Většina lidí ví, že Ford Model T byl prvním skutečně dostupným automobilem. Ale víte, jaký to mělo motor? Původní Model T, uvedený na trh v roce 1908, obsahoval 2,9litrový čtyřválcový motor s výkonem pouhých 22 koní.
To je na svou velikost nepatrný výkon ve srovnání se současnými motory, ale určitě porazil motor v tom, co je považováno za první automobil - Benz Patent Motorwagen z roku 1885. Toto auto mělo jednopístový motor a generovalo jen dvě třetiny jednoho koňského výkonu.
Jak je vidět, automobilové motory procházejí neustálým vývojem od samého počátku automobilismu. Dnes jsou výkonnější, tišší, odolnější, méně znečišťující a hospodárnější než kdykoli předtím, a to díky neustálému pokroku v konstrukci a technologii motorů.
Automobiloví inženýři neustále pracují na způsobech, jak vylepšit spalovací motor a přenést jej do budoucnosti. Kolik dalších vynálezů znáte, které byly nepřetržitě zdokonalovány více než 150 let?
V tomto článku se podíváme na 10 největších a nejvýznamnějších vylepšení motoru všech dob. Od vstřikování paliva po hybridní motory se podíváme na to, kde motory byly, a doufejme, že získáme nějaký přehled o tom, kam směřují.
ObsahVýhody: Úspornější, méně znečišťující
Nevýhody: Složitější, dražší na výrobu
Pamatujete si ten Benz Patent Motorwagen, o kterém jsme mluvili? Kromě toho, že měl jeden píst nebo válec, byl to dvoudobý motor, jako mnoho raných motorů. Zdvih odkazuje na pohyb pístu v motoru.
Čtyřdobé motory byly jedním z prvních vylepšení spalovacích motorů na konci 19. století. U čtyřdobého motoru existují čtyři kroky, které motor při spalování benzínu dělá:sání, komprese, výkon a výfuk [zdroj:CompGoParts.com]. Všechny tyto kroky nastanou, když se píst dvakrát pohybuje nahoru a dolů.
Dřívější, jednodušší dvoudobé motory plní stejný úkol – spalují benzín k vytvoření mechanického pohybu – ale dělají to ve dvou krocích. Dnes se dvoutaktní motory nacházejí na malých zařízeních, jako jsou sekačky na trávu, malé motocykly a velké průmyslové motory. Téměř všechna auta používají čtyřtaktní cyklus.
Čtyřtaktní motory mají několik výhod, včetně zlepšené spotřeby paliva, delší životnosti, většího výkonu a točivého momentu a čistších emisí. Ve srovnání s dvoudobými motory jsou však složitější a dražší na výrobu a vyžadují použití ventilů pro sání a výfuk plynů.
Navzdory tomu se čtyřtaktní motory staly průmyslovým standardem pro automobily a pravděpodobně v brzké době nezmizí. Více o roli ventilů ao tom, jak byly vylepšeny, se dozvíme později v tomto článku.
Dále se dozvíme o nucené indukci a o tom, jak se dostala z letadel do běžných automobilů.
Výhody: Vyšší výkon bez zvětšení velikosti motoru
Nevýhody: Spotřeba paliva, prodleva turba
Motor potřebuje ke generování pohybu tři věci:palivo, vzduch a zapalování. Nacpáním více vzduchu do motoru se zvýší výkon generovaný písty motoru. Dlouhodobým způsobem, jak toho dosáhnout a který se v poslední době stává stále populárnějším, je použití nucené indukce. Tento proces možná znáte lépe podle částí, které jej umožňují – turbodmychadla a kompresory.
V motoru s nuceným oběhem je vzduch vháněn do spalovací komory pod vyšším tlakem než obvykle, čímž vzniká vyšší komprese a větší výkon z každého zdvihu motoru [zdroj:Bowman]. Turbodmychadla a kompresory jsou v podstatě vzduchové kompresory, které vhánějí více vzduchu do motoru.
