Nový motor spaluje benzín i naftu zároveň. Účinnost je z říše snů

Dnes jsou auta poháněná motory dieselovými, nebo benzínovými, tj. vznětovými, nebo zážehovými – kromě elektromotorů, samozřejmě. Mazda vyvíjí motor označený SPCCI, který je principem vznětový, ale spaluje benzín a k ovládání momentu vznícení směsi používá zapalovací svíčku.

Wisconsinská univerzita nyní představila motor, který spaluje benzín i naftu zároveň. Říká mu RCCI – „Reactivity Controlled Compression Ignition“, tedy „reaktivitou kontrolované vznícení kompresí“ – a slovem „reaktivita“ se myslí poměr, v jakém se ve spalovací komoře mísí vysoce reaktivní palivo s nízko reaktivním palivem.

Nízko reaktivním palivem je zde myšlen benzín, ale může být nahrazen etanolem nebo zemním plynem. Nízko reaktivní je proto, že jeho samovznícení v důsledku vysoké teploty je obtížně dosažitelné. Vysoce reaktivní palivo je motorová nafta, jejíž samovznícení je samozřejmým základem principu fungování dieselových motorů.

Spalovací proces začíná jako v každém benzínovém motoru s nepřímým vstřikováním paliva – sacím ventilem je do válce nasán vzduch s benzínem. Rozdíl je ale už zde – vzduch k benzínu není ve stechiometrickém poměru 14,7:1, ale v takovém, jaký zrovna určí řídicí jednotka podle zátěže motoru.

Pak nastává fáze vstřikování nafty. První vstřik, dlouho předtím, než je ve spalovací komoře dostatečné teplo k vznětu, slouží k tomu, aby se nafta smíchala s benzínem a vzduchem.

Pak nastává druhý vstřik, který do válce pošle nafty jen tak akorát na to, aby odstartovala hoření. Tento plamen pak vytvoří podmínky pro to, aby se zbytek obsahu spalovací komory vznítil – napřed nafta smísená s benzínem a pak zbytek čistého benzínu.

Ve spalovací komoře tedy tlak roste celkem třikrát, jak vysvětluje Jason Fenske ve videu, které si můžou angličtiny znalí pustit níže. Poprvé ve chvíli, kdy je vstříknuta troška nafty k odstartování hoření, podruhé, když se vznítí nafta smísená s benzínem, a potřetí, dle Fenskeho nejvíce, když se vznítí zbytek benzínu.

Nejlepší turbodiesely mají dnes termodynamickou efektivitu okolo 40 procent. To znamená, že jen taková část energie uložené v palivu je přeměněna na otáčivý pohyb klikové hřídele, který pak přes převodovku pohání kola.

Oproti tomu nejmenší účinnost motoru RCCI v celém spektru zátěže od nulové po maximální je 49 %. Se zvyšující se zátěží se účinnost mění a kulminuje na 56 % někde u 50 % zatížení. V laboratorních podmínkách ale prý bylo dosaženo účinnosti až 60 %.

Zvýšená efektivita pramení zejména z toho, že hoření je chladnější než u dnešních motorů. To znamená, že se méně energie v palivu přemění v teplo a více jí zbyde pro mechanickou práci. Výzkumníci zjistili, že nejlepší efektivita je ve chvíli, kdy píst není zespoda chlazen olejem.

Při nízkém zatížení je do motoru vstřikováno víc nafty než benzínu a poměr vzduchu k palivu je 45:1. S rostoucím zatížením se procento benzínu zvyšuje, byť ne lineárně, a v momentě, kdy je dle grafu na videu výše účinnost největší, je benzínu ve směsi 89 %.

Poměr vzduchu k palivu je stále pro klasický benzínový motor naprosto nevhodný – 29:1. Blízko stechiometrickému poměru 14,7:1 se dostane až při vysoké zátěži, kdy 90 % spalovaného paliva tvoří benzín a jen 10 % nafta.

Důvod pro změnu poměru benzínu a nafty, a v podstatě pro snahu vyvinout takovýto motor vůbec, je ten, že při nízké zátěži je obtížné přimět benzín k samovznícení. Zároveň však vznětový motor, který by spaloval benzín, by kombinoval plusy z obou světů – vysokou efektivitu (a tedy nízkou spotřebu) a točivý moment dieselu, ale bez škodlivých emisí, zejména oxidů dusíku.

Výhody jsou jasné – při nízké zátěži by tenhle motor mohl běžet s extrémně nízkou spotřebou paliva, ale zároveň při vyšší zátěži by měl nízké emise oxidů dusíku a pevných částic. Prototyp údajně plní požadavky na čistotu emisí EPA z roku 2010 bez čištění výfukových plynů v podobě SCR nebo filtru pevných částic.

A jaké jsou nevýhody? Předně jsou to dvě nádrže na palivo – ve skutečném světě byste tedy tankovali benzín i naftu, ale nesměli byste si to splést. Proto se jeví lépe kombinace nafty např. s CNG – to si pistole nesplete opravdu nikdo.

S tím souvisí další nevýhoda – vůz má dva palivové systémy a jeden z nich je naftový, tedy velmi komplikovaný a drahý na výrobu i údržbu. Samozřejmě dnešní vozy na LPG a CNG mají také dva palivové systémy, ale až na výjimky žádný z nich není naftový.

Wisconsinská univerzita testovala tenhle princip na jednoválcovém motoru o objemu 2,44 litru a na 1,9l čtyřválci od General Motors. Ohromující výsledky, o kterých píšeme a pro které je tenhle motor tak úžasný, byly dosaženy v laboratorních podmínkách na zmíněném jednoválci, který běžel konstantně na 1 300 otáček a měnilo se jen jeho zatížení – požadavek na výkon.

To znamená, že na testovacím stolci byl „přidáván plyn“, ale aby to nevedlo ke zvýšení otáček, k motoru byla připojená brzda a ta ho brzdila přímo úměrně. Výsledkem tedy bylo konstantních 1300 otáček, ale s různým zatížením motoru.

Z odstavců výše plyne také fakt, že motory RCCI neuvidíme v autech zítra, za týden nebo příští rok. Motor je stále ve vývoji a much, které je třeba vychytat, je jistě obrovská spousta. Přesto to, co vidíme, vypadá slibně; dost možná se díváme na budoucnost.