Výrobci automobilů jsou v současnosti nuceni hledat další rezervy a potenciál pro zlepšení pístových spalovacích motorů s cílem dosažení co nejvyšší účinnosti. Zvyšování účinnosti soudobých spalovacích motorů je ale stále složitější, protože se již limitně přibližují ke svému teoretickému maximu. Jednou z oblastí vývoje, které věnují výrobci velkou pozornost, jsou energetické ztráty v pístových spalovacích motorech (PSM). K těmto ztrátám patří i mechanické (třecí) ztráty vznikající při vzájemném pohybu dvou součástí motoru. Význam snižování mechanických ztrát se zvyšuje v souvislosti se stále se zpřísňující legislativou nejenom v EU, ale po celém světě. To nutí výrobce hledat stále nová řešení, jak tyto ztráty snížit, tím snížit spotřebu paliva i množství škodlivých emisí ve výfukových plynech a přiblížit se tak přísným limitům celkové produkce CO2. Je proto ví- tanou skutečností, že na liberecké fakultě strojní vyvinul tým katedry vozidel a motorů nový způsob měření mechanických ztrát spalovacího motoru. Liberecká fakulta strojní pak následně získala patent na „Způsob měření mechanických ztrát pístového motoru jeho protáčením a zařízení k provádění tohoto způsobu“. Díky tomuto patentu je možné provádět měření mechanických ztrát PSM za téměř stejných podmínek jako při reálném provozu, kdy probíhá spalování. Třením se ztrácí až 25 % vyprodukované mechanické energie motoru Velikost třecích ztrát závisí na kvalitě povrchu třecích ploch součástek, na jejich měrném zatížení a vzájemné rychlosti a také na kvalitě mazání. Postupně se v průběhu minulých let dařilo třecí ztráty snižovat zlepšeným konstrukčním provedením dílů motoru, začaly se využívat nové materiály, kvalitnější mazací oleje a výrazně se díky novým technologiím – například povlakováním – zvýšila kvalita povrchů součástek. „V současné době tvoří třecí ztráty – konkrétně tření pístů ve válci a tření v ložiskách motoru – zhruba 20 až 25 % z celkové mechanické energie, vyprodukované spalováním paliva ve válcích motoru. Největší podíl – cca 40 až 50 % – na třecích ztrátách v PSM mají ztráty třením pístové skupiny (pístu a pístních kroužků). Možnosti jejich dalšího snižování zajímají všechny motoráře,“ konstatuje profesor Beroun, který se měřením mechanických ztrát ve spalovacích motorech zabývá řadu let a stál před deseti lety i u zrodu zkušební stanice v laboratoři katedry vozidel a motorů na Fakultě strojní Technické univerzity v Liberci. Je také vedoucím týmu, který získal výše zmiňovaný patent. Podstatou inovace je stlačený vzduch Doposud se mechanické ztráty třením v PSM zjišťují tak, že motor se na speciálním zkušebním zařízení protáčí pomocí řízeného elektromotoru nebo dynamometru a měří se velikost hnacího momentu. Detailně se přitom proměřují i další parametry, podle kterých lze usuzovat na velikost třecích ztrát. Důležité jsou i teploty chladicí kapaliny a mazacího oleje v motoru. Při tomto způsobu měření ale nedochází ke spalování a ve válcích jsou pak relativně nízké maximální tlaky (zhruba 18 až 25 barů). Při skutečném provozu jsou ve válcích motoru při spalování paliva maximální tlaky více než trojnásobně vyšší. Měření třecích ztrát není proto při takovém protáčení PSM objektivní. „Asi před třemi lety nás napadla možnost zvýšit tlak přívodem určitého množství stlačeného vzduchu do válce v dolní úvrati (na počátku kompresního zdvihu) pomocí speciálního samočinného jednocestného ventilku tak, aby na konci komprese ve válci byly tlaky srovnatelné se spalovacími tlaky za běžného chodu motoru, to je zhruba třikrát vyšší než při měření pouhým roztáčením. Motor byl pro takové měření ještě upraven vyřazením ventilového rozvodu tak, aby všechny ventily v hlavě válců byly trvale zavřené: tato úprava je sice zásadním zásahem do funkčního stavu motoru, z hlediska třecích ztrát na pístové skupině je však výhodou. Zpočátku se to zdálo jednoduché, ale ten samočinný ventilek nás dost potrápil,“ přibližuje nový způsob měření profesor Beroun. Stlačený vzduch je k samočinným ventilkům přiváděn ze zásobníku s regulovaným tlakem podle požadavků na kompresní tlak. Doplňování vzduchu do válců se uskutečňuje v rozmezí Δα, kdy se píst pohybuje kolem dolní úvrati (viz graf 1). Samočinný jednocestný ventilek musí kromě požadavků na průtočnost do válce a těsnost v opačném směru vyhovovat i dynamicky. Princip nového způsobu měření je založen na trvalém přívodu velmi malých dávek tlakového vzduchu z externího zásobníku stlačeného vzduchu do válce PSM. „Speciálním proporcionálním tlakovým ventilem regulujeme množství vzduchu přivedeného do válce v dolní úvrati a tím můžeme dosáhnout zvýšení tlaku na začátku komprese. Vzhledem k tomu, že jsou odpojené a trvale zavřené sací a výfukové ventily, zůstává