Co se děje v malém spalovacím dvoutaktním modelářském motoru


 

Jako strojař jsem přesvědčený o tom, že při práci s jakýmkoli zařízením nebo problémem je mnohem důležitější než JAK, vědět PROČ.

Pokud neznám PROČ (co je příčinou), postupuji vůči zařízení nebo problému tak, jak postupuji, hrozí, že téměř jakákoli změna na něm může vést k tomu, že způsob, JAK jsem zařízení obsluhoval doposud, přestane fungovat. Stejně tak ale hrozí, že změním-li způsob, JAK ho obsluhuji, aniž vím PROČ, a ono bude i nadále fungovat, mohu nabýt pocitu, respektive uvěřit tomu, že to mé JAK, byť by šlo proti skutečnému PROČ, je jedině správné.

Kam taková víra může vést, jsem se nechtě nedávno přesvědčil, když jsem vyjádřil svůj názor na pořadí ohleduplnosti způsobů zastavování malého dvoudobého spalovacího modelářského motoru, podložený svou profesní zkušeností v oboru “dospělých” motorů, před skupinou automodelářů, kteří odmítají zastavovat motor ucpáním výfuku, protože věří ve fyzikální nesmysl, že při zastavování motoru ucpáním výfuku vzniká v motoru nebezpečný přetlak, který do něj nasává (!) palivo, takže ten se uchlastá :-D

Tak tedy těm, kteří tomuto nesmyslu věří, protože o něm zatím nepřemýšleli, stejně jako těm, kdo rozebrali svůj motor a chystají se ho zpátky složit, jsou určeny následující řádky, protože pro úspěšné složení vámi rozebraného motoru je dobré znát jeho PROČ. Neočekávejte ale složité matematické vzorce, ani konkrétní hodnoty nastavení. Smyslem tohoto článků je umožnit především začínajícím modelářům orientovat se v problematice, aby až dostanou konkrétní motor do rukou, věděli PROČ s ním mají zacházet tak, JAK se dočtou v návodu k obsluze.

 
Vždy mě fascinovalo, jak prostý a jednoduchý je princip spalovacího motoru (nasát směs do válce, stlačit jí v něm, zapálit, nechat pracovat rozpínající se spaliny a nakonec je z válce odstranit, aby se celý cyklus sání-komprese-expanze-výfuk mohl opakovat), ale kolik technických “fíglů” a jejich přesné koordinace je k tomu zapotřebí! Píši to proto, aby bylo jasné, že alespoň v úvodu se trošce teorie nevyhneme.

Pístové spalovací motory lze dělit různě - dle pracovních cyklů (resp. dle způsobu plnění pracovního válce) na dvoudobé a čtyřdobé, dle vytváření směsi na karburátorové a vstřikovací a dle způsobu zapálení směsi na motory vznětové (směs paliva se vzduchem se v nich vznítí sama) a zážehové (k zapálení směsi paliva se vzduchem je potřeba vnější energie).
 

 

Většina maloobjemových modelářských motorů, které se používají v modelech aut v měřítku 1:10 a 1:8 je dvoudobých, karburátorových a vznětových (žhavící svíčka v nich představuje tzv. “žhavící hlavu”, jejímž prostřednictvím se při kompresi ve válci docílí dostatečné teploty, aby došlo k samovznícení směsi paliva se vzduchem. Pro zajímavost uvádím, že takový typ “dospělého” motoru hrál ve filmu “Na samotě u lesa”)

 

To, co se ve válci motoru z hlediska jeho mechanického namáhání děje, popisuje tzv. “indikátorový diagram” Zobrazuje průběh tlaku ve válci v závislosti na úhlu natočení klikové hřídele (resp. poloze pístu ve válci).

Z hlediska pochopení, co tento diagram popisuje, je vhodnější použít indikátorový diagram čtyřdobého motoru.

Děje v motoru začneme sledovat těsně před dolní úvratí pohybu pístu, v okamžiku, kdy se otevřel výfukový ventil (VO). Všimněte si, že přetlak spalin velmi rychle poklesne a po celou dobu pohybu pístu k horní úvrati, kdy z válce vytlačuje zbylé spaliny je tlak jen nepatrně větší, než tlak atmosférický.

