Vývoj spaľovacieho motora

Po počiatočnom nadšení z výhod parného stroja sa čoraz viac dostávaly do popredia aj jeho zjavné nevýhody: malá účinnosť premeny energie paliva a straty v dôsledku spaľovania paliva a prenosu energie mimo pracovný priestor motora.


Za prvý spaľovací motor, teda motor spaľujúci palivo priamo v pracovnom valci, môžeme považovať motor na strelný prach navrhnutý holandským fyzikom Christianom Huygensom a zostrojený jeho asistentom Denisom Papinom. Tento zanechal svoje pokusy kvôli problémom so zásobovaním motora palivom - strelným prachom.

Napriek tomu, že prvé prevedenie bolo neúspešné, sama myšlienka nezanikla, i keď trvalo viac ako sto rokov, kým bola dovedená do prevádzky úsilím mnohých známych i zabudnutých osobností. V roku 1786 si dal patentovať francúzsky inžinier Philippe Lebon výrobu svietiplynu z dreva. Plynom vyrábaným podľa svojho patentu vykuroval a osvetľoval svoj parížsky byt, a, čo je pre nás najdôležitejšie, poháňal ním svoj patentovaný motor. Lebonov motor bol dvojčinný – zmes vzduchu a svietiplynu bola striedavo zapaľovaná na oboch stranách piestu. Napriek tomu, že jeho motor bol prakticky nepoužiteľný, cesta bola naznačená.
Prvý spaľovací motor bol teda plynový, tak ako celá nasledujúca generácia. Našli sa samozrejme aj výnimky. Jednou z najkurióznejších bola určite konštrukcia motora bratov Josepha Nicéphora a Clauda Niepce-ov. Ich naozaj fungujúci motor bol poháňaný plavúňovým práškom , ktorý sa získaval z dozretých klasov plavúňovitých rastlín a bol bežne používaný pri ohňostrojoch a podobných atrakciách. Do dnešných čias sa dochoval záznam o spotrebe pyroleofora (tak pomenovali bratia svoj vynález), tá bola: 125 zrniečok plavúňového prášku za minútu. Ťažko dnes posúdime, či to bol motor úsporný a či naopak. Bratia ďalej svoj vynález nezdokonaľovali a venovali sa iným oborom. Starší z nich Nicéphore je považovaný za spoluvynálezcu fotografie.
Neporovnateľne úspešnejšia myšlienka poháňať spaľovací motor plynom ako tuhým palivom bola daľej zdokonaľovaná. Belgičan Jean Joseph Etienne Lenoir a Nemec Nikolaus August Otto nezávisle na sebe skonštruovali malý, ľahký, úsporný a kdekoľvek použiteľný spaľovací motor. Stal sa ideálnym pomocníkom malých remeselníkov a výrobcov, ktorý si nemohli dovoliť podstatne drahší parný stroj. Tam, kde nebola možnosť použitia svietiplynu z plynárne, vyrábal sa plyn pre pohon motora priamo na mieste v generátore (z dreva, uhlia, koksu). Tento stabilný motor sa však nehodil pre pre dopravu.

Z niektorých aj keď úspešných pozícií ho však vytlačila stále sa rozvíjajúca elektrifikácia. Zdalo sa, že doba spaľovacieho motora je už prekonaná, keď však jeden z jeho vynálezcov dostal naozaj geniálny nápad, ktorý si dal obratom patentovať. Išlo o myšlienku nahradiť pohonný plyn parami vodíku, petroleja a iných palív zmiešaných so vzduchom. Týmto sa mohol dosiaľ stabilný motor závislý od prívodu plynu stať motorom mobilným, čo aj dokázal Jean Joseph Etienne Lenoir zostrojením voza poháňaného týmto motorom. V septembri roku 1863 prešiel trasu z Paríža do Joinville-le-Pont a späť. Jeho voz bol ťažký, motor o výkone 1,1 kW mal iba 100 otáčok za minútu a veľkú spotrebu. Funkčný automobil bol však skutočnosťou.

