Kompresní poměr patří spolu se zdvihovým objemem, maximálním výkonem a točivým momentem k hlavním údajům o spalovacím motoru.
Vznětové motory mají vysoký kompresní poměr, zážehové výrazně nižší.
Abychom pochopili, co je kompresní poměr, musíme si nejprve něco říci o kompresním prostoru.
Při pohybu pístu do komprese a tedy do horní úvratě píst stlačuje nasátou zápalnou směs (zážehové motory), případně vzduch (vznětové motory).
Při tom se zvyšuje jejich teplota.
K největšímu stačení dojde v okamžiku, kdy píst dosáhne nejvyšší polohy ve válci, tedy horní úvrati.
V daný okamžik je zápalná směs (vzduch) vtlačena do nejmenšího prostoru, jemuž se říká kompresní.
Kompresní poměr je tedy poměr objemu zápalné směsi (případně vzduchu) ve válci spalovacího motoru před a po stlačení.
Nebo také poměr součtu objemů zdvihového a kompresního prostoru vůči objemu kompresního prostoru.
Nebo ještě jinak, jde o poměr pracovního prostoru oproti kompresnímu prostoru.
Kompresní poměr se ale téměř vždy udává jako poměr čísla, které je výsledkem uvedeného zlomku, obyčejně zaokrouhlené na jedno desetinné místo k číslu jedna.
Viz příklad - 10,0:1.
Někdy se také hovoří kompresním stupni.
V takovém případě je pak komprese vyjádřena pouze číslem v čitateli, tedy v našem případě „desítkou“.
Udává nám, kolikrát se zmenší objem válce mezi dolní a horní úvratí pístu.
Zde je nutno říci, že se jedná o teoretickou a v praxi téměř nedosažitelnou hodnotu.
Proč? Protože ono skutečné zmenšení objemu ovlivňují některé okolnosti.
Jde zejména o časování rozvodu, které je u moderních motorů variabilní.
A také čas, kdy jsou současně otevřeny sací i výfukové ventily, závisí na provozním režimu agregátu a tedy se vlastně pořád mění.
U přeplňovaných motorů mluvíme o takzvaném statickém kompresním poměru.
Takový by motor teoreticky vykazoval, pokud by nebyl vybaven přeplňováním.
Jenže pokud se do hry zapojí turbodmychadlo/kompresor, je skutečná komprese motoru úplně jiná.
Navíc se mění mnohem výrazněji než u atmosférického motoru.
Záleží totiž nejen na časování rozvodu v danou chvíli, ale současně také na plnicím tlaku přeplňování.
S jeho zvyšováním se komprese zvyšuje, se snižováním naopak klesá.
Jde i o palivo
Jistě si mnozí vzpomenete, že zatímco obyčejné Škodě 120 L stačil někdejší benzín Speciál o oktanovém čísle 91, svižnější 120 LS vyžadovala benzin Super o oktanovém čísle 96.
Motor „el-esa“ měl totiž vyšší kompresní poměr.
Stejně tak motor větší „stotřicítky“.
Oktanové číslo udává odolnost paliva proti klepání motoru.
Pokud byste do Škody 120 LS natankovali levnější méně oktanový benzin Speciál, motor by začal klepat.
Staré motory bez elektroniky totiž měly pouze omezenou možnost, jak posouvat předstih zážehu.
Ten se tak měnil se zvyšujícími otáčkami a současně měnícím se podtlakem v sání (odvislým od zatížení motoru a tedy míře otevření škrticí klapky) zásluhou podtlakové a odstředivé regulace rozdělovače.
Moderní zážehové motory se vstřikováním paliva mají čidlo klepání, které tento pro mechaniku motoru nebezpečný jev zachytí a následně upraví předstih zážehu na příslušném válci.
Aby vůbec chytnulI u přeplňovaných dieselů mluvíme o statickém kompresním poměru.
Na rozdíl od zážehových přeplňovaných motorů je však u turbodieselů statická komprese docela důležitá.
Aby se do válců vstřikovaná nafta vůbec vznítila, musíme vzduch ve válci stlačit opravdu výrazně.
Jinak bude mít nízkou teplotu a vstříknutá nafta se nevznítí.
