Piestový motor môžeme prirovnať ku konskému záprahu. Sila a výsledky konského záprahu závisia na súhre všetkých koní, avšak každý kôň záprahu vyžaduje samostatnú starostlivosť. Podobne aj je to aj u piestového spaľovacieho motora. Jeho celkový výkon, ťah, krútiaci moment, spotreba, hospodárnosť, životnosť a množstvo ďalších parametrov je závislá na jednak na spolupráci všetkých valcov motora, z ktorých však každý si vyžaduje svoju starostlivosť, plnenie, sledovanie, pretože každý valec je akoby samostatný motor. Porucha jedného valca motora zvyčajne vedie k havárii celého motora.
Pilot ovplyvňuje chod motora predovšetkým zásahom do plnenia motora a zmenou zaťaženia motora – nastavením uhla nábehu vrtule. Ovplyvnenie plnenia motora samozrejme znamená riadenie množstva dávky paliva a množstva pretečeného vzduchu, a tým ovplyvnenie zloženia čerstvej zmesi paliva so vzduchom. Práve zloženie zmesi vo valci - pomer množstva paliva ku množstvu vzduchu je jedným zo základných vplyvov na chod motora, jeho výkon, životnosť, hospodárnosť, efektívnosť a dokonca aj emisie.
Zloženie zmesi popisujeme súčiniteľom prebytku vzduchu, čo je pomer množstva vzduchu prítomného vo valci k množstvu vzduchu potrebného pre dokonalé spálenie jednotky paliva obsiahnutého vo valci. Pokiaľ tento pomer je rovný 1, hovoríme o stechiometrickej zmesi a v ideálnom prípade by pri takejto zmesi podľa chemických zákonitostí horením zreagoval každý atóm uhlíka a vodíka z paliva s molekulou kyslíka. Ak je tento pomer menší ako 1, hovoríme o bohatej zmesi ( zmes je bohatá na palivo). U takejto zmesi nie je možná chemická reakcia všetkých uhlíkov s molekulami kyslíka obsiahnutého vo vzduchu z dôvodu nedostatočného množstva molekúl kyslíka. Tretím možným prípadom je, ak súčiniteľ prebytku vzduchu nadobúda hodnotu väčšiu ako 1, hovoríme, že zmes je chudobná na palivo, v spaľovacom priestore je viac molekúl vzduchu a teda aj kyslíka, ako je potrebné pre oxidačnú reakciu všetkých atómov uhlíka a vodíka.
Otázka, v ktorej oblasti charakteristiky zloženia zmesi prevádzkovať pri danom režime motora je veľmi zložitá. Komplikuje ju aj skutočnosť, že dokonca aj u motora v dobrom technickom stave, rozdiely v zložení zmesi medzi jednotlivými valcami môžu byť dokonca až 50 %. Z praxe sú známe prípady, kedy prevádzkovateľ v snahe ušetriť na spotrebe paliva prílišným ochudobnením zmesi motor poškodil, či dokonca zničil.
Prebytok paliva poskytuje väčší stupeň bezpečnosti z hľadiska teplôt výfukových plynov. Pridanie paliva – obohatenie zmesi pre malé zvýšenie výkonu je iba jedným dôvodom pre prevádzkovanie motora s bohatšou zmesou ako pri vrchole EGT. Prebytok paliva a čiže bohatá zmes je potrebná aj v dôsledku potreby chladenia spaľovacieho procesu. Na druhej strane spotreba paliva môže byť až značne vyššia ako v oblasti prevádzky s chudobnejšou zmesou. Hospodárnosť prevádzky však treba posudzovať nielen z hľadiska okamžitej spotreby paliva, ale aj z hľadiska opotrebovania, životnosti, bezpečnosti, doby medzi generálnymi opravami a nutnosti výmeny jednotlivých súčastí, dielov.
