Motory, motory a zase jen motory: dvoutakty, čtyřtakty, řadové, vidlicové, boxery, wankely… (2. díl)

Čtyřtakt, dvoutakt nebo rotační motor

Pokud bychom chtěli být pedantsky přesní, museli bychom místo pojmu čtyřdobý či čtyřtaktní motor používat označení Ottův cyklický motor nebo jen Ottův motor. Není to podle Ottova slovníku naučného, ale podle vynálezce prvního čtyřtaktního spalovacího motoru Nikolause Otty, který si v roce 1877 nechal patentovat plynový motor využívající termodynamický Ottův cyklus. Díky tomuto německému konstruktérovi přišel na svět typ motoru, který dnes tvoří naprostou většinu pohonných jednotek pod kapotami motorových vozidel určených k provozu na zpevněných i nezpevněných cestách.

Nicméně vedle čtyřdobých spalovacích motorů se stále používají i motory dvoudobé, především u vozidel a strojů, jimž stačí menší motory. Motorkáři nebo třeba zahradníci si jistě vybaví nejeden zajímavý dvoutaktní motocykl či pilu, sekačku, fukar atd. Lidově řečený dvoutakt se od čtyřtaktu liší ve dvou fundamentálních záležitostech. Především mazací olej motoru se mísí s palivem, druhou podstatou dvoudobého motoru je fakt, že každý zdvih pístu je pracovní, tedy každá druhá doba cyklu je pracovní. Dvoudobý motor je také konstrukčně jednodušší než čtyřdobý, ovšem při stejném objemu válců je zpravidla silnější, dokonce může být až dvakrát silnější. Důkazem jsou motory v lodích včetně zaoceánských obrů či v dieselelektrických lokomotivách, do nichž by se stejně výkonné čtyřtakty ani nevešly.

Ovšem když si vzpomeneme na například legendárního trabanta, vybaví se nám viditelný symbol neduhu dvoudobého motoru – oblak štiplavého dýmu deroucího se z výfuku. Dvoudobý motor spaluje vedle paliva i olej sloužící k mazání motoru, tedy nelze ani v nejmenším mluvit o nějaké ekologičnosti. Dvoutakty jsou při své činnosti také mnohem hlučnější, tedy další nevýhoda oproti dnes mnohem rozšířenějším čtyřtaktům. U dvoutaktních dieselů je navíc nutné, aby se do jejich válců dostával vzduch pod tlakem, tedy se neobejdou bez plnicích dmychadel nebo turbokompresorů.

I když je dvoudobý motor konstrukčně jednodušší než čtyřdobý, stále jde o komplikovaný výtvor. Existuje však ještě jednodušší typ motoru, totiž rotační. Ke svému fungování potřebuje jen minimum pohyblivých částí a nenajdeme v něm klasické písty. Místo nich se uvnitř nachází trojúhelníkový konvexní rotor. Ovšem z hlediska „taktů“ jde o motor využívající už zmiňovaný Ottův cyklus, jde tedy o ekvivalent tříválcového čtyřdobého motoru. S originálním konceptem rotačního motoru přišel v druhé polovině 50. let opět německý konstruktér Felix Wankel, odtud také často používané označení Wankelův motor či prosté wankel.

Díky tomu, že vrcholy rotoru jsou neustále v kontaktu s tělem motoru, vznikají tři vzájemně oddělené prostory. Otáčením rotoru v každém z nich probíhá vždy právě jedna z fází klasického čtyřtaktního cyklu. To znamená, že za jednu otáčku rotoru motor vykoná tři pracovní cykly. Většina rotačních motorů má však rotory hned dva, skládají se tedy jen ze tří pohyblivých částí – dvou rotorů a hřídele.

Porsche 944 - motor

Je libo řadový, plochý, vidlicový nebo rotační?

