Jaké by měly být otáčky naprázdno?

Když se majitele auta zeptáte, jaké jsou volnoběžné otáčky motoru, pravděpodobně odpoví, že jde o režim, ve kterém motor pracuje bez zatížení, a bude mít naprostou pravdu. Mnozí dokonce budou schopni přesně pojmenovat správnou rychlost svých vozů. Ale proč jsou tyto rychlosti přesně takové? Proč ne více, ne méně, proč se mění, jak a proč jsou podporovány? Dnes se na to pokusíme přijít.

Jak to všechno začalo

U prvních motorů neexistoval ani samotný koncept volnoběžných otáček. Provozní a volnoběžné otáčky byly téměř totožné a pracovní rozsah motoru byl extrémně malý (přibližně pouze od 250 do 450 ot./min.). Inu, kam jít: níž se nedá, výše se točit nebude. Karburátory Wick měly velmi malý provozní rozsah a při nízkých průtocích směs hodně „přelévala“. Ve skutečnosti byly přizpůsobeny pouze provozním rychlostem.

Situace se změnila kolem roku 1915. Vzhled skutečného karburátoru s tryskami a ovládáním časování zapalování na Packard Twin Six vyřešil dva problémy. Za prvé výrazně zvýšit výkon zvýšením provozních otáček na 3000 za minutu a za druhé snížit stabilní otáčky zavedením speciálního systému tvorby směsi při nízkých otáčkách. Jinými slovy, nečinné systémy.

Všechny pozdější konstrukce karburátorů již umožňovaly seřízení a úpravu tvorby směsi při volnoběžných otáčkách, přičemž pro tento režim často využívaly samostatné systémy dávkování. Prostředí a dokonce ani zdroje pro tyto konstrukce samozřejmě nebyly určujícími faktory, ale motory prostě nemohly pracovat při nižších otáčkách, než při kterých by karburátor mohl vytvořit směs. Pak se ale systém stal mnohem složitějším.

Proč potřebujete volnoběžné otáčky?

Když je motor vypnutý, samozřejmě nevytváří žádný točivý moment. Ale i když motor běží, výkon roste výhradně s rostoucími otáčkami a točivý moment vrcholí v oblasti středních nebo vysokých otáček (u přeplňovaných motorů se točivý moment objevuje dříve, ale také daleko od nuly).

Aby byl motor zatížen užitečným zatížením, musí se již neustále otáčet a musí být připraven produkovat točivý moment. Jinak se to prostě zastaví. Omlouvám se, že je tak těžké vysvětlit jednoduchou věc, ale je to nesmírně důležitý bod pro další pochopení.

Spalovací motor můžete zatěžovat pouze v případě, že již běží stabilními otáčkami, které jsou dostatečné pro zachycení zátěže. Neexistují žádné způsoby, jak toto omezení obejít. Tomuto problému se vyhnete pouze použitím přídavného motoru, který bude pracovat místo spalovacího motoru až do dosažení provozních otáček. Tuto funkci plní například elektromotor u hybridů nebo pneumatický startér s přebytkem výkonu.

Rychlosti, při kterých může motor převzít zátěž, se nazývají volnoběh.

Všechny rychlosti nad volnoběhem fungují. Níže začíná zóna startovacích otáček, při kterých motor z toho či onoho důvodu neunese zátěž. U většiny motorů osobních automobilů jsou volnoběžné otáčky 500-900 ot./min., což není tak málo. Pokud používáte automatickou převodovku, můžete trochu „ošidit“ a nastavit volnoběžné otáčky bez zatížení na straně převodovky níže a zvýšit je pouze tehdy, když v boxu zapnete režim „Drive“.

Proč nejsou otáčky naprázdno konstantní?

U různých systémů napájení jsou důvody pro změny volnoběžných otáček různé. U spalovacích motorů s jednoduchými neregulovanými karburátory závisí otáčky na zatížení a tvorbě směsi. Pokud jsou spuštěny automatické posilovače rychlosti, pak se zvýšením zatížení rychlost klesá. Totéž se stane kvůli špatné tvorbě směsi, ale tomu se snaží vyhnout pomocí různých systémů studeného startu, které zvyšují otáčky, aby zajistily stabilní chod motoru.

Čím dokonalejší je energetický systém, tím méně patrné jsou výkyvy. S jednoduchým karburátorem si řidič řídí volnoběžné otáčky sám. Jeho zásah je nutný, pokud se teplota motoru nebo jeho zatížení liší od nastavených při nastavování volnoběžných otáček. U elektronického karburátoru s automatem studeného startu už řidič nic nenastavuje, ale otáčky se znatelně zvyšují, aby byl zajištěn stabilní provoz až do zahřátí.

Vstřikovací systémy vám umožní pouze mírně zvýšit volnoběžné otáčky, dokud se lambda sondy nezahřejí a udržovat je mírně zvýšené, dokud se tvorba směsi nenormalizuje o 100-1000 ot./min. A mohou také mírně zvýšit otáčky, když se zvýší zatížení z klimatizačního systému nebo zatížení z generátoru. Ve všech ostatních případech by měl pracovní systém udržovat otáčky téměř konstantní, v rozmezí +/- 30 ot./min.

