Spaľovací motor

Z Wikipédie

Spaľovací motor je stroj, ktorý spálením paliva premieňa jeho chemickú energiu na mechanickú prácu. K spaľovaniu palivovej zmesi môže dochádzať v motore, ale aj mimo motora.

Obsah 1 História 2 Rozdelenie 2.1 Základné rozdelenie 2.2 Raketový motor 2.3 Ďalšie rozdelenia 3 Motory s vnútorným spaľovaním s priamočiarym pohybom piesta 3.1 Princíp činnosti 3.2 Rozdelenia podľa konštrukcie 3.3 Charakteristické rozmery 3.4 Základné parametre 4 Energetická bilancia 5 Výhody a nevýhody spaľovacích motorov 6 Podsystémy 7 Regulácia výkonu 8 Palivá 9 Vzduch 10 Emisie 10.1 Znižovanie emisií

[úprava] História

Prvé návrhy využitia strelného prachu, ako zdroja mechanickej energie sa objavili už v 17. storočí. Vo Francúzsku sa problematikou zaoberali Hautefeuille a Papin, v Holandsku Christian Huygens. Koncom 18. storočia navrhol Street vo Veľkej Británii využiť zmes kvapalného paliva so vzduchom a Barber navrhol prvú spaľovaciu turbínu. V 19. storočí patentoval Lebon dvojčinný plynový motor, S. Brown postavil plynový motor a v roku 1826 ho zabudoval do vozidla. J. Lenoir skonštruoval v roku 1860 dvojtaktný dvojčinný posúvačový motor na svietiplyn. V roku 1867 Otto a Langen skonštruovali atmosférický plynový motor, v roku 1873 Reithmann štvortaktný plynový motor, v roku 1878 opäť Otto ležatý štvortaktný plynový jedno činný motor. V roku 1879 skonštruoval Kostovič zážihový motor s výkonom až 60 kW na pohon vzducholodí. V roku 1884 Daimler skonštruoval prvý štvortaktný zážihový motor s vysokými otáčkami. V roku 1893 opísal Rudolf Diesel pracovný obeh na využitie práškového uhlia, alebo iných ťažkých palív. V 10. rokoch 20. storočia prebiehali pokusy vstrekovať palivo čerpadlom a nie prostredníctvom stlačeného vzduchu. Sériovú výrobu automobilov, a teda aj ich motorov začala v roku 1908 firma Ford. V roku 1912 postavila švajčiarska firma Sulzer prvé lokomotívy, poháňané naftovým motorom.

[úprava] Rozdelenie

Spaľovacie motory sa rozdeľujú podľa niekoľkých hľadísk. Jednotlivé hľadiská sú vzájomne nezávislé, preto sa nedá v tomto prípade vytvoriť jednoduchá stromová štruktúra.

[úprava] Základné rozdelenie

Spaľovacie motory sa delia:

1. podľa toho, kde k spaľovaniu dochádza (v motore alebo mimo neho) na
   • motory s vnútorným spaľovaním (väčšina súčasných spaľovacích motorov)
   • motory s vonkajším spaľovaním, pričom u nich môžme rozlišovať, či sa energia do pracovného priestoru dostáva
     • prívodom pracovných plynov (napríklad plynová turbína)
     • prestupom tepla prostredníctvom ohrievača pracovnej látky (napríklad Stirlingov motor)
2. podľa pracovného cyklu na
   • motory s kontinuálnym pracovným cyklom (napríklad spaľovacia turbína)
   • motory s prerušovaným pracovným cyklom
     • dvojtaktný
     • štvortaktný
3. Podľa základného pracovného princípu na:
   • piestové motory
     • motory s priamočiarym vratným pohybom piesta (väčšina súčasných spaľovacích motorov)
     • motory s krúživým pohybom piesta (Wankelov motor)
   • lopatkové motory (turbíny)
   • reaktívne motory
4. podľa spôsobu vyvolania spaľovania na:
   • zážihové - spaľovanie vyvolá energia z vonkajšieho zdroja - iskra sviečky
   • vznetové - kde spaľovanie vyvolá ohrev stlačenej zmesi nad zápalnú teplotu
   • motory s kombinovaným zapaľovaním
   • žiarové motory

V bežnej praxi sa dnes pod spaľovacím motorom rozumie spaľovací motor s vnútorným spaľovaním.