v podstatě stejný tlak i po expanzi, kdy se píst znovu dostane do dolní úvrati. Takto speciálně upravený motor se protáčí frekvenčně řízeným elektromotorem na speciálním stanovišti při dodržování stejných teplotních podmínek chladicí kapaliny i motorového oleje jako při reálném provozu, kdy probíhá ve válci spalování. Přitom se měří hnací moment motoru a další provozní veličiny zahrnující otáčky motoru, teploty a tlaky. Inovativní změna, kterou jsme patentovali, je v tom, že dokážeme při protáčení motoru vefukováním malého množství stlačeného vzduchu v dolní úvrati zvýšit hodnoty maximálních tlaků až na reálné velikosti při provozním spalování, což je u benzínových motorů 50 až 70 barů,“ říká člen týmu Radek Procházka. Jednou z možných aplikací tohoto způsobu protáčení motoru může být podle něj i testování vlivu pístních kroužku pístních kroužků na třecí ztráty motoru z hlediska různých materiálů, povrchových úprav, tvarů nebo jiných konstrukčních řešení. Multifunkč ní šroub místo zapalovací svíčky Při měření třecích ztrát se používá maketa zážehového spalovacího motoru, ve které je ve vývrtu hlavy válců motoru místo zapalovací svíčky umístěn multifunkční šroub, který rozměrově zapalovací svíčce odpovídá. V multifunkčním šroubu je samočinný jednocestný ventilek pro přívod tlakového vzduchu, tlakový snímač k měření tlaku ve válci motoru a dekompresní šroub. Multifunkční šroub je opatřen samostatnými otvory pro zmíněné komponenty, které jsou zaústěny do pracovního prostoru ve válcích motoru. „V samočinném jednocestném ventilku je aktuálně jako těsnicí element kovová destička, která má při doplňování vzduchu do válce zdvih cca 0,4 mm. V průběhu vývoje ventilku jsme použili několik variant provedení těsnicího elementu, které se však z různých důvodů, jako je například netěsnost, neosvědčily,“ říká Radek Procházka s tím, že měření tlaku ve válci spalovacího motoru umožňuje zkoumat a analyzovat děje probíhající při protáčení PSM. Měří se přesně průběh tlaku při kompresním zdvihu a při expanzi. Z měřeného průběhu tlaku se pak termodynamickou analýzou vyhodnocují i termodynamické ztráty ve válci. Vývoj pokračuje dál ve druhé fázi Způsob měření, jehož funkčnost již mají v Liberci ověřenou, vyžaduje úpravu motoru spočívající ve vyřazení ventilového rozvodu. Podle vedoucího katedry vozidel a motorů Roberta Voženílka a spoluautora patentu se jedná o jednoduchou a vratnou úpravu při zástavbě motoru do zkušebního zařízení. Vývoj však pokračuje dál a tým profesora Berouna již pracuje na další variantě tohoto způsobu měření. Ve druhém případě zůstává motor ve standardním provedení včetně funkčních ventilů, takže probíhá i výměna náplně válců. Upraví se ale tak, že z výfukového potrubí se náplň, kterou písty vytlačují ven, převádí zpět do sacího potrubí, a zůstává tak v uzavřeném oběhu. „V tom uzavřeném oběhu se při protáčení motoru elektromotorem postupně rovněž pomocí přívodu stlačeného vzduchu do sacího potrubí zvyšuje tlak ve válci na začátku komprese pro dosažení kompresních tlaků až na úroveň maximálních tlaků při standardním provozu motoru,“ vysvětluje Robert Voženílek. Dodává, že o výsledky výzkumu už projevili zájem renomovaní výrobci spalovacích motorů a jejich komponent. „Náš výzkum jim může pomoci nalézt optimální komponenty od různých výrobců z hlediska mechanických ztrát a spolehlivě si ověřit vlastnosti jednotlivých komponent z hlediska třecích ztrát,“ doplňuje. Spalovací motory mají budoucnost Tým pracovníků katedry vozidel a motorů z Fakulty strojní TUL se považuje za část velké rodiny vývojářů a výrobců, která fandí dalšímu vývoji a zlepšování spalovacích motorů a snaží se pracovat na optimalizaci vlastností různých komponentů a zlepšování spalovacích motorů. „Soustavná vývojová práce na zdokonalování spalovacích motorů přináší další zlepšení, včetně snižování emisí. Na tom se pořád pracuje a je to nikdy nekončící proces. Osobně si myslím, že největší šanci v blízké budoucnosti pro splnění všech legislativních požadavků mají ve vozidlech kombinace pohonů, kdy se budou využívat v určitých jízdních režimech výhody různých typů pohonů. Každý pohon, ať už je to spalovací motor, nebo elektromotor, s sebou přináší i určitou ekologickou zátěž pro své okolí a je třeba pohony vždy posuzovat jako celek, včetně jejich výroby a recyklace,“ říká Robert Voženílek s tím, že vývoj a výzkum spalovacích motorů na liberecké „strojárně“ pokračuje a zapojují se do něj i studenti: „Dbáme ve výuce na propojení teorie a praxe. Naším cílem je vychovávat pro automobilový průmysl kvalitní odborníky, kteří budou mít významnou roli při dalším vývoji pohonů vozidel – třeba i těch využívajících vodík, který je nejčistším palivem budoucnosti.“/Jaroslava Kočárková/