Rozšírenie spaľovacieho motora v doprave bolo podmienené až vynálezom karburátora – splynovača kvapalných palív. Vynašiel ho roku 1887 Nemec Gottlieb Daimler. Týmto krokom sa spaľovací motor dostal do ďalšej etapy svojho vývoja.
Druhým významným vynálezcom tejto etapy je taktiež Nemec Karl Benz. Približne v rovnakej dobe ako Daimler zostrojil spaľovací motor, poháňaný zmesou petroleja a vzduchu.
Gottlieb Daimler v roku 1882 zakladá svoj vlastný podnik, spolu s nadaným konštruktérom Wilhelmom Maybachom. Spolu analyzovali základné nevýhody motorov vtedajších konštrukcií: explózie paliva v pracovnom valci nenasledovali dostatočne rýchlo po sebe, z toho vyplývajúci výkon musel byť nutne nízky, vyšším otáčkam motora bránili nedokonalé spôsoby zapaľovania. Preto sa úsilie oboch konštruktérov zameralo týmto smerom. Daimler navrhol nový systém zapaľovania založený na princípe žeraviacej trubičky. Žeraviaca trubička, zvonka nahrievaná malým plameňom, vyčnievala z hlavy valca. Pri každom stlačení zmesi sa zmes teplom žeraviacej trubičky zapálila. Napriek úsmevnej konštrukcii prax ukázala spoľahlivosť tohto systému. Motor s týmto zapaľovaním dosiahol celých 900 otáčok za minútu namiesto vtedy obvyklých 200 otáčok za minútu.
Najmasovejšiemu rozšíreniu motora Karla Benza vďačíme Henrymu Fordovi, ktorý začal s jeho ďalšou konštrukciou a výrobou.
V ďalšom vývoji sa spaľovacie motory rozdelili na dve základné skupiny: motory zážihové a motory vznetové.

V prípade zážihového motora je palivová zmes – benzín zmiešaný so vzduchom ( u niektorých dvojtaktných motorov aj s mazacím olejom ) – nasávaná do válca a stlačovaná piestom. Stlačením zmesi sa vzájomne priblížia molekuly paliva a kyslíku zo vzduchu a zároveň sa zmes stlačením zohreje. Tým je pripravená do stavu, kedy môže byť ľahko zapálená pomocou prídavného zariadenia.

U prvých motorov to bolo žeraviacou trubičkou, dnes zapaľovacou sviečkou s priamou väzbou na celý zapaľovací systém. Preto ich voláme motory zážihové.

Pri vznetových motoroch je najskôr nasávaný do valca motoru čistý vzduch, ktorý piest stláča na tlak vysoký asi 4 MPa. Týmto stlačením sa vzduch ohreje na teplotu vyše 600 st Celzia. V tomto okamžiku je do valca vstreknuté palivo – motorová nafta, ktorá sa vysokou teplotou sama vznieti a zhorí, bez toho, aby musela byť zapálená elektrickou iskrou. Preto hovoríme o motoroch vznetových.

Obidva základné typy spaľovacieho motora sa konštruujú ako dvojtaktné, alebo štvortaktné. Základnom činnosti činnosti zážihového spaľovacieho motora je jeho pracovný obeh, ktorý sa skladá buď zo štyroch dôb - taktov (sanie, kompresia, výbuch, výfuk), alebo z dvoch dôb ( prvé dve a druhé dve ) prebiehajú zároveň. Princíp činnosti dvojtaktného motora ( a ) je nasledovný:
U dvojtaktných motorov prebehne sled všetkých fáz na dva zdvihy piestu, teda za jednu otáčku kľukového hriadeľa. Pri pohybe piestu z dolnej úvrate do hornej úvrate je nad piestom v pracovnom priestore stláčaná zmes a súčasne vzniknutým podtlakom ( asi 0,02 MPa ) sa nasáva plniacim kanálom z karburátora palivová zmes do utesnenej kľukovej skrine. Tesne pred koncom zdvihu piesta do hornej úvrate preskočí na zapaľovacej sviečke iskra a zapáli stlačenú zmes. Zmes prudko zhorí a po prekročení hornej úvrate ( zotrvačnosťou motora ) tlak spálených plynov ( asi 30 MPa ) tlačí piest dolu a koná prácu. Pritom dolná hrana piestu uzatvorí plniaci kanál a v kľukovej skrini nastáva pretlak. Pri ďalšom pohybe piestu smerom k hornej úvrati otvára horná hrana piestu najskôr výfukový kanál a potom vyplachovací ( prepúšťací kanál ), ktorým sa prepúšťa stlačená zmes z kľukovej skrine ( 0,06 MPa ) do pracovného priestoru. Prepúšťaná zmes vytlačuje pred sebou spaliny a vyplachuje válec. Pri ďalšom pohybe z dolnej do hornej úvrate piest najskôr uzatvára vyplachovací kanál a potom výfukový kanál. Celý dej sa potom opakuje.