Nucené indukční systémy byly používány na leteckých motorech dlouho předtím, než se začaly přidávat do automobilových motorů ve 20. letech 20. století. Jsou zvláště výhodné pro malé motory, protože dokážou generovat spoustu výkonu navíc, aniž by zvětšili velikost motoru nebo způsobili dramatický pokles spotřeby paliva.
Dobrým příkladem je přeplňovaný Mini Cooper S, který má pouze 1,6litrový motor, ale v některých aplikacích produkuje více než 200 koní. Navíc vysoce výkonná auta jako Porsche 911 Turbo nebo Corvette ZR-1 využívají nucenou indukci k dosažení ohromného nárůstu výkonu.
Nevýhody? Auta, která mají turbodmychadla, často vyžadují prémiový benzín. Pak je tu problém turbo lag , kde nárůst výkonu není cítit, dokud se turbodmychadlo nerozběhne při vyšších otáčkách za minutu (RPM). Inženýři v posledních letech pomohli snížit obě tyto nevýhody.
A s tím, jak se zpřísňují normy pro spotřebu paliva a emise, mnoho výrobců automobilů přechází na nucenou indukci u menších motorů namísto výroby větších motorů. Například u nejnovějšího Hyundai Sonata už není vrcholným motorem, který si můžete koupit, V6, ale přeplňovaný čtyřválec.
Dále probereme, proč se karburátory staly díky vstřikování paliva prakticky minulostí.
Výhody: Lepší odezva na plyn, zvýšená spotřeba paliva, větší výkon, snadnější startování
Nevýhody: Složitější a potenciálně nákladné opravy
Po desetiletí byl preferovanou metodou pro míchání paliva a vzduchu a jeho ukládání do spalovací komory motoru karburátor. Sešlápněte plynový pedál na plný plyn a karburátor vpustí do motoru více vzduchu a paliva.
Od konce 80. let byly karburátory téměř zcela nahrazeny vstřikováním paliva, což je daleko sofistikovanější a efektivnější systém míchání paliva a vzduchu. Vstřikovače paliva vstřikují benzín do sacího potrubí vzduchu, kde se palivo a vzduch mísí do jemné mlhy. Tato směs je přiváděna do spalovací komory ventily na každém válci během procesu sání. Palubní počítač motoru řídí proces vstřikování paliva.
Proč tedy vstřikování paliva nahradilo karburátor? Jednoduše řečeno, vstřikování paliva prostě funguje lépe ve všech ohledech. Počítačem řízené motory se vstřikováním paliva se snáze startují, zvláště v chladných dnech, kdy by karburátory mohly věci zkomplikovat. Motory se vstřikováním paliva jsou také účinnější a lépe reagují na změny plynu [zdroj:Automedia].
Mají nevýhody ve smyslu jejich zvýšené složitosti. Systémy vstřikování paliva jsou také nákladnější na opravu než karburátory. Staly se však průmyslovým standardem pro dodávku paliva a nezdá se, že by se karburátory v dohledné době vrátily.
V této další části probereme další krok v technologii vstřikování paliva známé jako přímé vstřikování.
Výhody: Vyšší výkon, lepší spotřeba paliva
Nevýhody: Nákladnější výroba, relativně nová technologie
Přímé vstřikování je dalším zdokonalením vstřikování paliva. Jak jste možná uhodli z názvu, umožňuje vstřikování paliva „přeskočit krok“, což zvyšuje účinnost motoru a v důsledku toho větší výkon a lepší spotřebu paliva.
U motoru s přímým vstřikováním se palivo stříká přímo do spalovací komory, nikoli do sacího potrubí vzduchu. Počítače motoru se pak postarají o to, aby bylo palivo spáleno přesně tehdy a tam, kde je potřeba, čímž se snižuje množství odpadu. Přímé vstřikování poskytuje chudší směs paliva, která spaluje efektivněji. V některých ohledech se díky tomu benzinové motory více podobají dieselovým motorům, které vždy používaly formu přímého vstřikování.
