Spaľovacie motory

Spaľovacie motory všeobecne
Spaľovacie motory možno definovať ako tepelné hnacie stroje, v ktorých sa tepelná energia mení priamo na energiu mechanickú. Od iných energetických tepelných strojov sa odlišujú tým, že jedine v nich sú hnacím médiom priamo splodiny spaľovania. Tieto horúce splodiny, ktoré majú tlak vyšší ako atmosferický, môžeme zužitkovať buď staticky – pôsobením na piest motora, alebo dynamicky – rýchlosťou na obežné koleso turbíny. Podľa toho rozdeľujeme spaľovacie motory na :

-lopatkové
-piestové
-kombinované

Príkladom lopatkového motoru je spaľovacia turbína. Je to motor s priamym pôsobením rozpínajúcich sa plynov na lopatky obežného kolesa, ktoré roztáča. Palivo môže byť spaľované priamo v turbíne, alebo aj mimo nej. Kombinácia obidvoch spôsobov sa dnes označuje ako „TURBO“. Za piestovým motorom býva zaradená turbína, roztáčaná jeho výfukovými plynmi. Turbína poháňa plniace dúchadlo, ktoré dodáva motoru vzduch so zvýšeným tlakom, čo zvyšuje jeho účinnosť. Ďalej sa budeme zaoberať piestovými motormi. Ich hlavnou prednosťou je, že sa u nich dosahuje najdokonalejšieho využitia paliva zo všetkých tepelných motorov, avšak paliva, pomerne drahého, čo túto výhodu čiastočne hospodársky paralyzuje. Zvlášť dôležité je, že sa vysokej tepelnej účinnosti a teda aj malej spotreby paliva dosiahne aj pri motoroch malých výkonov a rozmerov.

Účinnosť ako ju poznáme z fyziky
Účinnosťou sa rozumie pomer výkonu odvedeného k výkonu privedenému. Ak má napríklad ozubené súkolesie účinnosť η = 97 % = 0,97 , tak to znamená, že 3 % energie prenášanej súkolesím sa stráca v zuboch trením, čiže sa premieňa na neužitočné teplo. V každom motore sú straty vplyvom trenia v ložiskách a zuboch kolies. Vyjadrujeme ich účinnosťou:

výkon na kolesách
η = ----------------------------
užitočný výkon motora

Podľa tejto rovnice je účinnosť vždy menšia ako 1, pretože menovateľ zlomku je vždy väčší ako čitateľ. Tepelná účinnosť motora je vyjadrená pomerom:

teplo premenené na mechanickú prácu
ηt = ----------------------------------------------
teplo privedené v zápalnej zmesi

ηt závisí od kompresného tlaku, stupňa plnenia a spôsobu práce motoru. Je jedným z hlavných ukazateľov pri hodnotení pracovného obehu tepelného motoru.

Spôsob práce motorov
Najznámejším rozdelením piestových motorov je rozdelenie na:

-vznetové -štvordobé
-zážihové -dvojdobé
-štvordobé -s posuvným piestom
-s krúživým piestom (Wankel)

V praxi sú za najúčinnejšie pokladané vznetové motory. Najmenej účinné sú motory dvojdobé, pretože tu dochádza k nedokonalému plneniu a vyprázdňovaniu pracovného priestoru, čo sa negatívne odrazí na kvalite spaľovanej zmesi. Navyše je do benzínu nutné pridávať olej na mazanie klzných častí a ložísk, ktorý zvyšuje dymivosť dvojdobých motorov. Progresívnym riešením je ešte aj dnes motor s krúživým piestom, nazvaný podľa jeho objaviteľa Felixa Wankela – Wankelov motor. Účinnosť je tu zvýšená použitím len minimálneho počtu rotujúcich súčiastok a absenciou súčiastok vykonávajúcich posuvný vratný pohyb. Princíp Wankelovho motora

