Spalovací motory

 

Počátkem 19. století došlo k obratu ve vývoji techniky. To mělo veliké důsledky nejen pro tehdejší populaci, ale i pro současnost. Za takový obrat můžeme poděkovat anglickému inženýru Jamesi Wattovi, který nejdříve vynalezl způsob jak přeměnit přímočarý pohyb na otáčivý a potom zdokonalil parní stroj svých předchůdců tak, že byl již schopen širšího uplatnění. Parní stroj se rychle zabydlel v různých výrobních procesech, doposud prováděných manuálně nebo pomocí vodní či větrné síly. Toto období nazýváme první průmyslovou revolucí. Z technického pohledu docházelo v parním zařízení při spalování paliva k předávání uvolněného tepla páře, která byla odvedena do parního stroje, kde se teplo obsažené v páře měnilo na mechanickou energii. Tepelná energie vznikala mimo parní stroj, a proto nazýváme tento systém externí spalovací stroj. V roce 1816 sestrojil Robert Stirling externí spalovací stroj, jenž používal jako nosiče energie vzduch místo páry. Tento stroj, kterému dnes říkáme teplovzdušný nebo Stirlingův motor, prošel v Anglii a v Americe dalším vývojem a těšil se značné oblibě. Ještě v dnešní době se někteří nadšenci Stirlingovými motory zabývají (viz literatura). Vývoj rychle pokračoval s vynálezem prvního použitelného benzínového motoru v roce 1878. Protože byl benzín a plynový olej v tehdejší době pouhým odpadním produktem ropného průmyslu, způsobilo užitečné využití benzínu stagnaci Stirlingova motoru. V roce 1892 sestrojil Rudolf Diesel motor, který používal jako palivo plynový olej. Jeho „dieselmotor“ spolu s benzínovým motorem se v současné době používá nejčastěji. Na trh samozřejmě přicházely i jiné typy motorů, ty však ve většině případů nepřežily zkoušku času. A tak můžeme v současnosti používané tepelné motory rozdělit na pístové motory – plynové, zážehové, vznětové a teplovzdušné a na proudové motory – plynové turbíny a tryskové motory. Já se již nyní budu věnovat pouze zážehovým a vznětovým motorům.

 

Spalovací motor je stroj, v němž se palivo (plyn, benzín, plynový olej nebo nafta) spaluje přímo ve stroji a jenž převádí uvolněnou energii přímo na energii mechanickou. Palivo je možné přivádět do motoru dvěma způsoby. U zážehových motorů (obr. 1) se vytvoří směs paliva, většinou benzínu nebo plynu, se vzduchem vně motoru. Tato směs potom vstupuje do spalovacího prostoru motoru, kde po zážehu dochází ke spálení paliva. Vznětové motory (obr. 2) jsou založeny na vstřikování paliva do vzduchu, zavedeného do motoru. Nejstarším a nejznámnějším vznětovým motorem je dieselmotor.

 

U zážehového motoru (obr. 3) je ve válci s pístem uzavřena směs vzduchu a paliva. Pohybujeme-li pístem vzhůru, směs se stlačuje (komprimuje), při čemž narůstá teplota a tlak ve směsi. Když dosáhne píst téměř svého nejvyššího postavení, dodá se potřebné teplo k zažehnutí tím, že mezi dvěma elektrodami svíčky přeskočí jiskra, která zapálí směs. Nastane proces hoření, který začíná u svíčky a výbuchem se rozšíří ve tvaru kulové vlny spalovacím prostorem. Tam je v okamžiku zážehu směs rozdělena na zapálenou (v blízkosti svíčky) a dosud nezapálenou. Rozhraní mezi oběma oblastmi označujeme čelo plamene. Hořením směsi vzniká nadbytek tepla a vysoký tlak na píst, který je tlakem stlačován dolů. Tento pohyb se pak v motoru přemění na mechanickou energii.