Jak jsme se dozvěděli dříve, motory s přímým vstřikováním se mohou pochlubit vyšším výkonem a úsporou paliva oproti systémům vstřikování paliva se stojanem. Ale mají i své nevýhody. Jednak jde o relativně novou technologii, která přišla na trh teprve v posledním desetiletí. Stále více společností začíná používat přímé vstřikování více, ale zatím se to nestalo standardem.
Někdy mohou motory s přímým vstřikováním vykazovat nahromadění karbonových usazenin na sacích ventilech, což může způsobit problémy se spolehlivostí. Někteří úpravci automobilů vyjádřili potíže s úpravou motorů s přímým vstřikováním. Navzdory těmto problémům je přímé vstřikování v současnosti horkou novinkou v automobilovém světě. Očekávejte, že to postupem času uvidíte na více a více autech.
Dále se podívejme na použití hliníkových bloků motoru vs. staré železné bloky.
Výhody: Nižší hmotnost vede k vyšší účinnosti a lepší ovladatelnosti
Nevýhody: Může se deformovat při vysokých teplotách
V posledních několika letech se auta v mnoha ohledech směřují k tomu, že jsou lehčí. Výrobci automobilů hledají způsoby, jak snížit hmotnost vozidla, aby dosáhli lepší spotřeby paliva a výkonu. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhli, je z velké části nahrazení motorů vyrobených ze železa hliníkovými.
Po mnoho let byly železné bloky motorů průmyslovým standardem. Dnes většina všech nových malých motorů místo toho používá hliník, ačkoli mnoho velkých motorů V8 stále používá železné bloky. Hliník váží mnohem méně než železo – hliníkový motor obvykle váží polovinu toho, co váží železný motor. To se promítá do celkově nižší hmotnosti vozu, což znamená lepší ovladatelnost a vyšší spotřebu paliva [zdroj:Murphy].
Hliník má však určité nevýhody. Jako kov není tak pevný jako železo a také nevydrží vysoké úrovně tepla. Mnoho časných hliníkových blokových motorů mělo problémy s deformováním válců, což vedlo k obavám o trvanlivost. Tyto problémy však byly z velké části vyřešeny a hliník se jasně prosadil jako budoucnost motorů díky svým vlastnostem šetřícím hmotnost.
V této další části budeme hovořit o tom, jak vačkové hřídele způsobily revoluci v konstrukci motoru.
Výhody: Lepší výkon
Nevýhody: Zvýšená složitost
Pravděpodobně jste slyšeli termín „DOHC“ nebo „duální vačkové hřídele“, když někdo mluví o motoru. Většina lidí to uznává jako žádoucí vlastnost, ale co to znamená? Termín se vztahuje k počtu vačkových hřídelů nad každým válcem v motoru.
Vačkové hřídele jsou součástí ventilového rozvodu vašeho vozu , což je systém, který řídí proudění paliva a vzduchu do válců. Po mnoho desetiletí měla auta primárně motory OHV, což znamená horní ventily, nazývané také „tlačné tyče“. Tlačné tyče jsou poháněny vačkovými hřídeli uvnitř bloku motoru. Toto nastavení přidává motoru hmotnost a může omezit jeho celkovou rychlost.
Na uspořádání horní vačky je vačkový hřídel mnohem menší a je vložen nad samotnou hlavu válce, spíše než do bloku motoru. Na motoru s jedinou reverzní vačkou (SOHC) je jeden, zatímco motor DOHC má dva. Výhodou nastavení horní vačky je, že umožňuje více sacích a výfukových ventilů, což znamená, že palivo, vzduch a výfuk se mohou volně pohybovat motorem a zvyšují výkon.