Toto je problém zejména při spouštění studeného motoru za nízkých teplot.
Sice si pomáháme žhavením, které spalovací prostor ohřeje, ale i tak je vyšší komprese nezbytná.
Komprese motoru klesá se zvyšujícím opotřebením válců a pístních kroužků, ale také třeba z důvodu podpálení ventilových sedel.
Tlak ve válci následně uniká přes kroužky dolů do klikové skříně, nebo naopak nahoru do sání či výfuku, podle toho, které ventily jsou podpáleny.
Zejména u dieselů má toto vliv na spouštění motoru.
Při extrémním snížení komprese tak vznětový motor startuje jen s obtížemi.
Vyšší komprese znamená vyšší účinnost?
Velmi zjednodušeně lze říci, že u atmosférických zážehových motorů přináší vyšší kompresní poměr vyšší účinnost spalování.
Theoreticky by proto motory s vyšším kompresním poměrem měly vykazovat nižší spotřebu paliva při současně vyšším výkonu.
Občas se uvádí, že zvýšením kompresního poměru o 6 procent dojde ke snížení spotřeby paliva až o 5 procent.
Proto se dnes konstruktéři snaží kompresi u benzinových motorů zvyšovat.
Rekordmanem v tomto je Mazda s motorem 2.0 SkyActiv-G a kompresí 14:1.
Běžná hodnota se pohybuje od přibližně 10:1 po 12:1.
Dalším zvyšování kompresního poměru však výkon roste pozvolna a stejně tak klesá spotřeba.
Důvodem je pokles mechanické účinnosti motoru.
Výše kompresního poměru má však u zážehových motorů svá omezení.
A nejde jen o klepání motoru.
V tomto případě mluvíme o takzvaném kritickém kompresním poměru, při němž efektivní tlak ve válci dosahuje svého maxima.
Další zvýšení komprese by vedlo k jeho snížení, což je nežádoucí.
Také u přeplňovaných zážehových motorů je snahou statický kompresní poměr zvyšovat.
Dnes je u turbomotorů spalujících benzin běžné i 10:1, zatímco kdysi to bývalo maximálně tak 8,5:1.
Zde se plně projevuje výhoda přímého vstřikování benzínu, které mimo jiné účinně chladí spalovací prostory motoru.
U vznětových motorů je to s kompresí přesně naopak.
U nich je snahou kompresi (statickou kompresi u přeplňovaných motorů) snižovat.
Dříve bývalo běžné 19 až 21:1, dnes komprese klesla na 15 až 16:1.
Vrcholem je opět Mazda, kdy její SkyActiv-D o objemu 2,2 litru vykazuje hodnotu 14:1, tedy stejnou jako zážehový motor téže značky, což je vážně unikum.
Proč se u dieselů komprese snižuje?
Protože s ní klesá teplota stlačeného vzduchu.
A nižší teplota spalování přináší nižší emise oxidů dusíku.
U moderních dieselů se to kompenzuje extrémně vysokým vstřikovacím tlakem, který dávku nafty rozpráší na drobounké částice, které se pak snáze vznítí i při nižší teplotě stlačeného vzduchu.
Kompresní poměr se zvýší na 18:1 a benzín se bude zapalovat jako nafta, věří Mazda.
Také má v plánu využívat teplo výfukových plynů.
Automobilka Mazda se stále bude držet benzínových motorů a jejich účinnost prý dokáže zvýšit až na 60 % ze současných čtyřiceti.
Uvedl to Kenichiro Saruwatari, šéf výzkumu a vývoje Mazdy pro Evropu.
Uvedl to Kenichiro Saruwatari, šéf výzkumu a vývoje Mazdy pro Evropu.
Uvedl to Kenichiro Saruwatari, šéf výzkumu a vývoje Mazdy pro Evropu.
Již 40 % je na atmosférický benzínový motor dost vysoká hodnota a 60 % je ještě výrazně víc.
Mazda toho údajně dosáhne postavením vznětového benzinového motoru, o který se pokoušejí i další automobilky či firmy jako Bosch.