 

U vznětového motoru (obr. 4) se naplní válec v prostoru nad pístem vzduchem. Při pohybu pístu vzhůru se stlačí vzduch značným tlakem, čímž prudce vzroste jeho teplota. Jakmile je píst téměř ve své horní poloze, vstřikne čerpadlo tryskou přesnou dávku jemně rozptýleného plynového oleje nebo nafty do horkého vzduchu. Kapičky paliva rychle zplynují, tím začne reakce kyslíku, obsaženého ve vzduchu s molekulami uhlíku a vodíku. Následuje hoření pod vlivem vysoké teploty stlačeného vzduchu a spalovacím prostorem se opět šíří čelo plamene ve tvaru kulové vlny. Současně nastane výbuch nevyhořelého paliva a prudký nárust tlaku způsobí pohyb pístu směrem dolů.

 

 

Spalování v motoru proběhne v určitém čase. Protože je nutné, aby nastal největší tlak poté, co píst překonal svou horní polohu (horní úvrať), je třeba, aby začalo spalování v přesně stanoveném okamžiku. Takto by se jednalo o kontrolované spalování. Z mnoha příčin však může nastat nekontrolované spalování neboli výbuch, někdy také označovaný jako detonace nebo klepání. U zážehových motorů mohou nastat detonace z těchto příčin: předčasným zapálením, žárovým zapálením nebo výbušným spalováním. Při předčasném zapálení nastane nejvyšší tlak ve válci dříve, než dosáhne píst horní úvratě. Tomu lze zabránit nastavením správně načasovaného zapalování motoru. Žárové zapálení vzniká tím, že se směs předčasně vznítí žhavými uhlíky nebo žhavými elektrodami svíčky. V takovém případě pomůže očištění pístů a válců motoru. K výbušnému spalování dochází, když je palivo nekvalitní. Kvalitu paliva vyjadřuje oktanové číslo. To porovnává palivo se směsí izo-oktanu a normálního heptanu. Izo-oktan je palivo, jež jen velmi těžko vybuchuje. Zato heptan patří mezi nejvýbušnější. Je-li palivo výbušností rovnocenné např. směsi 80% izo-oktanu a 20% heptanu, pak říkáme, že palivo má oktanové číslo 80. Čím vyšší je oktanové číslo, tím je palivo kvalitnější. Oktanové číslo benzínu bývá 70 až 100.

 

V protikladu k výbuchům v zážehovém motoru, kde shoří palivo příliš rychle nebo výbušně, je možno pozorovat u vznětových motorů pomalý začátek spalování. Takové chování při zapalování směsi vzniká tehdy, je-li palivo pomalu okysličováno, a proto dochází k jeho opožděnému spalování. A tak v okamžiku zahájení procesu spalování je již tryskou vstříknuto veškeré určené množství paliva. V takovém případě neprobíhá spalování rovnoměrně, nýbrž dostává výbušný charakter a z motoru se ozývá známé klepání. Výbuchům u vznětových motorů můžeme čelit: lepším tvarem a velikostí spalovacího prostoru, méně intenzivním chlazením, takže stoupne teplota válce, směrováním paprsku nafty na žhavící spirálu nebo použitím kvalitnějšího paliva. Jeho kvalitu určuje tzv. cetanové číslo, které udává počet procent cetanu ve směsi cetanu a metylnaftalenu, která se podobně jako u oktanového čísla srovnává s palivem u vznětových motorů.

 

Na obr. 5 je znázorněno konstrukční řešení spalovacího motoru se základními částmi nezbytnými pro uskutečnění přeměn energie z tepelné na tlakovou, která se dále převádí na energii mechanickou. Ve válci se pohybuje píst, přičemž prostor nad pístem je uzavřen hlavou válce. Napříč pístem je provrtán otvor, do kterého je vložen pístový čep. Na čep je navlečena ojnice, jejíž druhý konec je otočně připevněn na ojničním čepu klikového hřídele. Převod přímočarého pohybu pístu na otáčivý pohyb klikového hřídele nazýváme klikový (ojniční) mechanismus. Než překročí píst horní úvrať, dojde ve válci k zapálení směsi a následné expanzi (výbuchu). Expanzí vznikne ve válci vysoký tlak. Když znásobíme tento tlak p [Pa] plochou válce p/4 * d² [m²], dostaneme sílu, kterou je píst stlačen směrem dolů: F_Z = p/4 * d² * p. Síla F_z se přenáší přes pístní čep na ojnici. Po jejím rozkladu (obr. 6) získáme ojniční sílu F_D a vodící sílu F_L, která přitlačuje píst ke stěně válce. Sílu F_D zachycuje z ojnice ojniční čep. Sílu F_D můžeme dále rozložit na tangenciální složku F_t a radiální složku F_r. Síla F_r  působí ve směru normály (do středu klikové kružnice) a tudíž nevykonává žádnou práci, kdežto síla F_t vytváří točivý moment na klikovém hřídeli.

