Otáčky motoru a spotřeba paliva: co je efektivní a proč?

Většina z nás časem zjistila, jak zacházet s otáčkami motoru, aby pracoval úsporně. Proč je ale to či ono efektivní a jak se dále zlepšit?
  1. Autoforum.cz
  2. Rubriky a sekce
  3. Technika

Otáčky motoru a spotřeba paliva: co je efektivní a proč?

16.3.2011 | Pavel Janda | 154 příspěvků

Otáčky motoru a spotřeba paliva: co je efektivní a proč?

/

Foto: Archiv Autoforum.cz

Většina z nás časem zjistila, jak zacházet s otáčkami motoru, aby pracoval úsporně. Proč je ale to či ono efektivní a jak se dále zlepšit?

Na začátku byl dotaz

Na našem diskusním fóru se objevila zajímavá otázka našeho slovenského čtenáře na téma otáčky motoru a spotřeba paliva. Chtěl jsem na ni původně zareagovat přímo ve fóru, ale komplikovanost celé záležitosti a také potenciální zajímavost samotného tématu pro širší auditorium mě přiměly zpracovat reakci komplexněji do tohoto článku.

Výchozí otázka zněla takto (dovolím si ji volně přeložit do češtiny):

"Existuje nějaké spektrum nízkých otáček, v nichž auto spotřebovává při stejné rychlosti více, než kdybych podřadil a motor by pracoval ve vyšších otáčkách? Například na 4. rychlostní stupeň 1 500 ot./min by bral více než na 3. rychlostní stupeň 2 000 ot./min?"


Stručná a pravdivá odpověď může znít: „Záleží na konkrétním případu,“ ale to jistě není ta, se kterou byste se spokojili.

Obecnou odpovědí může být ano i ne. Je přílišným zjednodušením paušálně tvrdit, ze nízké otáčky = nízká spotřeba a vysoké otáčky = vysoká spotřeba. Klíčové je to, jakou energii do auta musíte vložit (resp. jakou práci vykonat) abyste jej rozpohybovali, změnili jeho nadmořskou výšku, udrželi jej v určité rychlosti atp. Pro spotřebu je pak určující, s jakou účinností je motor schopen tuto práci konat. Sama účinnost už se od otáček motoru odvíjí, žádná přímá úměra zde ale neexistuje.

Spotřeba vychází z energie, kterou vozu musíte dodat

Začnu proto trochu obšírněji. V prvé řadě je dobré si říci, že spotřeba paliva jako taková závisí primárně na tom, s čím, kam a jakým způsobem jedete. Celková energie potřebná pro přemístění auta z místa A na místo B sestává především ze třech součástí - pohybové energie (zrychlení), polohové energie (změna nadmořské výšky) a energie potřebné pro překonání odporu vzduchu. Jsou tu i další významnější faktory jako valivý odpor nebo ztráty v celém pohybovém mechanismu (motor, převodovka, …), jejich význam už ale není univerzální, neboť se odvíjí od toho, s jakým autem se pohybujete, a tak je v tuto chvíli pro zjednodušení zanedbám. K jednomu z nich se ale později oklikou vrátím.

Množství energie potřebné pro změnu polohy (výšky) a změnu rychlosti (zrychlení) dále ovliňuje hmotnost vozu (čím nižší je, tím méně energie je třeba). Odpor vzduchu pochopitelně určuje součinitel odporu vzduchu a čelní plocha vozu. Jinými slovy, čím méně zrychlujete, čím méně stoupáte do výšky, čím pomaleji jedete a to pokud možno s co nejlehčím, nejmenším a aerodynamicky optimalizovaným autem, tím méně energie pro svou jízdu spotřebováváte. To je zcela obecná teze. Pro lepší představu ji učiním trochu konkrétnější.

Nebudu zabíhat do přílišných detailů, které s ohledem na další výpočty nejsou podstatné, a řeknu, že zde máme vůz o hmotnosti 1 450 kg, s karoserií o čelní ploše 2 m2 a součinitelem odporu vzduchu 0,3, který chceme „dostat“ konstantní rychlostí 100 km/h do vzdálenosti 50 km. Během cesty překonáme převýšení 100 metrů a ke všemu přidáme, že vůz musíme na oněch 100 km/h nějak zrychlit. Pro zjednodušení přidám trochu nesmyslný předpoklad, že vůz zároveň zrychlí na 100 km/h a přitom se po celé dráze bude pohybovat touto konstatntní rychlostí, postupné zrychlování by celý výpočet značně zkomplikovalo a pro další povídání by to nepřineslo nic pozitiviního.

Budu na tomto místě uvažovat pouze tyto tři faktory a zanedbám ostatní. Vzhledem k tomu, že dále budeme řešit rozdíl ve spotřebě při jinak stejném stylu a rychlosti jízdy, pouze s jinými otáčkami motoru, je to jen jakési východisko pro představu, z čeho vůbec spotřeba paliva pramení, jinak je výsledná energie číslem, které mohu určit jakkoli a další závěry neovlivní.

Stručný výpočet proběhne následovně:

Pohybová energie: Ek = 1/2m*v^2
Polohová energie: Ep = m*g*h
Odpor vzduchu: F = 0,5*r*Cx*A*v^2 (výsledkem bude okamžitý odpor v Newtonech, z něhož dále spočítáme Jouly práce nutné vykonat na celé dráze jízdy; ty následně převedeme na kilowatthodiny)


Nebudu vás zatěžovat dílčími výpočty, energie potřebná pro ujetí 50 km konstatní rychlostí 100 km/h, jedno zrychlení na 100 km/h a získání 100 m nadmořské výšky u auta zmíněných parametrů je přesně 4,73 kWh.