V současnosti jsou motory SkyActiv s kompresním poměrem na dost vysokých hodnotách na to, že jsou to benzínové jednotky - 14:1 je u Mazdy běžné číslo.
Kompresní poměr se má zvýšit až na 18:1 a s tím by se mělo zapalování změnit ze zážehového, tj. pomocí svíčky jako u každého jiného benzínového motoru, na vznětové, tj. že pomocí vysokého kompresního poměru dojde ke vznícení paliva vysokou teplotou a tlakem, podobně jako u dieselů.
Problémem nicméně je, že benzín a tento způsob zapalování nejdou moc dobře dohromady.
Mazda nicméně chce spalovací proces přesně regulovat, aby nedocházelo k nežádoucímu klepání, tj. ke vznícení směsi ve válci jindy než v přesně určený moment.
Dá se nejspíš počítat s vysokotlakým přímým vstřikováním paliva jako u dnešních dieselů.
Jestli tyto motory dostanou i turbodmychadla, zatím není jasné.
Součástí programu SkyActiv je také využívání tepla výfukových plynů, resp. snížení ztrát touto cestou.
Běžně totiž tudy uteče až 30 % energie uložené v benzínu.
„Zkoumáme několik možných řešení, ale zatím nemůžeme říci, jakých,” komentoval tuto oblast Saruwatari.
Budeme-li spekulovat, můžeme dojít třeba až k využití tohoto tepla pro výrobu elektřiny, najde-li se na takový systém pod kapotou místo.
Kromě pokračování programu SkyActiv, jehož směr se podle Saruwatariho nemění, Mazda nedávno oznámila také partnerství s Toyotou.
To by mohlo ústit v plug-in-hybridní model v nabídce Mazdy.
Hirošimská automobilka nicméně také věří, že její benzínová auta v průměru svými emisemi od výroby paliva po kola automobilu vyrovnají elektromobily, což by znamenalo nějakých 80 g CO2/km.
Všechny články na Autoforum.cz jsou komentáře vyjadřující stanovisko redakce či autora.
Mezi první z nových technických řešení Mazdy, která míří do sériové výroby, patří zážehový motor Skyactiv-G.
Současné spalovací motory nedokáží využít 70 až 90 % energie obsažené v palivu.
Energetické ztráty jsou přitom převážně tepelné povahy.
Lze je připsat na vrub výfukovému systému, chladicí soustavě a povrchovým plochám motoru i převodovky.
Cílem konstruktérů Mazdy je proto zvyšování tepelné účinnosti motorů.
Zároveň se věnovali i snižování vnitřního tření a hmotnosti pohonných jednotek.
Při vývoji nových motorů se Mazda zaměřila na kompresní poměr, poměr paliva a vzduchu, délku trvání fáze hoření směsi, načasování fáze hoření směsi, čerpací ztráty a ztráty v důsledku mechanického tření.
Cílem vývojového týmu bylo optimalizovat všechny tyto faktory.
Nakonec se ukázalo, že v případě zážehových i vznětových motorů bude hrát ústřední roli kompresní poměr.
Nepřeplňovaný zážehový motor s označením Skyactiv-G se pyšní kompresním poměrem 14,0:1.
Tato hodnota je v současnosti nejvyšší mezi velkosériově vyráběnými automobily.
Zvýšením kompresního poměru narůstá tepelná účinnost zážehového motoru, což znamená menší spotřebu paliva.
Vysoká komprese v konvenčních motorech zároveň vede ke vzniku nežádoucích abnormalit spalovacího procesu, označovaných jako klepání, a s tím souvisejícímu poklesu točivého momentu.
Abnormalitám spalovacího procesu (klepání) v důsledku vysokého kompresního poměru motor Skyactiv-G brání snížením množství i tlaku zbytkových horkých plynů ve spalovací komoře.
Proto je použito výfukové potrubí 4-2-1.
To je relativně dlouhé a účinně tak zabraňuje návratu výfukových plynů zpět do spalovací komory vzápětí poté, co z ní byly vytlačeny.
Výsledný pokles kompresní teploty zamezuje vzniku klepání.
Dále byla zkrácena doba hoření směsi.
