Spreminjanje prostorninskega razmerja Spreminjanje prostorninskega razmerja
Želja snovalcev motorjev po spreminjanju prostorninskega razmerja med delovanjem motorja je enaka skoraj toliko kot motor sam in znani so tudi številni poskusi na... Spreminjanje prostorninskega razmerja
Premik glave motorja pri spreminjaju prostorninskega razmerja.

Premik glave motorja pri spreminjaju prostorninskega razmerja.

Želja snovalcev motorjev po spreminjanju prostorninskega razmerja med delovanjem motorja je enaka skoraj toliko kot motor sam in znani so tudi številni poskusi na to temo. Cilj je seveda tudi v tem primeru izboljšanje lastnosti motorja z notranjim zgorevanjem – v začetkih je šlo bolj ali manj za povečanje njegovih zmogljivosti, danes pa v tem vidijo dober potencial za zmanjšanje porabe goriva in izpustov ogljikovega dioksida.

Kaj pravzaprav pomeni spreminjanje prostorninskega razmerja za motor? Prostorninsko razmerje je razmerje gibne prostornine valja in prostornine, ki ostane, ko se bat ustavi v zgornji mrtvi legi in jo označimo z grško črko e. Nadaljne vprašanje je seveda, kaj ima to razmerje opraviti z izkoristkom motorja; točneje s toplotnim izkoristkom motorja – ht, ki ga izrazimo v znani obliki ht = 1-1/ec-1, kjer pomeni c eksponent izentrope oziroma razmerje specifičnih toplot. Brez prevelike razlage lahko vidimo: čim večje je razmerje, tem večji je izkoristek in nasprotno. Pri bencinskem motorju razmerja ne moremo poljubno povečevati, saj lahko dosežemo stanje, kjer se začne pojavljati nepravilno zgorevanje – klenkanje. Klenkanje se najpogosteje pojavi pri polno odprti dušilni loputi, manj intenzivno ali nič pa pri delno odprti luputi. Toda pri delno odprti loputi pride v valj manj zraka zaradi povečanih zračnih uporov na poti do valja.

Koliko zraka spravimo v valj, popisuje prostorninski izkoristek polnjenja valja, ki je razmerje med dejansko količino zraka v valju in teoretično količino zraka, ki bi pri danih pogojih lahko napolnila valj. Če pride v valj manjša količina (delno odprta dušilna louta), se zmanjša tudi možnost klenkanja in nasprotno (povsem odprta dušilna loputa). Posledično ima lahko motor pri manjši polnitvi višje razmerje prostornin in pri večji polnitvi nižje razmerje. Ker pa je povprečna obremenjenost avtomobilskega motorja od 20 do 30 %, bi bila mogoča večino časa nastavitev na višje razmerja. Taka nastavitev pa omogoča večji izkoristek motorja ter nižjo porabo goriva in emisije CO2.

Možnost spreminjanja prostorninskega razmerja je posebno zanimiva pri zmanjševanju prosotornine motorja (»downsizing«), kjer je dodano še nadtlačno polnjenje valjev. Kljub manjši prostornini imajo zato ti motorji enake moči kot večji, pri tem pa se mora zmanjšati prostorninsko razmerje, kar ni ugodno za nekatere lastnosti motorja. Prav zaradi tega bi spremenljivo razmerje prostornin pomenilo določeno rešitev.

Izvedba spreminjanja spremenljivega prostorninskega razmerja med delovanjem motorja je mogoča na več načinov glede posege v konstrukcijo motorja:

– s premično glavo motorja

– s spreminjanjem prostornine zgorevalnega prostora

– s spremembo višine bata

– s spremembo giba bata

– s spremembo giba ročičene gredi

 Strategija spreminjanja prostorninskega razmerja se ravna po tlakih polnjenja in tlakih v valju. Čim višji so tlaki polnjenja valja, tem nižje naj bi bilo razmerje; po drugi strani pa bi se pri nižjih tlakih polnjenja razmerje povečalo. Pri zagonu so razmeroma majhne vrednosti razmerja zaradi lažjega zagona motorja, prav tako so majhna razmerja pri razmeroma hitrem odpiranju dušilne lopute. Ko se voznik odloči za enakomerno vožnjo, se razmerje poveča. Ko voznik močno pospeši, tlak napajanja naraste, razmerje pa pade. Hitrost spremembe razmerja mora biti pri naraščanju razmeroma hitra (zgoditi se mora zgoditi v manj kot 1/10 sekunde), saj voznik sicer zazna zapoznelo reakcijo, kar je podobno kot pri zakasnitvi, ko turbopuhalo še ne doseže potrebnega tlaka polnjenja. Pri nasprotni spremembi, to je pri pojemanju, pa hitra sprememba zmanjšanja razmerja ni potrebna. Pri uravnavanju spreminjanja razmerja je potrebno zaznavalo za klenkanje povezati v zaprto regulacijsko zanko, saj v takem primeru zmanjša zaostanek zanke na najkrajši čas.

Hitre spremembe razmerja zahtevajo pri premikih več energije, ki pa jo lahko s primerno konstrukcijo dobimo iz delovnega takta motorja. Ker pa so take rešitve drage, bi se še vedno splačale rešitve s samo dvema nastavitvama razmerja, določenima največjim in najmanjšim. Kljub temu bi bilo v praksi še vedno mogoče dosegati večino ciljev oziroma prednosti, ki jih omogoča zvezno spremenljiv način.

Motorji s spremenljivim prostorninskim razmerjem imajo v realnih razmerah večji izkoristek, poleg tega se taka rešitev dopolnjuje z nadtlačnim polnjenjm, kar omogoča zanesljivo zmanjšanje emisij in izboljšanje gospodarnosti vozila. Prihajajoča tehnologija zaganjač/generator, ki omogoča dodaten električni pogon pri manjših obremenitvah, pa je še eden od ukrepov, ki  skupaj v povezavi s turbopuhalom in spremenljivim razmerjem omogočajo nadaljnje izboljšanje motorja z notranjim zgorevanjem.

 Spreminjanje prostornine zgorevalnega prostora.

Spreminjanje prostornine zgorevalnega prostora.

Spreminjaje višine čela bata.

Spreminjaje višine čela bata.

Spreminjanje giba bata.

Spreminjanje giba bata.

Spreminjanje dviga ročične gredi.

Spreminjanje dviga ročične gredi.

Ilustracije: SAE Paper 03P-227