Motory a zase jen motory: jak je uchladit? (4. díl)

Jedním z důležitých prvků přítomných v motorovém prostoru je bezesporu chladicí systém, bez kterého by žádný spalovací motor nemohl fungovat. Dnes se v zásadě používají dva typy chlazení.

Při práci automobilového motoru se v jeho nitru spaluje směs paliva a vzduchu. To je proces, při kterém samozřejmě vzniká teplo a motor, především válce a hlavy válců, se silně zahřívá. S tím konstruktéři počítají, ovšem motory snesou mechanické a tepelné namáhání jen do určité míry. A právě chladicí systémy mají za úkol odvádět takové množství vznikajícího tepla, aby teplota namáhaných částí motoru zůstala v přípustných mezích.

Pokud tomu tak není, motor se přehřívá, což s sebou přináší několik negativních jevů. Především klesá tepelná účinnost motoru a ke vznícení palivové směsi dochází dříve, než je vhodné. Mechanické části pak trpí nadměrnou zátěží a rázy, může dokonce docházet k jejich tvarové deformaci. Přehřívání motoru způsobuje i rychlou degradaci maziv a tím i zvýšené mechanické tření. V nejhorším případě dochází k nevratnému poškození motoru či dokonce požáru. A právě těmto negativním jevům mají chladicí systémy předcházet. Nejpoužívanějšími typy za celou historii automobilismu jsou dva – vodní a vzduchové chlazení, jinak také nepřímé a přímé.

Vodní chlazení

Tento typ chladicího systému se objevil už v raných dobách automobilismu a je dodnes nejpoužívanějším. Dokonce i nejviditelnější jeho část, tedy chladič, je letitý vynález. Běžně používaný voštinový vodní chladič se objevil už v roce 1901 v přídi vozu Mercedes 35 HP a jeho autorem byl Wilhelm Maybach. I když se říká, že v jednoduchosti je kouzlo, tak právě touto vlastností nejrozšířenější chladicí systém nevyniká, ba právě naopak. A jeho komplikovanost a velikost roste přímo úměrně s velikostí a výkonností motoru.

Po celá desetiletí se však princip vodního chlazení nezměnil. Základem je nucená cirkulace chladicí kapaliny skrze motor a chladič. Ve starých automobilech býval chladič vyroben z mědi a různé nádobky a části vedení se vyráběly z mosazi. Výroba byla tedy relativně drahá a mnoho částí chladicího systému muselo být spojeno napevno. Oproti dnešním systémům používajícím především hliník a plasty byly ty staré také mnohem méně účinné.

Jak jsme již řekli, cirkulace chladicí kapaliny v systému probíhá nuceně a na starosti ji má vodní pumpa. Kapalina se ochlazuje v chladiči a její teplotu kontroluje termostat. To jsou základní součásti chladicího systému, které mezi sebou a samozřejmě i s vnitřní částí motorového bloku spojuje soustava trubek a hadic. Celá tato soustava je pod tlakem, a to díky práci vodní pumpy, což právě umožňuje cirkulaci chladicí kapaliny. Ovšem vedle toho přetlakování systému zabraňuje tomu, aby chladicí kapalina začala vřít, její teplota totiž může dosahovat i teplot přes 100 °C. A to je důvod, proč je na zátkách nalévacích hrdel chladičů varování, že se smějí odstraňovat, jen pokud je motor studený. Natlakovaný proud vřelé vody a páry není rozhodně to, s čím by se chtěl člověk tváří v tvář utkat.

Zahřátá chladicí kapalina odvádí přebytečné teplo z bloku motoru do chladiče, kde se díky okolnímu vzduchu ochladí. I když mluvíme o vodním chlazení, v chladiči se neochlazuje běžná voda, ale zpravidla směs destilované vody a nemrznoucích aditiv. Druhá složka má jasný význam, zabraňuje zamrznutí kapaliny v chladicím systému. Co se týče použití destilované vody, tak ta je zbavena všech minerálních a chemických příměsí, díky tomu se tedy v systému neusazují nečistoty, takže zůstává průchodný.

Nezbytnou součástí chladičů bývají i vzduchové ventilátory. V dřívějších dobách bývaly zpravidla umístěny za chladičem a odváděly od něj teplý vzduch. Navíc byly poháněny řemenicí přímo od motoru, takže jejich rychlost závisela na jeho otáčkách. Nevýhodou bylo, že takovéto ventilátory běžely neustále, přičemž vykazovaly nejnižší účinnost právě ve chvíli, kdy jich bylo nejvíce potřeba, například při pomalé jízdě. Chladič nebyl dostatečně ochlazován proudem vzduchu zepředu a zezadu pomalu se točící ventilátor neodváděl dostatek odpadního tepla. V zimě zase při rychlé jízdě chladiči ofukovanému mrazivým vzduchem odebíral potřebné teplo. Tuto negativní vlastnost řidiči často kompenzovali tím, že zvyšovali otáčky motoru při zařazeném neutrálu.

V současnosti se do vozů montují ventilátory poháněné elektromotory a jejich činnost je řízena tepelným čidlem. Zapínají se tedy automaticky v momentě, kdy řídicí jednotka zaznamená vyšší teplotu, než je stanovena. Navíc se umísťují na čelní stranu chladiče, takže ten je ochlazován studeným vzduchem, i když vůz stojí nebo se pohybuje pomalu. Teplotu chladicí kapaliny pro změnu hlídá termostat. Podle její výše pak ovlivňuje cirkulaci chladicí kapaliny. Pokud je její teplota pod stanovenou hranicí, termostat zablokuje přístup chladicí kapaliny do chladiče a ta místo toho pokračuje znovu přímo do motorového bloku. To například v chladných dnech umožňuje, aby motor dosáhl rychleji provozní teploty. Jestliže je ale vyšší, termostat její tok přesměruje do chladiče, odkud pak ochlazená dále pokračuje do motoru.