Rychlejší hoření znamená kratší dobu, po kterou je nespálená směs paliva a vzduchu vystavena vysokým teplotám, takže klepání vůbec nestihne vzniknout.
Dna pístů byla opatřena speciálními prohlubněmi, aby se plamen hořící směsi mohl roztahovat bez interferencí, a vstřikovací soustava byla osazena novými víceotvorovými vstřikovači, umožňujícími jemnější rozprášení paliva.
Ke zlepšení účinnosti motoru je také nezbytné snížit takzvané čerpací ztráty.
Ty nastávají při nižším zatížení motoru, kdy píst při pohybu dolů ve fázi sání nasává vzduch.
Množství vzduchu, který se do válce dostane, zpravidla reguluje škrticí klapka, umístěná v sacím trakt
Při nízkém zatížení motoru je zapotřebí jen malé množství vzduchu.
Škrticí klapka je téměř uzavřena, což způsobuje, že tlak v sacím traktu i ve válci je nižší než tlak atmosférický.
Píst tedy musí překonávat silné vakuum.
Tento systém umožňuje regulovat množství nasávaného vzduchu pomocí ventilů namísto škrticí klapky.
Ve fázi sání, kdy píst míří k dolní úvrati, zůstávají škrticí klapka i ventily naplno otevřené.
Fáze sání je dokončena, jakmile píst dosáhne dolní úvratě (nejnižší bod jeho dráhy).
Pokud by se však sací ventil v tento okamžik zavřel, zůstalo by ve válci příliš mnoho vzduchu.
Při nízkém zatížení motoru je zapotřebí jen velmi malé množství vzduchu.
Systém proměnného časování proto ponechává sací ventily otevřené i na počátku fáze stlačení (kdy jde píst nahoru) a zavře je přesně v tom okamžiku, kdy se ve válci nachází právě potřebné množství vzduchu.
Systém S-VT snižuje čerpací ztráty o 20 % a přispívá k vyšší účinnosti spalovacího procesu.
Obvyklou nevýhodou tohoto řešení je destabilizace spalování.
Protože sací ventily zůstávají na počátku kompresní fáze otevřené, není ve válci dostatečný tlak pro snadné vznícení směsi paliva a vzduchu.
Motor Skyactiv-G s kompresním poměrem 14,0:1 však tímto problémem netrpí.
Vyšší kompresní poměr znamená vyšší teplotu a tlak ve spalovací komoře, takže proces hoření směsi zůstává stabilní a motor pracuje hospodárněji.
K vyšší účinnosti motoru přispívá i jeho lehká konstrukce a menší tření.
Dvoulitrový zážehový čtyřválec Skyactiv-G má ve srovnání se stávajícím agregátem MZR 2,0 l o 20 % lehčí písty, o 15 % lehčí ojnice a o 6 až 8 % užší hlavní ložiska klikové hřídele.
Zmenšením tření ventilů o polovinu a tření pístních kroužků o 37 % pokleslo celkové vnitřní tření motoru o 30 %.
Celková hmotnost motoru je o 10 % nižší.
Motor Skyactiv-G má nabídnout pružnější reakce na změny zatížení.
Navzdory vysokému kompresnímu poměru se spokojí s palivem o oktanovém čísle 95.
Ve srovnání s motorem MZR 2,0 l má o 15 % nižší spotřebu paliva a přitom nabízí o přibližně 15 % vyšší točivý moment v nízkém a středním rozsahu otáček.
V motoru je pořád svíčka.
Kompresor má opačný smysl, než tomu je běžně.
Mazda představila nový zážehový motor.
Nejde o jen tak obyčejnou jednotku, nýbrž o bez přehánění revoluční technologii.
Podobné pokusy známe už z minulosti, jenže Mazda je velmi blízko sériové výrobě.
Technici automobilky Mazda vycházeli při vývoji nového motoru Skyactiv-X ze základní rovnice určující termickou účinnost zážehového spalovacího motoru.
Důležité je ovšem to, co z této rovnice vyplývá.
Pokud chceme zvýšit účinnost motoru, je potřeba v první řadě zvýšit kompresní poměr.
Druhou možností je zvýšení poměru měrných tepelných kapacit (κ), což v praxi znamená opuštění stechiometrického poměru a práci s podstatně chudší směsí.
