Lineární nárůst výkonu spalovacího pístového motoru je z fyzikálního hlediska nemožný. Při pohledu na jakýkoliv graf z motorové brzdy si lze všimnout, že křivky znázorňující výkon a točivý moment nejprve stoupají, dosahují svých vrcholů při různých otáčkách a následně prudce klesají. Proč tomu tak je?

Grafy výkonu a točivého momentu představují grafické znázornění účinnosti pohonné jednotky v celém rozsahu jejího provozu. Na jejich tvar působí souhra mechanických, termodynamických a aerodynamických faktorů, které se dynamicky mění se zvyšujícími se otáčkami klikové hřídele.

Točivý moment a výkon – základní rozdíly a přímá závislost

Točivý moment určuje schopnost motoru vykonávat práci v daném okamžiku a je přímým odrazem síly, jakou spaliny působí na píst, který prostřednictvím ojnice otáčí klikovou hřídelí. Vyjadřuje se v newtonmetrech (Nm). Naopak výkon, udávaný v kilowattech (kW) nebo koňských silách (k), měří rychlost vykonávání této práce v čase.

Vztah mezi těmito parametry popisuje fyzikální rovnice: výkon je součinem točivého momentu a otáček motoru. Z toho důvodu dosahuje křivka výkonu svého maxima vždy později (při vyšších otáčkách) než křivka točivého momentu. I když točivý moment začne klesat, rostoucí otáčky klikové hřídele po určitou dobu tyto ztráty kompenzují, což vede k dalšímu růstu generovaného výkonu.

Proč se maximální hodnoty nevyskytují při nejvyšších otáčkách?

Se zvyšujícími se otáčkami motoru se drasticky zkracuje čas dostupný pro vykonání jednotlivých pracovních zdvihů. Při nízkých a středních otáčkách zůstávají ventily otevřené dostatečně dlouho na to, aby se válec účinně naplnil směsí paliva a vzduchu. Jakmile jsou otáčky velmi vysoké, doba otevření ventilů drasticky klesá, což omezuje hmotnost dodávaného vzduchu (klesá tzv. volumetrická účinnost) – a to vede přímo k poklesu točivého momentu.

Druhým klíčovým faktorem jsou odpory proudění a také mechanické a tepelné ztráty. Při velmi vysokých otáčkách rostou odpory proudění vzduchu v sacím a výfukovém systému kvadraticky a tření pístních kroužků o stěnu válce společně s prací potřebnou k pohonu příslušenství pohlcují stále větší část energie vygenerované spalováním.

Rovněž sama rychlost hoření směsi se stává omezením. Pokud proces spalování trvá déle než pohyb pístu z horní do dolní úvrati, směs dohořívá částečně ve výfukovém systému, aniž by vykonala užitečnou mechanickou práci. Souhra těchto jevů způsobuje, že za určitou hranicí otáček je pokles točivého momentu tak prudký, že začíná klesat i křivka výkonu.

Vliv geometrie klikového mechanismu na charakteristiku

Rozměry klikového mechanismu přímo určují, v jakém rozsahu otáček dosahuje motor nejvyšší účinnosti. Poměr vrtání válce ke zdvihu pístu definuje základní koncepci motoru. Dlouhozdvihové motory (kde je zdvih pístu větší než vrtání válce) generují vysoký točivý moment při nízkých otáčkách díky delšímu ramenu kliky, avšak kvůli vysokým lineárním rychlostem pístu hůře snášejí vysoké otáčky.

Naopak krátkozdvihové motory se vyznačují kratším ramenem kliky, což snižuje točivý moment v nízkých otáčkách, ale umožňuje bezpečně dosahovat výrazně vyšších otáček. Menší zdvih pístu omezuje jeho lineární rychlost i třecí odpory, čímž posouvá vrchol křivky výkonu výrazně výše v rozsahu otáček.

Nelineární průběh výkonu a točivého momentu je výslednicí fyzikálních omezení, se kterými se potýká každý pístový spalovací motor. Změny v účinnosti plnění válců, odpory proudění vzduchu, vnitřní tření a kinetické vlastnosti klikového mechanismu způsobují, že pohonná jednotka má přesně vymezené okno optimální účinnosti.

Pochopení těchto závislostí vysvětluje, proč spalovací motor nerozvíjí maximální výkon v celém rozsahu otáček ani nedosahuje vrcholu svých možností až při omezovači otáček. Graf z motorové brzdy tak není jen souborem technických dat, ale digitálním záznamem dynamiky termodynamických a mechanických dějů probíhajících uvnitř pohonné jednotky.