Bohužel všechny regulační metody nejsou ideální. Regulátory XX a elektricky poháněné škrticí klapky se časem zašpiní, ne všechny zapalovací svíčky a vstřikovače fungují perfektně, ze systémů EGR unikají plyny, selhávají systémy fázového řízení a válce mohou mít jinou kompresi, což je důvod, proč v reálném životě na starších autech otáčky ještě trochu kolísají“: při zatížení se nadměrně prohýbají nebo naopak příliš vysoko.

Proč jsou otáčky naprázdno takové, jaké jsou?

Volba volnoběžných otáček je vždy kompromisem. Jejich zvýšení znamená zvýšení spotřeby paliva a odvodu tepla motoru bez zatížení, což je samozřejmě špatný nápad a pro civilní vozidlo se nehodí. Snížení vede k několika nepříjemným důsledkům najednou.

Za prvé je narušena tvorba směsi. Procesy ve spalovacím motoru jsou dynamické a celá jeho konstrukce je navržena pro provozní otáčky. S klesající rychlostí otáčení se zhoršuje čištění válců od výfukových plynů, ztěžuje se plnění válců čerstvou směsí, rostou ztráty obtokem, a proto klesá výkon.

Možná takové podhodnocení XX udělá motor alespoň ekologičtějším? Také ne. Právě naopak. I když si motor zachová schopnost vnímat zatížení při otáčkách nižších než volnoběh, jeho provozní proces bude daleko od vypočítaného. Například při rychlostech nižších než 400-500 se často i katalytické kolektory přestanou zahřívat na provozní teplotu a zvyšuje se počet vynechání zapalování.

Vážným problémem je pokles tlaku oleje a objemu dodávky oleje. Zde je vše jednoduché: nižší rychlost – nižší tlak. Při určitém minimálním tlaku opouštějí kluzná ložiska režim kapalinového tření a životnost motoru se rapidně snižuje. A čím vyšší zatížení, tím vyšší by měl být tlak, a tedy i otáčky motoru.

Zatížení motoru i při volnoběhu může být značné (zejména u manuální převodovky). Automatické převodovky dokážou předejít potížím, ale problémy zcela nevyřeší, i když výrazně prodlužují životnost spalovacího motoru jako celku. Díky tomu by měl být tlak oleje při volnoběžných otáčkách již dostatečný k tomu, aby absorboval plnou zátěž motoru. Bohužel čím vyšší je tlak a výkon olejového čerpadla při volnoběžných otáčkách, tím větší je přetlak na pracovníky. To znamená vyšší spotřebu paliva, nižší životnost oleje. Stavitelné olejové čerpadlo situaci mírně zlepšuje, ale hlavně stále slouží ke kompenzaci nadměrného poklesu tlaku oleje po zahřátí motoru a nesnižuje volnoběžné otáčky.

U vozů s automatickou převodovkou je třeba vzít v úvahu i její „přání“. Olejové čerpadlo automatické převodovky je totiž poháněno od klikového hřídele motoru, což znamená, že činnost převodovky závisí na otáčkách naprázdno. Při příliš nízkých otáčkách nebude tlak stačit pro správnou činnost mechanicko-hydraulického ovládacího systému. A pro start-stop systémy je nutné instalovat hydraulické akumulátory a přídavná elektrická čerpadla. To umožňuje, aby hydraulika začala pracovat okamžitě po nastartování motoru a ne po pěti až deseti sekundách.

Pohon různých přídavných zařízení také způsobuje potíže. Čerpadla generátoru, posilovače řízení a klimatizace a čerpadlo chladicího systému mají omezený provozní rozsah, proto je převodový poměr hnacího systému přídavných agregátů volen s ohledem na maximální otáčky motoru. A minimální otáčky kteréhokoli ze zařízení a zatížení subsystémů stroje omezují nižší volnoběžné otáčky. Přílišné snížení otáček může vést k přehřívání víceválcových motorů v důsledku zhoršené cirkulace kapalin, vybití baterie nebo nefunkčnosti klimatizace. Pravda, i tyto problémy lze řešit.

Zde pomůže přechod na elektrické pohony posilovače řízení, chladicího systému a čerpadel klimatizace a instalace nastavitelného pohonu čerpadla. Naštěstí generátory mají velmi velký provozní rozsah a neztrácejí účinnost při vysokých otáčkách. Tato opatření mají ale i nevýhody. Často s sebou nesou zbytečné náklady a často snížení účinnosti systémů v důsledku dvojí přeměny energie.

Vibrace motoru při poklesu otáček jsou spojeny především s nestabilitou pracovního procesu, ale mají i několik dalších důvodů. Například systém odpružení spalovacího motoru dokáže tlumit vibrace pouze v určitém frekvenčním rozsahu. A čím nižší otáčky, tím obtížnější je tlumit vzniklé vibrace. Navíc kromě vibrací přenášených na karoserii a ovlivňujících pohodlí řidiče a cestujících existuje také něco jako torzní vibrace, které mají destruktivní vliv na převodovku a kola.

Čím nižší jsou otáčky motoru, tím obtížnější je jejich uhašení. Buď musíte použít bezblokové měniče momentu nebo dvouhmotové setrvačníky, případně kombinaci dvou technologií zároveň. Zvýšení volnoběžných otáček umožňuje snížit kolísání točivého momentu při každé otáčkě, posunout frekvence všech vibrací dále od rezonančních a zefektivnit provoz všech systémů pro potlačení vibrací.