Řadové motory

Pod kapotou běžných osobních aut dnes ve většině případů nalezneme různá provedení řadových motorů. V drtivé většině jde o čtyřválce, ovšem trend snižování objemu tlačí výrobce k tříválcům, a dokonce i dvouválcům. Ty si zažily rozkvět především v nuzných dobách po druhé světové válce. Velké pěti, šesti a především osmiválce rychle mizí, takže možná že opět přichází ona motoristicky „nuzná“ doba. Proč jsou řadové motory nejen v automobilismu nejrozšířenější? Odpověď je jednoduchá, vyrábějí se snadněji a levněji než například vidlicové motory nebo pohonné jednotky s protiběžnými písty.

Tvarově a konstrukčně jednoduchý design řadového motoru usnadňuje údržbu (samozřejmě že to není stoprocentně platné pravidlo) a také umožňuje stavět relativně malé a lehké agregáty, jež jsou nejvhodnější pro nejrozšířenější vozy s motorem vpředu a pohonem předních kol. Z hlediska dnes až zbožštěného parametru spotřeby paliva pak řadové motory rovněž vycházejí nejlépe, vyznačují se totiž nejlepší efektivitou. Na druhou stranu motory vidlicové nebo s protiběžnými písty mají klidnější a hladší chod než řadové, platí to především v nižších otáčkách. Řadové mívají také horší výdrž a odolnost. Automobily s řadovými motory obecně mají vyšší hmotnostní těžiště, což se samozřejmě projevuje na jejich ovladatelnosti.

Jak již bylo řečeno, řadové motory s více než čtyřmi válci se pomalu vytrácejí a má to dva hlavní důvody. Tím prvním je ona honba za papírově nízkou spotřebou pohonných jednotek (které ovšem věří snad už jen úředníci v Bruselu). Druhý důvod je už staršího data. Už v roce 1904 jistý britský inženýr Frederick W. Lanchester vymyslel a nechal si patentovat princip vyvažovací hřídele, která kompenzuje dynamické účinky pohybu ostatních rotujících a oscilujících hmot motoru. Nicméně až v 80. letech automobilka Mitsubishi začala u svých řadových čtyřválců uplatňovat ve velkém Lanchesterův vynález. Ostatní výrobci se přidali, protože vyvažovací hřídelí vybavené čtyřválce oplývaly dříve nepoznaným klidným chodem. Přiblížily se tak šestiválcům a ty tak vlastně do značné míry ztratily opodstatnění, výrazné výhody už vlastně nenabízejí. Proto řadové pěti a šestiválce vyrábějí již jen některé evropské automobilky, především BMW a Audi.

A jak vlastně vznikl pětiválec? Má jej na svědomí Mercedes. V 70. letech tento německý výrobce zažíval ve Spojených státech nebývalý prodejní boom se svými dieselovými motory poháněnými vozy. Samozřejmě to byl důsledek ropné krize, nicméně i tak se za velkou louží sluší nabízet i něco většího, než je jen čtyřválec. Jenže pod kapotu tehdy populárního typu W114/115 se dieselový řadový šestiválec nevešel, proto vznikl třílitrový pětiválec OM617. A to tak, že prostě o jeden válec rozšířili čtyřválec OM616. Vzápětí pak Audi začalo nabízet v modelu 100 řadový benzínový pětiválec. Ukázalo se, že řadové pětiválce se svým klidným chodem blíží „vé-šestkám“, nicméně jsou menší a úspornější. Znouzectnost tak měla za následek vznik pětiválců.

Tatra 603 - motor V8

Vidlicové motory

První spalovací vidlicový motor použitý v automobilu postavil další Němec, konstruktér Gottlieb Daimler. Bylo to v roce 1889 a šlo o dvouválec neboli V-twin pro dalšího ze zakladatelů automobilismu Wilhelma Maybacha. Hlavně ve Spojených státech oblíbený V8 poprvé postavili a použili ve Francii v roce 1903. Byl to výtvor firmy Société Antoinette, ovšem nepoháněl automobil, nýbrž závodní člun Léona Levavasseura. První americké vozy s „vé-osmičkou“ byly až cadillaky postavené po roce 1914, nicméně americká posedlost motory V8 se datuje až od 50. let, kdy se staly symbolem pro populární muscle cars.

