Chceli by ste konečne vedieť ako funguje motor vo vašom aute a rozumieť servisákovi, keď spomína rozvody či ventily? Tak vám odporúčame prečítať si dnešnú časť nášho seriálu. 

Ako výbuch točí kolesami

Klasický spaľovací motor funguje na princípe zväčšovania objemu (expanzie) plynov pri ich výbuchu (vlastne horení paliva). Ak by sme nechali horľavinu vybuchnúť na voľnom priestranstve, nezískame nič len tlakovú vlnu a pekný ohňostroj.

Ak by sme horľavinu uzavreli napríklad v plechovke, roztrhlo by ju. Ak by sme však jedno dno plechovky nechali otvorené, všetka zväčšujúca sa zmes plynu by začala unikať týmto smerom. A kedysi dakoho napadlo: „Počkať, čo keby sme namiesto pevného dna do plechovky upevnili pohyblivé (piest) a pokúsili sa ho tesne pred vyletením von zastaviť, potom z nej dostať už zhorený sajrajt, znovu ju naplniť horľavým, a toto celé dokola opakovať?". No a tak nejak nejak veľmi zjednodušene vznikla myšlienka piestneho spaľovacieho motora. Vlastne trochu zavádzam, pretože piestne motory už existovali v podobne parných, no prebiehali v nich iné procesy. Ale pre pochopenie to pomôže.

Máme teda piest, ktorý sa pohybuje vo valci. Aby bolo možné spomínaný proces pravidelne opakovať, bol vymyslený piestny spaľovací motor. Najčastejšie ho poznáme so štyrmi taktmi. Jeden - zväčšenie objemu pri výbuchu, expanziu - už poznáme.

Existujú aj iné ako piestne spaľovacie motory ale tie sú u osobných áut v menšine. Jedným z nich je tzv. wankel (s akýmsi rotujúcim trojuhoľníkom), ktorý si vysvetlíme niekedy nabudúce.

Valec a piest (cylinder and piston)

Majme jednouchý valec s oboma koncami otvorenými (naša plechovka sa teraz preto volá vložka valca). Vnútri sa nachádza piest (pohyblivé dno našej plechovky), ktorý sa v ňom pohybuje čo možno najplynulejšie hore a dole. Nikdy však úplne nevyjde z valca.

Kľukový hriadeľ (kľukovka; crankshaft)

Aby mohol byť pohyb hore a dole premenený na otočný (to potrebujeme kvôli celkom markantnému vynálezu menom koleso) musíme k piestu pripojiť ďalšie zariadenie. Tým bude systém pozostávajúci zo špeciálne „ohnutej tyče" (kľukový hriadeľ alias kľukovka), ktorá sa bude otáčať dokola jedným smerom. To dosiahneme relatívne jednoducho.

Bavme sa zatiaľ o jednovalcovom motore - ak bude mať tyč tvar písmena U, uchytíme ju na jej koncoch tak, aby sa voľne otáčala a jej stred prepojíme flexibilne s našim piestom, máme spodnú časť (niekedy slangovo aj „spodok", bottom end) spaľovacieho motora.

Flexibilne pomocou tyčky (ojničného čapu) uchytená tyčka v tvare Y (ojnica) prepojujúca naše „účko" (kľukovku) ním začne postupne otáčať okolo jej osi / úchytu (uloženie kľukového hriadeľa). Zatiaľ sa však otočí možno tak jednu necelú otáčku, budeme mu preto musieť ešte vo veľa veciach pomôcť.

Úlohou kľukovky je zároveň vyvážiť aj nevyrovnané rozdelenie hmotnosti. Preto sa na jej opačnej strane ako ojnica nachádza závažie. Bez neho by motor vibroval ako tatramatka s kameňom vo vnútri a mal by životnosť ako letná expresovka.

