Cylinder On Demand – Vypínání válců

Vypínání válců v případě, že nepotřebujete plný výkon, může být další cestou ke snižování spotřeby paliva. Zejména u velkých víceválcových motorů…

Situace v automobilismu se podstatně změnila po přestálých ropných krizích a posunu smýšlení společnosti ve vztahu k životnímu prostředí. Spotřeba se prodrala mezi nejsledovanější parametry vozidel a ve vývoji pohonných jednotek u automobilek, zvláště pak těch, které na trh přicházely s luxusními vozy, začala éra potlačování žíznivosti jejich velkoobjemových motorů. Při této příležitosti byl oprášen patent údajně z roku 1898, který u spalovacího motoru popisuje systém vyřazování pracovních válců z provozu.

S první účinnou aplikací této myšlenky přišel General Motors v roce 1981, když u svého motoru V8/6/4 mohl využít nejen plný počet válců, ale v určitých fázích zatížení vystačil se šesti nebo i se čtyřmi pracovními válci. Celkem bylo vyrobeno 170 tisíc těchto motorů. O pár let později s odpojováním válců z provozu ­vyrukovaly také Honda, Mercedes-Benz a Chrysler, ale doba nebyla zralá na to, aby si musely komplikovat práci, takže vývoj v tomto směru ustrnul. Teprve před pár lety se pod tlakem okolností dal vývoj znovu do pohybu a dnes se s jeho výsledky opět setkáváme.

V odborné literatuře z roku 1982 se lze ­dočíst, že pro automobily při jízdě s pouze dílčí zátěží je často zapotřebí 10 až 20 % maximálního výkonu motoru. V těchto případech je tedy možné některé z válců odstavit. Technicky to lze řešit zastavením dodávky paliva, zablokováním pohybu ventilů a zavzdušněním válců vyřazených z provozu. Eliminací zapalování by se sice snížil výkon, ale bez vlivu na redukci spotřeby (a emisí CO₂). Jestliže dnes je přeplňovaný motor s menším pracovním objemem a přesto o stejném výkonu jako větší motor s atmosférickým plněním metodou downsizingu číslo jedna, obdobný účinek může vyvolat aktivní změna pracovního objemu válců. Přeplňováním dává motor dostatečný točivý moment, ale musí být zatížen alespoň na­tolik, aby vytvořené spaliny byly schopny řádně roztočit rotor turbodmychadla. Optimální účinnosti spalovací motor dosahuje při zatížení 60 až 80 % a v otáčkách oblasti největšího točivého momentu. Jsou to provozní podmínky, jež malé přeplňované motory běžně dosahují. Jak bylo zmíněno, místo turbodmychadla je možná manipulace s velikostí zdvihového objemu.

Ve fázích mírné zátěže stačí méně aktivních válců, které přebírají vyšší zatížení a pracují tak s vyšší účinností. Je‑li opět vyžadován točivý moment a větší výkon, jsou vyřazené válce opět aktivovány. To je vše velmi logické a vypadá jednoduše, ale náročná technika představuje vyšší náklady i pro zákazníka, který samozřejmě počítá s úspornějším provozem. Samozřejmě je nepřijatelné, aby odpojování a připojování válců bylo doprovázeno rázy, anebo změnou akustiky běhu motoru; v žádném případě také není přípustné, aby se tento proces jakkoli projevil ve zhoršení výfukových emisí. Proto odpadá možnost regulace zastavením dodávky paliva jako u jízdy setrvačností.

Nedostává‑li polovina válců palivo, nemůže sonda lambda zajistit směšovací poměr λ = 1, který potřebuje trojčinný katalyzátor pro řádnou očistu spalin. Při přerušení dodávky paliva při jízdě setrvačností proudí do katalyzátoru pouze zahřátý vzduch a není tedy co čistit. Aby odpojené válce nepracovaly s čistým vzduchem, využívá se recirkulace výfukových plynů, jež se zavádějí do sání s klapkou, která je oddělí od nasávaného čistého vzduchu, takže jeden válec nasává spaliny, druhý vzduch, což je ovšem záležitost značně složitá. Deaktivované válce tedy nasávají spaliny, práce s jejich plněním a výfukem zůstává a přebírají ji válce, které jsou v provozu.