Všetky štyry doby, ako ich poznáme z klasického motoru, prebiehajú za jednu otáčku krúživého piestu, ktorý má tvar trojbokého sférického hranola (prierez približne sférického trojuholníka). Krúživý trojboký piest a hriadeľ s výstredníkom sa otáčajú okolo svojich osí, ale súčasne piest krúži v skrini po obežnej dráhe danej dráhou stredu excentra hriadela. Skriňa má vnútri valcovú plochu tvaru epitrochoidy. Piest je neustále pritláčaný svojimi bokmi k stenám skrine. Utesnenie krúživého piestu je vyriešené kovovými tesniacimi lištami. Namiesto piestnych krúžkov má krúživý piest zaoblené lišty. Olej mažúci prevod zároveň chladí vnútorné steny piestu, kam sa privádza dutým hriadeľom. Motor musí mať chladič oleja. Ventily odpadajú. Ostatné časti, ako napríklad karburátor, sú zhodné s bežnými zažihovými motormi. Účinnosť bežného komerčného spaľovacieho motora nepresiahne 40%. Spaľovací motor je napríklad oproti 99,9%-nému transformátoru veľmi „neohrabaným“ strojom. V bežnom živote sa so spaľovacími motormi stretávame veľmi často aj napriek ich malej účinnosti, pretože účinnejšie pohony sú zatiaľ z ekonomických a technických dôvodov len v rovine testovacej. V rovnako veľkej miere sa budeme stretávať so spaľovacími motormi pravdepodobne až do vyčerpania svetových zásob ropy a zemného plynu a tak je dobré vedieť, čo všetko vplýva na ich účinnosť a teda na ich efektívne využitie. V ďalších statiach rozdelíme spaľovacie motory podľa spôsobu ich práce do hlavných skupín a bližšie popíšeme.

Benzínový štvordobý motor

Pracuje v 4 fázach: 1. nasávanie 2. stláčanie (kompresia) 3. výbuch(explózia) 4.výfuk. Zmes paliva so vzduchom sa vo valci zapáli vplyvom elektrickej iskry zapaľovacej sviečky. Zápalná zmes sa vytvára v splyňovači (karburátore), ktorý riadi samočinne jej zloženie, odtiaľ sa dostáva hotová do valca.

Štvordobý zážihový motor bol pôvodne vyrobený na plyn.

Zapaľovanie bolo riešené najprv žhaviacimi tyčinkami, až neskôr získala svetoznáma firma BOSCH patent na vysokonapäťové zapaľovanie „Magneto“ a s ním súvisiacu zapaľovaciu sviečku. Zapaľovacia sviečka prešla dlhodobým vývojom a dnes sa často používajú mnohoelektródové sviečky s kĺzavou alebo kombinovanou iskrou, ktorá v kombinácii s vysokooktánovým benzínom a vysokým kompresným pomerom zaručuje vysokú efektivitu spaľovania. Zásobenie spaľovacieho priestoru čerstvou zmesou je menej problematické ako u dvojdobého motora, aj v tejto oblasti však boli urobené mnohé progresívne kroky. Prvé ovládania ventilov OHV boli nahradené ľahším rozvodom OHC, neskôr bola reťaz rozvodu OHC nahradená zubovým klinovým remeňom a dnes sú ventily ovládané elektronicky, v závislosti od pracovných podmienok motora. Okrem toho dnes už na jeden valec nepripadajú len dva ventily, (sací + výfukový) ale štyri a niekedy až šesť ventilov, ktoré zlepšujú a urýchľujú vyplachovanie. Zapaľovanie bolo sprvu pevne nastavené na určitú hodnotu predzápalu, neskôr ovládané podtlakom z hrdla karburátora v závislosti od zaťaženia a dnes je elektronické, s množstvom senzorov a bez akejkoľvek mechanickej regulácie. Benzínový dvojdobý motor („dvojtakt“)

Pracuje v dvoch fázach: 1.explózia+nasávanie+výfuk 2.stláčanie. Zmes paliva so vzduchom sa vo valci zapáli vplyvom elektrickej iskry zapaľovacej sviečky. Zápalná zmes sa vytvára v splyňovači (karburátore), ktorý riadi samočinne jej zloženie, odtiaľ sa dostáva hotová do valca.