Teraz musíme proces dodávky a odstránenia spáleného paliva nejako automatizovať - pravidelne plniť valec zmesou na zapálenie a vyberať z neho „spálený bordel". Budú sa v ňom preto striedať štyri takty (v tomto poradí pre jeden valec): sanie (nasávanie paliva do zväčšujúceho sa otvoreného priestoru valca), kompresia (stláčanie zmesi paliva a vzduchu v uzavretom valci), expanzia (výbuch a zväčšovanie objemu zmesi paliva a vzduchu v uzavretom valci; tento takt nás v skutočnosti ako jediný poháňa), výfuk (vytláčanie zvyšku spálenej zmesi von z otvoreného valca zmenšovaním jeho objemu)

Hlava valcov (cylinder head)

Ako ste si mohli všimnúť, musíme priestor valca striedavo otvárať a zatvárať. Mohli by sme to teoreticky robiť pomocou pevného vrchnáku a dier v pieste ale to by bolo z praktického hľadiska komplikované. Preto na druhý koniec valca, cez ktorý nám netrčí von tyčka (ojnica), nasadíme špeciálny kus kovu (hlavu), ktorá bude mať v sebe diery a potrubia (sacie a výfukové kanály). Cez ne privedieme do motora zmes na spálenie a vypustíme von už spálenú zmes.

Aby sme mohli regulovať, kedy zmes vypúšťame a napúšťame, potrebujeme diery striedavo zatvárať a otvárať. Na to použijeme ventily. Na rozdiel od dvojtaktného motora, naše budú obojsmerné a pokiaľ budú otvorené, zmes môže teoreticky prúdiť do aj z valca.

V praxi je ventil klasického motora väčšinou jednoduchá tyčka s platničkou na konci (v praxi to nie je také jednoduché). Keď na tyčku zatlačíme, vo väčšine motorov sa vsunie do priestoru valca a tak otvorí patričný otvor. Keď tyčku uvoľníme vysunie sa naspäť von z valca (za pomoci pružiny). Každý valec klasického motora má minimálne dva ventily - jeden pre privedenie zmesi (sací ventil) a jeden pre jej odstránenie (výfukový ventil). Dnes sa však u spaľovacích motorov používajú často 4 ventily na valec (2 sacie, 2 výfukové). U štvorvalca to potom znamená spolu 16 ventilov (toť známa skratka 16V). Môže ich byť ale aj nepárne množstvo (napr. 3 u staršej Hondy Civic alebo naftového Citroenu XM, alebo 5 u známeho motora VW 1,8 20V).

Vačkový hriadeľ (camshaft)

Ako však dosiahneme, aby bola celá doprava zmesi plus otváranie a zatváranie valca automatizované? Pomocou vačkového hriadeľu (tzv. vačka). Ide o tyč s špeciálnymi výbežkami („vačkami"), ktorá sa otáča okolo svojej osi. Keď treba, výbežok zatlačí na tyčku (ventil) a posunie ju do valca.

Možno to pre neznalých znie zvláštne, no tvar spomínaného výbežku (vačky) radikálne ovplyvňuje beh motora a definuje (spolu s ďalšími faktormi) jeho charakteristiky ako priebeh výkonu a krútiaceho momentu. Viete totiž regulovať, ako veľmi aj ako dlho je ventil otvorený a zatvorený aj ako dlho sa otvára a zatvára.

Niektoré nové autá už využívajú vačku ale elektronicky resp. hydraulicky otvárané ventily. Napr. dvojvalec od Fiatu alebo motor v Koenigseggu.

U viac ventilov ako dva na valec sa väčšinou používa viac vačkových hriadeľov. Najčastejšie v konfigurácii Double OverHead Cam (DOHC, dve vačky umiestnené nad hlavou). Známe motory zo starých škovodoviek využívali OverHead Valve konfiguráciu (OHV, jedna vačka umiestnená dole pri kľukovke, s ventilmi prepojená rozvodovými tyčkami a vahadlami)

Rozvodový remeň, rozvodová reťaz (timing belt, timing chain)

Vačku tiež musíme nejakým spôsobom prepojiť so zvyškom motora, inak by motor nefungoval. V drvivej väčšiny prípadov je vačka prepojená s kľukovkou, buď pomocou rozvodového remeňa alebo reťaze (slangovo aj rozvody). Najčastejšie tak, že ozubené koliesko na vačke je dva krát väčšie ako to na kľukovke.

