Trivaljni motorji: moda ali nuja?

Moda trivaljnikov: tudi v načrtih prestižnejših znamk – BMW (na sliki) in MB.

 V preteklosti je že bila na neki način idealizirana enačba izdelovalca 2-taktnih motorjev DKW 3=6, kar je veljalo za primerjavo med dvotaktnim trivaljnim motorjem, ki bi naj imel podobne zmogljivosti kot šestvaljni štiritaktni motor. Ker so ostali na cesti praktično samo še 4-taktni motorji, bi se lahko podobna enačba zapisala tudi sedaj, in sicer 3=4, vendar realno gledano enačaj pomeni le približno.

• 
• 
• 
• 

Ne glede na to, koliko valjev ima motor, je praksa pokazala, da je primerna prostornina posameznega valja med 0,3 in 0,5 l. Zato se lahko glede na število valjev preprosto določi tudi skupna prostornina motorja, ki je pri trivaljnih motorjih od 0,9 do 1,5 l. Vendar primerljivih lastnosti tri- in štirivaljnega motorja ne bi bilo mogoče dosegati brez nadtlačnega polnjenja valjev. Nasprotno; tako kot je ‘modno’ zmanjševati število valjev, podobnostna teorija pri motorjih dokazuje, da se s povečevanjem števila valjev ob enaki prostornini povečuje tudi moč, ker se povečuje skupna površina batov, na katere deluje tlak delovnega medija. Nadalje pa tudi dokazuje, da je mogoče, če gremo v skrajnost, moč motorja ob enaki prostornini podvojiti; če se denimo poveča število valjev za osemkrat, kar je pa je hkrati tudi povsem nepraktično.

Prednosti trivaljnega motorja s podobnimi lastnostmi, kot jih ima štirivaljni, so manjša poraba goriva, manj strupenih plinov v izpuhu, kompaktnejša gradnja in manjša masa. Bistveni vzrok za naštete prednosti so manjše izgube trenja, manjše toplotne in pretočne izgube, nižja cena gradnje ter lažje prilagajanje delovanja motorja v območju manjše specifične porabe goriva. Po drugi strani so trivaljni motorji bolj nemirni pri delovanju v prostem teku in bolj občutljivi za navore masnih sil ročičnega mehanizma.

Trivaljni dvotaktni motorji niso novost, saj so bili v Evropi v svojem času pogosti na cestah (DKW, Wartburg, Saab …), medtem ko so Japonci kmalu zatem raje izdelovali štiritaktne (Subaru, Suzuki, Daihatsu, Toyota). Najnovejše navdušenje nad trivaljniki se je pojavilo v Evropi in začuda sta pri tem intenzivno sodelovala tudi oba američana – Ford in Opel (GM). To zadnje je toliko bolj zanimivo, ker so še sveže izkušnje s fiatom 500, ki sprva v šibkejši verziji v Ameriki ni navdušil, kar je Fiat-Chrysler takoj prepoznal in se odzval ter uspel s predstavitvijo najmočnejše verzije. Prihod malih motorjev, to je motorjev z majhno prostornino ali pa s tremi valji, v Ameriko je zaradi dojemanja ljudi bolj zapleteno, če poenostavimo poglede oziroma mnenja Američanov na forumih. Kratek povzetek pomislekov je: ali je tako majhen motor primeren za vozilo in ali se da z njim normalno peljati. Logično; Američani so nadvse praktični.

Sodobni trivaljniki imajo v osnovnih izvedenkah prostornino 1 in/ali 1,2 litra. Nekateri od teh motorjev ne morejo skriti večjih ali manjših podobnosti s Toyotinim trivaljnim motorjem. Morda je to še najbolj vidno pri Peugeotu in malo manj pri Fordu. Ampak to verjetno ni nič narobe, saj je bil ta motor večkrat nagrajen kot motor leta. Nekoliko bolj samosvoja sta Renaultov in Oplov motor, verjetno, če ugibamo, že zaradi samega rivalstva. Ne glede na to so vsi izdelovalci kot primeren material za motor izbrali aluminij, razen Forda, ki je izdelal ohišje iz železove zlitine, kar utemeljuje z manjšimi toplotnimi izgubami. Pri konstrukciji glave imajo ti motorji integriran sesalni ali izpušni zbiralnik z glavo motorja, kar je ugodno glede na krajše poti in manjše pretočne izgube. Pri motorjih s turbopuhalom omogoča integracija glave in izpušnega zbiralnika hitrejše odzive puhala zaradi manjših toplotnih izgub in krajših poti od valja do turbine. Skupno vsem konstrukcijam je tudi spremenljivo uravnavanje tlaka olja in pretoka hladila, kar omogoča prilagajanje glede na obremenitveno stanje motorja, saj se pri oljni črpalki zmanjšata trenje in potrebna moč za pogon, pri hlajenju pa se dosega hitrejše prilagajanje trenutnim obremenitvam. Nadtlačno polnjenje valjev je pri omenjenih motorjih pravilo, razen pri Peugeotu, kjer so za začetek prikazali sesalne izvedenke, za bližnjo prihodnost pa sta že pripravljena dva motorja z 1,2 litra in nadtlačnim polnjenjem, ki se razlikujeta po moči. Dovod goriva oziroma priprava zmesi je pri Fordu in Oplu neposredno v valju, pri Renaultu in Peugeotu pa so se odločili za posredno vbrizgavanje, ker je cenejše, hkrati pa prav tako dosegajo emisijske norme, imajo pa manj preglavic z delci, kar pa še ne pomeni, da ne bosta oba izdelovalca iz Francije kasneje uporabila takšne rešitve (neposrednega vbrizga). Za zmanjšanje trenja v motorju so vsi uporabili tehnologijo obdelave drsnih površin DLC (‘Diamond Like Coating’), ki omogoča občutno zmanjšanje trenja med deli motorja. Drugi zanimiv ukrep za zmanjšanje trenja in hrupa sta uporabila Ford in Peugeot z uporabo jermena za pogon odmičnih gredi v oljni kopeli, ki naj bi imel enako dobo trajanja kot motor, medtem ko je Opel uporabil verigo, podobno kot Renault, ki jo je še dodatno prevlekel s teflonom. Zanimivo je, da imajo vsi motorji spremenljivo geometrijo krmiljenja ventilov, z izjemo Renaulta, ki je uporabil ta ukrep samo na sesalni strani. Pri zagotavljanju mirnega teka motorja je Peugeot pri 1,2-litrski različici vgradil dodatno gred za uravnoteženje podobno kot Opel, Ford je primerno oblikoval ročično gred, medtem ko pri Renaultu iz informacijskega materiala ni mogoče z gotovostjo potrditi, kakšno rešitev je uporabil, verjetno podobno kot Ford. Trivaljni motor je na prostem teku bolj nemiren, ker sledijo delovni takti vsakih 240  stopinj zasuka ročične gredi, medtem ko pri 4-valjnem na vsakih 180 stopinj (slika 1). Glede masne sile je trivaljni motor bolje uravnotežen kot štirivaljni, nemirnost teka zaradi sil, ki delujejo na določeni ročici, pa se rešuje z dodatno gredjo za uravnoteženje, s protiutežmi in s primernimi dušilci nihanj v podporah.