[úprava] Raketový motor

Raketový motor má špeciálne postavenie medzi ostatnými spaľovacími motormi:

• pracovnú látku nečerpá počas činnosti z atmosféry , ale okrem paliva musí mať v zásobe aj dostatočnú zásobu okysličovadla
• užitočným výstupom motora nie je mechanická práca, ale reakčný účinok spalín
• okrem pomocných systémov (napr. čerpadlá, natáčanie dýz) neobsahuje v hlavnom systéme premeny energie pohyblivé súčasti

S prihliadnutím na uvedené zásadné odlišnosti sa ďalší text sa nevzťahuje na raketové motory.

[úprava] Ďalšie rozdelenia

Existujú aj ďalšie podrobnejšie hľadiská, napríklad podľa druhu spaľovaného paliva, spôsobu plnenia, miesta prípravy zmesi, pracovného určenia, konštrukcie a podobne.

[úprava] Motory s vnútorným spaľovaním s priamočiarym pohybom piesta

Tieto motory sú naj početnejším zástupcom spaľovacích motorov v technických zariadeniach. Takmer výhradne sa používajú pre pohon motorových vozidiel. Do tejto skupiny motorov patria:

• dvojtaktné zážihové - malé motory napr. pre motocykle,
• štvortaktné zážihové - automobilové motory pre osobnú dopravu (laicky benzínové),
• dvojtaktné vznetové,
• štvortaktné vznetové - automobilové motory pre osobnú a hlavne nákladnú dopravu (dieselové, naftové).

[úprava] Princíp činnosti

pozri aj: štvortaktný spaľovací motor, dvojtaktný spaľovací motor

Klasický piestový spaľovací motor mení spaľovaním zmesi chemickú energiu na mechanickú energiu pohybujúceho sa piestu, na tepelnú a kinetickú energiu výfukových plynov. Časť vytvorenej mechanickej energie sa spotrebuje na krytie strát.

Po zapálení zmesi v spaľovacom priestore, ktorý musí byť dokonale utesnený, vzniká veľký tlak. Tento pôsobí na piest motora, a posúva ho. Posuvný pohyb piestu sa prenáša cez ojnicu na kľukový hriadeľ a tým sa mení na rotačný. Piest sa vo valci pohybuje , pričom medzná poloha jeho pohybu najviac vzdialená od osi kľukového hriadeľa sa nazýva horná úvrať - HÚ a medzná poloha najbližšie k osi kľukového hriadeľa dolná úvrať - (DÚ).

Počas spaľovania dosahuje teplota v spaľovacom priestore vo valci hodnotu až 2 500 stupňov Celzia. Pri každom pracovnom cykle sa uvoľňuje teplo. Už pri voľno bežných otáčkach (1000 ot./min) piest prekoná približne 16 krát za sekundu svoj pracovný zdvih (DÚ – HÚ - DÚ). Všetky súčiastky v spaľovacom priestore teda musia byť veľmi odolné. Ak by motor nebol chladený, jeho teplota by stále rástla, až by došlo k jeho zničeniu. Ideálna prevádzková teplota motora sa pohybuje od 85 – 120 stupňov Celzia podľa typu motora.

[úprava] Rozdelenia podľa konštrukcie

Piestové spaľovacie motory s priamočiarym pohybom piesta je možné rozdeliť podľa konštrukčných znakov do viacerých skupín.

Rozdelenie podľa spôsobu chladenia:

• vzduchom chladené
• vodou chladené

Rozdelenie podľa usporiadania valcov:

• jednovalcové
• radové - všetky valce sú v jednej rade za sebou
  • stojaté - pracujú v zvislej polohe s kľukový hriadeľom dole
  • invertné - pracujú v zvislej polohe s kľukový hriadeľom hore (letecké motory)
  • šikmé
  • ploché
    • s protibežnými piestami (tzv. boxer)
• vidlicové
  • s valcami do V - dva rady valcov so spoločným kľukovým hriadeľom
  • s valcami do W - tri rady valcov so spoločným kľukovým hriadeľom
  • s valcami do U - dva rady valcov so spoločným kľukovým hriadeľom
• s valcami do H - štyri rady valcov so spoločným kľukovým hriadeľom (letecké motory)
• s valcami do X - štyri rady valcov so spoločným kľukovým hriadeľom (letecké motory)
• hviezdicové - s valcami rovnomerne rozdelenými v rovine (letecké motory)
  • viachviezdicové (dvoj-, troj-)