Mazda se už dříve vydala u zážehových motorů cestou navyšování kompresního poměru natolik, až se podařilo srovnat kompresní poměr benzinového a dieselového motoru.
Tuto cestu zcela nový čtyřválec řady Skyactiv-X následuje také, ale přidává k tomu ještě snahu navýšit právě zmíněný poměr měrných tepelných kapacit.
Chudá směs přináší i další výhody.
Díky ní se snižuje teplota uvnitř válce a méně tepla (tedy energie) proniká do stěn válců, kde se následně ztrácí v systému chlazení.
Samozřejmě je zde drobný háček.
Tedy spíš dost podstatný problém.
Nový motor Mazda pracuje s velmi chudou směsí a tu zapálit klasickou svíčkou nejde buď vůbec, nebo dochází ke špatnému hoření.
Ideálem je takzvaný stechiometrický poměr, kdy na 14,7 kg vzduchu připadá 1 kg paliva, odtud tedy 14,7:1.
Mazda na prezentaci ukázala uvnitř válce pokus o zapálení klasickou svíčkou směs s poměrem 29,4:1, přičemž ta skoro nechytla.
Takto vypadá porovnání hoření při klasickém poměru 14,7:1 po zážehu svíčkou.
Uprostřed je to samé, ale s velmi chudou směsí, která téměř nezačala hořet.
Odpovědí je velmi vysoký tlak.
Podobně jako u vznětových motorů.
Poté, co Mazda zveřejnila první informace, se začalo o této technologii zuřivě spekulovat.
Původně se totiž zdálo, že Japonci dotáhli do sériové podoby věc označovanou za „svatý grál spalovacích motorů“, kdy je chudá směs zapalována kompresí, nikoliv svíčkou.
Motory HCCI musí z principu věci pracovat s velmi vysokým kompresním poměrem a ten zvyšuje riziko předčasného vznícení paliva během fáze komprese.
O dostatečný nárůst tlaku ve válci se stará právě přidaná svíčka.
Ta zažehne malou část náplně a jak se plamen rozšiřuje do prostoru, ve zbytku směsi rostou tlak a teplota, dokud nedosáhnou určité úrovně a následně se zbytek směsi sám vznítí stejně jako u motorů HCCI.
Situace je podobná tomu, jako kdyby proti klasickému pístu působil ještě jeden menší.
Díky svíčce pak Mazda může daleko přesněji kontrolovat moment vzplanutí.
Proto je tato technologie označována jako Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI), zapalování kompresí řízené svíčkou.
I v tomto případě je ale časování momentu vzplanutí výzvou.
Motor Skyactiv-X jej dokáže určit za pomoci velmi přesného dávkování paliva do přesně definovaného proudění vzduchu uvnitř válce.
Důležité je, aby se kolem svíčky nacházela přesně definovaná bohatší směs schopná vznícení svíčkou, ale aby zároveň všude kolem byla směs chudá.
Systém pracuje s vysokým tlakem vstřiku paliva a pro přesnější řízení využívá rovněž snímač tlaku uvnitř válce.
Fakticky jde tedy o přeplňovaný motor, nicméně důvod přítomnosti této technologie je naprosto opačný.
Běžně potřebujete přeplňování, abyste mohli do válce díky většímu množství vzduchu přidat více paliva.
Zde je žádoucí velké množství vzduchu, aby naopak směs zůstala dostatečně chudá a spotřeba nižší.
Výhody motorů typu HCCI převážně zůstávají, ale oproti nim se podstatně rozšířila oblast, kde může systém využívat zapalování kompresí, i když se tímto způsobem nevznítí sto procent náplně.
Pořád se ale bavíme o práci s velmi chudou směsí, respektive s velkým přebytkem vzduchu, což zvyšuje účinnost.
Mazda slibuje vylepšení až o třicet procent.
Další nezanedbatelnou výhodou je nízká spotřeba a její menší citlivost na zatížení a rostoucí otáčky.
V praxi takový motor může pracovat ve vyšších otáčkách, aniž by se zvýšila spotřeba paliva, tudíž lze nastavit v převodovce kratší převody a vůz díky tomu nabídne lepší dynamiku, nikoliv však za cenu rostoucí spotřeby paliva.