Zmes paliva zo vzduchom, jej zloženie, je jedným z hlavných hráčov vplývajúcich na vývin tepla v spaľovacom priestore. Ďalšími sú napr. časovanie rozvodu, časovanie zapálenia zmesi, konštrukčné riešenie spaľovacieho priestoru. Zloženie zmesi má priamy vplyv na teplotu a charakteristiky horenia zmesi vo valci, čoho obrazom je aj EGT. Zmenou zloženia zmesi sa mení rýchlosť horenia, množstvo uvoľnenej energie a vôbec podmienky v spaľovacom priestore, čiže tlak a teplota.
Ak zmes ochudobňujeme zo strany maximálnej bohatosti, teplota EGT stúpa, pretože prebytok paliva klesá. Teplota EGT v závislosti na ochudobňovaní stúpa približne až do bodu, kedy už vo valci nie je prebytok vzduchu – v tomto bode hovoríme, že zmes je stechiometrická. Ďalšie ochudobňovanie znižuje EGT v dôsledku chladenia zmesi prebytkom vzduchu, na ohriatie väčšieho množstva vzduchu, ktoré sme dopravili do spaľovacieho priestoru, potrebujeme viac energie podľa kalorimetrickej rovnice a zákonov termodynamiky. Môžeme aj opačne povedať, od vrcholu EGT smerom k plne bohatej zmesi, teplota EGT klesá v dôsledku ochladzovania procesu horenia prebytkom paliva, a tiež neuvoľní sa všetka energia paliva, palivo neprehorí úplne. Väčšie množstvo paliva potrebuje a prijme viac energie pre svoje ohriatie, odparenie a zapálenie. Aby platila celková energetická bilancia, táto energia je odobraná z prostredia spaľovacieho priestoru a jeho stien. Výsledná teplota je teda ochudobnená o túto časť energie. Treba pripomenúť, že hovoríme o bohatej zmesi, kde súčiniteľ prebytku vzduchu je menší ako 1, to znamená, že pri chemických reakciách paliva a vzduchu (horení) nie je možné, aby sa všetky molekuly paliva stretli s molekulami vzduchu. Preto časť paliva odíde nevyužitá výfukovým kanálom. (Obr.2)
Obr.1. Riadenie zloženia zmesi a jeho vplyv na EGT a výkon pri danom režime
(obrázok prevzatý z internetu)
Zmes samozrejme nemôžeme ani ochudobňovať ani obohacovať v širokej miere. Hranice zapálenia plynnej zmesi nazývame hraničnými podmienkami, pri ktorých je ešte možnosť jej zapálenia a isté šírenie plameňa.
Vrchol teploty spaľovania a vrchol EGT nastáva v oblasti zmesi, v ktorej nieje ani prebytok vzduchu ani prebytok paliva, výkon – resp. indikovaný tlak však dosahuje maximum v oblasti bohatej zmesi okolo súčiniteľa prebytku vzduchu 0,85, keď do obehu z paliva dodáme maximálne teplo. (Obr.2)
Obr.2. Priebeh mernej spotreby, výkonu a EGT v oblasti chudobnej a bohatej zmesi
(obrázok prevzatý z internetu)
Teplota výfukových plynov EGT a teplota hlavy valcov CHT majú zásadný vplyv na životnosť výfukových ventilov (Obr.3). Ich nadmierne hodnoty spôsobujú neprípustné tepelné namáhanie, zmenu mikroštruktúry materiálu, opotrebenie vplyvom trenia, prepálenie sedla ventilu, zadrenie ventilu a podobne. Graf. ukazuje vplyv EGT a CHT na životnosť ventilov.