Kľukovka sa totiž väčšinou otáča dva krát tak rýchlo ako vačka. Dôvodom je, že za jednu kompletnú otočku dôjde u viac valcových motorov k dvom expanziám - piest je hore, zmes sa zapálila a začína ho tlačiť dole, medzitým však už ďalší piest ide hore a stláča zmes. Keď sa dostane hore a palivo sa zapáli prešlo 180 stupňov - polovica otáčky. Pre niekoho možno trochu zvláštne počítanie no u motora sa často stretnete s časovaním v stupňoch (ako uhol).

V prípade roztrhnutia remeňa alebo reťaze budete možno spomínať katastrofické biblické výjavy, pretože to je prípad, keď ventily zastanú (a jeden zrejme uprostred valca) a piesty sa stále hýbu. Potom šanca na poškodenie motora závisí od toho, či máte tzv. interference motor (kde ventily zasahujú pri behu do priestoru, v ktorom sa pohybuje aj piest; napr. Škoda Fabia HTP) alebo non-interference motor (kde ventily nezasahujú do priestoru pohybu piestu; dosiahnuť je to možné napr. o niečo vyšším výrezom v hlave; napr motor v Mazde MX-5).

Ak máte interference motor, v jednom z valcov sa vám tak zrejme „stretne" piest a ventil, s najväčšou pravdepodobnosťou veľmi deštruktívnym spôsobom. Ventil je piestom natlačený na kraj spaľovacieho priestoru a môže spôsobiť hocičo od deformácie ventilu po deformáciu hlavy, piestu, vložky a v extrémnom prípade aj zadretie piesta. Preto keď príde čas na výmenu rozvodového remeňa alebo reťaze, neváhajte. Nestojí to extrémne veľa no v prípade zanedbania jeho výmeny si môžete zničiť motor.

Ak máte non-interference motor, ventily nikdy nezasahujú do priestoru pohybu piestu a preto sa podobný scenár nemôže nikdy odohrať, ani pri roztrhnutí rozvodov. Môžete však poškodiť ozubené kolesá poháňajúce vačkový hriadeľ alebo sa môžu navzájom stretnúť dva ventily.

Mazanie (lubrication, oiling)

Aj s tým čo sme si zatiaľ vysvetlili motor stále nebude fungovať, resp. rýchlo by zastal. Dotýka sa totiž všade kov o kov. Preto musíme použiť olej. Ojnica je upevnená o kľukovku pomocou ojničného ložiska (šálky, v praxi kus plechu) a nakoľko sa tu nedá väčšinou použiť klasické valčekové ložisko, musíme neustále mazať miesto ich kontaktu. Je to riešené väčšinou pomocou olejových kanálikov v kľukovke, z ktorých neustále strieka olej.

Aby sa tak dialo, olejové čerpadlo musí vytvárať tlak oleja. Preto má väčšina áut kontrolku mazania, ktorá sa zapne v momente, keď tlak oleja klesne pod kritickú hranicu. V takomto momente okamžite vypnite motor a zastaňte, inak si môžete zadrieť motor (kov o kov).

Mazať musíme aj samotný piest. Tu však čelíme problému, ako dosiahnuť, aby sa olej nedostal do priestoru, kde spaľujeme zmes. Na to sa využívajú piesne krúžky - tesnenie medzi piestom a stenou valca (vložky). Je ich niekoľko pričom sú často tri - dva horné slúži na udržanie kompresie vo valci a na stieranie oleja zo stien valca. Dolný pomáha prívodu oleja.