Potek navora neposredno na ročični gredi pri motorjih z različnim številom valjev.

Primerjava razmerja premera valja in giba bata (D:H) med motorji pokaže razmeroma majhna odstopanja, saj imajo Ford, Opel in Peugeot daljši hod, za razliko od Renaulta, ki ima kvadratno razmerje. Z razmerjem D:H je povezana srednja hitrost bata, posledično toplotne izgube, potek zgorevanja v valju in polnjenje valja (slika 2). Med temi veličinami je treba doseči ravnovesje, ki je odvisno tudi od uporabe motorja. Če se predpostavi, da se pri isti prostornini V menja premer, potem se z večanjem premera valja zmanjšuje srednjo hitrost bata – c_m, prav tako gib, povečuje pa se razmerje površina valja in prostornina valja – A:V, prav tako se povečujejo toplotne izgube. Ravnovesje med omenjenimi veličinami naj bi bilo doseženo pri razmerju D:H od 0,75 do 0,95. Tak motor je dolgohodi, ima nekoliko večjo srednjo hitrost bata, malo manj prostora za večje premere ventilov, manj toplotnih izgub, poti čela plamena do sten valja so krajše, v izpuhu pa je emisija ogljikovodikov (CH) manjša zaradi manjše prostornine špranj v zgorevalnem prostoru.

Medsebojna odvisnost veličin, ki vplivajo na lastnosti motorja.

Trivaljni motorji, ki so jih predstavili omenjeni izdelovalci, so namenjeni vozilom, ki spadajo v spodnji do spodnji srednji razred, zato so moči, navori in vrtilne hitrosti v pričakovanem območju in so primerljive z motorji z 1,6 l brez turbopuhala. Primerjava med njimi v osnovnih različicah je predstavljena v naslednji preglednici:

Osnovni modeli trivaljnih motorjev (za primerjavo je dodan Toyotin motor).

Poleg osnovnih izvedenk se izdelujejo še naslednje različice:

–      Ford: s turbopuhalom, prostornino 1 l in močjo 125 ‘konj’.

–      Peugeot: sesalni motor s prostornino 1,2 l in z 82 ‘konji’, v kratkem sledita še izvedenki z 1,2 l ter s turbopuhalom in z močjo 100 oziroma 130 ‘konj’.

–      Opel: v informacijah je zaslediti 1,2 l motor.

–      Renault: glede na preostalo paleto motorjev verjetno ni pričakovati trivaljne različice v kratkem času.

Zmanjšanje prostornine motorja je samo ena od vedno redkejših možnosti za zmanjšanje porabe goriva in izpusta škodljivih plinov, ki ima še močnejši vpliv. Prav zato bo moral biti naslednji ukrep namenjen učinkovitejšemu zgorevanju, ki je že dolgo pričakovan in bo verjetno uporabljen v naslednjih letih. Sicer je že znano, kako lahko dosežemo učinkovitejše zgorevanje s pomočjo homogene priprave zmesi in zgorevanja, a ta postopek še ni zrel za vsakdanjo uporabo. Vsekakor se je treba zavedati, da je poraba goriva pri motorju z notranjim zgorevanjem odvisna od vrste dejavnikov, ki jih je treba upoštevati in sistemsko usklajevati. Kljub temu moramo vedeti, da je motor z notranjim zgorevanjem potraten toplotni stroj, ki trenutno še nima dostojnega celovitega tekmeca, ki bi ga vrgel s prestola.

Aci Bizjan