Vidlicový motor jsou ve své podstatě dvě řady válců, jež navzájem svírají určitý úhel. Takové konstrukční řešení dává bloku motoru velkou pevnost a odolnost, nižší profil než u řadového a vyznačuje se poněkud klidnějším chodem celého ústrojí. Řady válců můžou svírat různý úhel, což v závislosti na počtu válců ovlivňuje chod motoru. Velmi malý úhel může přinášet výhody (i nevýhody) blížící se vlastnostem řadových motorů, velký zase přináší charakteristiky podobné motorům s protiběžnými písty. Jde tedy o to najít ten nejlepší poměr úhlu mezi řadami válců, jejich počtem, objemem, zdvihem pístů atd. Příkladem motorů s velmi malým úhlem mezi řadami válců můžou být některé starší modely Lancie nebo Volkswagenem používaný motor příznačně označovaný jako VR6, který kombinuje vlastnosti vidlicového i řadového motoru.

Vidlicové motory tedy nabízí širokou konstrukční variabilitu, proto jsou velmi oblíbené v motorsportu. Mají totiž i nižší těžiště než motory řadové, jsou pevnější a odolnější, navíc při větším počtu válců i kratší. Můžou také dosahovat velmi vysokých kompresních poměrů bez toho, aby došlo k deformacím bloku motoru. Není tedy překvapující, že vidlicové motory mají ve svých útrobách supersporty nebo vozy formule 1. Je pro ně typický kultivovaný a klidný chod, který se se stoupajícím počtem válců jen umocňuje, protože netrpí torzními vibracemi. Existují i tzv. invertní vidlicové motory, tedy v konfiguraci „nohama vzhůru“. Ty našly uplatnění především v letectví, asi nejznámějším je typ Daimler-Benz DB 601, který v různých modifikacích poháněl válečný stíhací Messerschmitt Bf-109.

Motor V180 st vs. Boxer

Plochý motor není automaticky boxer

Okolo tzv. plochých motorů či motorů s protiběžnými písty nebo boxerů panuje do určité míry pojmový zmatek. Jak to tedy vlastně je? Plochý motor je víceválcový motor, jehož válce mají osy umístěné v jedné rovině a tato rovina je kolmá na osu klikového hřídele. Tedy do této skupiny spadá relativně velká typová škála, například obecně dvouválcový vidlicový motor (včetně dvouválcového vidlicového motoru s rozevřením válců v úhlu 180 stupňů), tříválcový motor s válci do W, jednoduché tří, pěti a víceválcové hvězdicové motory, čtyřválcové čtyřúhelníkové motory atd.

Motor s protiběžnými písty je víceválcový motor, jehož řady válců jsou umístěné proti sobě a osy válců spolu svírají úhel 180 stupňů. K motorům s protiběžnými písty tak můžeme řadit vidlicový motor s řadami válců svírajícími úhel 180 stupňů s písty připojenými ke společnému ojničnímu čepu klikové hřídele i tzv. boxer, který má protiběžné písty připojené k samostatným ojničním čepům klikové hřídele. Patří sem ovšem i například původní tzv. Atkinsonův diferenciální motor či dvouhřídelové motory se dvěma klikovými hřídelemi na protilehlých stranách motoru a protiběžnými písty.