Takže tu máme potřebu „výroby” 4,73 kWh v motoru, která je zkrátka objektivní. Aniž bychom dodali vozu tuto energii, není možné definovaný přesun uskutečnit. Této energie budeme využívat po dobu půl hodiny (50 km ujetých průměrnou rychlostí 100 km/h), motor tedy musí vozu de facto průběžně (jen to zrychlení nám to kazí) dodávat 9,46 kW.

Otázkou ovšem je, s jakou efektivitou tuto energii vytvoříme, tomu pak bude odpovídat spotřeba paliva. Tím se dostáváme k meritu věci. U zážehových motorů se sice obvykle udává účinnost okolo 30 %, ale motor jí nedisponuje v celém spektru otáček; v některých otáčkách bude vyšší, v jiných nižší. V jakých otáčkách se tedy pohybovat, aby spotřeba paliva pro získání potřebné energie byla co nejnižší?

Měrná spotřeba paliva napoví mnohé

Pro další úvahy musíme začít pracovat s tzv. „měrnou spotřebou paliva”, tedy relativní veličinou. Jde o množství paliva spotřebované na vyprodukovanou mechanickou práci a vyjádřeno pak může být třeba v gramech na kilowatthodinu. Měrná spotřeba je v různých otáčkách motoru různá a nemá žádnou jednoduchou spojitost s běžně dostupnými specifikacemi agregátu, jakkoli svým optimem má pochopitelně nejblíže k točivému momentu. Ale rozhodně není pravdou, že motor má vždy nejnižší spotřebu paliva v oblasti maxima točivého momentu, jak se často traduje.

Pamatuji si, že tento graf kdysi uváděly specifikace starých škodovek, pro dnešní auta se jej ale vůbec není možné dopátrat a stvořit ho vlastními silami také není reálné. Cesta ke křivce měrné spotřeby paliva je totiž složitá, musíme mít velmi přesné údaje pro ten či onen konkrétní motor. Nejde jen o přesný průběh točivého momentu, který napovídá mnohé o efektivitě motoru v jednotlivých otáčkách, svou roli hrají třeba i ztráty dané třením pístů ve válcích nebo už samotné opakované úvádění pístů motoru do pohybu. Tyto ztráty intenzivně rostou s rostoucími otáčkami motoru a to pochopitelně tím spíše, čím více motor používá válců. Proto také výrobci v posledních letech tíhnou ke snižování jejich počtu, i když tím motor přichází o své jiné přednosti. Neumím tedy v tomto případě sloužit jakýmkoli výpočtem, ale pro představu můžeme použít graf některého z konkrétních starších motorů, který je k nalezení na internetu.

Podařilo se mi najít grafy měrné spotřeby paliva několika motorů, přikládám z nich ten nejúplnější a nejpřehlednější - ukazuje současně křivky točivého momentu a měrné spotřeby a navíc je barevně odlišuje. Na grafu tak můžete najít zeleně zbarvenou křivku točivého momentu (zde označnou jako střední efektivní tlak na píst, ale průběh točivého momentu bude stejný) a fialovou křivku měrné spotřeby paliva, platit by měly pro benzinový motor Jaguaru.


Otáčky motoru a spotřeba paliva: co je efektivní a proč? - 1 - Vykon, MT, merna sportreba Jaguar
Grafy průběhu výkonu, točivého momentu a měrné spotřeby paliva třistakoňového motoru Jaguar

Z grafu je patrné, že měrná spotřeba paliva není nejnižší ve vysokých otáčkách, kde rostou již zmíněné mechanické ztráty v motoru a efektivita spalovacího procesu tak klesá. Stejně tak není nejnižší v nízkých otáčkách, kde spalné teplo odváděné chladičem (stěnami válců) je v poměru k produkované mechanické práci výrazem většího množství energie přiváděné v palivu než při vyšších otáčkách motoru. Efektivita spalovacího procesu tak opět klesá.

Zejména tyto dva faktory pak obvykle posouvají nejnižší měrnou spotřebu paliva do jiných sfér, než v jaké se nachází maximální točivý moment agregátu, zpravidla na půl cesty mezi volnoběžné otáčky a ty, ve kterých se nachází maximum točivého momentu. Je to ale opravdu jen jeden z příkladů, který - dle grafů, které jsem mohl shlédnout - bude přibližně platit pro většinu motorů běžných aut. Snad pouze u „méněválcových“ motorů křivka měrné spotřeby směrem k vyšším otáčkám roste pozvolněji. Třeba agregáty sportovních vozů jsou ale obvykle naladěny úplně jinak (jejich měrná spotřeba bývá nejnižší v mnohem vyšších otáčkách) a podobných nestandardních případů bychom našli řadu.

Takže v případě tohoto motoru prostě stačí pohybovat se co nejblíže cca 2 300 ot./min a je vyhráno? Ne tak docela, tento graf totiž ukazuje měrnou spotřebu paliva pro využití motoru na plný plyn. Výsledek tak bude vypovídající pro využití motoru v letadle či lodi, ale v autě motor takto konstantním způsobem zdaleka nevyužíváme.

Diskuze 154 příspěvků

Všechny články na Autoforum.cz jsou komentáře vyjadřující stanovisko redakce či autora. Vyjma článků označených jako inzerce není obsah sponzorován ani jinak obdobně ovlivněn třetími stranami.