Problém pri dvojdobom motore predstavuje neefektívne využitie paliva. Nasávané palivo nieje oddelené od výfukových plynov, musí ich dokonale z pracovného priestoru vytlačiť a okrem toho je nutné do paliva primiešavať olej na mazanie klzných častí a ložísk, pretože u tohoto motora absentuje olejová vaňa. Je dôležité správne prúdenie nasávanej zmesi nad piestom. V tejto oblasti bol najväčší pokrok dosiahnutý počas 2. sv. vojny, vynájdením vírivého vyplachovania, ktoré nahradilo dovtedy používané priečne vyplachovanie. Prestali byť vyrábané piesty s deflektorom usmerňujúcim prúd zmesi, čím sa hmotnosť piesta podstatne znížila, čo prispelo k menším rozmerom a hmotnostiam kľukového hriadeľa a teda k zvýšeniu účinnosti. Ďalším vynálezom konca 70.rokov – elektronickým zapaľovaním sa zvýšila účinnosť v širokom spektre pracovných podmienok.

Elektronické zapaľovanie je schopné meniť čas predzápalu v závislosti od mnohých faktorov, ako sú teplota motora, zaťaženie, otáčky a rôzne iné.
V 80.rokoch začali motoristi pridávať do benzínu dvojtaktných motorov syntetické a polosyntetické vysokoodolné a ekologické mazivá, ktoré si zachovávali požadovanú viskozitu v širokom rozsahu pracovných teplôt, šetrili motor, uľahčovali studené štarty, znižovali trenie a teda zvyšovali účinnosť.

Naftový motor

Pracuje v 4 fázach: 1. nasávanie 2. stláčanie (kompresia) 3. výbuch(explózia) 4.výfuk. Zmes paliva so vzduchom sa zapáli vo valci vplyvom tlaku a teploty, tesne pred hornou úvraťou, dávkovanie paliva je priamo do valca vstrekovacou tryskou riadenou vstrekovacím čerpadlom.
Vznetové motory patria k najspľahlivejším a najodolnejším spaľovacím piestovým motorom. Už v svojom základnom vyhotovení majú vyššiu účinnosť ako vznetové motory (okrem Wankela). Často sú však kombinované s lopatkovým motorom – turbínou poháňanou spalinami. Táto turbína ženie dúchadlo, ktoré následne zvyšuje tlak vzduchu sania motora, čo vedie k ľahšiemu zapáleniu zmesi a vyššej efektivite. Dnes sa tiež často aplikuje elektronické riadenie ventilov. Motor s krúživým piestom (Wankel)
Všetky štyry doby, ako ich poznáme z klasického motoru, prebiehajú za jednu otáčku krúživého piestu, ktorý má tvar trojbokého sférického hranola (prierez približne sférického trojuholníka). Krúživý trojboký piest a hriadeľ s výstredníkom sa otáčajú okolo svojich osí, ale súčasne piest krúži v skrini po obežnej dráhe danej dráhou stredu excentra hriadela. Skriňa má vnútri valcovú plochu tvaru epitrochoidy. Piest je neustále pritláčaný svojimi bokmi k stenám skrine. Utesnenie krúživého piestu je vyriešené kovovými tesniacimi lištami. Namiesto piestnych krúžkov má krúživý piest zaoblené lišty. Olej mažúci prevod zároveň chladí vnútorné steny piestu, kam sa privádza dutým hriadeľom. Motor musí mať chladič oleja. Ventily odpadajú. Ostatné časti, ako napríklad karburátor, sú zhodné s bežnými zažihovými motormi. Motor nemá časti vykonávajúci vratný pohyb, preto pracuje kľudne, nehlučne a efektívne.

Jeho účinnosť však môže klesnúť v dôsledku opotrebenia tesniacich častí, planžiet. Tieto boli najskôr kovové, v Japonsku vyrábané keramické. Motor má veľmi nerovnomerne tepelne namáhanú skriňu, čo ešte zvyšuje problémy s utesnením v rôznych rozsahoch teplôt. Tento motor sa používa len zriedka a môžeme povedať, že jeho zlatý vek zrejme ešte len príde, ak ho neprdbehnú alternatívne elektrické alebo iné pohony.