Tedy z definic plochého motoru a motoru s protiběžnými písty vyplývá (a tak to definují i normy), že motor s protiběžnými písty lze označit za plochý pouze ve dvouválcové konfiguraci. Můžeme si jednoduše shrnout, že vozy automobilek Subaru a Porsche ukrývají pod svými karosériemi motory typu boxer, tedy s protiběžnými písty, ovšem nikoliv motory ploché, jak se také běžně traduje. Naopak legendární Citroën 2CV měl pod kapotou plochý motor s protiběžnými písty, který byl navíc i boxer… Připomeňme si tedy ještě jednou definici: plochý motor je obecně víceválcový motor, jehož válce mají osy umístěné v jedné rovině a tato rovina je kolmá na osu klikového hřídele. U motorů boxer není splněna podmínka, že jsou osy všech válců v jedné rovině, ve skutečnosti jsou v jedné rovině jen válce pracující proti sobě. Tedy typický čtyřválcový boxer od Subaru má dvě roviny válců kolmé na klikovou hřídel, tudíž nemůže být motorem plochým.

Atkinsonův motor s protiběžnými písty

První motor s protiběžnými písty sestrojil James Atkinson v roce 1882. Funguje na Ottově čtyřtaktním cyklu, ovšem Atkinson chtěl obejít Ottův patent, a tak vytvořil speciální, tzv. diferenciální motor, kdy ke spalování paliva docházelo mezi hlavami protiběžných pístů umístěných ve společném válci. Koncem 90. let 18. století se v Německu objevily i průmyslové dvoutaktní motory s protiběžnými písty. V automobilovém průmyslu se moc neprosadily, i když notně modifikovaný Atkinsonův motor lze najít například pod kapotou Toyoty Prius.

První boxer nemá na svědomí nikdo menší než Karl Benz, který si jej nechal patentovat v roce 1896 a umístil jej do jednoho ze svých prvních vozů. Do rodiny automobilů s motory boxer se může hrdě řadit i několik výtvorů kopřivnické Tatry. Tatra byla dokonce ve 20. a 30. letech jedním z průkopníků použití boxerů u automobilů. Vzpomeňme například dvouválce ve slavných typech 11 a 12 či čtyřválce v typech 30, 54 a 75. Nesmíme zapomenout ani na Tatru T97 a poválečnou T600 Tatraplán. Boxery se objevily i pod kapotami některých modelů od Fordu, Mercedesu, Volkswagenu, Chevroletu či Ferrari, už pár desítek let jsou typické především pro vozy Subaru a Porsche. Nicméně boxery se prosazují i v leteckém průmyslu, používají se především v lehkých sportovních letadlech a typickými představiteli jsou pohonné jednotky například od amerického Continetalu nebo Lycomingu či rakouského Rotaxu.

Boxer motory mají oproti řadovým i vidlicovým motorům výhodu nižšího těžiště, vozy jimi vybavené jsou tak stabilnější a lépe ovladatelné. Díky své konfiguraci jsou však poměrné široké, naopak ale zase ploché. Právě díky této tvarové charakteristice se jim mylně říká „ploché“, což je nesprávné a zavádějící. Právě díky těmto parametrům jsou náročnější na prostor, ovšem Subaru je příkladem, že to zase tak zásadní překážka být nemusí. Boxery postrádají i některé komponenty běžné u ostatních motorů, proto bývají hlučnější. Naopak se ovšem vyznačují velmi klidným a kultivovaným chodem. Pouze šesti a víceválcové boxery, řadové šestiválce, vidlicové dvanáctiválce a šestnáctiválce se můžou chlubit přirozenou dynamickou vyvážeností, mnozí tyto pohonné jednotky tedy považují za nejkultivovanější vůbec.

Wankelův motor

Jak už bylo řečeno, rotační neboli Wankelův motor nemá klasické písty, jeho srdcem je rotor či více rotorů, přičemž kliková hřídel je nepohyblivá. Velkou výhodou wankelu je jeho kompaktnost a malé rozměry i váha, stejně tak i jednoduchá konstrukce, nepotřebuje totiž žádné ventily, kliky atd. Protože se rotory vždy pohybují stejným směrem, netrpí wankel vibracemi, což se projevuje jeho hladkým chodem. Díky jednoduchosti jsou nároky na údržbu mnohem menší než u pístových motorů. Wankel se nemůže při přehřátí zadřít, nehrozí ani celková destrukce motoru při selhání některé z pohyblivých částí. V neposlední řadě má wankel díky nevratnému rotačnímu pohybu rotorů potenciál dosahovat mnohem větších otáček než klasické pístové motory.