Rozdelenie podľa rozvodu - zariadenia najčastejšie mechanického, ktoré umožňuje výmenu pracovnej zmesi v správnych časových okamihoch:

• s kanálovým rozvodom (väčšinou dvojtaktné)
• s posúvačovým rozvodom (systémy Knight, Mustad et Fils, Burt-McCollum, Bristol, Baeer, Minerva, Cross, Aspin a iné )
• s ventilovým rozvodom
  • F - s jedným ventilom na boku valca s druhým v hlave (zastaralá konštrukcia)
  • SV (side valve) - s ventilom na boku valca (zastaralá konštrukcia)
  • OHV (over head valve) - s ventilmi v hlave valca
  • OHC (over head camshaft) - s ventilmi aj vačkovým hriadeľom v hlave valca
    • DOHC alebo 2xOHC - s dvoma vačkovými hriadeľmi v hlave valca
• s kombinovaným rozvodom - vstup zmesi je väčšinou riešený kanálom, výstup ventilom.

Okrem mechanických rozvodov je možné aj riešenie s hydraulickým, pneumatickým, prípadne elektrickým rozvodom.

[úprava] Charakteristické rozmery

Charakteristické rozmery piestového spaľovacieho motora s priamočiarym vratným pohybom piesta sú:

• zdvih (Z) - vzdialenosť medzi úvraťami piesta
• vŕtanie (D) - priemer valca, alebo piesta
• zdvihový objem (V_z) - rozdiel objemov spaľovacieho priestoru medzi dolnou a hornou úvraťou
• objem kompresného priestoru (V_k) - objem, ktorý ostane vo valci, keď je piest v hornej úvrati

[úprava] Základné parametre

Kompresný pomer je pomer objemu valca, keď je piest v dolnej úvrati k objemu keď je piest v hornej úvrati. Čím je kompresný pomer väčší dochádza k väčšiemu stlačeniu zmesi. Zvýšenie kompresného pomeru má za následok zväčšovanie termodynamickej účinnosti motora.

Výkon motora sa udáva v jednotkách kW(kilowatt), alebo medzi fanúšikmi motorizmu ešte aj v starých jednotkách k (kôň = konská sila, HP = Horse Power). (prepočet koní na kW: 1 k = 735.8 W = 0.7358 kW, opačne: 1 kW = 1.359 k).

[úprava] Energetická bilancia

Teplo privedené v palive sa v spaľovacom motore rozdelí nasledovne:

Q_d = Q_e + Q_ch + Q_v + Q_ns + Q_ol + Q_zv

• Q_d - teplo dodané v palive
• Q_e - teplo ekvivalentné užitočnej práci motora
• Q_ch - teplo odvedené do chladiacej sústavy
• Q_v - teplo odvedené výfukovými plynmi
• Q_ns - teplo nevyužité nedokonalým spálením paliva, nazývané aj chemické straty
• Q_ol - teplo odvedené mazacím olejom
• Q_zv - teplo nezahrnuté v predošlých členoch (iné straty)

Podiel najvýraznejších zložiek rovnice je uvedený v tabuľke, pričom Q_d zodpovedá 100 %.

Druh motora	% Qe	% (Qch + Qol)	% Qv
zážihový	21 až 28	12 až 27	30 až 55
vznetový	29 až 42	15 až 35	25 až 45

Tepelná energia, ktorá spôsobuje ohrev motora a spalín (Q_ch, Q_v, Q_ol) je nevyužiteľná a nazýva sa stratovou energiou.

Z uvedeného porovnania vyplýva že vznetový motor využije dodanú energiu efektívnejšie, pracuje teda s vyššou účinnosťou.