Vzduchové chlazení

Na rozdíl od chlazení vodního, jež je svou podstatou nepřímé, je vzduchové chlazení přímé, protože nevyužívá žádné přenosné médium. Funguje na principu přenosu tepla z motoru přímo do okolního vzduchu. Provozní teplota vzduchem chlazených motorů bývá vyšší, ovšem celý systém chlazení je konstrukčně mnohem jednodušší, také se vyznačuje snadnější údržbou. Má i menší tepelnou setrvačnost a je tedy účinnější a spolehlivější, především v extrémních klimatických podmínkách a v zimě. Vzduchem chlazený motor se také rychleji zahřeje na provozní teplotu.

Nicméně existují samozřejmě i nevýhody. Především se vzduchový systém chlazení hůře reguluje a při konstrukci motoru se musí počítat s většími rozměrovými tolerancemi tepelně namáhaných součástí motoru, protože ten pracuje na vyšších provozních teplotách než motory s vodním chlazením. To má za následek vyšší spotřebu lubrikantů a také vyšší úroveň emisí.

Ty části motoru, které potřebují chlazení, bývají opatřeny žebrováním nebo chladicím pláštěm. Jde opět především o válce, hlavy válců, olejové vany atd. Podstatou je, aby se vzduchem přišla do styku co největší plocha chlazené části motoru, díky které se přebytečné teplo odvede pryč. K jejich výrobě se proto používají materiály, které teplo dobře vedou, například hliník či ocel.

Typů chlazení vzduchem je hned několik. Jde o nucené, náporové a ejektorové. V případě nuceného chlazení vzduchem se používají různé druhy ventilátorů, takže úroveň chlazení není přímo závislá na pohybu vozidla. Nucené chlazení rozlišujeme přetlakové a podtlakové. Rozdíl je především v umístění ventilátoru, v prvním případě je ventilátor před motorem a žene na něj vzduch, v druhém případě je za motorem a ohřátý vzduch odčerpává z motorového prostoru. Oproti náporovému chlazení je však systém nuceného chlazení konstrukčně komplikovanější a těžší, ale univerzálnější.

Náporové chlazení je závislé na pohybu vozidla. Motorové části se ochlazují pomocí proudění vzduchu kolem nich. Je to levné, jednoduché a lehké konstrukční řešení, ovšem musí se počítat se zvýšeným aerodynamickým odporem. Tento systém však může mít problémy, pokud je motor nucen k vyšším výkonům při malé pohybové rychlosti. Dalším typem vzduchového chlazení je ejektorové. Principiálně funguje stejně jako podtlakové chlazení, ovšem místo ventilátoru je použit ejektor, do kterého ústí výfukové potrubí. Proud výfukových plynů odvádí od motoru přebytečné teplo, které se pak spolu s nimi dostává difuzorem mimo motorový prostor. Ejektorové chlazení má však tu negativní vlastnost, že je doprovázeno vyšším hlukem, což ale například v případě závodního vozu Tatra T-607 nebylo nijak na závadu.

Vzduchem chlazené motory nejsou masovou záležitostí

Průkopníkem i symbolem použití vzduchových motorů v automobilech i nákladních vozech byla vždy česká automobilka Tatra. Tyto motory se ve světě u automobilů už nepoužívají, ale právě Tatra se svými dieselovými osmiválci stále vytrvává. Už od dvacátých let se objevovaly pod kapotami tatrovek vzduchem chlazené boxery, ovšem nehynoucí slávu tatrovkám přinesly až vzduchem chlazené vidlicové osmiválce a čtyřválcové boxery ze třicátých a čtyřicátých let. Ještě před válkou se k tatrovkám přidal i známý VW Brouk, což ale není zase tak překvapující, neboť šlo více méně o kopii tatrovácké koncepce.

Ve světě se vzduchem chlazené motory začaly ve větším objevovat až po válce, když byli výrobci nuceni sahat po levných řešeních. Tak se zrodila například kachna 2CV od Citroenu taktéž se vzduchem chlazeným motorem nebo Panhard Dyna X. Samozřejmě nesmíme zapomenout ani na Porsche 356, které ovšem využívalo koncepci i motor tatrovácké koncepce převzaté od brouka. Duch Tatry V570 a T-97 tak žije ve vozech Porsche dodnes. Několik výrobců sáhlo i po motocyklových motorech, u kterých je chlazení vzduchem poměrně hojné i dnes. Můžeme vzpomenout například BMW 700 nebo Fiat Nuova 500. Hlavně v poražených zemích se zrodily vozy s malými, vzduchem chlazenými motory, ať už to bylo Německo, Itálie, ale například i Japonsko.

Za asi největší automobilovou ikonu se vzduchem chlazeným motorem po druhé světové válce můžeme označit Porsche 911, nicméně i ta je však minulostí a současné „devětsetjedenáctky“ už mají „vodníky“. Ovšem není bez zajímavosti, že jiné legendární Porsche, totiž závodní typ 917, také disponovalo motorem se vzduchovým chlazením. Posledním výrobcem, který nabízí vzduchem chlazené automobilové motory ze sériové výroby je Tatra, ovšem jde o dieselové osmiválce montované do těžkých nákladních vozů. Tatra je dokáže vyrobit s normou Euro 5, a dokonce by mohly vyhovovat i normě Euro 6. Jenže je otázkou, jestli to tak bude, nebo zda Tatra produkci „vzducháčů“ zcela opustí. Nové modely jako T-158 či T-810 už využívají zahraniční motory s vodním chlazením a do tradičních modelů už si vedle tatrováckého osmiválce našly cestu i „vodníci“ jiných značek.