Zmanjšanje prostornine (»downsizing«): do kod lahko gremo?

Fordov trivaljni motor družine EcoBoost (Foto: Ford)

V tekmi za zniževanje izpusta CO₂ in temu primernim zmanjšanjem porabe goriva se je uveljavilo mnenje, da je zmanjšanje prostornine motorja učinkovit ukrep. Osnovna ideja zmanjšanja prostornine je v možnosti delovanja motorja pri večjih obremenitvah, kar neposredno pomeni, da motor deluje v območju večjih izkoristkov. To je v tistem delu delovnega območja motorja, kjer se pojavi največji navor in najmanjša specifična poraba goriva. Preprosto povedano: v tem območju dosega motor najmanjšo porabo goriva pri največji moči, ki jo določa trenutni položaj lopute plina. Zavedati se namreč moramo, da je povprečna obremenjenost motorja pri normalni vožnji nekje med 10 do največ 30 odstotkov.

Motor Steyr M1, 4 valji, 2150 cm3, 60 do 130 kW, 3.800-4.400/min – na preskusni zavori (Foto: Aci Bizjan)

Manjšanje prostornine motorja gre v smeri zmanjšanja števila valjev pri obstoječih motorjih ali pa izdelave povsem novih motorjev z manjšim številom valjev, pri tem pa se prostornina posameznega valja ne spreminja. Prostornina posameznega valja ostaja približno 0,4 do 0,5 litra, kar se je izkazalo kot optimalna velikost, pridobljena iz prakse. Na trgu so že družine dvovaljnih strojev s prostornino 0,8 in 1 litra ter trivaljnih motorjev s prostornino 1 in 1,2 l. Prednosti motorjev z manjšim številom valjev je manjša masa motorja, manjše zunanje mere (predvsem dolžina motorja), manjše notranje trenje, manjše izgube pri zamenjavi snovi ter manjše toplotne in pretočne izgube, kar vse vodi do zmanjšanja porabe goriva in s tem povezano manjšo emisijo CO₂. Po drugi strani pa teorija podobnosti pravi, da manjšanje števila valjev ob neki predpostavljeni prostornini privede do majše moči, pri enaki prostornini in večjem številu valjev pa lahko dosegamo večjo moč predvsem na račun povečane površine batov. Povsem razumljivo se lahko postavi vprašanje do katere najmanjše prostornine motorja lahko gremo. Pravi odgovor je, da sploh ni bistvo v prostornini valja ampak v količini delovnega medija in temu pripadajoče sorazmerne količina goriva s katero lahko dosežemo poljubno moč. Tako lahko na primer (teoretično) pri mopedu s prostornino 0,05 litra dosežemo moč 100, 1000 ali več kilovatov, vendar moramo rešiti problem, kako spraviti v valj temu primerno količino zraka. V praksi in ob uporabi preprostega izračuna se lahko ob razmeroma normalnih pogojih doseže pri dieselskemu motorju prostornine enega litra približno 120 kilovatov, pri bencinskem motorju in enaki prostornini pa 150 kilovatov.

Motor Weber MPE 750 NA, 2 valja, 750 cm3, 59 kW pri 8.000/min. Foto: Aci Bizjan

Praktično se lahko polnitev valja poveča s pomočjo puhala, ki ga poganjajo turbina, motor (preko ročične gredi) ali elektromotor, lahko se tudi izkoristi nihajne pojave plinskega stolpca v sesalni in izpušni cevi (Comprex). V praksi so se uveljavila mehanska in turbo puhala, manj pogosta so električno gnana puhala, medtem ko nastavitve pretočnih cevi skoraj nihče več ne opazi čeprav se na ta način dosegajo tudi tlaki polnjenja valja, ki so za 0,5 bara višji od tlaka okolice.

Sama tehnologija nadtlačnega ponjenja zahteva še primerno dodatno opremo kot je sistem vbrizgavanja, neposredno spremljanje dogajanja v valju in regulacijo kotov odpiranja ventilov. Za doseganje dobrih voznih lastnosti se dodatno puhala dopolnijo z regulacijo statorskih lopatic in odvodom izpušnih plinov pred turbino. V nekaterih primerih se uporablja dvostopenjski sistem polnjenja, ki omogoča še hitrejši odziv puhal oziroma motorja pri pospeševanju vozila.

Diagram primerjave motorjev različnih zmogljivosti in enakih obremenitev; krivulja v njem, črtkana črta, je (specifična) poraba goriva v odvisnosti od relativne obremenitve motorja. Točko A predstavlja motor z 200 kW (pri dani obremenitvi precej podobremenjen), točko B motor s 54 kW (glede na razmere idealno obremenjen) in točko C motor s 40 kW največje moči (nekoliko preobremenjen), vsi pa so obremenjeni s 40 kW. Iz diagrama je torej jasno vidno, da zmogljivejši motor, ki mora v danih pogojih delovati pri manjši obremenitvi, porabi več goriva kot druga dva. Hkrati diagram pojasnjuje tudi, zakaj porabi Ferrari pri počasni vožnji več goriva in zakaj se poraba močno dvigne, če se mali motor Clia obremeni do konca.

Dodatna oprema motorja, kot je sistem vbrizgavanja, omogoča neposreden vbriz goriva v valj, kar zmanjšuje možnost pojava nepravilnega zgorevanja – klenkanja. Pri dizelskem motorju visokotlačni sistem skupnega voda omogoča večkraten vbrizg goriva v istem ciklu in dobro porazdelitev goriva po prostoru valja.

In ne nazadnje je treba upoštevati zahteve uporabnikov, ki želijo vozilo z majhno porabo goriva, čim večjo močjo in dobre vozne lastnosti. Vsem tem zahtevam lahko zadosti motor z malo prostornino ki je opremljen s primerno dodatno opremo. Glede na predviden razvoj ima tehnologija nadtlačnega polnjenja bistveno vlogo, da ostane motor z notranjim zgorevanjem še vedno konkurenčen vozilom z elektro ali hibridnim pogonom.