História vývoja motorov

Benzínové motory

Počiatkom dvadsiateho storočia spôsobil vynález benzínového motora revolúciu v doprave. Vozidlá s benzínovými motormi veľmi rýchlo vytlačili z ciest vozidlá na parný, alebo plynový pohon. Vo vzduchu lietali lietadlá poháňané benzínovými motormi až do doby, keď sa obiavili prvé tryskové motory.

Benzínové motory sú – rovnako ako naftové a raketové – motory s vnútorným spaľovaním. Vo vnútri týchto motorov sa spaľuje palivo a tým sa získava energia potrebná na pohyb. V benzínovom motore sa miešajú benzínové pary so vzduchom a táto zmes sa zapaľuje iskrou. Zápalná zmes benzínu a vzduchu horí tak rýchlo, že vlaastne vybuchuje a vzniknuté plyny sa veľmi rýchlo rozpínajú (expandujú). U väčšiny benzínových motorov táto expanzia pohybuje piestom vo valci a pohyb piestu sa využíva k otáčaniu kľuky a tým aj k premene vratného pohybu na rotačný pohyb. Veľké motory majú väčší počet valcov a piestov a k zapaľovaniu zmesi dochádza v jednotlivých valcoch veľmi rýchlo za sebou, takže výsledná sila otáčania je pravidelná a plynulá. Rotačné benzínové motory nemajú jednotlivé valce, plyny vzniknuté spaľovaním otáčajú priamo rotorom.

Dvojdobé motory
Najjednoduchší typ valcového benzínvého motora je dvojdobý motor, používaný v niektorých malých autách, vo väčšine motocyklov a v kosačkách na trávu. Každý piest pracuje v dvoch dobách. Najskôr sa pohybuje nahor, pričom stláča zmes paliva a vzduchu v priestore nad piestom. Súčastne je do priestoru pod piestom nasávaná ďalšia dávka zápalnej zmesi. Stlačená zmes sa zapáli iskrou vytorenou za pomoci vysokého napätia a plyny vzniknuté výbuchom tlačia piest späť do spodnej časti valca. Pri svojom pohybe dole piest vytlačí čerstvú dávku zmesi paliva a vzduchu prepúšťacím kanálom do priestoru nad piestom. Táto čerstvá zmes vytlačí výfukové plyny von výfukovým kanálom a sama je stlačená spätným pohybom piestu nahor. V hornej úvrati (polohe) piest zablokuje výfukový kanál, aby rozpínajúce sa plyny nemohly uniknúť. Akonáhle piest dosiahne dolnú úvrať (polohu), kanál sa otvorí. Poloha piestu kontroluje rovnako aj nasávací kanál zmesi paliva a vzduchu ako aj kanál prepúšťací.
Piest svojím pohybom hore a dole otáča takzvanou kľukovou hriadeľou. K nej je pripevnený ťažký zotrvačník, ktorý sa otáča aj po tom, čo piest dosiahne svoju najnižšiu polohu. Zotrvačník tak prevádza energiu z dole pohybujúceho sa piestu vo veĺmi plynulý nepretržitý pohyb a núti piest pohybovať sa valcom nahor v druhej časti každého cyklu. Výroba djojdobých motorov je pomerne lacná. Samé motory sú však málo účinné pri premene energie paliva v energiu pohybu, a preto väčšina veľkých motorov pracuje v účinnejšom štvordobom cykle.

Štvordobé motory
Pri štvordobom motore pracuje každý piest na štyri doby. V prvej dobe nazývanej nasávanie sa piest pohybuje smerom dole a nasáva zmes paliva a vzduchu do priestoru nad piestom. Potom sa piest pohybuje nahor a zmes stláča. Táto druhá doba sa volá stláčanie. Stlačená zmes sa zapáli pomocou iskry a výbuch stlačí piest dole. Podľa toho sa tretia doba nazýva výbuch. Piest potom ešte raz ide nahor a vytlačí výfukové plyny von z priestoru valca. Štvrtá doba sa nazýva výfuk. Potom sa jednotlivé doby opakujú. Štvordobý motor je síce účinnejší než dvojdobý, ale aj tak dokáže premeniť len približne 33,3 % energie paliva. Štvordové motory sú omnoho drahšie na výrobu ako dvojdobé motory.

Rotačné motory
V snahe zvýšiť účinnosť sa skúšajú rôzne konštrukcie motorov, ktorý by mal menej vratných častí. K najznámejším parí Wankelov rotačny motor. Pracuje na rovnakom princípe ako štvordobý piestový motor, ale vybuchujúca zmes paliva a vzduchu otáča trojstranným rotorom, ktorý sa pohybuje stále rovnakým smerom. V roku 1964 sa objavil prvý sériový voz vybavený Wankelovým rotačným motorom s nádejami, že práve tento motor spotrebu paliva značne zníži. Ukázalo sa však, že Wankelov motor má svoje vlastné problémy, obzvlášť opotrebenie líšt rotora, čo vedie k prenikaniu plynov medzi lištami rotoru a sriňou rotoru. Dnešné Wankelové motory spotrebujú viac paliva než porovnateľné piestové motory. Jedného dňa snáď budú zdokonalené rotačné motory premieňať energiu benzínu na energiu pohybu omnoho úcinnejšie...

Dieselové motory
Dieselový motor odvodzuje svoj názov od nemeckého inžiniera Rudolpha Diesela, ktorý sa v deväťdesiatich rokoch devätnásteho storočia skoro zabil, keď explodoval jeho skúšobný model motora.