Těsně před horní úvratí se otvírá ventil sací (SO), kdy proud čerstvé směsi pomáhá vyfouknout poslední zbytky spalin, takže při pohybu pístu zpět, těsně po dosažení horní úvrati se zavírá výfukový ventil (VZ), ve válci vzniká mírný podtlak, který vyvolává proudění vzduchu do válce, přičemž tento proud v karburátoru strhává částice paliva a pomáhá tak vytvářet optimální složení směsi z hlediska její zápalnosti.

Sací ventil se zavírá (SZ) až chvíli po té, kdy píst dosáhl dolní úvrati a začíná směřovat směrem k úvrati horní. Důvodem je snaha dostat do válce co nejvíce kyslíku (resp. směsi vzduchu s palivem) a tím zvýšit účinnost motoru, kdy se využívá pohybová síla proudící směsi do válce. V podstatě jde o to, že tím, jak píst nasává směs, vytvoří v sacím potrubí “vítr” (podobně jako za vlakem metra pri vjezdu posledního vagonu do stanice z tunelu ještě chvilku proudí vzduch)
 

 
Jen jako perličku tu uvádím, že snaha dostat do válce co nejvíce vzduchu vedla nejenom ke vzniku různých dmychadel, ale např. i k zařízením, vstřikujícím vodu do sacího potrubí, kdy jejím vypařováním se vzduch v potrubí ochlazoval, zvyšovala se tak jeho měrná hmotnost a stejný objem vzduchu tak obsahoval více kyslíku

 
Po té, kdy se uzavřel sací ventil, začíná píst stlačovat směs ve válci. Těsně před dosažením horní úvrati je směs zapálena (V) tak, aby prudké zvětšení objemu plynu výbuchem začalo v horní úvrati.

Tento prudký nárůst objemu a tlaku spalin začne tlačit na píst a “hnát” ho k dolní úvrati, přičemž píst prostřednictvím ojnice a klikového mechanisku předá tuto energii dále.

Těsně před dolní úvratí se otvírá výfukový ventil (VO) a celý cyklus se opakuje.

Vraťme se nyní k popisu dějů v motoru, který nás zajímá, a tím je karburátorový motor dvoudobý.

Zatímco motor čtyřdobý potřebuje pro jeden cyklus dvě otáčky, dvoudobý motor to musí stihnout během otáčky jedné. ˇŘeší to tím, že “sání” i “výfuk” uskutečňuje v dolní úvrati pístu a pomáhá si k tomu tím, že pro rychlejší naplněnění válce využívá i prostoru pod pístem.
 


valec.jpg
Než ale budeme pokračovat v popisu funkce motoru, je nezbytné se zastavit u velmi důležitého konstrukčního prvku, kterým je vložka válce.

Na materiál, ze kterého je vytvořen blok motoru jsou kladeny dva protichůdné požadavky - aby byl co nejlehčí a snadno opracovatelný, ale zároveň, aby povrch válce odolával enormnímu tepelnému a mechanickému namáhání v průběhu splovacího procesu. Konstruktéři motorů to vyřešili právě vložkou válce.

Blok malého modelářského spalovacího motoru je proto obvykle vyroben z hliníkové slitiny, která je lehká a je jí možno odlévat do potřebných tvarů. Do tohoto bloku je pak zasunuta vložka válce z kvalitního bronzu.

A protože se se jedná o motor dvoudobý, plní vložka společně s pístem prostřednictvím otvorů, jak si popíšeme dále, funkci přesného časovače pro vyfouknutí spalin (ty odchází z válce výfukovým otvorem ve vložce, který je nasměrován na otvor výfuku v bloku motoru - viz. “V” na obrázku v popisu kompresního zdvihu) z válce a jeho naplnění čerstvou směsí paliva se vzduchem (ta do válce proudí přepouštěcími kanály, které tvoří vyfrézované drážky do bloku motoru a vnější povrch vložky válce).


37.JPG

38.JPG
 
To byl důvod, proč jsme si zdůrazňovali jak při rozebírání motoru, tak i při jeho zpětném sestavování, proč je nezbytné dodržet přesnou orientaci vložky vůči bloku motoru.

V případě nepřesného slícování se v lepším případě zmenší účinnná plocha přepouštěcích a výfukového otvoru a úměrně tomu i výkon motoru, a v tom horším se příslušné otvory zneprůchodní natolik, že motor bude nefunkční.




