2.11.2016. Autor: Matko Jović i Željko Marušić

Tehnika: Promjenjivi kompresijski omjer, 'Sveti gral' za benzinski motor (1/2)

Povećanjem geometrijskog, kod male brzine vrtnje, kompenzira se pad efektivnog, uslijed velikog usisnog prigušenja te podiže učinkovitost

Kompresijski omjer (naziva se i stupanj kompresije ili samo kompresija) jedan je od najvažnijih parametara koji određuju rad motora. Generalno, iskorištenje goriva bolje je što je omjer veći, ali preveliko povećanje povisuje tlak i temperaturu i cilindru, što može izazvati samozapaljenje goriva (detonaciju) i oštećenja motora. Najvažnije u priči je što se u tehničkim karakteristikama navodi geometrijski kompresijski omjer, a za rad motora važan je efektivni (stvarni) kompresijski omjer, koji ovisi o tlaku u DMT, od kojeg počinje komprimiranje. 

Za razliku od dizelaša koji usisava zrak kroz slobodne usisne cijevi, jer snagu podešava količinom ubrizganog goriva, benzinci usisavaju uz promjenjiv otpor toka usisne smjese, odnosno zraka (kod DI), zaklopkom u usisnoj cijevi. Time se s povećavaju usisni gubici (energija usisavanja), što je čisti gubitak (negativni rad) - zamislite da dišete kroz poluzatvoren nos, uslijed prehlade. Naporno je! Zbog toga se istodobno smanjuje tlak u cilindrima, pa u DMT može pasti na apsolutnih samo 0,1 - 0,2 bara. 

Dakle nastaje velik podtlak, pa klip, na putu iz DMT u GMT treba najprije nadoknaditi taj podtlak i doći do atmosferskog stanja (1 bar), pa početi komprimirati. Suvremeni benzinci u GMT postižu 12 do 15 bara i što je kompresijski tlak viši, motor je učinkovitiji - daje veću snagu i manje troši. Jasno, ako se ne počne usisavati s atmosferskog stanja, nego s podtlaka, postiže se manji vršni tlak, odnosno efektivni (stvarni) kompresijski omjer manji je od geometrijskog. Zamislite da imate mogućnost podići se liftom samo za 10 katova. 

Ako krenete iz prizemlja, doći ćete do desetog kata, a iz podzemne garaže na etaži -2, samo do osmog! Zbog toga, a i usisnih gubitaka, benzinski (otto) motori imaju velikih problema s učinkovitošću pri malim brzinama vrtnje. Posebno turbo, kod kojih se stupanj punjenja pada naglo smanjenjem brzine vrtnje ('turbo-rupa'), kao što porastom turaže raste progresivno. Dakle, za rad  benzinskog motora idealno je mijenjati kompresijski omjer. Naime, ako bi se fiksni kompresijski omjer postavio visoko, kako bi se pri niskim turažama nadoknadio pad tlaka u DMT, pri visokim, kad u DMT nastaje prirast tlaka, inercijom plinova i pulsiranjem usisnog zraka (rezonantnim prednabijanjem), tijekom drugog takta bi nastao rizik detonantnog izgaranja i oštećenja motora. 

Geometrijski stupanj određen je izvedbom motora te je kod klasike moguć samo kompromis učinkovitosti pri niskim i visokim turažama. To je i jedna od 'tajni' štedljivosti hibridnih motora, koji izbjegavaju rad na 'neučinkovitim' niskim okretajima, uključivanjem elektromotora. Rješenje je promjenjivi kompresijski omjer, visok (14:1) pri niskim turažama i nizak (8:1) pri visokim. Tada ukupnom komprimiranju, kod suvremenih benzinaca, pomaže turbopunjač. To je moguće jedino vrlo složenom mehaničkom izvedbom te, usprkos desecima koncepata kroz povijest, niti jedan nije došao do cilja. Najbliže tržištu bio je SVC (Saab Variable Compression), koji je 2000. i 2001. dobio nagrade za inovaciju godine. Nažalost, Saab je ubrzo propao. 

Infinitijev turbobenzinac 2.0 VC-T uskoro će u modelu G80 napraviti povijesni iskorak, tržišnom izvedbom motora promjenjivog kompresijskog omjera, što će mu osigurati komparativne prednosti u snazi i potrošnji. Klasičan klipni mehanizam pretvara pravocrtno gibanje klipa preko klipnjače i ekscentra na koljenastom vratilu u kružno, koje se mjenjačem i prijenosnim mehanizmom predaje kotačima. Japansko rješenje u klipni mehanizam uvodi dodatni pravokutni dio - 'multilink', uležišten na rukavac koljenastog vratila. S jedne je strane na njega spojena klipnjača, a s druge je povezan s regulacijskim mehanizmom. 