Princíp činnosti štvortaktného motora ( b ) je nasledovný:
U štvortakného motora prebehne sled všetkých fáz za štyri zdvihy, teda za dve otáčky kľukového hriadeľa.
1.doba: Sanie – piest ide z hornej do dolnej úvrate.

Nad piestom vzniká podtlak
( až 0,03 MPa ), ktorý spôsobuje, že zmes paliva a vzduchu, vytvorená v karburátore, vniká pôsobením atmosférického tlaku otvoreným sacím ventilom do uvoľneného priestoru valca.
2.doba: Kompresia – piest ide z dolnej do hornej úvrate a nasatá zmes je stlačovaná podľa stupňa kompresie až na 1,1 MPa, pričom jej teplota stúpne na 300 až 350 st Celzia. Pred dosiahnutím hornej úvrate preskočí na elektródach zapaľovacej sviečky elektrická iskra, od ktorej sa zmes zapáli a začne horieť.
3. doba: Výbuch – horením zmesi vzniká teplota až 4000 st Celzia, ktorá spôsobí prudký nárast tlaku na 4 až 5 MPa. Rozpínajúce sa plyny tlačia na piest a ten sa pohybuje z hornej do dolnej úvrate a koná prácu.
4. doba: Výfuk – pred koncom expanzného zdvihu, teda pred dolnou úvraťou, sa začne otvárať výfukový ventil a spálené plyny o tlaku až 0,5 MPa a teplote až 800 st Celzia odchádzajú výfukovým potrubím a sú ďalej vytlačované pri pohybe piestu z dolnej do hornej úvrate. Pred dosiahnutím hornej úvrate sa začne otvárať sací ventil a všetko sa znova opakuje.

























Pracovné cykly dvojtaktného ( a ) a štvortaktného ( b ) motora.




V doteraz spomínaných motoroch zapáli zmes paliva a vzduchu nejaké prídavné zariadenie, ktoré však so sebou vždy prináša komplikácie. Najúspešnejším konštruktérom spaľovacieho motora bez pomocného zapaľovacieho zariadenia sa stal Rudolf Diesel. V roku 1892 získal patent na svoj nový typ spaľovacieho motora, avšak prvý trvalo použiteľný motor skonštruoval až v roku 1897.
Výnimočnosť a pokrokovosť jeho vynálezu spočíva v jeho vysokej tepelnej účinnosti, okolo 30 percent, v lacnejšom palive, jednoduchšej konštrukcii a obzvlášť výhodnom samočinnom spôsobe zapaľovania.

Princíp činnosti dvojtaktného a štvortaktného vznetového motora je nasledovný:
Základným znakom vznetových motorov je, že nasávajú čistý vzduch a zápalná zmes sa tvorí v spaľovacom priestore vstreknutím jemne rozprášeného paliva
( nafty ) do stlačeného a ohriateho vzduchu, od ktorého sa zmes vznieti.
Stavba vznetových motorov sa rýchlo rozšírila po celom svete a postupom času sa i Dieselov motor dočkal mnohých zdokonalení. Prvým bolo zdokonalenie vstrekovania paliva. Palivo možno vstrekovať priamo do kompresného priestoru valca, alebo do zvláštnej komôrky, ktorá je spojená s kompresným priestorom valca.
Druhý smer smer zdokonaľovania spaľovacích motorov predstavuje prepĺňanie spaľovacieho priestoru valca vzduchom.