 

Dosud jsme se zabývali výhradně faktem, že se ve válci odehrává spalování a že vzniklá tlaková energie se přemění na točivý moment motoru. Nyní se budeme zabývat tím, jak probíhá přívod vzduchu nebo směsi vzduchu a paliva a také odvádění spalin. Zde se nabízí dva systémy – dvoutaktní neboli dvoudobý motor, resp. čtyřtaktní neboli čtyřdobý motor.

 

Na obr. 7 je znázorněn dvoutaktní motor. Prostor pod pístem, tzv. karter, považujeme za uzavřený. Obr. 7a představuje situaci, kdy nad pístem proběhne expanze, zatímco pod píst proudí směs paliva a vzduchu přes sací kanál B. Nasávání směsi umožňuje vzniklý podtlak v karteru při pohybu směrem vzhůru. Mezitím dojde nad pístem k  zažehnutí směsi a následnému výbuchu. Píst se stlačí velkou silou dolů, takže se bokem pístu uzavře sací kanál B a v karteru vznikne přetlak. Spaliny během výbuchu předají svoji tlakovou energii motoru, jenž ji přemění na práci. Z tohoto důvodu označujeme tuto přeměnu jako pracovní děj. Na obr. 7b vidíme další fázi, kdy se pohybem pístu dolů uvolnil výfukový kanál A, takže mohou odcházet spaliny a nad pístem klesá tlak. Když pak píst poklesne ještě níže, odkryje se na pravé straně tzv. výplachový kanál C (obr. 7c), kterým začne proudit do válce stlačená směs z karteru. Směs prostor vypláchne od zbylých spalin. Toto období se označuje jako vyplachování. Jakmile překročí píst dolní úvrať a začne se pohybovat vzhůru, uzavře se nejdříve výplachový kanál C a po něm výfukový kanál A. Postupně se stlačuje směs, přítomná ve válci po přepuštění z karteru, pod pístem naopak vzniká podtlak, potřebný pro zahájení nasávání nové směsi od okamžiku, kdy se otevře sací kanál B. Těsně před dosažením horní úvratě se směs zapálí jiskrou od svíčky a následuje nový cyklus. Celý proces se odehrává v jedné otáčce klikové hřídele, během dvou pohybů pístu (nahoru a dolů). Odtud dvoutaktní motor.

 

Na obr. 8 je znázorněn čtyřtaktní motor, v jehož hlavě se nachází sací a výfukový ventil. Na obr. 8a se píst pohybuje dolů, sací ventil je otevřen. Díky podtlaku nad pístem se do válce nasává čerstvá směs. Tento takt se nazývá sání. Když píst překročí dolní úvrať, sací ventil se uzavře, píst se začne pohybovat vzhůru, směs se začne stlačovat – dochází k tzv. kompresi (8b), což je druhý takt. Dříve než dosáhne píst horní úvrati, zapálí svíčka směs a následuje třetí takt – expanze (8c). Když se píst přiblíží k dolní úvrati, otevře se výfukový ventil a následně jsou spaliny vytlačeny z válce stoupajícím pístem – výfuk (8d). Popsaný děj se odehrává během dvou otáček klikového hřídele. Otvírání a zavírání ventilů zajišťuje vačkový hřídel, který je poháněn od klikového hřídele přes ozubené soukolí nebo řetězem v poměru 2:1, to znamená, že při dvou otáčkách klikového hřídele vykoná vačkový hřídel pouze jednu otáčku.