Značné zkušenosti s vyřazováním válců z provozu získal Mercedes-Benz, jenž je v devadesátých letech zavedl u motoru V8 třídy S a V12 třídy CL. Kromě zastavení přívodu paliva byly ventily odpojených válců zablokovány v uzavřené poloze elektromagneticky ovládaným členem. Odpadly tak ztráty plněním a vyprazdňováním válců, což energetickou bilanci dále vylepšilo. V odstavených válcích se nasátý vzduch, anebo ještě lépe spaliny neustále stlačovaly, ale protože při pohybu pístu do dolní úvrati působily jako pružina, částečně se tak práce nutná pro jejich stlačení kompenzovala. Odpojování válců z provozu našlo svoje uplatnění u velkých motorů amerických vozů s rozvodem OHV, které jen zřídka využívají maxima točivého momentu. Kromě osmiválců General Motors k nim patří například Chrysler Hemi 5,7 l V8.

U Chrysleru zdvihací tyčka přenášející pohyb z vačkového hřídele k ventilu je na dolním konci opatřena dvouplášťovým pouzdrem s pružinou a elektrohydraulicky ovládaným čepem, který plášť pouzdra propojuje s vnitřním suvným členem. Jakmile čep toto spojení odblokuje, pohyb vačky stlačuje pouze vnitřní pružinu a odstavený ventil zůstává uzavřený. Obdobný princip aplikuje firma AMG-Mercedes u nového motoru 5,5 l V8, v tomto případě ale s rozvodem DOHC. Člen pro deaktivaci a aktivaci válce ovládá ventil přes rozvodovou páku, ovšem pro jeden válec jsou ventily čtyři, což je konstrukčně značně náročné. Pro funkci odpojování pracovních válců z provozu lze využít již dříve propracované systémy proměnného zdvihu ventilů. Od roku 1983 uvedla Honda systém VTEC, u něhož byl zprvu přechod na dva vačkové profily využit ke zvýšení výkonu při vyšším zatížení, poté také ke snížení spotřeby a posléze i k odstavení pracovního válce z provozu.

Stačí přiřadit další vačku bez zdvihového profilu, takže zdvihátko se pohybuje po kruhové dráze a příslušný ventil zůstává uzavřený. V koncernu Volkswagen ke stejnému účelu využili již zaběhnutý systém pro změnu zdvihu ventilů Valvelift (AVS – Audi Valvelift System), který doplnili o přídavný nulový profil vačky a motor s označením ­Cylinder On Demand (COD, válec podle potřeby) byl na světě (viz Audi A1 Sportback, AR 4/’12). Na vačkovém hřídeli jsou uložena pouzdra ve formě válcových objímek, na jejichž povrchu jsou kromě profilů vaček ještě ve spirále vedené drážky. Do struktury hlavy válců jsou integrovány členy s kovovými ­kolíky, které se pomocí elektromagnetů vysunují do spirální drážky a pouzdro na rotujícím hřídeli posunou v axiálním směru tak, aby úzká kladka rozvodové páky ventilu přešla z excentru na hladký kroužek (nulový profil vačky). Přechod trvá 13 až 36 milisekund a vzhledem k mechanickému po­sunu drážkovaného pouzdra závisí tento ­interval na otáčkách motoru. Systém COD se poprvé objevil u osmiválce 4.0 TFSI pro nové Audi S8 (viz AR 12/’11), pak u čtyř­válce 1.4 TFSI pro Audi A1 a na Ženevském autosalonu 2012 slavil premiéru VW Polo BlueGT se stejným motorem řady EA211, u něhož funkci COD nazývají ACT (Active Cylinder Management). Podle sdělení výrobce klesla spotřeba u čtrnáctistovky touto funkcí v průměru o 0,4 l/100 km, při kon­stantní rychlosti 50 km/h na třetí nebo čtvrtý převodový stupeň může být úspora až 1,0 l/100 km. Deaktivaci pracovních válců ACT využil VW Group také u Bentley, a to zabudováním motoru 4.0 TFSI do modernizovaných vozů Continental GT/GTC.

Převzato z časopisu

Fotogalerie