19) Motory

Motory Motor je stroj, který vykonává práci, aniž by byl poháněn jiným strojem. Pro pohon silničních motorových vozidel se mohou používat motory poháněné párou, elektrickou energií a motory, v nichž se spaluje benzin, nafta nebo plyn – tedy spalovací motory. Spalovací motory se rozdělují podle působení vzniklých spalin na : • Pístové • Lopatkové ( plynové turbíny ) • Tryskové ( smíšené ) Pro pohon automobilů se většinou používají pístové spalovací motory, které při daném výkonu mají nejmenší hmotnost, jsou hned schopny provozu a mají dobrou účinnost. Nevýhodou pístových spalovacích motorů je jejich poměrně velká hlučnost a emise zdraví škodlivých výfukových plynů. Proto se neustále zvyšuje zájem o motory na jiný pohon. Jsou to zejména teplovzdušné motory ( Stirling ), parní a elektrické motory. Princip pístového spalovacího motoru, rozdělení motorů Pístové spalovací motory přeměňují chemickou energii paliva na mechanickou práci. V motoru se nejdříve chemická energie paliva přeměňuje spalováním na teplo. Tím se zvyšuje teplota, tlak a měrný objem. Ve válci pístového spalovacího motoru se spaluje vhodná směs paliva a vzduchu v takovém poměru, aby po zapálení rychle a podle možnosti beze zbytku shořela. Vlivem uvolněné tepelné energie prudce stoupne tlak a objem plynů ve válci motoru. Vzniklý tlak plynů tlačí na píst, který je ve válci motoru uložen pohyblivě. Posuvný pohyb pístu se pomocí klikového mechanismu mění na pohyb otáčivý. Z uvedeného je zřejmé, že princip spalovacího motoru je v přenášení tlakové energie spalin na píst ve válci motoru. Válec je v horní části uzavřen hlavou válce. V ní jsou umístěny ventily, zapalovací svíčka nebo vstřikovač, kanály pro přívod vzduchu nebo směsi a pro odvod spalin. Rozdělení pístových spalovacích motorů Podle pohybu pístu dělíme motory na : • Motory s přímočarým pohybem pístu • Motory s rotačním ( krouživým ) pohybem pístu ( Wankelův motor ) Podle zapálení směsi dělíme motory na : a) Zážehové motory, u nichž se zápalná směs zapaluje elektrickou jiskrou, vytvořenou mezi kontakty zapalovací svíčky. Nutná podmínka je, aby teplota ve válci po stlačení směsi směsi byla nižší než teplota samozápalu. Tento způsob zapalování se používá u benzinových a plynových motorů. b) Vznětové motory, u nichž se zápalná směs vzněcuje vlivem teploty vzniklé stlačením náplně válce, která je vyšší než teplota samozápalu paliva. Tento způsob zapalování se používá u naftových motorů. Vznětové motory mají i kombinovaný způsob zapálení směsi, při němž se nejprve zapálí malé množství směsi umělým zdrojem a dále se směs vzněcuje sama. Podle druhu použitého kapalného paliva dělíme pístové spalovací motory na : • Benzinové ( lehkoodpařitelné palivo ), používají se jako pohonné jednotky pro osobní automobily a jiná menší silniční motorová vozidla, dále pro některé lehčí pracovní stroje nebo pro pohon různých pomocných zařízení; • Naftové ( těžkoodpařitelné palivo ), používají se jako motory nákladních automobilů, traktorů, zemědělských strojů a speciálních vozidel, v současné době i u osobních automobilů; • Plynové jako palivo se používá propan-butan, zemní plyn, vodík. Motory musí být pro spalování upraveny. Upraveny musí být i nádrže a směšovací zařízení. Podle pracovního oběhu rozdělujeme pístové spalovací motory na : • Čtyřdobé, u nichž pracovní oběh probíhá ve čtyřech po sobě následujících zdvizích pístu; • Dvoudobé, u nichž pracovní oběh proběhne ve dvou po sobě následujících zdvizích pístu Podle uspořádání válců rozdělujeme pístové spalovací motory na : • Řadové se svislými válci nad klikovým hřídelem; • Vidlicové, mají válce ve dvou řadách skloněných pod určitým úhlem, takže tvoří písmeno V; úhel mezi řadami válců může být až 180° a pak hovoříme o plochém motoru • S protilehlými válci ( tzv. boxer ) – úhel mezi řadami válců je 180°, ale na rozdíl od plochých vidlicových motorů má každá ojnice samostatný ojniční čep klikového hřídele; • S protiběžnými písty, v současné době se nepoužívají; • Hvězdicové používané u leteckých pohonů • Zvláštní provedení, W-motory, X-motory, H-motory. Podle způsobu plnění válců rozdělujeme pístové spalovací motory na : • Nepřeplňované, když se válce motoru plní vlastním nasáváním z atmosférického tlaku ( u čtyřdobých motorů ), nebo se