Vliv oktanového čísla paliva na konečný výkon… — Mitsubishi Airtrek Turbo, 2,4L, 2002 | ladění | JÍZDA2

Ahoj všichni. Vzhledem k tomu, jak ukázal průzkum, jsou lidé, kteří mají zájem číst můj blog, budu ho nadále udržovat ve stejném stylu jako doposud. Další příspěvek pro ty, kteří chtějí trochu více porozumět tomu, jak fungují fyzické vztahy v motoru a jak ovlivňují konečný výsledek. Dnešní příspěvek bude o tom, jak oktanové číslo benzínu ovlivňuje výkon motoru, tedy jeho účinnost. Někteří „experti“, míchající vše dohromady, mi připisují tvrzení, že vysokooktanová paliva hoří rychleji než nízkooktanová, a samozřejmě mnou zpochybňují frázi „řekl“. Obecně, abych byl upřímný, jsem zvyklý na to, že si lidé vykládají mnoho mých frází způsobem, který je pro ně srozumitelnější, v souladu s úrovní jejich znalostí, a nikoli v souladu s tím, jak se věci dějí ve skutečnosti. Je mi to úplně jedno, je to nakonec každého osobní věc, čemu věřit a čemu ne – nemůžete každému vysvětlovat, co je správné. A není důvod to dělat. Ale zajímá mě, když mě začnou zatahovat do nějakých témat, ke kterým nemám vůbec žádný vztah. To znamená, že na mé jméno se vydávají některé věci, které jsem prý někdy někde uvedl. Toto téma je jedním z nich, a proto jsem se rozhodl ho nahlas osobně, aby nikdo neměl nedorozumění nebo pochyby.

Pojďme si tedy jako obvykle ujasnit, co je v tomto tématu realita a co fikce. 1 teze – vysokooktanová paliva hoří rychleji než nízkooktanová. Opravdu jsem to řekl, ale mluvil jsem konkrétně o srovnání alkoholů a benzínu. Zde je dle mého názoru vše tak samozřejmé, že ani nemá cenu ztrácet čas cokoli podrobně vysvětlovat. Google komukoli vše vysvětlí za 5 minut mnohem lépe než já. Pokud je někdo líný hledat informace na toto téma, tak nechám 2 vizuální obrázky pro lenochy. Připomínám, že etanol má podle výzkumné metody oktanové číslo kolem 105-110, metanol 111-114 a jak je vidět z těchto dvou obrázků, obě tato vysokooktanová paliva hoří rychleji než benzín. Sportovní, vysokooktanové typy benzinu zpravidla hoří ještě pomaleji než běžné typy benzinu a zde je také vše zřejmé a nestojí za čas strávený. Zde je nutné zmínit pouze to, že za celou dobu, co se této problematice rychlosti spalování sportovních benzinů věnuji, se mi nepodařilo najít žádné informace o rychlosti spalování vysokooktanových typů sportovních benzinů s obsahem kyslíku, jako je Q16 nebo Import z VP. Jediná věc, kterou jsem našel, byla zmínka, že byly navrženy tak, aby hořely rychlostí ne pomaleji než alkoholy. Zda je to pravda nebo ne, lze ověřit pouze na stánku (a možná letos takový test provedu), ale na internetu se mi o tom nepodařilo najít žádné informace.