To je rješenje problema: klipnjača više nije povezana direktno s radilicom, pa su klipnjače i klip dobili još jedan stupanj slobode gibanja, kojim se može mijenjati udaljenost osi male glave klipnjače (u kojoj je osovinica klipa) i osi letećeg ležaja radilice. Dakle, mijenja se efektivna (radna) dužina klipnjače, a time visina, dakle i obujam kompresijskog prostora. Radni obujam ostaje isti, budući se DMT i GMT pomiču istodobno, zadržavajući međusobnu udaljenost. Zvuči komplicirano, što i jest. Ako je nagib 'multilinka' veći, klipnjača i klip su u višem položaju te prilikom gibanja ostaje manje prostora između čela klipa i glave motora, čime se povećava kompresijski omjer. I obrnuto. Mehanizam se pokreće koračnim elektromotorom, s preciznim elektroničkim upravljanjem.

Svaka medalja ima dvije strane, pa i ovaj vrlo složeni sustav, uz velike prednosti, otvara i pitanje pouzdanosti (donosi niz novih mjesta mogućeg kvara, koja sada ne postoje) i troškova održavanja. Zbog toga se kvaliteta diže na kvadrat.  Veća snaga znači manja potrošnja: kod malih je brzina vrtnje i opterećenja benzinskog (otto) motora korisno imati veći kompresijski omjer, i obrnuto... Mehanizam za promjenu stupnja  kompresije: složenost izvedbe dosad je priječila serijsku proizvodnju ovakvih benzinskih motora.

Infiniti G80 bit će prvi model s motorom 2.0 VC-T snage oko 270 KS, a potom će se ugraditi i u Q30 te QX30. Riječ je o 'japanskom čudu', četverocilindarski 2.0 turbo s direktnim ubrizgavanjem bit će moćniji od 3.5 V6, uz znatno nižu potrošnju te jednaku razinu buke i vibracija. Premijera će biti 26. rujna na salonu u Parizu, a početkom 2017. revolucionarni se novitet očekuje i na našem tržištu. Prednosti su višestruke: za razliku od konvencionalnih motora, ovdje je os klipa pomaknuta u odnosu na os koljenastog vratila. Kada klip, klipnjača i koljeno radilice u GMT stoje potpuno vertikalno, u jednom trenutku pružaju otpor sili koja klip gura prema dolje, dok VC-T rješenje olakšava tzv. 'prevrtanje klipa' i smanjuje mehaničke gubitke. Također, ne treba ni osovinu za uravnoteženje, što osim gubitaka smanjuje i masu.

Saab Variable Compression (SVC) je švedski recept: gornji dio cilindarskog bloka izrađen je u sklopu s glavom motora, bregastim vratilima, ventilima, te usisnim i rashladnim sustavom. Vijcima je učvršćen na donji dio bloka, koji je s jedne strane učvršćen na klizni ležaj, a s druge ga gura, odnosno povlači masivan klipni mehanizam s hidrauličkim upravljanjem. Zakretanjem cijelog gornjeg sklopa u odnosu na donji dio motora s koljenastim vratilom povećava se (odnosno smanjuje) udaljenost cilindra od koljenastog vratila. Time se povećava (odnosno smanjuje) komora za izgaranje, čime se geometrijski smanjuje (odnosno povećava) kompresijski omjer. Eksperimentalni Saabov benzinski motor 1.6  neobičan je i ‘monoblok’ izvedbom. 

Glava motora nije izvedena odvojeno, nego izlivena u sklopu (iz jednog dijela) s gornjim dijelom bloka cilindara. Za prednabijanje predviđen je mehanički Rootsov kompresor.  Veći stupanj kompresije (14:1) jako pomaže pri manjim opterećenjima i brzinama vrtnje, a manji (8:1) pri najvišim turažama, kad motor ima dobru iskoristivost. Obujmom 1598 ccm trebao je biti najmanji 5-cilindarski motor na tržištu, snage 225 KS pri 6000/min i vršnog momenta 305 Nm pri 4000/min, uz specifičnu snagu 140,8 KS/l. Na kraju prvog dijela, odgovor na pitanje: Što je kompresijski omjer? Geometrijski kompresijski omjer je omjer najvećeg obujma u cilindru (radnog + kompresijskog) i najmanjeg (kompresijskog). 

Pokazuje koliko se puta smanjuje obujam plinova u cilindru, kretanjem klipa iz donje mrtve točke (DMT) u gornju (GMT). Kod suvremenih benzinaca je 10:1 do 14:1. Efektivni kompresijski omjer ovisi o usisnom prigušenju zbog položaja zaklopke (podtlaku u DMT),  brzini i opterećenju te izvedbi (klasičan ili Atkinsonov ciklus). U drugom dijelu moći ćete pročitati o konkretnim konstrukcijskim rješenjima.






Cindrić


Vulkal gume