvih při každé otáčce klikového hřídele místo při každé druhé otáčce, jako je tomu u tradičních pístových motorů.

    Společnost Ecomotors v roce 2010 prohlásila, že její dvoutaktní motor OPOC dokáže dávat čtyřikrát větší výkon než čtyřtaktní motor stejné hmotnosti. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhla, bylo snížení počtu součástí. Motor OPOC s výkonem 300 koňských sil se skládá ze 62 pohyblivých částí. Běžný motor s obdobným výkonem má přibližně 385 pohyblivých částí. Protisměrné síly také znamenají, že na hlavní ložiska klikového hřídele nepůsobí žádná (nebo jen jmenovitá) síla. A díky nižším silám mohli konstruktéři vyrobit skříň motoru z lehkého hořčíku.

Elektrické motory

    Zjistit přesnou účinnost může být u elektromobilů obtížné. I když motor může mít účinnost 85 až 90 %, poté, co energie proteče měničem, akumulátorem a dobíjecím zařízením, dostane se účinnost elektromobilu někam k 70 %. Elektrické motory a akumulátory však mohou být relativně citlivé vůči kopcovitému terénu a změnám teploty, které mohou účinnost ještě snížit. Když tedy elektromobily mají vyšší účinnost než vozidla se spalovacím motorem, v podstatě žádné pohyblivé části v motoru, nulové emise a schopnost využívat regenerativní brzdění ke zvýšení účinnosti o 9 až 16 % (jak uvádějí studie), proč jsou jejich prodeje nižší, než se někteří analytici automobilového trhu domnívali?

    Z obecného pohledu zůstávají elektromobily mimo zájem průměrného člověka kvůli omezenému dojezdu, době dobíjení akumulátorů a vyšší ceně. Z technologického hlediska je největším problémem elektromobilů akumulátor. Nejvýkonnějším sériově vyráběným druhem akumulátoru jsou lithium-iontové akumulátory. Jsou však těžké, drahé a dokážou se přehřát až do bodu tepelného poškození (vzplanutí). Většina nových akumulátorových technologií se zaměřuje na nižší napětí běžná u tužkových baterií. Tyto inovace nelze jednoduše přenést na aplikace u vozidel.

    V elektromobilech se používají dva typy elektrických motorů: bezkartáčové stejnosměrné motory a třífázové asynchronní střídavé motory.

    Stejnosměrné motory fungují na principu cívky otáčivě uložené mezi póly magnetu. Stejnosměrný elektrický proud vytváří dočasné magnetické pole, které způsobí její překlopení do polohy, která je v souladu s polaritou magnetu. Elektrický přepínač (komutátor) pak proud otočí, a tím se změní její polarita. Cívka se tak bude po neomezenou dobu otáčet.

Jednoduché vysvětlení

    Mezi výhody stejnosměrných motorů patří okamžitý vysoký krouticí moment a relativní efektivita nákladů. K nevýhodám patří skutečnost, že by neměly běžet naprázdno, protože tak může dojít k poškození motoru. Proto nemusí být vhodná konstrukce se stejnosměrným motorem pohánějícím řemen. Pokud se řemen přetrhne, motor není zatěžován a mohl by se roztočit, až dojde k jeho katastrofální poruše. Stejnosměrné motory také nejsou ideální pro udržování rychlosti v podmínkách proměnlivého zatížení – např. elektromobil s tímto motorem by si nemusel vést dobře v kopcovitém terénu. A i když je možné otáčky stejnosměrného motoru regulovat změnou napětí, motor má maximální otáčky, za které se nemůže dostat, a z toho vyplývá i omezení maximální rychlosti.

    U střídavých motorů se používají plechy naskládané do tvaru prstence, které při připojení střídavého proudu vytvářejí magnetické pole. Mezi těmito elektromagnety je umístěn rotor. Střídavý proud způsobuje zvyšování a snižování síly magnetického pole elektromagnetů, a tím vytváří točivé magnetické pole, které generuje krouticí moment.

    Střídavé motory nabízejí vyšší moment a otáčky než stejnosměrné motory. Jsou také přizpůsobivější proměnlivým otáčkám a zatížení, takže fungují lépe v kopcích. Také snadněji přijímají energii z regenerativního brzdění než stejnosměrné motory. Ale vinutí cívky může být těžké a při použití baterií je nezbytný měnič. Celkové náklady jsou obecně u střídavého motoru vyšší než u srovnatelného stejnosměrného motoru.

    Střídavé i stejnosměrné motory celkem vzato mají u silničních i terénních vozidel své uplatnění. Ale aby se elektromotory a elektromobily staly životaschopnou alternativou, bude to vyžadovat významné pokroky v technologii akumulátorů. Současný způsob ukládání energie k pohonu elektromobilů příliš zvyšuje jejich hmotnost, a poměr hmotnosti k výkonu je tak příliš vysoký. Existují také problémy s pomalým dobíjením a ekologickou likvidací.

    Analýza životního cyklu uveřejněná Unií angažovaných vědců (Union of Concerned Scientists) ukazuje, že při výrobě elektromobilu s dojezdem 135 km vzniká zhruba o 15 % víc emisí než u běžného automobilu. Tento rozdíl se může během jednoho roku ježdění vyrovnat a za celý svůj životní cyklus – včetně výroby – vytvoří elektromobil o polovinu méně znečišťujících látek. Vzhledem k přijímaným úmluvám, jako je Pařížská klimatická dohoda, a snahám o přechod k tzv. uhlíkově neutrální společnosti v průběhu nadcházejících let proto zřejmě budeme vídat elektromobily na silnicích čím dál tím častěji.

    K dosažení optimální účinnosti je však potřeba více technologií, podobně jako u mnoha jiných. Vzhledem k aktuálnímu stavu v oblasti akumulátorů vznikají kombinace menších spalovacích motorů s technologiemi elektrického pohonu, díky kterým se zdá být splnění emisních norem pro rok 2025 (54,5 mg) jednodušší, než se mnozí možná původně domnívali. Pokud hybridní inovace u konstrukcí spalovacích motorů nezlepšují parametry pístového motoru a nezaručují jeho další vzestup, přinejmenším u něj vylepšují křivku klesajících výnosů a prodlužují dobu existence spalovacích motorů – alespoň prozatím.

Předchozí díl

zdroj: machinedesign.com