Motor nám už maže, dá sa ním točiť („jakš takš") no zatiaľ nič nevybuchuje. Ak sa bavíme o benzínovom motore, musíme palivo zapáliť v správny čas, pomocou sviečky. Tá nie je nič iné ako medzera medzi dvoma kúskami kovu. Ak na ne privediete dostatočne vysoké napätie (tisícky voltov), preskočí medzi nimi iskra.

Ideálny čas zapálenia je tesne predtým, keď je piest úplne hore (tzv. horná úvrať). Musíme to spraviť tak, aby nám do momentu, kedy piest začne klesať, stihla zhorieť všetka zmes. Preto jej musíme dať chvíľu čas a zapáliť ju s predstihom. A práve predstih je jeden z parametrov zapaľovania.

Presný čas horenia viacmenej vieme, aj že závisí od oktánového čísla a teploty, ale problém je v regulácii.

Zároveň môžeme mať problém aj so samozapálením paliva skôr ako by sme chceli. Tento jav sa nazýva detonačné horenie, resp. klepanie. Dochádza k nemu napríklad pri príliš vysokom kompresnom tlaku (zmes stláčame priveľa) alebo pri príliš vysokom predstihu. Akú tendenciu má motor s daným palivom klepať je dané jeho oktánovým číslom (u nafty je to obdobne cetanové číslo).

Čím je nižšia kompresia, tým menšie oktánové číslo nám stačí a opačne. Preto napríklad starým americkým autám stačilo menej oktánové palivo - mali menší kompresný tlak. To vplýva dobre aj na životnosť motora, znižuje však jeho efektivitu a zhoršuje spotrebu. Naftové autá majú vyšší kompresný tlak, pretože musia zapáliť palivo jeho samotným stlačením.

Benzínové autá majú kompersný pomer cca do 1:10, s výnimkou nových motorov Mazda Skyactiv (1:14) a súťažných motorov (F1 malo aj 1:17). Naftové motory by mali mať minimálne 1:14, v praxi však viac, až po 1:23, opäť napríklad s výnimkou Mazdy, ktorá má znovu 1:14.

Rozdeľovač (distributor)

Preto bol vymyslený rozdeľovač (dnes ho nahradilo elektronické zapaľovanie s riadiacou jednotkou). Jeho úlohou je, okrem rozdeľovania iskry pre správny valec, regulovať predstih zapálenia zmesi sviečkou (zážihu) v závislosti na otáčkach motora. Najčastejšie je rozdeľovač poháňaný priamo vačkou pomocou mechanického prepojenia.

Rozdeľovač však „pozná" len uhol, pri ktorom má zapaľovať zmes. Nevie vypočítať čas. So zvyšujúcimi sa otáčkami si preto musí nejako vypočítať, ako má meniť uhol zapálenia, aby udržal konštantný (resp. žiadaný) čas horenia zmesi. Na to slúžia rôzne mechanické regulácie, najčastejšie odstredivá. Vďaka nej sa bude so zvyšujúcimi otáčkami zväčšovať aj predstih zapaľovania.

U novodových áut to je o niečo jednoduchšie aj keď vlastne komplikovanejšie. Vďaka induktívnemu snímaču na zotrvačníku dokážeme snímať polohu motora a elektronickej jednotke tento údaj stačí. Môže totiž vytvoriť iskru pre sviečku v takmer ľubovoľnom momente. Práve toto je jeden z parametrov, ktoré meníte pri chiptuningu.

Ide zjednodušene povedané o veľký kus materiálu upevneného na osi kľukovky, na jej konci. Plní niekoľko úloh. Umožňuje motor naštartovať - má na svojom obvode ozubenie pre elektromotor štartéru a vytvára nevyhnutný zotrvačný moment pre udržanie motoru v chode. Pomáha motoru akoby zotrvačnosťou sa pretočiť až k momentu ďalšej expanzie a zároveň tlmí rázy medzi momentami, kedy v žiadnom valci neprebieha expanzia. U niektorých motorov zároveň udržiava správny smer rotácie.