Zatímco mnoho automobilek skoncovalo s tlačnými motory, DOHC a SOHC je ještě zcela nenahradily. Chrysler stále používá tlačné tyče k výrobě velkého množství energie pro své motory Hemi V8; General Motors využívá tlačné tyče také na některých svých high-tech, moderních V8. Ale motory DOHC a SOHC jsou na motorech, zejména těch menších, prominentní už od 80. let.
Nevýhodou horních vaček je to, že zvyšují složitost a náklady. Pozorujete zde již nějaký trend?
Dále se ještě dozvíme více o tom, jak ventily ovlivňují výkon, když mluvíme o proměnném časování ventilů.
Výhody: Úspora paliva, flexibilnější dodávka energie
Nevýhody: Vyšší výrobní náklady
Pokud jste vůbec obeznámeni s motory Honda, téměř jistě jste slyšeli pojem VTEC. Lidé, kteří ladí své Hondy na výkon, často mluví o „vstupu VTEC“. Ale co to přesně znamená?
VTEC označuje proměnné časování ventilů a elektronické ovládání zdvihu, což je forma proměnného časování ventilů. Jsou chvíle, kdy motor vyžaduje větší průtok vzduchu, například při prudké akceleraci, ale tradiční motor často neumožňuje proudění dostatečného množství vzduchu, což má za následek nižší výkon. Variabilní časování ventilů znamená, že proudění vzduchu dovnitř a ven z ventilů se podle potřeby zpomaluje nebo zrychluje [zdroj:Autopolis].
Honda není stěží jedinou automobilkou, která takový systém nabízí. Toyota má jeden, kterému říkají VVT-i, pro variabilní časování ventilů s inteligencí, a BMW má systém nazvaný Valvetronic nebo VANOS, což je zkratka pro variabilní Nockenwellensteuerung, což znamená variabilní ovládání vačkového hřídele. I když všechny fungují trochu jinak, všechny plní stejný úkol – umožňují více vzduchu a paliva do ventilů při různých rychlostech. Díky tomu je motor flexibilnější a umožňuje mu podávat špičkový výkon v různých podmínkách. Také zvyšuje spotřebu paliva.
Mnoho motorů nyní obsahuje nějakou formu proměnného časování ventilů, často řízené palubním počítačem motoru. V této další části si povíme o tom, jak počítače motorů způsobily revoluci v designu.
Výhody: Úspora paliva, lepší diagnostika problémů
Nevýhody: Cena, složitost
Motor je neuvěřitelně sofistikované zařízení. Má desítky pohyblivých částí a má spoustu různých procesů probíhajících najednou. Proto mají moderní auta vše regulováno palubním počítačem zvaným řídicí jednotka motoru neboli ECU.
ECU zajišťuje, že procesy jako časování zapalování, směs vzduchu a paliva, vstřikování paliva, volnoběžné otáčky a další fungují tak, jak mají. Monitoruje, co se děje v motoru, pomocí řady senzorů a každou sekundu provádí miliony výpočtů, aby vše fungovalo správně. Jiné počítače v autě ovládají věci, jako jsou elektrické systémy, airbagy, vnitřní teplota, kontrola trakce, protiblokovací brzdy a automatická převodovka.
Od doby, kdy byly v 80. letech přidány první palubní diagnostické počítače (OBD), jsou automobily stále více automatizované. To je počítač, který je zodpovědný za kontrolku „kontrola motoru“ na vaší palubní desce. Mechanik může připojit počítač k portu OBD a získat představu o problémových oblastech vašeho vozu. Nemohou pomocí OBD okamžitě zjistit, co je s vaším autem, ale poskytuje jim to skvělý výchozí bod.
Díky efektivnějšímu chodu motoru mohou počítače motoru vést k vyšší spotřebě paliva a snadnější diagnostice problémů. Ale také dělají motory mnohem komplikovanějšími a mohou je zkomplikovat pro víkendové mechaniky.