Obecně jsme vytřídili alkoholy a běžný benzín, vše je zde jasné a srozumitelné. Nyní se podívejme na to, co se děje uvnitř samotných benzínů. Který benzín hoří rychleji – 98 nebo 95? A proč 95 vždy produkuje méně energie než 98 (za předpokladu, že skutečné oktanové číslo odpovídá deklarovanému)?
Začněme od základů – co je oktanové číslo (ON), co to znamená. Oktanové číslo označuje pouze jeden jediný parametr – odolnost paliva vůči výbuchu. To je ono, nic víc. Detonace je proces nekontrolovaného vznícení hořlavé směsi ve válcích, vedoucí k abnormálnímu nadměrnému zvýšení tlaku ve spalovací komoře a v důsledku toho ke zničení součástí motoru. To znamená, že čím vyšší je oktanové číslo našeho benzínu, tím nižší je pravděpodobnost detonace a tím nižší je riziko způsobení jakéhokoli poškození motoru. Tuto skutečnost je potřeba zaznamenat: oktanové číslo udává pouze jednu charakteristiku paliva – detonační odolnost. Nemá to nic společného s „čistotou“ benzínu – jak se běžně věří, přítomnost aditiv benzín znečišťuje atd. Ve skutečnosti se do benzínu přidávají aditiva, aby se zvýšilo oktanové číslo a zlepšila se odolnost proti výbuchu – proto byly vynalezeny. Zde je nutné zmínit, že existují dva druhy výpočtu OCH, ale nebudeme se u toho zdržovat – opět si každý na toto téma snadno zjistí vše za 5 minut na Googlu.
Ovlivňuje oktanové číslo další charakteristiky paliva, jako je rychlost hoření? Ano, taková souvislost tu je, ale není to jediný faktor, který ovlivňuje rychlost hoření, vliv mohou mít i jiné věci. Nízkooktanové benzíny však mají tendenci hořet rychleji než vysokooktanové benzíny. Co nám tato skutečnost dává z hlediska získání maximálního výkonu a zvýšení účinnosti motoru?

Zde je potřeba rozluštit, co se myslí zvýšením účinnosti motoru – získání maximálního možného výkonu při spalování stejné masy paliva. V automobilovém inženýrství existuje charakteristika zvaná BSFC – Break Specific Fuel Consumption, která ukazuje, kolik liber paliva za hodinu motor potřebuje k výrobě 1 koňské síly. Přirozeně, čím nižší je toto číslo, tím je motor účinnější a tím vyšší je jeho účinnost. Pokud tuto koncepci trochu změníme a vezmeme dva motory s různou účinností, naplníme je stejným množstvím paliva úměrným jejich objemu, pak ten s vyšší účinností vyrobí větší výkon na jednotku objemu. To je případ, kdy existuje rozdíl v účinnosti a vše je zřejmé. Co se ale stane, když budeme mít dva naprosto identické motory s naprosto identickou potenciální účinností a jediným rozdílem je typ použitého benzínu, 95 nebo 98 – který motor bude mít vyšší výstupní účinnost, který z nich bude produkovat větší výkon a proč?

A zde je velmi důležité pochopit další krok, který si probereme – na čem závisí maximální možný výkon, čím je omezen. Pojďme si rozložit sílu na její součásti. Všichni dobře víme, že výkon je derivací otáček a točivého momentu s určitým koeficientem. Koeficient změnit nemůžeme, je standardní, maximální otáčky bez výrazných konstrukčních změn na geometrii motoru moc měnit nemůžeme, točivý moment zůstává. To znamená, že v podstatě nejčastěji je omezovač výkonu hodnota točivého momentu. Jeho zvýšením můžeme zvýšit výkon. Přirozeně se nabízí otázka: na čem závisí maximální točivý moment, čím je omezen? V reálu ovlivňuje hodnotu maximálního možného točivého momentu mnoho věcí – kompresní poměr, teplota vzduchu na sání, geometrie spalovacího prostoru a samotného motoru, těsnost pístních kroužků ke stěnám válců, průchodnost hlavy válců, otáčky motoru a energie proudícího vzduchu na sání, fáze otevírání a zavírání ventilů, množství použitého bloku paliva (směs paliva se vzduchem, případně použitá tepelná vodivost válce). atd. Jak vidíme, faktorů je mnoho. Ale ve světle diskuse o vlivu typu benzinu na konečný výsledek nás všechny tyto faktory nezajímají, kromě použití různých typů benzinu – vysokooktanového a nízkooktanového. Jak jsme se shodli výše, máme dva naprosto identické motory a všechny ostatní faktory jsou v našem případě vyrovnané s výjimkou jediného – rozdílu v benzínu.