kliková skříň plní nasáváním vzduchu z atmosférického tlaku ( u dvoudobých motorů ) pro vyplachování válce; • Přeplňované, u nichž se válce motoru plní zápalnou směsí nebo vzduchem tlakem vyšším než atmosferický. Přeplňování se používá u čtyřdobých i dvoudobých motorů; ke zvýšení plnícího tlaku slouží plnící dmychadlo nebo kompresor. Motory se dále dělí i podle způsobu chlazení na : • Chlazené vzduchem, • Chlazené kapalinou, • Se smíšeným chlazením. Podle poměru zdvihu pístu k průměru válce rozdělujeme motory na : • Krátkozdvihové ( podčtvercové – zdvih pístu je menší než průměr válce ) • Dlouhozdvihové ( nadčtvercové – zdvih pístu je větší než průměr válce ) • Čtvercové ( zdvih pístu se rovná průměru válce ) Počet válců je dalším rozhodujícím hlediskem. Rozeznáváme motory jednoválcové, dvouválcové, čtyřválcové i víceválcové. Konstrukce spalovacích motorů Vývoj nového motoru je velice nákladný, a proto se před začátkem jeho vývoje musí s největší pečlivostí studovat všechny jeho vlastnosti, které má nový motor splňovat. Nový typ motoru musí odpovídat vývoji ve světě. Jeho parametry musí být lepší než parametry dosavadních motorů téhož typu, nesmí zastarat dříve, než se začne vyrábět. Základní požadavky na konstrukci motoru jsou malá hmotnost, malý zastavěný prostor, malá spotřeba paliva, malá emise škodlivin, nenáročná obsluha, tichý chod bez vibrací, malé vývojové náklady, vysoká spolehlivost a životnost. Mimo to každý motor má být použitelný pro více účelů. Například motor pro osobní automobily se má dát použít i pro zemědělské účely, zahradnické účely, do lehkých nákladních automobilů apod. Motor nákladních automobilů má být použitelný v zemědělství, stavebnictví, pro stroje na zemní práce, průmyslové a vojenské účely. Víceúčelové použití motorů je vždy výhodné, protože se tím zvětšuje sériovost výroby motorů; výroba je potom ekonomičtější a racionálnější. Základní hodnoty a veličiny pro výpočet motoru Vrtání válce d ( mm ) je vnitřní průměr pracovní dutiny válce motoru. Zdvih pístu s ( mm ) je dráha pístu mezi jeho horní a dolní úvratí. Horní úvrať ( HÚ ) je poloha pístu, v níž je píst nejvíce vzdálený od klikového hřídele. Dolní úvrať ( DÚ ) je poloha pístu, v níž je píst nejblíže ke klikovému hřídeli. Objem válce V, je prostor ve válci motoru omezený horní a dolní úvratí pístu. Tvary spalovacích prostorů benzínových motorů Při kompresi se nasátá směs stlačuje a současně se zvyšuje její teplota. V horní úvrati pístu je stlačení směsi největší, protože je stlačena do malého prostoru, který se nazývá kompresní prostor VK. Míru stlačení směsi vyjadřuje kompresní poměr. Kompresní poměr ε ( epsilpon ) je poměr objemů zápalné směsi nebo vzduchu ve válci motoru před stlačením a po stlačení : Kompresní poměr se však udává jako poměr čísla, vyjadřujícího výsledek uvedeného zlomku zaokrouhlený na jedno desetinné místo, k jedničce ( např. ε = 7,8 : 1 ). Někdy se udává jen tímto číslem samým, pak mluvíme o kompresním stupni ( ε= 7,8 ). Stlačením směsi vzduchu s palivem před zapálením se zlepšuje využití paliva. Velikost kompresního poměru však je omezena vznikem detonací při hoření, které nepříznivě narušují průběh hoření ve válci. U běžných automobilových motorů je podle druhu paliva a kompresního prostoru stupeň komprese 7 až 9, u motorů sportovních automobilů až 12, u vznětových motorů 15 až 23. Zvyšováním stupně komprese se rychle zvyšuje výkon a klesá spotřeba paliva. Například zvýšením stupně komprese ze 6 na 7 se zvýší výkon o 6 % a spotřeba se sníží o 5 %. S dalším zvyšováním stupně komprese se však výkon zvyšuje pomaleji a podobně i pokles spotřeby je nižší. Je to dáno tím, že s rostoucím stupněm komprese klesá mechanická účinnost motoru. Kompresní poměr zážehových motorů je omezen kritickým kompresním poměrem, při němž efektivní tlak pc dosahuje maxima. Když se kompresní poměr zvětší nad tuto hranici, efektivní tlak klesá. Na spalování směsi, a tím i na chod motoru má vliv také tvar spalovacího prostoru. Rozvíření směsi ve válci vyvolá větší proudění náplně válce, a tím větší rychlost šíření plamene ve spalovacím prostoru. Náplň válce se rozvíří již při plnění prouděním plnícími otvory. Takto způsobené víření trvá až do začátku spalování, ale jeho intenzita je nedostatečná. K intenzivnějšímu