Aby po zahřátí při ustáleném provozu motoru dosáhly vložka i píst válcový tvar, je třeba, v důsledku rozdílné tepelné roztažnosti dané rozdílnými teplotami, kterým jsou jednotlivé částí pístu i vložky vystaveny, přizpůsobit rozměry pístu (u “dospělých” motorů má píst polosoudečkový tvar, tj. horní část pístu, která je vystavena při provozu motoru vyšším teplotám, než část spodní, má menší průměr) nebo vložky (u malých modelářských motorů má polosoudečkovitý tvar vložka válce, přičemž opět horní část, která je vystavena při provozu vyšším teplotám, má menší průměr).

Proto, odstavujete-li motor na delší dobu, je vhodné natočit klikovou hřídelí (setrvačníkem) píst do polohy dolní úvrati, aby nedošlo k jeho omačkání vložkou válce, a je rozumné použít pojistku polohy pístu, což je vpodstatě tyčka nastavitelné délky, která se zašroubuje do hlavy motoru místo svíčky a zafixuje tak polohu pístu v dolní úvrati.
 

 

Ukažme si nyní konkrétně, co a PROČ se děje v malém dvoudobém spalovacím modelářském motoru:

Velmi stručně to lze popsat tak, že v průběhu jedné otáčky klikové hřídele směs paliva se vzduchem, vytvořená v karburátoru, směřuje sacím otvorem (S) do prostoru pod pístem, přepouštěcími kanály (PK) je následně natlačena do válce a nakonec, už jako spaliny, opouští válec výfukovým otvorem (V).

1. Kompresní zdvih

Píst při pohybu vzhůru uzavřel svou horní hranou všechny otvory a začíná stlačovat (komprimovat) ve válci směs paliva se vzduchem


polohy_pistu_03.jpg

Současně píst svou spodní částí nasává směs paliva do prostoru pod sebou.

Aby bylo možné směs pod pístem následně stlačit, je nezbytné zamezit jejímu zpětnému úniku sacím otvorem. Na schematickém obrázku (vpravo nahoře) slouží jako šoupě uzavírající sací otvor spodní hrana pístu.

U modelářského motoru tuto funkci plní (viz, obrázek napravo) otvor v duté klikové hřídeli.


34.JPG
 

2. Výbuch a expanse

Těsně před tím, než dosáhne píst horní úvrati, se jím stlačená směs paliva a vzduchu ohřeje natolik, že se sama vznítí od rozžhaveného vlákna svíčky, a to tak, aby teprve v okamžiku, kdy píst dosáhne horní úvrati, se vznikající spaliny začaly dramaticky rozpínat.

Všiměte si, jak prodloužená stěna pístu v horní části obrázku brání propojení výfukového otvoru s prostorem pod pístem. Kdyby tomu tak nebylo, směs paliva se vzduchem nasátá během kompresního zdvihu pod píst by bez užitku unikla výfukem.



polohy_pistu_04.jpg

 

Jak je patrné, žhavící svíčka plní funkci regulátoru předstihu vznícení - kdyby vlákno svíčky bylo příliš žhavé, směs paliva se vzduchem by se vznítila příliš brzy a předčasně expandujíci spaliny by brzdily pohyb pístu při jeho cestě k horní úvrati. V opačném případě by si příliš chladné vlákno svíčky vyžádalo větší stlačení směsi paliva se vzduchem, aby ta dosáhla teploty potřebné ke vznícení, takže prudké rozpínání spalin by začalo až v okamžiku, kdy píst by byl již vzdálen od horní úvrati a část spalin by tak bez užitku unikla výfukem.

Znamená to, že ti, kteří dokáží “slyšet” nebo “cítit” motor, mohou pro dosažení maximálního výkonu motoru svého modelu experimentovat se svíčkami různé tepelné hodnoty podobně, jako někteří automechanici dokázali u klasického zapalování nastavovat předstih zážehu, tj. okamžik rozpojení kladívek mechanického přerušovače zapalování, u “dospělého” motoru sluchem. My ostatní se pak budeme raději držet doporučení výrobce motoru, ev. důvěřovat zkušenostem důvěryhodných kolegů modelářů.
 