Jak jsem psal v předchozím příspěvku o maximálním možném točivém momentu na atmosférický motor, množství energie, které lze získat z benzínu 95 a 98 se prakticky neliší a je o něco méně než 44 MJ na 1 kg. (AI 95 – 33,00 MJ/litr. AI 98 – 33,66 MJ/litr. Průměrné hodnoty hustoty: pro AI-95 – 0,750 g/cm98, pro AI-0,765 – 98 g/cmXNUMX). Jak vidíme, z hlediska přeměny energie obsažené v uhlovodících na mechanickou práci jsou oba druhy benzinu ve stejných podmínkách, ale přesto s XNUMX můžeme získat větší výkon.

Jak již bylo zmíněno, nízkooktanový benzín obecně hoří rychleji než vysokooktanový benzín, a to by teoreticky měla být výhoda. Protože benzín s nízkým oktanovým číslem hoří rychleji, lze jej zapálit později při pohybu pístu směrem k TDC. Vše je logické – píst se pohybuje směrem k TDC, stlačuje směs paliva a vzduchu a to vyžaduje vynaložení části energie generované v jiných válcích. Pokud v určitém okamžiku zapálíme směs paliva se vzduchem, začne hořet, začne se zvyšovat i teplota a tlak uvnitř stlačeného objemu válce a podle toho se také zvýší odpor pístu pohybujícího se ve směru TDC a k překonání tohoto odporu budeme muset vynaložit energii generovanou v jiných válcích. Čím více energie vynaložíme na kompresi, tím méně energie se dostane k setrvačníku motoru, čímž se sníží výkon generovaný motorem. Čím později směs paliva se vzduchem zapálíme, čím méně energie vynaložíme na stlačení hořící směsi (tedy na překonání odporu), tím větší výkon bude motor generovat na setrvačníku. Zatím je vše jednoduché a jasné.

Nabízí se ale jedna logická otázka: proč potřebujeme zapálit směs v okamžiku, kdy se píst přesune do TDC? Proč nelze směs zapálit, když píst již dosáhl TDC (tj. stlačil směs paliva se vzduchem bez zbytečného odporu), nebo když již prošel TDC a začal se pohybovat do dolní úvratě? Logika naznačuje, že s tímto schématem neplýtváme energií navíc a nezískáme více energie. Nebo ano?

Ne, nepřijímáme to. A tady jde o to (vracíme se k otázce, na čem závisí maximální točivý moment) – schopnost získat maximální točivý moment. Pro získání maximálního možného točivého momentu je nutné splnit 2 podmínky (připomínám, že pro snazší pochopení procesu jsme prozatím dočasně zrušili všechny faktory a ponechali pouze 2 různé benzíny): za prvé je nutné dosáhnout maximálního možného tlaku ve spalovací komoře (při normálním spalování benzínu), za druhé, maximální tlak ve spalovací komoře by měl nastat v určitém rozsahu stejnosměrného proudu u modelu motoru od 10 do 20 stupňů natočení klikového hřídele. Proč zrovna od 10 do 20 stupňů? Tato zóna je vypočítána geometricky, když je píst v této konkrétní zóně otáčení klikového hřídele, vyvíjí maximální tlak na samotný klikový hřídel prostřednictvím ojnice. Pokud se směs zapálí tak, že když je píst v této zóně, vznikne ve spalovacím prostoru maximální možný tlak, tak na výstupu dostaneme maximální možný točivý moment. Zhruba řečeno, naším úkolem je zapálit palivo v takovém okamžiku, kdy po shoření většiny paliva a vytvoření maximálního tlaku ve spalovacím prostoru je píst po TDC v pásmu 10-20 stupňů natočení klikového hřídele. Právě s touto konstrukcí získáme maximální možný točivý moment a v důsledku toho i maximální výkon…

