Zážihový motor

Motory sú stroje premieňajúce energiu na pohyb alebo mechanickú prácu. Ener-gia je väčšinou dodaná vo forme chemického paliva (napr. benzín), pary alebo elektriny a mechanická práca je zvyčajne dodávaná vo forme rotačného pohybu hriadeľa. Motory sa zvyčajne rozdeľujú:
1. Podľa typu využívanej energie, ako napríklad na paru, na stlačený vzduch alebo na benzín
2. Podľa spôsobu pohybu hlavných častí na piestové a rotačné
3. Podľa miesta, kde nastáva premena chemickej energiu na tepelnú, na spaľovacie motory zážihové a vznetové. 4. Podľa metódy chladenia motora na chladené vodou alebo vzduchom
5. Podľa počtu zdvihov piesta v rámci kompletného cyklu na dvojtaktné alebo štvortaktné
6. Podľa typu cyklu na Ottov (benzínový motor) alebo dieselový motor.
Špeciálnymi typmi motorov sú motory s veterným pohonom, plynové turbíny, parné turbíny, raketové alebo prúdové motory.

Gottlieb Wilhem Daimler
Zatiaľ čo Benz zdokonaľoval svoj povoz bez koní, pracoval iný Nemec, Gottlieb Daimler, na novom štvortakte. V svojej dielni s jedným pomocníkom Daimlerom vyvinul prvý benzínový, rýchlobežný motor. V roku 1890 založil firmu ktorá v roku 1901, dvanásť mesiacov po jeho smrti, uviedla na trh mercedes. Benz a Daimler sa nikdy nestretli, napriek tomu, iróniou osudu spolu vytvorili dvojicu po smrti, keď sa roku 1926 dva závody, ktoré založili, spojili v automobilku Dailmler - Benz.
Rudolf Diesel
1893 zostrojil naftový motor (bol pomenovaný po ňom)
Henry Ford
Ford rozhodne automobil nevynašiel. Ford raz prehlásil: „Nič nového som nevymyslel. Jednoducho som objavy iných ľudí, za ktorými boli stáročia práce, len zmontoval do jedného automobilu.“ Americký konštruktér predstavil roku 1908 nový model svojho automobilu Ford Lizzy, model T, ktorý sa stal najúspešnejším automobilom tej doby. FORD zaviedol vo svojom závode montážnu linku, vďaka ktorej dokázal uspokojovať veľký dopyt a znížiť náklady na výrobu. Vývoj spaľovacieho motora
Po počiatočnom nadšení z výhod parného stroja sa čoraz viac dostávali 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 a Clauda Nicephorovcov. 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. Ťažko dnes posúdime, či to bol motor úsporný a či naopak. Bratia ďalej svoj vynález nezdokonaľovali a venovali sa iným oborom. Neporovnateľne úspešnejšia myšlienka poháňať spaľovací motor plynom ako tuhým palivom bola ďalej 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 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 1,1kW 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 vznetové.

Spaľovací zážihový motor - štvortaktný:
Spaľovacie motory dnes poháňajú takmer všetky automobily na svete. Na
pohyb využívajú energiu plynov vytvorených spálením pohonnej zmesi. Zážihový motor funguje tak, že do valcov, v ktorých sú piesty, sa privádza zmes vzduchu a benzínu. Zmes sa stlačením zahustí. Elektrická sviečka vytvorí iskru, ktorá túto zmes zapáli, a vznikajúce plyny uvedú do pohybu piesty vo valcoch. Spálená zmes sa vypudí von. Tak sa vytvorí cyklus. Pri dvojtaktných motoroch je na jeden cyklus potrebné len jedno otočenie vačkového hriadeľa.
V prípade zážihového motora je palivová zmes benzín zmiešaný so vzduchom (u dvojtaktných motorov aj s mazacím olejom ).Táto zmes je nasávaná do valca a stlačovaná piestom. Stlačením zmesi sa vzájomne priblížia molekuly paliva a kyslíka 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 4MPa. Týmto stlačením sa vzduch ohreje na teplotu vyše 700°C.

V tomto okamžiku je do valca vstreknutá 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 zážihového spaľovacieho motora je jeho pracovný obeh, ktorý sa skladá buď zo štyroch dôb - taktov (nasávanie, kompresia, explózia, výfuk), alebo z dvoch dôb najprv nasávanie a kompresia potom explózia a výfuk) prebiehajú zároveň. Princíp činnosti dvojtaktného motora 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 0,02MPa ) 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 30MPa ) 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 ( 0,06MPa ) do pracovného priestoru. Prepúšťaná zmes vytlačuje pred sebou spaliny a vyplachuje valec. Pri ďalšom pohybe z dolnej do hornej úvrate piest najskôr uzatvára vyplachovací kanál a potom výfukový kanál. Celý dej sa cyklicky opakuje.

Princíp činnosti štvortaktného motora je nasledovný:
U štvortaktného motora prebehne sled všetkých fáz za štyri zdvihy, teda za dve otáčky kľukového hriadeľa.
1.doba (Nasávanie): Piest ide z hornej do dolnej úvrate. Nad piestom vzniká podtlak
(až 0,03MPa), 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 1,1MPa, pričom jej teplota stúpne na 300 - 350°C. Pred dosiahnutím hornej úvrate preskočí na elektródach zapaľovacej sviečky elektrická iskra, od ktorej sa zmes zapáli a začne horieť.
3. doba (Explózia): Horením zmesi vzniká teplota až 4000 °C, ktorá spôsobí prudký nárast tlaku na 4 - 5MPa. 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 0,5MPa a teplote až 800 °C 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.

Alternatívne pohony:

Vodík:
Elektrickým prúdom sa dá voda rozložiť na plyny: vodík a kyslík. Keď sa do kontaktu dostanú vodík a kyslík, zhoria znova na vodu a vytvoria energiu. Ale vodík je príliš vzácny na to, aby zhorel. Oveľa výhodnejšie je premeniť ho pomocou palivového článku znova na elektrickú energiu. Palivový článok vytvorí elektrický prúd pomocou chemického procesu. Tieto "články" môžu byť v rôznych veľkostiach. Niektoré sú také malé, že nahradia malé batérie, ale niektoré sa môžu využiť v elektrárňach na výrobu elektrického prúdu. Daimler Chrysler postavil autobus s týmto pohonom a FORD sľubuje prvé sériovo vyrábané auto s týmto pohonom.

Dusík:
Vedci Washingtonskej univerzity vyvíjajú nový automobil bez škodlivých emisií. Princíp je rovnaký ako u parného motora, až na absenciu spaľovania. Namiesto toho je stlačený tekutý dusík, ktorý sa potom premení na paru vo výmenníku tepla vplyvom teplého vzduchu, ktorý ho obklopuje. Tento výmenník tepla funguje ako chladič auta, ale namiesto chladenia motora vzduchom, využíva teplotu okolitého vzduchu na zohriatie a varenie dusíku. Výsledný dusíkový plyn je dodávaný motoru, ktorý pracuje ako parný motor, premieňajúc tlak na mechanickú prácu. Jediným odpadom je dusík, ktorý tvorí väčšinu atmosféry Zeme.