Dieselové motory poháňajú mnoho typov vozidiel, generátorov a rôznych farmárskych a priemyslových strojov. Dieselový motor je formou motora s vnútorným spaľovaním. To znamená, že palivo horí vo vnútri motora a produkuje mechanickú energiu – energiu pohybu. Vybuchujúca zmes paliva a vzduchu pohybuje piestom vo valci smerom nadol, rovnako ako u typického benzínového motora. Piesty sa pravidelne vracajú do svojej pôvodnej polohy a potom sa opäť pohybujú smerom dole. Rady hriadelí a kľukových hriadelí premieňajú vratný pohyb piestov na otáčavý alebo rotačný pohyb. Každý piest naopak núti kľukový hriadeľ otáčať sa a ťažký zotrvačník vyrovnáva výslednú otáčavú silu.
Vznecovanie paliva
Hlavný rozdiel medzi benzínovým a dieselovým motorom je spôsob vznecovania zmesi vzduchu a paliva. Pri benzínovom motore sa tak deje elektrickou iskrou. Pri dieselovom motore sa vzduch vo valci stlačí tak, že jeho teplota stúpne na viac než 500°C a niekedy dokonca až na 2 480°C. V tomto okamihu sa vstriekne palivo a teplota vo valci je natoľko vysoká, že postačí k vznieteniu paliva, bez potreby iskry so zapaľovacej sviečky. Niektoré dieselové motory majú vo valcoch elektrické zahrievacie prvky, ktoré pomáhajú vznecovať palivo pri štartovaní studeného motora. Malé motory možno naštartovať otáčaním kľúk nasadených na kľukový hriadeľ. Veľké dieselové motory sú vybavené elektrickým štartérom prepojeným pomocou prevodov a zotrvačníkom, najväčšie motory sa štartujú stlačeným vzduchom z kompresorov (tanky, vozidlá pracujúce v kamenolomoch). Vznecovanie pomocou kompresie znamená, že dieselový motor je jednoduchší a spoľahlivejší než benzínový motor. Inou výhodou dieselového motora je, že ako palivo používa naftu, ktorá vyžaduje menšiu rafináciu než benzín, a tým je výrobne lacnejšia. Nafta je aj omnoho bezpečnejšia, pretože sa narozdiel od benzínu nevznieti ak je v blízkosti orvorený oheň. Dieselový motor musí byť aj ťažšej konštrukcie ako benzínový pri rovnakom výkone, pretože valce musia vydržať vysoký tlak. Ale fungovanie pri vysokom tlaku má tú výhodu, že motor je účinnejší.

Štvordobý motor
Každý pohyb piestu pozdĺž valca sa nazýva doba. Pri štvortaktnom dieselovom motore sa pri prvej dobe piest pohybuje smerom dole a nasávací ventil sa otvorí, čím umožní vniknutie čerstvého vzduchu do valca. Pri druhej dobe sa nasávací ventil uzavrie a piest sa pohybuje nahor, čím stláča a tým zahrieva vzduch nad piestom. Potom sa vstriekne palivo do horného riesoru valca. Teplo spôsobené stlačením vzduchu spôsobí vybuchnutie paliva a vzniknuté plyny nútia piest pohybovať sa valcom nadol – k tomu dochádza pri tretej dobe nazvanej výbuch. Pri štvrtej dobe sa piest pohybuje opäť nahor a vytlačí výfukové plyny von z valca výfukovým ventilom. Výfukový ventil sa potom uzavrie a celý štvordobý cyklus sa opakuje. Rýchlosť, ktorou sa motor točí je riadená množstvom vstrekovanej nafty do vzduchu vo valci. Obvykle sa piesty pohybujú nahor a nadol niekoľkokrát za sekundu.

Dvojdobý motor
U jedného typu dvojdobého dieselového motora neexistujú žiadne nasávacie, alebo výfukové ventily. Namiesto toho odkrýva piest nasávacie a výfukové kanály alebo otvory, keď sa blíźi k spodnej časti valca behom doby výbuchu. Nasávacím kanálom prúdi dovnútra čerstvý vzduch, ktorý vytlačí výfukové plyny von výfukovým kanálom na druhej strane valca. Piest sa potom pohybuje späť nahor valcom, prikryje oba kanály a stlačí vzduch nad sebou. Rovnako ako u štvordobého cyklu sa palivo vstrieknuté do tohoto stlačeného vzduchu vznieti a prinúti piest pohybovať sa smerom nadol behom doby výbuchu. Pri inom type dvojdobého dieselového motora sa výfukové plyny vytlačia jedným, alebo dvoma ventilmi v hornom priestore valca.
Chladenie
Rovnako ako pri benzínovom motore, vzniká spaľovaním paliva veľké množstvo tepla. V prípade, že teplota motora príliš stúpne, stáva sa motor menej účinným a mohol by sa poškodiť, pokiaľ by sa presné súčiastky roztiahly a zadrely. Aby sa zabránilo prehriatiu motora používa sa chladiaci systém. Vzduchom chladené motory majú na vonkajšej strane pripojené rebrá, ktoré zväčšujú povrchovú plochu motora a vyžarujú teplo do okolitého vzduchu. Chladenie možno zlepšiť použitím ventilátora poháňaného motorom, ktorý ženie vzduch pomedzi rebrá. Vodou chladené motory majú vnútorné kanály, ktorými prúdi studená voda hnaná čerpadlom. Voda pohlcuje teplo a musí sa ochladiť, než sa znovu pustí do obehu. Chladenie sa často prevádza preháňaním vody chladičom. Pri studenom počasí využívajú niektoré vozidlá vodu z chladiaceho systému k ohrievaniu kabíny vodiča.