Mazda zatím žádná přesná čísla týkající se motoru Skyactiv-X nezveřejnila.
Cílem je prozatím výkon 140 kW (190 k), a jak na tom bude spotřeba, to napověděly první novinářské testy nedaleko Frankfurtu, kde jsme si mohli jako jediní z České republiky vyzkoušet několik prototypů v reálném provozu.
Na tomto místě je ale potřeba zdůraznit, že Mazda počítá se zahájením prodeje v horizontu dvou let, takže se vývoj aktuálně nachází zhruba ve své polovině (technologii SPCCI Mazda vyvíjí dva roky).
Na finální hodnocení je tedy příliš brzy, protože se motor bude ještě měnit.
A v praxi to bylo znát.
Především na dynamice a odezvě na plyn.
Ani jedna z těchto disciplín nebyla špatná, ale na základě zkušeností bychom hádali nižší výkon než udávaných 140 kW (190 k).
Jenže jak inženýři později přiznali, první prototypy slibovaný výkon kvůli ochraně motoru nemají.
Odezva na plyn není tak bezprostřední jako u současných dvoulitrů Skyactiv-G, ale je lepší než u vznětových jednotek.
Těm by měl být blízký i točivý moment, což bylo nejlépe poznat při svižné jízdě po dálnici.
Nejvíce ale zaujmou velmi jemný běh, vynikající odhlučnění a nízká spotřeba.
Naše testovací jízda kombinující město, nějakou tu okresku a částečně dálnici bez rychlostního limitu skončila s průměrem 7,1 l/100 km.
Se současnými motory by byla spotřeba o přibližně jeden litr vyšší.
Mazda totiž náš styl jízdy zaznamenala a dopočítala spotřebu pro aktuální dvoulitrové jednotky.
Celkově se zlepšení spotřeby díky motoru Skyactiv-X pohybovalo během prezentace v rozmezí od 11,2 % do 16,8 %.
Tato byla další prezentovanou novinkou, přičemž k zákazníkům se dostane dříve než čtyřválec Skyactiv-X.
Na tomto základu totiž vyjede příští generace Mazdy 3 (její možná podoba vzejde z konceptu Mazda Kai představeného na Tokijském autosalonu 2017).
Technici pracovali na zvýšení tuhosti karoserie, proto přidali řadu výztuh například do podlahy nebo mezi tlumiče.
Jak známo, právě přes své pozadí vnímá řidič pohyby karoserie nejvíce, a ty by se tak k němu měly dostávat bez zpoždění.
Soudobě došlo ke zpevnění uchycení sedadel, ladil se například i tvar opěradla, aby byl přirozenější.
Druhou stránkou věci je snížení vibrací a zlepšení odhlučnění.
Přepracované jsou i zavěšení a odpružení a počítá se s nasazením pneumatik s měkčí bočnicí.
To by teoreticky mohlo vést ke zhoršení jízdních vlastností, kompenzací ale bude podle Mazdy systém G-Vectoring Control.
Naopak s adaptivními tlumiči se nepočítá, protože pokud se podaří postavit vůz s jedním optimálním naladěním, nejsou další podle názoru japonských techniků potřeba.
I tohle všechno jsme si částečně mohli vyzkoušet a je potřeba říci, že praxe byla dost slibná.
Jak už bylo řečeno, motor Skyactiv-X by se měl na trhu objevit zhruba do dvou let, přičemž je prakticky jistá také jeho kombinace s nějakým elektromotorem.
Mazda ale neručí za to, že tato novinka bude vždy nabízena na všech trzích.
Chce se totiž stát jediným výrobcem, jenž nabízí tři druhy spalovacího motoru.
Nicméně je dost možné, že ne vždy se vše bude na jednotlivých trzích nabízet.
Automobilka má v plánu i elektromobily a hybridy.
Jejím cílem je vyrábět všechny dostupné druhy pohonu a následně mít možnost vybírat, co se na které trhy hodí nejlépe.
Každopádně podle Mazdy spalovací jednotky ještě neřekly poslední slovo.