Obr.3. Vplyv EGT a CHT na životnosti výfukových ventilov
(obrázok prevzatý z internetu)
Okrem zásadnému vplyvu na životnosť ventilov, nadmierna teplota procesu spaľovania spôsobuje ďalšie anomálie v spaľovacom priestore, ako klopanie motora, predzápal zmesi, vznik karbónových usadenín. Tieto vedú k postupnej či dokonca aj pomerne náhlej deštrukcii motora ( napr. prepálením piestov, ventilov, piestnych krúžkov, zadrenie motora). Je preto nutné ich eliminovať, a motor prevádzkovať mimo režimy vedúce k ich vzniku.
Z predošlého teda vyplýva nutnosť kontrolovania procesu spaľovania a vývinu tepla. Predovšetkým riadenie zloženia zmesi. Problém kontrolovania a riadenia zloženia zmesi medzi jednotlivými valcami značne komplikuje skutočnosť, že neexistuje jeden valec s najchudobnejšou zmesou počas všetkých režimov práce motora. Zloženie pracovnej zmesi u karburátorových leteckých piestových motorov, nemôžeme ovplyvniť priamo dávku paliva a zloženie zmesi každého valca tak, ako u elektronicky riadených systémov vstrekovania paliva pred sací ventil, či dokonca priamo do valca. Cieľom u takýchto motorov je kontrolovať zloženie zmesi podľa valca s najchudobnejšou zmesou. A tak otázkou sa stáva určenie, ktorý z valcov pracuje s najchudobnejšou zmesou. Z toho, čo sme povedali vyššie vyplýva, že teplota je akýmsi obrazom zloženia zmesi a jej sledovanie môže a aj sa využíva ako metóda určovania najchudobnejšieho valca.
U motorov, ktoré nedisponujú snímačom teploty výfukových plynov každého valca je preto potrebné, aby pilot kompenzoval tento problém neurčitosti najchudobnejšieho valca prebytkom paliva a teda obohatil zmes tak, aby sme s rezervou prekročili maximálnu EGT. Avšak zrejmá nevýhoda tejto metódy kompenzovania je v strate ekonomickosti – hospodárnosti využitia paliva.
Najlepším riešením je sledovanie každého valca s elektronickou cestou, pomocou elektronického monitorovacieho systému - analyzerom. Pomocou neho môžeme veľmi presne určiť teplotu výfukových plynov každého valca, a tak aj valec pracujúci s najchudobnejšou zmesou, a to aj pokiaľ sa tento valec mení pri rôznych režimoch. Takýto trend elektroniky – monitorovanie, diagnostika totiž vstúpil aj do sveta leteckých piestových pohonných jednotiek. Ich výhody pre dosahovanie optimálnej prevádzky sú nesporné, prevyšujú úskalia a nedostatky a vysoké počiatočné náklady sa na základe skúseností prevádzkovateľov a pilotov, ktorí ich už používajú, vrátia počas ich prevádzky. Veľkou výhodou takéhoto systému je jeho schopnosť slúžiť ako detektor porúch. Správne porozumenie a jeho používanie umožňuje pilotovi a mechanikom poznať odchýlky, ktoré signalizujú zlé zoradenie motora či poruchu, ktorá by mohla viesť k vážnemu poškodeniu motora, jeho zničeniu, tragédii, alebo drahej oprave.
Prínosom metódy sledovania EGT, je (pri správnej inštalácii snímačov) pomerne veľmi presné sledovanie maximálnej hodnôt EGT a jej výchyliek pri súčasnom nastavovaní zmesi. Použitím tejto metódy teda nepotrebujeme pre určenie zloženia zmesi poznať a merať prietok paliva a kresliť krivku bohatosti. Na základe poznania hodnôt EGT každého valca, môžeme veľmi vhodne a hospodárne riadiť zloženie zmesi (obohacovanie/ochudobňovanie). Metóda vyžaduje vhodne umiestnený EGT snímač s rýchlou odozvou. Jeho umiestnenie má zásadný vplyv na presnosť hodnoty EGT.
Obr.4. Metóda merania EGT. Snímač malých rozmerov vložený do výfukového kanála za výfukový ventil v spojení s milivoltmetrom.
