spalovací motor

Spalovací motor (v širším smyslu) je stroj, který spálením paliva premieňa jeho chemickou energii na mechanickou práci. K spalování paliva, alebo palivové zmesi může docházet v motoru, ale i mimo motoru. V užším smyslu se pod pojmem spalovací motor spravidla rozumí piestový spalovací motor.^[1]. Článek se zabývá spalovacím motorem v širším smyslu.

Princip práce

Některé látky, obecně nazývané paliva, jsou schopné chemické reakce spalování, při které se uvolňuje teplo. Pokud se uvolněným teplem zahřeje pracovní plyn, podle stavové rovnice se zvýší jeho tlak, nebo objem, v závislosti od toho či se nachází v uzavřeném, nebo otevřeném prostoru. Tento stav plynu můžeme využít na vykonání mechanické práce, buď působením tlaku na pohyblivou část motoru, nebo využitím zákona akce a reakce při výtoku pracovní látky z motoru. Vyvedení získané mechanické práce ve využitelné formě je už jen věcí vhodného konstrukčního řešení. Celý proces probíhá v souladu s druhou termodynamickou vetou jen s určitou účinností.

Některá z variant uvedeného obecného principu je přítomna v realizaci každého spalovacího motoru. Přitom platí:

• paliva mohou být tuhá, kapalná nebo plynná,
• prostředí v kterém se spalují je nejčastěji vzduch ale může to být i jiná látka,
• spalování může probíhat uvnitř nebo mimo motoru,
• pracovní plyn může být samostatný, nebo to mohou být přímo spaliny,
• pracovní plyn se priebežně vyměňuje, nebo je uzavřený v motoru,
• pohyblivá část motoru na kterou působí pracovní plyn se může pohybovat různým způsobem,
• pro získání mechanické práce se může využít jeden, druhý, nebo oba způsoby společně.

Vzhledem na výše uvedené není překvapivé, že skupina spalovacích motorů zahrnuje množství typů a různých konstrukčních provedení, proto je užitečné použít pro jejich rozdělení správní kritéria.

Rozdělení

Spalovací motory se rozdělují podle několika hledisek. Jednotlivá hlediska jsou vzájemně nezávislá, proto se nedá v tomto případě vytvořit jednoduchá stromová struktura

Základní rozdělení

Spalovací motory se dělí:

1. podle toho, kde ke spalování dochází (v motoru nebo mimo něj) na
   • motory s vnitřním spaľováním (většina současných spalovacích motorů)
   • motory s vnějším spaľováním, přičemž u nich je možné rozlišovat, zda se energie do pracovního prostoru dostává
     • prívodem pracovních plynů (například plynová turbína)
     • prestupem tepla prostřednictvím ohřívače pracovní látky (například Stirlingův motor)
2. podle pracovního cyklu na
   • motory s kontinuálním pracovním cyklem (například spalovací turbína)
   • motory s přerušovaným pracovním cyklem
     • dvojdobý motor
     • čtyřdobý motor
3. Podle základního pracovního principu na:
   • piestové spalovací motory
     • motory s přímočarým vratným pohybem piesta (většina současných spalovacích motorů)
     • motory s kruhovým pohybem piesta (Wankelův motor)
   • lopatkové motory (turbíny)
   • reaktivní motory (proudové, nebo raketové)
4. Piestové spalovací motory se podle způsobu vyvolání spalování dělí na:
   • zážihové - spalování vyvolá energie z vnějšího zdroje - iskra zapalovací svíčky
   • vznetové - kdy spalování vyvolá ohřev stlačené zmesi nad zápalnou teplotu
   • motory s kombinovaným zapaľováním
   • žiarové motory

V běžné praxi se dnes pod spalovacím motorem rozumí spalovací motor s vnitřním spaľováním.

Další rozdělení

Existují i další podrobnější hlediska. Následující seznam kritérií není úplný, navíc jednotlivé kategorie spalovacích motorů, například turbíny, mají specifické vlastní kategorie.