Dále:Pojďme se dozvědět, proč dieselové motory nejsou kouřovými, hlučnými a nízkovýkonovými olejovými hořáky z minulosti.
Výhody: Točivý moment, úspora paliva, čistší emise
Nevýhody: Náklady na palivo, nízké otáčky, vyšší počáteční náklady
O benzinových motorech jsme toho zatím mluvili hodně, ale co vznětové? Diesely nikdy nebyly ve Spojených státech velkými prodejci. Navzdory jejich lepší spotřebě paliva ve srovnání s podobnými plynovými motory mnoho Američanů stále považuje diesely za hlučné, zašpiněné, páchnoucí a nespolehlivé motory 70. a 80. let.
To už neplatí. Moderní vznětový motor je výkonný, čistý a extrémně úsporný. Dnešní motory používají naftu s nízkým obsahem síry a systémy v autě pomáhají eliminovat částice a nadměrné znečištění.
Dieselové motory vyráběné společnostmi jako Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo a další se mohou pochlubit vylepšeními motoru, jako je přeplňování turbodmychadlem, sofistikované vstřikování paliva a počítačové ovládání, které poskytuje zážitek z jízdy, který je efektivní a má vysoký točivý moment [zdroj:Bosch].
Dieselové motory mají některé nevýhody, zejména jejich nízké otáčky a vyšší cenu nafty. Ale protože mnoho z nich může na dálnici dosáhnout hodně přes 40 mil na galon (17 kilometrů na litr), řidič bude muset za toto palivo platit mnohem méně často. A pokud vás zajímá, zda moderní diesely nabízejí dobrý výkon, nehledejte nic jiného než posledních několik závodů 24 hodin Le Mans, kde Audi dominovalo s naftovým závodním autem.
Nakonec se podíváme na současného lídra v „zelených“ autech – hybridní motor.
Výhody: Úspora paliva
Nevýhody: Vyšší počáteční náklady, složitost
Kombinace vysokých cen benzínu, zvýšeného povědomí o životním prostředí mezi řidiči a vládních nařízení zvyšujících spotřebu paliva a emisní normy přiměly motory „zelenat“ více než kdy předtím. Jedním z největších vylepšení motoru používaných ke zvýšení účinnosti v posledních letech je hybridní motor.
Hybridy byly před deseti lety neznámé, ale dnes už každý ví, jak fungují – elektromotor je spojen s tradičním benzínovým motorem, aby bylo dosaženo vysokých hodnot spotřeby paliva, ale bez „strach z dojezdu“ elektrického motoru, kde řidič si vždy klade otázku, co se stane, když dojde náboj.
Toyota Prius zůstává nejprodávanějším hybridním vozem v Americe. Může se pochlubit 1,8litrovým čtyřválcovým motorem spojeným s elektromotorem, který produkuje 134 koní. V nízkých rychlostech pracuje elektromotor samostatně, což znamená, že vůz vůbec nespotřebovává plyn. Jindy pomáhá benzínovému motoru. Celý balíček ujede asi 50 mil na galon (21,3 kilometrů na litr) ve městě i na dálnici [zdroj:AOL Autos].
Hybridy jako Prius představují nejnovější vývoj v technologii vnitřního spalování. Zatímco jejich výhody přicházejí ve formě palivové účinnosti, existují i některé nevýhody. Hybridy mají vyšší počáteční náklady než jejich nehybridní protějšky a někteří tvrdili, že benzín musí být mnohem dražší než nyní (jak to může znít neuvěřitelně), než se řidiči vrátí dodatečné náklady na hybridní vůz.
Je však jasné, že motory směřují ke snižování emisí a vyšší spotřebě paliva. I když jsou auta s čistě elektrickým pohonem stále běžnější, je jasné, že spalovací motor se zatím nikam neposouvá. Jednoduše se bude nadále vyvíjet, aby byl lepší a lepší, stejně jako od dob Modelu T.