 
Dovolte mi malé odbočení: mám rád věci a mechanismy, které nepotřebují složitou regulaci řízenou počítačem a které přesto reagují na měnící se podmínky, jakoby samy od sebe. Žhavící svíčka, resp. její vlákno, proto patří k mým “oblíbencům”. Podobně, jako např. odstředivý regulátor. Zvláště na klasickém parním stroji se na něj nedokáži dost vynadívat

Doba od okamžiku vznícení paliva do okamžiku, kdy spaliny začnou dramaticky expandovat, je v závislosti na otáčkách motoru téměř neměnná. Co se naopak v závislosti na nich citelně mění, je dráha pístu, kterou za tuto dobu urazí. Aby spaliny začaly expandovat právě v okamžiku, kdy píst dorazí do horní úvrati, je třeba při nízkých otáčkách větší předstih vznícení a naopak vysoké otáčky motoru vyžadují malý předstih vznícení.

A ono to tak opravdu funguje! Při nízkých otáčkách má vlákno svíčky více času k tomu se ochladit a tudíž k dosaření teploty směsi paliva se vzduchem, potřebné pro její samovznícení, je nutné směs více stlačit, takže píst je v okamžiku vznícení blíž horní úvrati (předstih vznícení je tudíž menší). Čím vyšší jsou otáčky motoru, tím kratší čas má vlákno svíčky k dispozici pro ochlazení, tím méně je třeba směs stlačit a tím ve větší vzdálenosti pístu od horní úvrati nastává vznícení směsi paliva se vzduchem (předstih vznícení se zvětšuje).

 

 
Podobně jako karburátor, i žhavící svíčky si zaslouží samostatný článek, a tak tady jen zopakuji dvě obecné zásady, které jsem převzal od zkušených modelářů:

  • Pokud z jakéhokoli důvodu vyšroubováváte z hlavy motoru žhavící svíčku, čiňte tak pokud možno, především u offroadů, s motorem hlavou dolů. Zabráníte tak možnému napadání mechanických nečistot do válce, které mohou mít pro motor až destrukční následky.
  • Svíčku měňte raději dříve, než později, tj. jakmile její vlákno začne vypadat, jako by z něho odpadly kousky materiálu, je nejvyšší čas svíčku vyměnit. V opačném případě hrozí, že vlákno skutečně odpadne do prostoru válce, kde může způsobit vážné mechanické poškození.

 

3. Výměna obsahu válce

V okamžiku, kdy píst dosáhne horní hranou okraje výfukového otvoru, přestává velmi rychle konat práci a nastává pro mě ta nejvíce vzrušující část spalovacího procesu karburátorového dvoudobého motoru


polohy_pistu_03.jpg

Umístění, tvar a velikost jednotlivých otvorů ve vložce zajišťuje otimální průběh výměny obsahu válce, tj. s ponecháním co nejmenšího množství spalin ve válci a současně s minimálními ztrátami čerstvé směsi paliva se vzduchem, která “odfoukne” se spalinami.
 
Jako perličku uvádím, že tato směs paliva se vzduchem ve spalinách odcházejících výfukem vytváří tzv. “nespálené uhlovodíky”, které činí výfukové plyny dvoutaktů nejenom ekologicky nepřijatelné, ale také “nečichatelné” - pamětníkům připomínám, jaké to bylo v druhé polovině minulého století jet po dálnici Brno - Praha, kdy se vraceli turisté z NDR se svými Trabanty a Wartburgy z Brněnské Velké Ceny:-)

Protože tlak spalin ve válci i v poloze pístu blízko dolní úvrati je několikanásobně větší, než je plnící tlak směsi paliva se vzduchem pod pístem, stlačované jeho spodní částí, je třeba, aby se nejprve otevřel výfukový otvor. Teprve v okamžiku, kdy tlak ve válci začne klesat pod hodnotu plnícího tlaku, mohou přijít ke slovu otvory přepouštěcích kanálů.