 

Nyní se již pouze krátce zmíním o karburátoru, chlazení a katalyzátorech. Karburátor má za úkol namíchat motorem nasátý vzduch ve správném poměru s určitou dávkou benzínu. Pro benzín můžeme stanovit teoretický směšovací poměr 1kg paliva na 15,5kg vzduchu (teoretická směs). Z různých příčin však neproběhne úplné shoření, a proto zvyšujeme podíl vzduchu tak, aby poměr stoupl na 1 : 16,5 (normální směs). Před nastartováním studeného motoru je naopak nezbytné přidávat poněkud méně vzduchu, abychom získali tzv. obohacenou směs 1 : 14,5.  V jiných případech je výhodné výrazněji zvýšit množství vzduchu až na poměr 1 : 17,5 (chudá směs). Všechny tyto druhy směsí musí dokázat karburátor vytvořit. Je to proto složité zařízení a v dnešní době se již používá karburátorový systém s elektronickou regulací.

 

Vzhledem k tomu, že během pracovního procesu vzniká ve spalovacím prostoru teplota až 2000 °C, je nutné přebytečné teplo odvést. Přitom nejvyšší přípustná teplota stěn válce je dána teplotou rozkladu oleje, která se pohybuje okolo 250 °C. Při vyšší teplotě se zapékají pístní kroužky. Jestliže teplota naopak klesne pod 75 °C, dochází ke kondenzaci par a ke stárnutí oleje. Proto je důležité udržovat teplotu válců v rozmezí 170 °C až 190 °C. Pro ilustraci: množství tepla, které se ztrácí při chlazení automobilového motoru střední třídy, je postačující pro vytápění středně velkého bytu (škoda, že s automobily jezdíme i mimo byt...)

 

Katalyzátory jsou zatím nejúčinějším ze známých prostředků při likvidaci exhalací ze spalovacích motorů. V současné době se využívají dva druhy: neřízený jednocestný oxidační katalyzátor, používaný u dvoutaktních motorů, zachytí 50 – 60% škodlivých látek a řízený třícestný katalyzátor s lambda sondou, který zachytí až 90% škodlivých látek. Princip činnosti obou druhů katalyzátorů spočívá v urychlení chemických procesů ve výfukové soustavě, tedy v dokonalejší oxidaci škodlivých látek za vysokých teplot od 250 °C výše, optimální je 450°C.

 

V dnešní době si již ani nedovedeme představit život bez spalovacích motorů. Představa, že by studenti a jejich profesoři dojížděli do SPŠSE na koních nám dnes připadá absurdní. Přestože neuplynulo mnoho let od doby vynálezu parního stroje, připadá nám to jako velice vzdálená minulost. Motory velice ovlivnily rozvoj průmyslu a díky jim nám dnes spousta věcí připadá samozřejmých, jako například cestování do míst na druhé straně zeměkoule. Nesmíme ale také zapomenout na špatné stránky spalovacích motorů, ke kterým bezesporu patří znečišťování životního prostředí a také vyčerpání zdrojů paliva je velikým problémem. Je tedy potřeba objevit nové zdroje energie a s nimi spojené nové motory. Do té doby ale spalovací motory vykonají ještě mnoho záslužné práce.

 

Použitá a doporučená literatura:

[1]   Stroje pro přeměnu energií – A. Drost, J. Ouwehand, Gause s. r. o, Sezimovo Ústí 1994

[2]   Co dokážou stroje – kolektiv autorů, z anglického originálu The Joy of Knowledge: The Illustrated Reference Book of Man and Machines přeložila Marie Honzáková, Albatros 1987, Praha

[3]   Encyklopedie vědy a techniky – kolektiv autorů, přeložila Marie Žáková,  Albatros 1986, Praha

[4]   Konstrukce pístových a spalovacích motorů – Ing. Ladislav Bartoníček, CSc., Vysoká škola strojní a textilní v Liberci, 1992

[5]   Stirlingovy motory – autor neznámý, http://mujweb.cz/spolecnost/quoadvitam/STIRLING/index.htm