Ovšem Wankelův rotační motor nedisponuje jen samými pozitivy. Negativních vlastností a charakteristik je poměrně hodně, proto se také rotační motory v automobilech příliš nerozšířily. V dnešní době posedlé úspornými agregáty nezní moc uspokojivě fakt, že wankel spotřebuje průměrně o 20 procent více paliva než obdobně výkonný klasický pístový motor. To z něj samozřejmě dělá v očích ekologů i potenciálně větší hrozbu pro životní prostředí. Pro výrobce je zase strašákem potřeba naprosto přesné výrobní technologie s minimálními rozměrovými tolerancemi pro jednotlivé díly motoru, což s sebou nese větší výrobní a vývojové náklady. Wankel je také díky menšímu kompresnímu poměru a relativně velkému spalovacímu prostoru méně účinný než pístové motory obdobného výkonu.

Specifická konstrukce wankelu přináší i problémy s jeho chlazením. Část motoru kolem sání je neustále ochlazována, ovšem například spalovací prostor a část kolem výfukového kanálu jsou permanentně vystaveny vysokým teplotám. Na rozdíl od pístového motoru nedochází ve spalovacím prostoru wankelu k pravidelné výměně plynů, proto se musejí namáhané části chladit intenzivně z vnějšku. Wankel je díky své specifičnosti i mnohem větší „žrout“ oleje než běžné pístové motory. To vše má za následek asi největší hendikep, kterým Wankelův motor trpí, totiž nízkou celkovou životnost. Ta se počítá nikoliv na stovky tisíc kilometrů, ale pouze na desítky tisíc.

Felix Wankel začal na svém rotačním motoru pracovat v roce 1954 u automobilky NSU. První prototyp spatřil světlo světa v roce 1957 a nesl pojmenování DKM 54 (či také Drehkolbenmotor). První sériový automobil, který dostal wankel pod kapotu, byl typ NSU Spider z roku 1964. V témže roce společnost Mazda představila na tokijském autosalonu prototyp typu Cosmo, který se začal vyrábět v roce 1967. Od té doby se datuje zájem Mazdy o wankel, který se snaží postupně vylepšovat. V témže roce přišlo NSU s modelem Ro80, který se měl stát základem úspěchu značky.

NSU dokonce společně s Citroënem vystavělo novou továrnu na výrobu wankelů v Lucembursku. Licenci na wankel si pořídilo několik automobilek, kromě Mazdy to byl už koncem 50. let americký Curtis-Wright nebo také Rolls-Royce, který vyvinul dvourotorový vznětový wankel. Nicméně u britského výrobce s experimenty skončili v 70. letech, stejně jako ostatní automobilky. To už byl NSU pohlcen koncernem Volkswagen a převratný Ro80 skončil jako komerční propadák. Wankelu zůstala věrná pouze Mazda, i když se objevil jen v několika sériových typech a závodních vozech. Zajímavým a málo známým faktem ovšem je, že do svých vozů wankely dávala i sovětská, dnes ruská automobilka VAZ. Objevovaly se pod kapotami běžných modelů od 70. let, ovšem tyto vozy byly určeny výhradně policejním a státním organizacím. Sovětská tajná policie KGB totiž v 70. letech požadovala vozy, které by byly výkonnější než běžné produkční typy, ale nesměly se vnějškově lišit. Inženýři ve VAZu dostali stranický příkaz a od té doby vycházely z továrny omezené série „nadupaných“ lad pro policejní složky a státní moc.