Kdo měl možnost vidět mapu zážehu ve firmwaru ECU motoru, dobře ví, že mapa ukazuje stupně zážehu před TDC. To je důvod, proč k zapálení dochází před TDC a ne po – každý chce vytvořit maximální tlak ve spalovací komoře co nejblíže této zóně, 10-20 stupňů po TDC. Směs palivo-vzduch totiž potřebuje nějaký čas na vyhoření a navíc směs časem hoří nerovnoměrně. Úhel zážehu, při kterém je možné ve spalovací komoře v této zóně vytvořit maximální tlak, se nazývá bod MBT – Maximum Break Torque neboli bod maximálního točivého momentu. Zvětšením úhlu předstihu zážehu nad hodnotu MBT nebudeme schopni zvýšit maximální tlak ve spalovací komoře, protože tlaková špička přijde příliš brzy a síla působící na píst bude menší než maximální možná, plus se zvýší ztráty způsobené kompresí hoření a zvětšováním objemu směsi paliva a vzduchu.

Nyní se podívejme, jak se budou naše benzíny chovat za podmínek, které jsme zmínili. Benzín 95 – hoří rychleji než 98, můžete zapálit blíže k TDC a získat menší ztráty výkonu. Problém je, že i při vysoké rychlosti spalování benzín 95 neumožňuje vytvoření maximálního možného tlaku ve spalovacím prostoru v oblasti umístění pístu 10-20 stupňů po TDC. K tomu hoří příliš pomalu a tlaková špička se ve spalovací komoře vytváří příliš pozdě, když se píst příliš vzdálil od TDC. Dobře chápeme, že čím dále je píst od TDC, tím větší je objem, ve kterém se výfukové plyny roztahují, tlak tedy roste mnohem pomaleji a tlaková špička je mnohem menší než maximální možné, t.j. motor nevyrábí dostatečný výkon. Zdálo by se, že tento problém lze vyřešit velmi jednoduše – zvyšte úhel předstihu zážehu a zažehněte směs dříve, čímž dosáhnete špičky tlaku ve válci 10 stupňů v zóně TDC.

Zde ale vstupuje do hry faktor, kterým tento příspěvek začal – oktanové číslo neboli schopnost benzínu odolat detonaci. Vzhledem k tomu, že benzín 95 má horší charakteristiku než 98, při zvýšení časování zapalování začne benzín 95 detonovat. Zvýšením časování zážehu zapálíme směs dříve, a proto zahříváme spalovací komoru, což přispívá k výskytu detonace. Jak jsme již řekli, detonace je proces, který má destruktivní účinek na součásti spalovacího motoru v důsledku nadměrného tlaku ve spalovacím prostoru. Samozřejmě musíte okamžitě snížit časování zážehu na hodnoty, kdy detonace zmizí, ale zároveň se tlaková špička po TDC opět vzdálí od zóny 10-20 stupňů a motor nemůže vyvinout větší výkon.

Benzín 98 nyní hoří o něco pomaleji než 95, ale je odolnější vůči detonaci. To umožňuje zvýšit časování zapalování tak, že i při mírně delší době spalování se špičkový tlak na píst vytvoří v zóně mnohem bližší 10-20 stupňům za zónou TDC, tj. vytvoří se více točivého momentu a v důsledku toho větší výkon.
To je ve skutečnosti celý rozdíl mezi těmito dvěma druhy paliva a vliv oktanového čísla na získání maximálního výkonu.

Jak již všichni pochopili, pokud vezmeme benzín s ještě vyšším oktanovým číslem (například 100), umožní nám to ještě více zvýšit časování zapalování a přiblížit špičkový tlak na píst ve spalovací komoře ještě blíže k zóně 10-20 stupňů po TDC. Existuje také omezení na maximální požadované oktanové číslo – jakmile dosáhneme paliva s oktanovým číslem, které nám umožní nastavit zapalování odpovídající MBT – Maximum Break Torque, pak nebude mít smysl dále zvyšovat oktanové číslo paliva, protože, jak již bylo řečeno, nezpůsobí to žádné zvýšení točivého momentu, protože bod maximálního vypínacího momentu již byl fyzicky dosažen a mechanicky by se jednoduše dosáhlo více mechanického tlaku ve spalovacím motoru.