26) Vznětové motory

Vznětové motory – dělení podle konstrukce Vznětové (naftové ) motory tvoří druhou hlavní skupinu pístových spalovacích motorů. Mohou být čtyřdobé i dvoudobé. Jsou mezinárodně označovány zkratkou D. Pracovní oběh čtyřdobého vznětového motoru Sání vzniká při pohybu pístu z horní úvratě do dolní při otevřeném sacím ventilu a uzavřeném výfukovém ventilu. Do válce se nasává čistý vzduch, který prošel čističem vzduchu, aby se zbavil nečistot. Komprese začíná v dolní úvrati, tedy při pohybu pístu vzhůru, a končí, když je píst v horní úvrati. Oba ventily jsou při tom zavřeny. Nasátý vzduch se stlačuje v poměru 1 : 12 až 1 : 20, což odpovídá tlaku na konci doby stlačování 3 až 4 MPa. Stlačením se vzduch ohřeje na teplotu 600 až 800 °C. Expanze nastává krátce po vstříknutí přesné dávky paliva do válce těsně před horní úvratí při zavřených ventilech. Vstřikuje se s přetlakem 11,5 až 19,5 MPa. Palivo rozprášené v proudu horkého vzduchu vytvoří zápalnou směs, která se téměř okamžitě začne vzněcovat. Hořením paliva prudce vzroste tlak plynů a píst je stlačován do dolní úvratě. Proto je tato doba pracovní. Při hoření stoupne tlak ve válci na 5,8 až 7,8 MPa a teplota se zvýší na 1800 až 2200 °C. Výfuk začíná v dolní úvrati a končí v horní úvrati. Při otevřeném výfukovém ventilu odcházejí zplodiny hoření do výfukového potrubí a dále do ovzduší. Pracovní oběh čtyřdobého vznětového motoru proběhne za dvě otáčky klikového hřídele a potom se znovu opakuje. Pracovní oběh dvoudobého vznětového motoru Výfuk spalin a plnění válce čistým vzduchem probíhá u čtyřdobého motoru za dobu delší než dva zdvihy pístu. U dvoudobého motoru probíhají obě doby současně při průchodu pístu dolní úvratí. Průběh komprese, hoření a expanze je v převážné části stejný jako u čtyřdobých motorů. Spalovací prostory vznětových motorů Průběh tvoření směsi je u vznětových motorů složitější než u zážehových motorů. Paliva vznětových motorů je možno jemně rozprášit jen při vyšších vstřikovacích tlacích a jejich odpařování je pomalejší. Pohyb vzduchu ve spalovacím prostoru vznětového motoru má velký vliv na tvoření směsi a na průběh spalování. Proudění vzduchu ve spalovacím prostoru je ovlivněno zejména tvarováním hlavy válce a pístu a úzce souvisí s přípravou směsi a průběhem hoření. U vznětového motoru se nasátý vzduch v průběhu komprese vtlačuje do spalovacího prostoru a těsně před horní úvratí se do něho vstřikuje palivo. Tvar spalovacího prostoru i způsob vstřikování paliva má rozhodující vliv na chod motoru. Podle způsobu vstřikování paliva rozdělujeme vznětové motory na : a) Motory s přímým vstřikem paliva. Palivo se tryskou vstřikuje do otevřeného spalovacích prostoru nad píst válce ( popř. do dutiny v hlavě válce ) nebo do prostoru ve dnu pístu. Tyto motory mají tvrdý chod a jsou hlučnější. b) Motory s nepřímým vstřikem paliva ( komůrkové motory ). Palivo se vstřikuje do zvláštní spalovací komůrky, kde shoří jen část paliva, tím se v ní zvýší tlak a zbývající palivo je prudce vytlačováno do pracovního prostoru válce, kde se spalování dokončí. Spalování paliva je rozloženo na spalování v komůrce a spalování v prostoru válce. Proto se tyto motory vyznačují měkkým a tišším chodem. Vzhledem k vysokým tlakům a teplotám ve válci vznětových motorů musí být všechny jejich části mohutnější, a proto při stejném zdvihovém