• podle druhu spaľovaného paliva se motory rozdělují na:
  • plynové - spaľující plynná paliva například zemní plyn
  • na kapalná paliva - ropy (benzín, nafta), nebo jiná (alkohol)
  • na tuhá paliva - například práškové uhlí
  • různopalivové - které mohou přejít na spalování jiného paliva s úpravami případně bez úprav motoru
  • dvojpalivové - které spaľují současně více druhů paliva
• podle místa přípravy zmesi:
  • s tvorbou zmesi mimo pracovního prostoru - například v karburátoru, spalovací komoře
  • s tvorbou zmesi v pracovním prostoru - například ve válci vznetových motorů
• podle způsobu přípravy zmesi:
  • karburační motory
  • vstřikové motory
• podle způsobu jak se dopravuje vzduch do válců:
  • motory s atmosférickým plněním válců (přirozeným), kdy nasávání zajišťuje jen podtlak vyvolaný pohybem piesta ve válci,
  • přeplňovaný motor, kdy naplnění válce pod větším tlakem než má okolitá atmosféra zajišťuje přídavné zařízení v plniacím systému. Plniacími zařízeními mohou být mechanické dúchadla nebo i kompresory, například v automobile VW Corrado (G-Lader), nebo kompresory používané v automobilech Bentley (Bentley Blower) turbodúchadla, například v motorech TDI od společnosti VW.
• podle pracovního určení na: stacionární, mobilní, průmyslové, elektrárenské, lodní, železniční, vozidlové, traktorové, speciální a jiné.

Piestový spalovací motor

Bližší informace v hlavním článku: Piestový spalovací motor

Tyto motory jsou nejpočetnějším zástupcem spalovacích motorů v technických zařízeních. Téměř výhradně se používají pro pohon motorových vozidel. Jejich základní součástí je piest, který koná posuvný nebo rotační pohyb a zprostředkovává přeměnu tlakové energie plynné náplně na mechanickou energii otáčejícího se hřídele.

Zážihový motor

Bližší informace v hlavním článku: Zážihový spalovací motor

Základní charakteristikou zážihových motorů je, že zmes ve válci nad piestem se zapaľuje nejčastěji iskrou mezi elektrodami svíčky. Zmes na zapálení potřebuje cizí zdroj energie. Zážihový motor může pracovat jako dvojtaktní, i čtyřtaktní.

Vznetový motor

Bližší informace v hlavním článku: Vznetový motor

Základní charakteristikou vznetových motorů je, že zmes, která se tvoří až přímo ve spalovacím prostoru, se vznítí od tzv. kompresního tepla. Tyto motory mají tak vysoký kompresní poměr, že při stlačení vzduchu nasátého do válce je v okamžiku vstřiku paliva ve spalovacím prostoru teplota vyšší, než je teplota vznícení paliva. I vznetový motor může pracovat jako dvojtaktní, nebo čtyřtaktní.

Raketový motor

Bližší informace v hlavním článku: Raketový motor

Raketový motor má speciální postavení mezi ostatními spalovacími motory:

• pracovní látku nečerpá během činnosti z atmosféry, ale okrem paliva musí mít v zásobě dostatečnou zásobu okysličovadla
• užitečným výstupem motoru není mechanická práce, ale reakční účinek spalin
• okrem pomocných systémů (např. čerpadla, natáčení dýz) neobsahuje v hlavním systému přeměny energie pohyblivé součásti.

S ohledem na uvedené zásadní rozdíly se některé části níže uvedeného textu na raketové motory nevztahují.

Historie

První návrhy využití střelného prachu, jako zdroje mechanické energie se objevily už v 17. století. Ve Francii se problematikou zabývali Hautefeuille a Denis Papin, ve Holandsku Christian Huygens. Koncem 18. století návrhl Street ve Velké Británii výužití zmesi kapalného paliva se vzduchem a Barber návrhl první spalovací turbínu. Ve 19. století patentoval Lebon dvojčinný plynový motor, S. Brown postavil plynový motor a v roce 1826 ho zabudoval do vozidla. Étienne Lenoir skonstruoval v roce 1860 dvojtaktný dvojčinný posuvný motor na svítiplyn. V roce 1867 Nikolaus Otto a Langen skonstruovali atmosférický plynový motor, v roce 1873 Reithmann čtyřtaktní plynový motor, v roce 1878 opět Otto ležatý čtyřtaktní plynový jednočinný motor. V roce 1879 skonstruoval Kostovič zážihový motor s výkonem až 60 kW na pohon vzducholodí. V roce 1884 Gottlieb Daimler skonstruoval první čtyřtaktní zážihový motor s vysokými otáčkami. V roce 1893 opisoval Rudolf Diesel pracovní oběh na využití práškového uhlia, nebo jiných těžkých paliv. V 10. letech 20. století probíhaly pokusy vstřikovat palivo čerpadlem a ne prostřednictvím stlačeného vzduchu. Sériovou výrobu automobilů, a tedy i jejich motorů začala v roce 1908 firma Ford. V roce 1912 postavila švýcarská firma Sulzer první lokomotivy, poháněné naftovým motorem.