Zostáva nám ešte dopraviť do valcov palivo. Tejto úlohe sme sa už venovali v článku o karburátoroch a vstrekovaniach, preto dnes vysvetlím len mechanickú časť procesu. V spomínanom článku sme sa venovali aj rozdielu medzi naftovým a benzínovým motorom.

Zmes paliva teda musíme dostať do valca. Najstarším spôsobom je jej opakované naliatie do sacieho potrubia, ktoré ústi k sacím ventilom. Keď sa ventil otvorí, zmes je podtlakom sama nasatá do valca. Nové autá využívajú často aj viacbodové vstrekovanie, kde je zmes do potrubia vstreknutá na niekoľkých miestach, najčastejšie - čo valec, to vstrekovač. Najnovšie sa začalo používať priame vstrekovanie, ktoré pomocou vysokého tlaku a injektora vstrekne palivo priamo do valca v správny moment. Vďaka tomu je za určitých podmienok možné zmazať rozdiel medzi benzínovým a naftovým motorom. Existujú aj kombinácie priameho a nepriameho vstrekovania.

Výfuk je jednoduchý - otvorí sa výfukový ventil a piest vytlačí spálenú zmes von z valca do výfukového potrubia. Jeho tvar závisí od auta a počtu valcov. Často sa využíva aj na vytvorenie protitlaku pre plynulejší chod motora. V ideálnom prípade sú všetky výfukové trubky z valcov rovnako dlhé, hoci nemusia mať zákonite rovnaký tvar. To, ako sa zároveň v potrubí striedajú tlaky rôznych valcov, ovplyvňuje okrem iného zvuk auta.

1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16 - koľko je „libo" valcov?

V princípe platí - čím viac valcov, tým plynulejší chod motora. To ste si už určite všimli u HTP trojvalca napríklad vo Fabii. Na voľnobeh sa v porovnaní so štvorvalcom celkom slušne klepe. Na druhom konci máme napríklad 16 valce, na ktoré dokážete postaviť počas ich behu pokojne aj mincu.

V praxi najčastejšie existujú: radové motory - valce vedľa seba (napr. klasický štvorvalec, trojvalec, u Audi aj päťvalec, u BMW šesťvalec; kedysi sa používali aj osem a viac valcové radové motory) protibežné / boxer motory - páry valcov sú umiestnené oproti sebe (napr. motory Subaru a Porsche) „V" motory - valce vo dvoch radoch navzájom v uhle do „V" (V8, V6, aj V4 napr. v Lancii Fulvia); u malého uhla a použitia jednej hlavy osú značované aj ako VR - V Redukované ( VR5 v Seate Leon a VR6 vo VW Corrado)

Na druhej strane, viac valcov = viac dielov = vyššia hmotnosť, cena, komplikovanosť a väčšinou aj spotreba. Preto sa výrobcovia snažia počet valcov eliminovať a dekádami osvedčený štvorvalec sa môže postupne stať novodobým štandardom plynulého chodu, zatiaľ čo trojvalce sa stanú novodobým štvorvalcom.

Nakoľko už nemáme len jeden valec ale viac, potrebujeme aj inú kľukovku - predĺženú, aby dokázala hýbať zároveň niekoľkými piestami.

Pokračujeme budúci týždeň s druhou časťou, kde si vysvetlíme presnejšie, prečo „buble" Mustang inak ako Ferrari.

Ak nájdete v článku nejaké chyby a nepresnosti, prosím napíšte nám. Pod článok sme pridali video s animáciou štvorvalcového spaľovacieho motora.

Autor: DK Zdroje: malaysiaminilover.com, Encyclopedia Britanica, cheapcarrentalalicante.com, alibaba.com, racingpartsmaximum.com, breackneckspeeds.com, dyitrade.com, speeddoctor.net

AKO TO FUNGUJE: Spaľovací motor „po lopate"

Výber pre vás