To znamená, že sa množstvo náplne valcov dá výhodne zvýšiť stlačením vzduchu pomocou:
- vhodne tvarovaného sacieho potrubia spôsobujúceho rezonanciu vzduchu s jeho následným urýchlením
- plniaceho, mechanicky poháňaného kompresora
- turbodmýchadla, poháňaného spálenými plynmi
Zdokonaľovanie spaľovacích motorov sa uberalo hlavne smerom zvyšovania výkonu a znižovaniu spotreby a v poslednej dobe hlavne smerom znižovaniu negatívnych vplyvov prevádzky spaľovacích motorov na životné prostredie. Úsilie sa venuje hlavne znižovaniu hlučnosti, produkcie škodlivých emisií a hľadaniu alternatívnych druhov palív.
Palivom u pôvodných stacionárnych motorov bol plyn. Vzhľadom k tomu mohli byť takéto motory používané iba u zdroja plynu, čo zabránilo ich väčšiemu rozšíreniu. Časom sa prešlo na palivá kvapalné – spočiatku na petrolej, neskôr benzín a motorová nafta. U niektorých motorov bol použitý s väčším, alebo menším úspechom lieh, benzén a podobne. U vznetových motorov boli pokusy dokonca s uhoľným prachom, ale jeho použitie sa nerozšírilo.
U dnes používaných spaľovacích motorov prevláda ako palivo benzín
( zážihové ) a motorová nafta ( vznetové ). K tomu, aby moderný spaľovací motor mohol pracovať podľa našich požiadaviek už nestačí obyčajný benzín, teda benzín získaný priamou destiláciou ropy. Dnes používaný benzín je zmesou benzínu získaného priamou destiláciou ropy s rôznymi prísadami, ktoré sa líšia podľa typu spaľovacieho motora a podľa toho na aké účely sa motor používa.
V súčasnej dobe pristupuje k otázke kvality ešte dostupnosť paliva, cena a hlavne obsah škodlivých látok. Z týchto dôvodov sa hlavne benzín a nafta dostávajú do ústrania. Napríklad kvôli nedostatku iných palív sa počas druhej svetovej vojny prestavovali vozidlá na pohon takzvaným drevoplynom.
Ďalšou možnosťou sa stalo, aj dnes sa využívajúceho, použitie skvapalnených plynov ( propán-bután obvykle označovaný ako LPG ) ako paliva pre motorové vozidlá. Propán a bután sú vedľajšie produkty pri rafinovaní ropy. Okrem úspory nákladov na výrobu LPG paliva je jeho hlavnou výhodou zníženie obsahu škodlivých látok vo výfukových plynoch, hlavne oxidu uhličitého.
Palivo budúcnosti musí vyhovovať týmto požiadavkám:
- musí byť použiteľné pre súčasné konštrukcie spaľovacích motorov
- technológia výroby musí byť známa a súčasne rýchlo použiteľná v širokom meradle
- musí spĺňať požiadavky maximálnej hospodárnosti prevádzky
- musí sa dať distribuovať existujúcim systémom
V ďalšej fáze hľadania nového paliva sa však musí hľadať palivo pre motor na úplne inom princípe, ktorého funkcia nebude viazaná premenou chemickej energie na mechanickú klasickým spaľovacím procesom.
Z tohto vyplýva najdôležitejší záver. Ak budeme chcieť naše spaľovacie motory do budúcnosti používať, musíme nutne previesť radikálne opatrenia v ich konštrukcii a zároveň nájsť i nové perspektívne palivá.

Inak sa z našich dobrých pomocníkov stanú naši úhlavní nepriatelia.
































Použitá literatúra:

Dobrovolný, B.: Motory a pracovné stroje
Hoch, A.: Vynálezy, které změnily svět
Mackerle, J.: Automobil dneška a zítřka
Kluna,J.: Všude potkáš motory.