Výhody a nevýhody spalovacích motorů

Každý typ spalovacího motoru má své výhody a nevýhody a proto se více nebo méně hodí pro pohon jednotlivých zařízení.

Hlavní výhody spalovacích motorů jsou:

• v piestovém provedení dosahují vysoké účinnosti přeměny energie. Spalovací turbíny dosahují vysokou účinnost jen v jednotkách s vysokým výkonem
• je možné je rychle uvést do provozu (s výjimkou motorů s velkými výkony)
• dají se konstruovat pro různá paliva, účely a velikosti
• najmě s kapalnými palivy umožňují dosahovat nízké spotřeby paliva, vysoké akční radii, nízké výkonové hmotnosti, t. j. jsou vhodné pro pohon dopravních prostředků.

Hlavní nevýhody spalovacích motorů jsou:

• nevhodné působení na životní prostředí
• vyžadují pro start cizí zdroj energie (kromě raketových)
• piestové motory mají nevýhodný průběh výkonových charakteristik
• nedosahují vysokou životnost

Podsystémy

 

Elektrický štartér

Motor pro svou reálnou práci potřebuje další podsystémy.

• Palivový systém zajišťuje uskladnění, rozvod a filtrování paliva.
• Systém přípravy zmesi zajišťuje přípravu spalovací zmesi vzduchu a paliva v dostatečném množství, kvalitě a vhodném složení.
• Chladič zajišťuje odvod zbytkového tepla a provoz motoru v optimálním tepelném režimu.
• Mazací systém zajišťuje mazání pohyblivých částí motoru.
• Řídicí systém (dnes téměř výhradně elektronický) zajišťuje regulaci chodu motoru na základě vnějších podmínek a samotného stavu motoru.
• Elektrický systém zajišťuje dostatek energie pro systémy poháněné elektrickou energií.
• Zapalovací systém (u zážihových motorů) zajišťuje spolehlivé zapálení zmesi ve spalovacím prostoru.

Regulace výkonu

Výkon spalovacího motoru závisí hlavně od množství energie uvolněné spalováním paliva. Množství uvolněné energie můžeme regulovat dvěma způsoby.

1. Regulace množství zmesi, jinak nazývaná i kvantitativní regulace. Při menším množství zmesi se uvolní méně energie a tedy motor odovzdá menší výkon. Tuto regulaci využívají zážihové motory bez pracující se homogenní zmesí. Nejčastěji je tato regulace realizována škrtící klapkou v nasávacím potrubí.
2. Regulace složení zmesi, jinak nazývaná i kvalitativní regulace. Stejné množství zmesi, která obsahuje méně paliva uvolní méně energie. Tuto regulaci využívají zejména vznetové motory pracující s heterogenní zmesí. Nejčastěji je tato regulace reprezentována změnou délky vstřiku paliva.

Složky zmesi

Paliva

Jako paliva se nejčastěji používají uhlovodíky: lehko odpařitelné (benzín), těžko odpařitelné (nafta), stlačený zemní plyn (CNG), skvapalněný propan-bután (LPG), alkoholy (metanol, etanol).

Využívají se i jejich různé zmesi, případně se motor používá jako vícepalivový s přepínáním paliva během jízdy. V poslední době se do paliv začínají přidávat biologické příměsi, jako například metylester repky olejné (MERO).

Intenzivně se pracuje na nahrazení ropy vodíkem.

Vzduch

Kromě paliva je nezbytnou složkou zmesi pro většinu spalovacích motorů vzduch, protože obsahuje kyslík potřebný ke spalování.