objemu válců má vznětový motor vždy větší rozměry a hmotnost než zážehový motor. U motorů s přímým vstřikem paliva je často tvarován sací kanál v hlavě válce, aby se dosáhlo požadovaného rozvíření náplně válce. Dno hlavy válce, které vytváří stěnu spalovacího prostoru, je většinou rovné a ventily jsou rovnoběžné s osou válce, řízené rozvodem OHV nebo i OHC. Základním požadavkem na spalovací prostor je, aby se jeho stěnami odvádělo co nejvíce tepla na konci kompresního zdvihu a při spalování paliva a aby se v něm udržela dostatečná teplota potřebná k zapálení paliva. Tento požadavek se nejsnáze splní, bude-li spalovací prostor co nejméně členitý. Dalším důležitým požadavkem je, aby se palivo se vzduchem co nejlépe promísilo. To se zabezpečí silným vířením vzduchu na konci kompresního zdvihu a vstřikem paliva víceotvorovou tryskou. Nedělený spalovací prostor je konstruován s hlavou válce a s rovným dnem a s tvarovaným dnem pístu. Podstatná část spalovacího prostoru je v pístu. Motory s takovou úpravou spalovacího prostoru se nazývají motory s přímým vstřikem paliva a vířivým prostorem v pístu. Podle stupně rozvíření vzduchu je rozdělujeme na : a) Spalovací prostory s přímým vstřikem paliva s malým rozvířením vzduchu, b) Spalovací prostory s přímým vstřikem paliva a se silným rozvířením vzduchu. Spalovací prostor s přímým vstřikem paliva a s malým rozvířením vzduchu se většinou umisťuje na dno pístu, který je chlazen jen nepřímo, a proto jsou tepelné ztráty malé. Spalovací prostor může mít tvar polokoule, misky, prstence nebo může být složený. Polokulovitý spalovací prostor je vhodný pro více palivové motory. Miskovitý spalovací prostor ( Deutz ) se používá u motorů s velkým průměrem válců, např. u traktorů Prstencovitý spalovací prostor ( Hesselmann ) je vhodný pro rychloběžné motory. Aby se palivo dokonale promísilo se vzduchem, musí být velmi jemně rozptýleno, protože víření stlačeného vzduchu v těchto spalovacích motorech není velké. Nejlépe vyhovuje spalovací prostor s přímým vstřikem a se silným rozvířením vzduchu. Vzhledem k malému povrchu spalovacího prostoru, a tím i malým ztrátám odvodem tepla, je větší část spalovacího prostoru umístěna ve dnu pístu. Nejrozšířenější je kulovitý a toroidní tvar. Vzduch se může rozproudit i částečným zacloněním sacího ventilu, takže do válce vstupuje jen jednou stranou ventilu. Kulovitý spalovací prostor ( MAN ) se používá u rychloběžných motorů. Objem v prostoru pístu je až 80 % objemu kompresního prostoru. Motory s tímto spalovacím prostorem jsou v porovnání s ostatními motory málo hlučné. Obr. Kulovitý spalovací prostor MAN Spalovací prostor s nepřímým vstřikem paliva ( komůrkový ) umožňuje mnohem dokonalejší promísení paliva se vzduchem pomocí kompresního prostoru, který je rozdělen na dvě části. Ty jsou navzájem spojeny jedním nebo několika úzkými kanálky. Hlavní prostor je ve válci a vedlejší prostor ( komůrka ) je v hlavě válce. Palivo se vstřikuje do komůrky. Přemístěním vzduchu z válce do komůrky a přechodem směsi v opačném směru vzniká silné víření, které účinně napomáhá promísení paliva se vzduchem, a tím i dokonalejšímu spalování. Motory s touto úpravou spalovacího prostoru se dělí na : a) Motory s tlakovou komůrkou nejsou náročné na vstřikovací zařízení. Vytvoření kvalitní směsi záleží jen na rozvíření vzduchu, který proudí spojovacím