Tomu, aby většina směsi paliva se vzduchem z otvoru proti výfukovému otvoru rovnou neopustila bez užitku prostor válce a současně tím neuzavřela cestu úniku zbytku spalin z horní části válce, brání na schematickém obrázku (vpravo nahoře) deflektor na pístu.


polohy_pistu_02.jpg

polohy_pistu_01.jpg

Ale z hlediska setrvačných sil nevyhovuje takové řešení vysokootáčkovému modelářskému motoru, který to řeší tím, že nejprve se otevřou otvory bočních přepouštěcích kanálů a až na závěr otvor přepouštěcího kanálu, umístěného proti výfukovému otvoru.

Při potřebném zjednodušení si můžeme představit děje ve válci tak, že nejprve se plným tlakem (v důsledku stlačení směsi pod pístem), oba proudy směsi paliva se vzduchem z otvorů bočních přepouštěcích kanálů střetnou v ose válce a odraženy od pístu zamíří vzhůru, odkud vytlačují dolů zbytky spalin, které nakonec “spláchne” již jen minimálním přetlakem do výfukového otvoru proud spalin z otvoru přepouštěcího kanálu proti výfukovému otvoru.
 

Nyní se podíváme na indikátorový diagram dvoudobého modelářského motoru, který nám lépe osvětlí i tlakové poměry ve válci v průběhu spalovacího procesu.

Jak máte možnost vidět, pracovní část diagramu dvoudobého motoru se od diagramu motoru čtyřdobého v zásadě neliší, po stlačení směsi, těsně před horní úvratí dojde k výbuchu (V) tak, aby k maximálnímu rozpínání spalin došlo v horní úvrati. Nárůst objemu plynu a tlaku pak “žene” píst zpět k úvrati dolní.

Rozdíl ale je, jak jsme si již popsali, v procesu odstranění spalin a naplnění válce čerstvou směsí paliva se vzduchem. Pro větší názornost je na obrázku tato oblast vykreslena s jemnějším měřítkem tlaku (I. průběh tlaku při běhu motoru a II. v okamžiku zastavení mororu ucpáním výfuku) a zároveň je schematicky naznačen píst a válec motoru s příslušnými kanály. Pro účely zdůvodnění pořadí způsobů zastavování motoru z hlediska jejich ohleduplnosti vůči němu tu uvádím předpokládané (nikdo, zdá se, a to ani výrobci, neměřil konkrétní hodnoty tlaků ve válci malých spalovacích modelářských motorů, a tak jsem je odhadnul na základě analogií s “dospělými” motory, přičemž na katedře spalovacích motorů ČVUT tyto hodnoty označili za “možné”) tlakové poměry - pa je tlak atmosférický (1 atmosféra, resp. 0,1 MPa), plnící tlak (červená ryska) je zhruba trojnásobný (3 atmosféry, resp. 0,3 MPa), kompresní tlak (cca okamžik zážehu “V”) je zhruba patnáctinásobný (15 atmosfér, resp. 1,5 MPa), maximální tlak při volnoběhu (zelená křivka) zhruna 30tinásobný (30 atmosfér, 3 MPa), maximální tlak ve válci pak je zhruba padesátinásobný (50 atmosfér, resp. 5 MPa).

A nyní tedy, co se děje při běhu motoru (obr. I.) Cestou k horní úvrati nasává píst pod sebe do prostoru klikového mechanismu směs, kterou při pohybu směrem k dolní úvrati začne stlačovat. Píst je tlačen rozpínajícími se spalinami k dolní úvrati a pomocí ojnice a klikového mechanismu předává jejich energii dál, a to až do okamžiku, svým pohybem otevře výfukový kanál (VO) a kdy spaliny přestanou tlačit na píst a začnou opouštět prostor válce, takže tlak ve válci razantně poklesne, a to až do okamžiku, kdy píst svou hranou otevře kanál plnící (PO), kdy čerstvá směs tlačená do válce spodní stranou pístu svým přetlakem úbytek tlaku ve válci zpomalí.

Mírný přetlak, oproti atmosférickému tlaku, který usnadňuje spalinám opustit prostor válce zůstává zhruba na stejné úrovni, dokud píst svým pohybem neuzavře oba kanály (PZ, VZ). Od toho okamžiku začne píst směs stlačovat přes okamžik zapálení směsi (V) až k horní úvrati, kdy prudký nárůst objemu a tlaku spalin začne tlačit na píst a “hnát” ho k dolní úvrati, přičemž píst, stejně jako u čtyřtaktního motoru, prostřednictvím ojnice a klikového mechanisku předá tuto energii dále.