Z tepla ekvivalentného užitočnej práci Q_e sa ešte časť spotrebuje na mechanické straty (trenie a pohon pomocných agregátov).

[úprava] Výhody a nevýhody spaľovacích motorov

Každý typ spaľovacieho motora má svoje výhody a nevýhody a preto sa viac alebo menej hodí pre pohon jednotlivých zariadení.

Hlavné výhody spaľovacích motorov sú:

• v piestovom vyhotovení dosahujú vysoké účinnosti premeny energie. Spaľovacie turbíny dosahujú vysokú účinnosť iba v jednotkách s vysokým výkonom
• možno ich rýchlo uviesť do prevádzky (s výnimkou motorov s veľkými výkonmi)
• dajú sa konštruovať pre rôzne palivá, účely a veľkosti
• najmä s kvapalnými palivami umožňujú dosahovať nízke spotreby paliva, vysoké akčné rádiusy, nízke výkonové hmotnosti, t.j. sú vhodné pre pohon dopravných prostriedkov.

Hlavné nevýhody spaľovacích motorov sú:

• nevhodné pôsobenie na životné prostredie
• vyžadujú pre štart cudzí zdroj energie (okrem raketových)
• piestové motory majú nevýhodný priebeh výkonových charakteristík
• nedosahujú vysokú životnosť

[úprava] Podsystémy

Motor pre svoju reálnu prácu potrebuje ďalšie podsystémy.

• Palivový systém zabezpečuje uskladnenie, rozvod a filtrovanie paliva.
• Systém prípravy zmesi zabezpečuje prípravu spaľovacej zmesi vzduchu a paliva v dostatočnom množstve, kvalite a vhodnom zložení.
• Chladiaci systém zabezpečuje odvod zvyškového tepla a prevádzku motora v optymálnom tepelnom režime.
• Mazací systém zabezpečuje mazanie pohyblivých častí motora.
• Riadiaci systém (dnes takmer výhradne elektronický) zabezpečuje reguláciu chodu motora na základe vonkajších podmienok a samotného stavu motora.
• Elektrický systém zabezpečuje dostatok energie pre systémy poháňané elektrickou energiou.
• Zapaľovací systém (u zážihových motorov) zabezpečuje spoľahlivé zapálenie zmesi v spaľovacom priestore.

[úprava] Regulácia výkonu

Výkon spaľovacieho motora závisí hlavne od množstva energie uvoľnenej horením paliva. Množstvo uvoľnenej energie môžeme regulovať dvoma spôsobmi.

1. Regulovanie množstva zmesi, inak nazývané aj kvantitatívna regulácia. Pri menšom množstve zmesi sa uvoľní menej energie a teda motor odovzdá menší výkon. Túto reguláciu využívajú zážihové motory bez pracujúce s homogénnou zmesou. Najčastejšie je táto regulácia realizovaná škrtiacou klapkou v nasávacom potrubí.
2. Regulovanie zloženia zmesi, inak nazývané aj kvalitatívna regulácia. Rovnaké množstvo zmesi ktorá obsahuje menej paliva uvoľní menej energie. Túto reguláciu využívajú najmä vznetové motory pracujúce s heterogénnou zmesou. Najšastejšie je táto regulácia reprezentovaná zmenou dĺžky vstreku paliva.

[úprava] Palivá

Ako palivá sa najčastejšie používajú uhľovodíky: ľahkoodpariteľné (benzín), ťažkoodpariteľné (nafta), stlačený zemný plyn (CNG), skvapalnený propán-bután (LPG), alkoholy (metanol, etanol).

Využívajú sa aj ich rôzne zmesi, prípadne sa motor používa ako viacpalivový s prepínaním paliva počas jazdy. V poslednej dobe sa do palív začínajú pridávať biologické prímesy, ako napríklad metylester repky olejnej (MERO).

Intenzívne sa pracuje na nahradení ropných palív vodíkom.