kanálkem mezi hlavním a vedlejším prostorem. Po vstřiku paliva do komůrky a po promísení se vzduchem začne spalování. Zvýšením tlaku se vytlačí část směsi do hlavního prostoru, v němž se rozvířením dokončí příprava směsi v nadbytku vzduchu a rozvine se hoření. b) Motory s vírovou komůrkou mají zpravidla větší část spalovacího prostoru ( 50 až 90 % ) umístěnu stranou od válce. V tomto prostoru vzniká rotační vír vzduchu. Palivo se do vírové komůrky vstřikuje obyčejně shora. Spojovací kanál je ke stěně vírové komůrky směrován tangenciálně. Vzduch se dobře rozvíří, rychle se rozmíchá se vstřikovaným palivem a po rozvinutí hoření za rychlého růstu tlaku se dostane do hlavního spalovacího prostoru, v němž se dokonale promíchá se zbývajícím vzduchem a shoří. c) Motory se vzduchovou komůrkou mají zpravidla větší část spalovacího prostoru mimo válec ve vzduchové komůrce, která je v hlavě válce a pojme téměř všechen nasátý vzduch. S prostorem válce se spojuje jedním spojovacím kanálem nebo několika otvory. Palivo se vstřikuje do spojovacího kanálu nebo do jeho blízkosti. Výhody motorů s přímým vstřikem paliva : • Nižší měrná spotřeba paliva ( 210 až 245 g/kW / hod. ) • Snazší spouštění motoru při nižších teplotách • Jednodušší konstrukce hlavy válce První dvě výhody jsou výsledkem menších tepelných a hydraulických ztrát. Spalovací prostor je kompaktnější s menším povrchem vzhledem k objemu. Na nižší měrné spotřebě má podíl i menší součinitel přestupu tepla vlivem menší intenzity víření a rychlejší průběh hoření. Nevýhody motorů s přímým vstřikem paliva : • Nižší střední efektivní tlak následkem většího přebytku vzduchu • Větší maximální tlaky ve válci, a tím i větší namáhání částí motoru a větší tvrdost chodu • Větší nároky na vstřikovací zařízení, potřeba jemnějšího rozprášení paliva, vyšší vstřikovací tlaky, více otvorové trysky • Vyšší požadavky na kvalitu paliva Výhody motorů s nepřímým vstřikem paliva : • Vyšší střední efektivní tlak, lepší využití vzduchu • Nižší maximální tlaky ve válci, a tedy menší namáhání částí motoru a měkčí chod motoru • Menší nároky na vstřikovací zařízení a kvalitu paliva ( jednootvorové trysky, menší vstřikovací tlaky) • Vhodnost pro vysokootáčkové motory ( vyšší teploty komůrky, intenzivnější víření směsi, a proto účinnější spalování) Nevýhody motorů s nepřímým vstřikem paliva : • Vyšší měrná spotřeba paliva ( minimálně 230 g/ kW/ hod.) • Obtížnější spouštění motoru ( velké tepelné ztráty větším odvodem tepla a nižší teplota na konci kompresního zdvihu ), proto jsou do komůrek zamontovány žhavící svíčky, které před spouštěním motoru ohřejí malý objem vzduchu v komůrce • Složitější a dražší konstrukce hlavy válce s komůrkou, která je jak mechanicky, tak i tepelně velmi namáhána Zážehové motory se od vznětových příliš neliší. Podstatný rozdíl je v tom, že do válců vznětových motorů se nasává jen čistý vzduch, který má na konci kompresního zdvihu takovou teplotu, že stačí zapálit vstříknuté palivo. Další rozdíl je v tom, že ve vznětovém motoru vznikají při spalování podstatně vyšší tlaky, které ovlivňují i celkovou konstrukci klikového mechanismu, pístů a stěn válců ( musí být na tyto tlaky konstruovány). Celková účinnost: u vznětových motorů je 38 až 50 % u zážehových 25 až 35 % měrná spotřeba je : u vznětových motorů 215 až 310 g/kW.h u zážehových 250 až 380 g/kW.h text