(obrázok prevzatý z internetu)
Pilot pri riadení letúňa a motora sa nutne musí držať odporúčaní výrobcu. Výrobca motora, konštruktéri a vývojári majú podrobne a dlhodobo pomerané režimy motora, na základe nich vydávajú záväzné pokyny a odporúčania pre optimálnu možnú prevádzku motorov. Pri dodatočnej inštalácii snímačov EGT u motorov nedisponujúcich týmito prístrojmi a následnej homologizácii je potrebné nájsť pre daný typ motora optimálne režimi v charakteristike zaťaženie motora a teplôt, a striktne dodržiavať povolené hodnoty.
Pochopiteľne vrchol EGT je pri jednotlivých režimoch a nastaveniach páky prípusti rôzny. Pri ustálenom cestovnom režime a nastavení výkonu na 65% maximálneho , vrchol EGT (maximálna teplota EGT pri tomto výkone cestovného režimu) je považovaná normálne za optimálnu, pretože je to nastavenie zloženia zmesi s najlepšou účinnosťou využitia paliva. Podľa odborníkov - konštruktérov, maximálna EGT pri nastavení výkonu na 65% maximálneho výkonu motora je považovaná za maximálnu povolenú teplotu výfukových plynov. Pri režimoch cestovného výkonu a nižších výkonov ako cestovný nie je žiadna výhoda v obohacovaní zmesi. Používa sa však na kompenzovanie rozdielov v distribúcii a zložení zmesi medzi jednotlivými valcami.
Je prísne zakázané prevádzkovať motor s vyššou hodnotou EGT, ako je hodnota vrcholu EGT pri cestovnom režime 65% max. výkonu!
Je veľmi dôležité si uvedomiť a pamätať, že prevádzkovať motor aj krátkodobo až na hranicu konkrétnej maximálnej hodnoty EGT pri maximálnom výkone je vysoko nebezpečné, a vedie k havarovaniu motora. Konkrétna hodnota EGT je platná iba pri danej teplote vzduchu prostredia ( priemernom dni z hľadiska teploty, čiže pribl. 15 - 20 °C). Napríklad pri veľmi teplom dni je potreba motor prevádzkovať pri nižšej teplote EGT, bohatšej zmesi ( väčšou dávkou paliva chladiť motor) v dôsledku potreby udržať teplotu CHT v prípustných medziach. Okolitý vzduch totiž motor ochladí menej ako pri chladnejšom dni.Nebezpečné je však aj prudké ochladenie motora z maximálnej teploty, kedy môže dochádzať k prasnutiu hlavy alebo bloku valca.
Záver:
Bohužiaľ, vačšina motorov ultraľahkých a ľahkých lietadiel nedisponuje od výroby snímačmi EGT, a zvlášť už nie snímačmi EGT každého valca. Pilot sleduje iba teplotu hlavy valcov CHT, ktorá sa mení pri zmene teplôt spaľovania a zmene režimov len relatívne veľmi pomaly. CHT môže byť teda veľmi skresleným a oneskoreným obrazom skutočných teplôt pôsobiacich nielen na ventily, ale aj piestnu skupinu atď. Zásah pilota pri jej prekročení môže prísť neskoro. Na trhu je viacero firiem ponúkajúcich snímače a prístroje na sledovanie EGT. Ich zabudovanie do motorov, ktoré nemajú aspon prípravu pre zavedenie snímačov do výfukových kanálov môže byť značne náročné. A to aj z hľadiska potrebnej homologizácie zmeny na motore. Napriek tomu sú vo svete firmy aj jednotlivci zaoberajúci sa takýmito úpravami, zástavbami a odladením snímačov. V spolupráci so zapisovaním, uchovávaním a vyhodnocovaním ide skutočne o veľmi silný nástroj diagnostikovania motora, predchádzaniu porúch a úspore nákladov na spotrebu a celkovú prevádzku.