[úprava] Vzduch

Okrem paliva je nevyhnutnou zložkou zmesi pre väčšinu spaľovacích motorov vzduch, pretože obsahuje kyslík potrebný k spaľovaniu. Podľa spôsobu ako sa dopravuje vzduch do valcov, rozdeľujeme motory na:

• motory s atmosférickým plnením valcov (prirodzeným), keď nasávanie zabezpečuje iba podlak vyvolaný pohybom piesta vo valci,
• prepĺňané motory, keď naplnenie valca pod väčším tlakom ako má okolitá atmosféra zabezpečuje prídavné zariadenie v plniacom systéme. Plniacimi zariadeniami môžu byť:
  • mechanické dúchadlá, napríklad v automobile VW Corrado,
  • turbodúchadlá, napríklad v športových automobiloch Ferrari,
  • kompresory, napríklad v leteckých motoroch.

Prepĺňaním motorov sa dosahuje vyšší výkon a nižššia spotreba paliva.

[úprava] Emisie

Spaľovací motor s ohľadom na jeho masové rozšírenie patrí k významným zdrojom znečisťovania životného prostredia. Prirodzeným produktom dokonalého spaľovania uhľovodíkového paliva sú

• C0₂ - oxid uhličitý.
• H₂O - voda.

Okrem nich vznikajú aj ostatné škodlivé zlúčeniny:

• N0_x - oxidy dusíka. Vznikajú disociáciou dusíka pri vysokých teplotách a jeho následnou oxidáciou.
• NO₃ - amoniak. Vznikajú nedostatočným spálením paliva.
• CO - oxid uhoľnatý. Vzniká nedokonalým spaľovaním bez dostatočného prístupu vzduchu.
• CH_x - nespálené uhľovodíky. Vznikajú nedostatočným spálením paliva.
• S0₂ - oxid siričitý. Vznikajú spaľovaním prímesí síry v palive.
• O₃ - ozón. Vzniká pri reakciách N0_x a CH_x.
• pevné častice - rozpustné, alebo nerozpustné (sadze) - najmä pri motoroch spaľujúcich ťažko odpariteľné palivá (dieselove motory).
• aldehydy - čiastočne naoxidované uhľovodíky.

Spaľovací motor je tiež významným zdrojom emisií hluku.

[úprava] Znižovanie emisií

Pri súčasnej úrovni poznania nie je možné spaľovací motor masovo nahradiť iným alternatívnym pohonom, vhodným pre automobilovú dopravu, ktorý by zachoval výhody spaľovacieho motora a nemal by jeho nevýhody. Preto výrobcovia motorov a motorových vozidiel intenzívne pracujú na znížení nepriaznivých dopadov používania spaľovacích motorov.

Pri znižovaní emisií je možné využiť niektoré z nasledovných techník:

• Zvýšenie účinnosti motora. Táto technika prináša zníženie spotreby paliva, čomu úmerne sa zníži aj objem emisií vytvorených motorom pri inak rovnakých podmienkach. Pre znižovanie emisií C0₂ je táto technika jediná možná, keďže oxid uhličitý je produkt dokonalého (a teda čistého) spaľovania.
• Použitie prídavných zariadení. Úlohou týchto zariadení je zvýšiť čistotu výfukových plynov, pred vypustením do ovzdušia. Technickou realizáciou sú katalyzátory (trojcestné, alebo reagujúce len na určitú zložku) alebo filtrácia spalín.
• Konštrukčné úpravy motora. Ide hlavne o zmeny kompresného pomeru, časovania ventilov, veľkosti a tvaru vstrekovacích otvorov, zvýšenie počtu ventilov, zmena tvaru spaľovacích priestorov, znižovanie trecích strát.
• Ovplyvnenie priebehu spaľovania. Realizuje sa zmenou časových a objemových priebehov vstreku, využitím žeraviacich sviečok aj pri nízkych zaťaženiach, zmenou prúdenia náplne vo valci.
• Úprava palív. Žiadúce sú palivá s vyšším podielom vodíka, nižším obsahom síry a polycyklických uhľovodíkov, so zvýšeným cetánovým a oktánovým číslom.
• Zmena pracovného cyklu. Pre motory s kvantitatívnou reguláciou je možné využiť techniku vypínania valcov CDA (Cylinder DeActivation).
• Ovplyvnením plnenia valcov. Pri čiastočných zaťaženiach je možné využívať techniku recirkulácie výfukových plynov - EGR (Exhaust Gas Recilculation).