Poraba goriva ali izkoristek motorja

Batni motor z notranjim zgorevanjem: zviševanje izkoristka mu ohranja možnost življenja vsaj še 15 let.

Po navadi se ob predstavitvi novega modela avtomobila slišijo tudi hvalnice o tem, kako je dober, enkraten in tudi kako varčen je pri porabi goriva. Če nas spomin ne vara, se poraba goriva glede na podatke z leti zmanjšuje za razmeroma zajetne odstotke in če bi vse te odstotke sešteli, bi pričakovali precej manjšo porabo kot je dejanska.

Seveda na to, kaj vse vpliva na porabo goriva, pogosto niti ne pomislimo. Morda je naslednji primer zelo poučen: če na primer ženemo 200-kilovaten motor do konca, bo porabil približno 80 litrov na uro, ta isti motor pa bo v vozilu ob normalni vožnji porabil desetino ali pa še manj goriva. V obeh primerih namreč deluje motor daleč od točke najmanjše porabe ali najvišjega izkoristka, saj je v enem primeru preobremenjen v drugem pa premalo obremenjen. Poenostavljeno povedano: na porabo goriva vplivajo zunanji dejavniki, kot so način vožnje, razmere v okolici in notranji dejavniki, torej potek krmiljenja in procesa v valju. Ker so (kot smo jih imenovali) zunanji dejavniki praktično pogosto nedefinirani, je s stališča zasnove motorja (torej s strani proizvajalca) edino možno do določene mere vplivati na dogajanje v valju. Vprašanje, ki se pri tem postavlja, je, do katere mere lahko obvladujemo proces oziroma izkoristek in s tem povezano porabo goriva!

Razpon izkoristkov motorjev je še vedno velik, a ne le glede na razlike načela delovanja (MNZ, EM), pač pa tudi glede na velikost, namembnost in še kaj. Na diagramih izkoristek motorja; zgoraj Tomos Colibri, spodaj Nissan Leaf.

Procesi, ki so primerni za motorje z notranjim zgorevanjem, lahko teoretično dosegajo izkoristke tudi 80 odstotkov ob primerni vrednosti prostorninskega razmerja. Tudi idealni motorji z izrabo odpadne energije lahko dosegajo visoke izkoristke tja do 75 odstotkov. V idealnih razmerah v laboratoriju lahko dosežemo izkoristek motorja do 65 odstotkov. Ne gre pa podcenjevati izkoristka velikih dvotaktnih motorjev v ladjah, ki dosegajo izkoristke do 56 odstotkov. Zanimivo presenečenje glede izkoristka je motor formule 1, ki dosega izkoristek do 50 odstotkov. Srednji in manjši dizelski motorji dosegajo izkoristke od 42 do 46 odstotkov, medtem ko bencinski motorji okoli 38 odstotkov. Manjši motorji odstopajo glede izkoristka precej navzdol, saj dosegajo do 25 odstotkov. Pri vsem tem je treba pripomniti, da motor dosega najvišji izkoristek samo v eni točki delovnega območja (torej vrtljajev).

Teoretični izkoristek procesa v bencinskem motorju opisuje preprost izraz:

Tu so η_t – toplotni izkoristek procesa, ε – prostorninsko razmerje in χ – razmerje specifičnih toplot (c_p/c_v). Izraz ima v ozadju polno vsebine, vendar dovolj nazorno nakazuje, da je prostorninsko razmerje tisto, ki prispeva zelo veliko k izkoristku. Žal pa prostorninskega razmerja ne moremo poljubno dvigniti zaradi samovžigov goriva – bencina. Prav tako smo omejeni z razmerjem specifičnih toplot, za katerega bi radi obdržali vrednost 1,4 (zrak) kar pa je nemogoče, ker se temperatura in sestava zraka pri in po zgorevanju spremeni, s tem pa se spremeni tudi vrednost razmerja, ki se lahko zniža tudi na vrednost 1,25 ali manj.

Praktična rešitev, ki izhaja iz izraza za izkoristek, je v primeru prostorninskega razmerja izvedba motorja z možnostjo spreminjanja razmerja prostornin, kar zahteva konstrukcijsko spremembo ohišja motorja. Precej težje je ohranjati vrednosti razmerja specifičnih toplot blizu vrednosti za zrak. Temu se lahko približamo s pripravo čim revnejše zmesi in s homogenim zgorevanjem. Homogeno zgorevanje ali hkratni vžig celotne zmesi v valju je do sedaj uspelo v zadovoljivem obsegu doseči le Hondi pri dvotaktnem motorju, druga, ki ji bo to verjetno uspelo (vsaj po optimističnih izjavah), pa je Mazda s svojim sistemom oziroma motorjem SkyActiv X. Z revno zmesjo vzdržujemo večji odstotek zraka med in po zgorevanju, zato je lahko vrednost razmerja specifičnih toplot bližje vrednosti 2-atomskih plinov, to je zraku. Homogeno zgorevanje pa zagotavlja nižjo temperaturo zgorevanja, krajši čas zgorevanja ali potek dovoda toplote, ki je bližje izohorni preobrazbi in manjše toplotne izgube.

Prihodnost oziroma premoč vozil na fosilna goriva je po predvidevanjih strokovnjakov zagotovljena vsaj še za 15 let ali celo več. V tem času ni za pričakovati bencinskih motorjev z izkoristkom, kot jih imajo v F1. Realna pričakovanja glede na sedanje tehnične zmožnosti so, da se bosta bencinski in dizelski motor v osebnih vozilih približno izenačila po porabi in izkoristku.

Aci Bizjan

Foto: arhiv AB; VK