Energetická bilance

Teplo přivedené v palivu se ve spalovacím motoru rozdělí následovně:

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

• Q_d - teplo dodané v palivu
• Q_e - teplo ekvivalentní užitečné práci motoru
• Q_ch - teplo odvedené do chladičové soustavy
• Q_v - teplo odvedené výfukovými plyny
• Q_ns - teplo nevyužité nedokonalým spaľováním paliva, nazývané i chemické ztráty
• Q_ol - teplo odvedené mazacím olejem
• Q_zv - teplo nezahrnuté v předchozích členech (jiné ztráty)

Podíl nejvýraznějších složek rovnice je uveden v tabulce, přičemž Q_d odpovídá 100 %.

Tepelná energie, která způsobuje ohřev motoru a spalin (Q_ch, Q_v, Q_ol) je nevyužitelná a nazývá se stratovou energií.

Z uvedeného porovnání vyplývá, že vznetový motor využije dodanou energii efektivněji, pracuje tedy s vyšší účinností.

Z tepla ekvivalentního užitečné práci Q_e se ještě část spotřebuje na mechanické ztráty (tření a pohon pomocných agregátů).

Emise

 

Spalovací motory jsou významným zdrojem emisí

Bližší informace v hlavním článku: Emise dopravních prostředků

Spalovací motor s ohledem na jeho masové rozšíření patří k významným zdrojům znečištění životního prostředí. Přirozeným produktem dokonalého spalování uhlovodíkového paliva jsou

• CO₂ - oxid uhličitý.
• H₂O - voda.

Kromě nich vznikají i ostatní škodlivé sloučeniny:

• NO_x - oxidy dusíka, nejvíce zastoupený oxid dusičitý. Vznikají disociací dusíka při vysokých teplotách a jeho následnou oxidací.
• NH₃ - amoniak. Vznikají nedostatečným spaľováním paliva.
• CO - oxid uhořelý. Vzniká nedokonalým spaľováním bez dostatečného přístupu vzduchu (kyslíku).
• CH_x - nespalené uhlovodíky. Vznikají nedostatečným spaľováním paliva.
• SO₂ - oxid siřičitý. Vzniká spaľováním příměsí siře v palivu.
• O₃ - ozón. Vzniká při reakcích NO_x a CH_x.
• pevné částice - rozpustné, nebo nerozpustné (sadze) - nejvíce při motorech spaľujících těžko odpařitelná paliva (dieselové motory).
• aldehydy - částečně naoxidované uhlovodíky.

Spalovací motor je také významným zdrojem emisí hluku.

Znižování emisí

Při současné úrovni poznání není možné spalovací motor masově nahradit jiným alternativním pohonem, vhodným pro automobilovou dopravu, který by zachoval výhody spalovacího motoru a neměl by jeho nevýhody. Proto výrobci motorů a motorových vozidel intenzivně pracují na snížení nepříznivých dopadů používání spalovacích motorů.

Při znižování emisí je možné využít některé z následujících technik:

• Zvýšení účinnosti motoru. Tato technika přináší snížení spotřeby paliva, čemuž úměrně se sníží i objem emisí vytvořených motorem při jinak stejných podmínkách. Pro znižování emisí C0₂ je tato technika jediná možná, protože oxid uhličitý je produkt dokonalého (a tedy čistého) spalování.
• Použití přídavných zařízení. Úlohou těchto zařízení je zvýšit čistotu výfukových plynů, před vypuštěním do ovzduší. Technickou realizací jsou katalyzátory (trojcestné, nebo reagující jen na určitou složku) nebo filtrace spalin.
• Konstrukční úpravy motoru. Jde hlavně o změny kompresního poměru, časování ventilů, velikosti a tvaru vstřikovacích otvorů, zvýšení počtu ventilů, změna tvaru spalovacích prostorů, snížení třecích ztrát.
• Ovlivnění průběhu spalování. Realizuje se změnou časových a objemových průběhů vstřiku, využitím žeravících svíček i při nízkých zatíženích, změnou proudění náplně ve válci.
• Úprava paliv. Požadovaná jsou paliva s vyšším podílem vodíku, nižším obsahem siře a polycyklických uhlovodíků, se zvýšeným cetánovým a oktánovým číslem.
• Změna pracovního cyklu. Pro motory s kvantitativní regulací je možné využít techniku vypínání válců CDA (Cylinder DeActivation).
• Ovlivněním plnění válců. Při částečných zatíženích je možné využívat techniku recirkulace výfukových plynů - EGR (Exhaust Gas Recilculation).