A teď se podívejme, co se děje, když ucpeme výfuk (obr. II.). Tím, jak vyplňují spaliny prostor výfuku (a to i prostor výfukového kanálu), narůstá postupně i tlak ve válci v dolní úvrati pístu, a to až do okamžiku, kdy spodní strana pístu nedokáže natlačit do válce plnícím kanálem dostatek směsi tak, aby mohlo dojít k jejímu zapálení. Od tohoto okamžiku až do nenásilného zastavení motoru se tlak ve válci pohybuje po spodní křivce indikátorového diagramu, přičemž v dolní úvrati se může pohybovat maximálně na úrovni plnícího tlaku (červená ryska), tj. cca 3 atmosféry, resp. 0,3 MPa, protože spodní plocha pístu nedokáže ani vyšší tlak vytvořit.

Z toho je vidět, jak nesmyslná jsou některá tvrzení zatvrzelých nevraživců vůči těm, kdo nezastavují motor setrvačníkem, jako například:

  • Zacpanim vyfuku tece do motoru vice paliva az se prechlasta

    Jak je patrné z obr. II., zacpáním výfuku dochází sice k nepatrnému navýšení tlaku v dolní úvrati, které ale přesto způsobí, že spodní strana pístu nedokáže natlačit do válce dostatek směsi, aby došlo k jejímu zapálení

  • ve vybrusu vznika extremni kompres a to nedela samotnemu vybrusu dobre.

    Přiznám se, že jsem měl poněkud problém s “překladem”:-) Např. slůvko (ten) “kompres” ve mně sice asociovalo drobnou vzpomínku, ale jinak jsem na ně nikde nenarazil, ani v odborné literatuře, ani ve slovníku cizích slov. Nejblíže je tomu slovo (ta) “komprese”, to je v motorařině synonymum pro “kompresní poměr”, což je poměr mezi celkovým objemem motoru a kompresním prostorem (objemem prostoru mezi hlavou a pístem v horní úvrati). Ten lze měnit ale jen mechanickým zásahem do motoru (obvykle snížením nebo podložením hlavy motoru), takže jsem ho nakonec přeložil jako “tlak”. Slůvko “výbrus” jsem pak přeložil jako “válec”, takže v mém překladu tento text zní: Zacpáním výfuku … vzniká ve válci extremní tlak, a to nedělá samotnému válci dobře. Skutečnost je opět jiná: Zacpáním výfuku ve válci vzroste, a to pouze v dolní úvrati pístu, zcela zanedbatelně tlak, který v žádném případě nepřekročí hodnotu plnícího tlaku, takže válec to vůbec nepocítí.

Sečteno a podtrženo:

Malé modelářské spalovací motory jsou vysokootáčkové (minimálně cca 25 000 otáček/min). Průběh kroutícího momentu v závislosti na otáčkách je u takových motorů velmi strmý, takže je při volnoběžných otáčkách zanedbatelný, což způsobuje, že při volnoběžných otáčkách i ten nejbezohlednější způsob zastavování motoru, tj. mechanickým zabržděním, přestává být pro malé modelářské motory hrozbou.

Přesto, pokud to výrobce výslovně nedoporučuje, považuji za rozumnější, zvláště když se motor rozeběhne do vyšších otáček, se zastavování motoru “natvrdo” raději vyhnout.

S jistou humornou nadsázkou lze interpretovat požadavek výrobců, že při běhu motoru se nikdo nemá dotýkat rukama ani předměty rotujících částí (např. KYOSHO, výrobce motoru mého modelu, to uvádí v návodu, aniž by určoval, jak motor zastavovat), že motor nelze zastavovat setrvačníkem, protože ten za běhu motoru rotuje:-)
 

Děkuji Ing. Liboru Kolmanovi za laskavou korekturu mého textu a za podnětné připomínky z jeho modelářské praxe.
 
 
1.8. 2005 a 6.2.2006 a 17.11.2006

 

 

F


Co je nového u kamarádů:

MoNaKo - MOdelařina NA KOleně
MoNaKo - veškeré informace (nejen) o modelech lodí
RC.305
RC.305 - stránky věnované RC autům, scale a expedicím.