proudění zápalné směsi těsně před horní úvratí napomáhá vhodné tvarování spalovacího prostoru, popř. dna pístu. Nejúčinnější je úzká štěrbina vytvořená mezi hlavou válce a dnem pístu. Spalovací prostor vytvořený v hlavě válce musí zabezpečit dobré prohoření směsi, malé tepelné ztráty přestupem tepla do stěn spalovacího prostoru, příznivé podmínky pro zapálení okolí zapalovací svíčky a dobré propláchnutí prostoru čerstvou směsí. Tvar spalovacího prostoru určuje odolnost motoru proti detonacím, popř. jeho maximální možný kompresní poměr pro dané palivo. Umístění svíčky ve spalovacím prostoru se volí tak, aby v místě jejích elektrod nebylo velké proudění při zapálení směsi a současně aby prostor kolem elektrod byl co nejvíce zbaven zbytků spalin z předcházejícího cyklu. Proud čerstvé směsi je proto při nasávání směrován ke svíčce, a tak zabezpečí v jejím okolí dostatek čerstvé směsi. Svíčka má být umístěna co nejblíže ke geometrickému středu spalovacího prostoru, aby plamen co nejrychleji dosáhl na všechna vzdálená místa. Při centrálním umístění zapalovací svíčky je největší povrch čela plamenu, rychlost vyvinutého tepla je velká, a tím i rychlost narůstání tlaku ve válci. Často se používá klínový spalovací prostor. Při tomto uspořádání jsou ventily umístěny v řadě za sebou a odkloněny od osy válce, aby ohyb kanálů byl mírnější. Zapalovací svíčka je blíže k výfukovému ventilu. Klínový spalovací prostor je kompaktní, aby dráha plamene od svíčky na konec spalovacího prostoru byla co nejkratší. Vzhledem k ose válce se klínový spalovací prostor přesazuje, takže mezi dnem pístu a dosedací plochou hlavy válců vzniká úzká antidetonační mezera. Při pohybu pístu do horní úvrati ( při kompresním zdvihu ) se z mezery vytlačuje směs do spalovacího prostoru, kde intenzivně víří, a tím zrychluje a zlepšuje hoření směsi. Klínový spalovací prostor zabezpečuje měkký chod motoru. Polokulový spalovací prostor . U tohoto uspořádání jsou ventily navzájem skloněny a mohou mít větší rozměry než ventily v řadě u klínového spalovacího prostoru, čímž se zabezpečí lepší plnění válců čerstvou směsí. Tento spalovací prostor nemá antidetonační štěrbinu, ale poměr jeho povrchu k objemu je výhodnější než u klínového spalovacího prostoru. Motory s polokulovým spalovacím prostorem mají tvrdší chod. Spalovací prostor v pístu se již delší dobu používá u naftových motorů. U benzinových motorů se začal používat v poslední době ( asi od roku 1960 ). Dno hlavy válců je rovné, což je z hlediska výroby výhodné. Celý spalovací prostor je vytvořen ve dnu pístu. Antidetonační mezera je po celém obvodu vystupujícího mezikruží pístu. Využití tohoto typu spalovacího prostoru se rozšířilo pro jeho dobré vlastnosti při spalování chudých směsí. Většina škodlivin obsažených ve výfukových plynech totiž vzniká nedokonalým hořením směsi. Další výhodou spalovacího prostoru v pístu je vyšší teplota jeho stěn, a následkem toho i menší množství tepla přestupujícího do nich. Výsledkem jsou menší tepelné ztráty. Ventily jsou rovnoběžné s osou válce a proud čerstvé směsi nenaráží na stěny válce. Podobně i vystupující spaliny nejsou brzděny stěnami spalovacího prostoru. Výkon motoru závisí na více činitelích. Výkon motoru se zvětší, když se zvětší počet válců a objem válce. Tyto možnosti jsou však omezené. Při daném počtu válců motoru a jejich objemu je efektivní výkon motoru přímo úměrný součinu otáček a středního efektivního tlaku. Zvětšením součinu otáček a středního efektivního tlaku se zvýší výkon motoru. Zvětšením středního efektivního tlaku se zvýší točivý moment. Automobilový motor pracuje vždy v určitém rozsahu otáček. Při každých otáčkách se jeho výkon dá měnit od nuly až do určité maximální hodnoty. Minimální otáčky jsou dány podmínkami, při nichž motor ještě pracuje pravidelně. Maximální otáčky jsou omezeny pevností, vyvážením a tepelným zatížením motoru. Na obrázku je průběh výkonu motoru Pc v závislosti na otáčkách ( rychlostní charakteristika ). Ve vyšrafované oblasti je motor schopen pracovat a dává efektivní výkon. Podle vztahu pro střední efektivní tlak pc = konst. Pc/n se může nakreslit křivka efektivního tlaku pc, která je úměrná poměru souřadnic Pc a n. Maximální hodnota pc je u největší hodnoty úhlu β, tedy u tečny ke křivce Pc.