Spaľovací motor: Rozdiel medzi revíziami
Smazaný obsah Přidaný obsah
Značky: náhrada vulgarizmy; slang vizuálny editor |
d Verzia používateľa 80.87.223.75 (diskusia) bola vrátená, bola obnovená verzia od Rios Značka: rollback |
||
Riadok 5:
[[Súbor:Dieselmotor_vs.jpg|thumb|Jednovalcový stacionárny dieselový motor z roku 1906]]
'''Spaľovací motor''' (v širšom zmysle) je [[stroj]], ktorý spálením [[palivo|paliva]] premieňa jeho [[chemická energia|chemickú reakciu]] na [[mechanická práca|mechanickú prácu]]. K [[spaľovanie|spaľovaniu]] paliva, alebo palivovej zmesi môže dochádzať v [[motor]]e, ale aj mimo motora. V užšom zmysle sa pod pojmom '''spaľovací motor''' spravidla rozumie [[piestový spaľovací motor]].<ref>*STN 09 0022. ''Spaľovacie motory. Názvoslovie piestových spaľovacích motorov. Druhy motorov.'' Dátum vydania 19.01.1972.</ref>. Článok sa zaoberá spaľovacím
== Princíp práce ==
Niektoré [[látka|látky]], všeobecne nazývané palivá, sú schopné [[chemická reakcia|chemickej reakcie]] spaľovania, pri ktorej sa uvoľňuje [[teplo]]. Ak sa uvoľneným teplom zahreje pracovný [[plyn]], podľa [[stavová rovnica|stavovej rovnice]] sa zvýši jeho [[tlak]], alebo [[objem]], v závislosti od toho či sa nachádza v uzavretom, alebo otvorenom priestore. Tento stav plynu môžeme využiť na vykonanie mechanickej práce, buď pôsobením tlaku na pohyblivú časť motora, alebo využitím [[zákon akcie a reakcie|zákona akcie a reakcie]] pri výtoku pracovnej látky z motora. Vyvedenie získanej mechanickej práce vo využiteľnej forme je už len vecou vhodného konštrukčného riešenia. Celý proces prebieha v súlade s [[druhá termodynamická veta|druhou termodynamickou vetou]] len s určitou [[účinnosť (technika)|účinnosťou]].
Niektorá z variánt uvedeného všeobecného [[princíp]]u je prítomná v realizácii každého spaľovacieho motora. Pritom platí:
* palivá môžu byť tuhé, kvapalné alebo plynné,
* prostredie v ktorom sa spaľujú je najčastejšie [[vzduch]] ale môže to byť aj iná látka,
* spaľovanie môže prebiehať vnútri alebo mimo motora,
* pracovný plyn môže byť samostatný, alebo to môžu byť priamo spaliny,
* pracovný plyn sa priebežne vymieňa, alebo je uzavretý v motore,
* pohyblivá časť motora na ktorú pôsobí pracovný plyn sa môže pohybovať rôznym spôsobom,
* pre získanie mechanickej práce sa môže využiť jeden, druhý, alebo oba spôsoby spoločne.
Vzhľadom na vyššie uvedené nie je prekvapujúce, že skupina spaľovacích motorov zahŕňa množstvo typov a rôznych konštrukčných prevedení, preto je užitočné použiť pre ich rozdelenie správne kritériá.
== Rozdelenie ==
Spaľovacie motory sa rozdeľujú podľa niekoľkých hľadísk. Jednotlivé hľadiská sú vzájomne nezávislé, preto sa nedá v tomto prípade vytvoriť jednoduchá stromová štruktúra.
=== Základné rozdelenie ===
Spaľovacie motory sa delia:
# podľa toho, kde k spaľovaniu dochádza (v motore alebo mimo neho) na
#* [[motor s vnútorným spaľovaním|motory s vnútorným spaľovaním]] (väčšina súčasných spaľovacích motorov)
#* [[motor s vonkajším spaľovaním|motory s vonkajším spaľovaním]], pričom u nich je možné rozlišovať, či sa energia do pracovného priestoru dostáva
#** prívodom pracovných plynov (napríklad [[plynová turbína]])
#** prestupom tepla prostredníctvom ohrievača pracovnej látky (napríklad [[Stirlingov motor]])
# podľa pracovného cyklu na
#* motory s kontinuálnym pracovným cyklom (napríklad [[spaľovacia turbína]])
#* motory s prerušovaným pracovným cyklom
#** [[dvojdobý motor]]
#** [[štvordobý motor]]
# Podľa základného pracovného princípu na:
#* [[piestový spaľovací motor|piestové spaľovacie motory]]
#** motory s priamočiarym vratným pohybom piesta (väčšina súčasných spaľovacích motorov)
#** motory s krúživým pohybom piesta ([[Wankelov motor]])
#* [[lopatkový motor|lopatkové motory]] (turbíny)
#* [[reaktívny motor|reaktívne motory]] ([[prúdový motor|prúdové]], alebo [[raketový motor|raketové]])
# Piestové spaľovacie motory sa podľa spôsobu vyvolania spaľovania delia na:
#* [[zážihový spaľovací motor|zážihové]] - spaľovanie vyvolá energia z vonkajšieho zdroja - iskra [[zapaľovacia sviečka|zapaľovacej sviečky]]
#* [[vznetový motor|vznetové]] - kde spaľovanie vyvolá ohrev stlačenej zmesi nad zápalnú teplotu
#* motory s kombinovaným zapaľovaním
#* [[žiarový motor|žiarové motory]]
V bežnej praxi sa dnes pod ''spaľovacím motorom'' rozumie ''spaľovací motor s vnútorným spaľovaním''.
=== Ďalšie rozdelenia ===
Existujú aj ďalšie podrobnejšie hľadiská. Nasledovný zoznam kritérií nie je úplný, navyše jednotlivé kategórie spaľovacích motorov, napríklad turbíny, majú špecifické vlastné kategórie.
* podľa druhu spaľovaného paliva sa motory rozdeľujú na:
** plynové - spaľujúce plynné palivá napríklad [[zemný plyn]]
** na kvapalné palivá - ropné ([[benzín]], [[nafta]]), alebo iné ([[alkohol]])
** na tuhé palivá - napríklad [[práškové uhlie]]
** [[rôznopalivový motor|rôznopalivové]] - ktoré môžu prejsť na spaľovanie iného paliva s úpravami prípadne bez úprav motora
** [[dvojpalivový motor|dvojpalivové]] - ktoré spaľujú súčasne viac druhov paliva
* podľa miesta prípravy zmesi:
** s tvorbou zmesi mimo pracovného priestoru - napríklad v [[karburátor]]e, [[spaľovacia komora|spaľovacej komore]]
** s tvorbou zmesi v pracovnom priestore - napríklad vo valci vznetových motorov
* podľa spôsobu prípravy zmesi:
** [[karburačný motor|karburačné motory]]
** [[vstrekový motor|vstrekové motory]]
* podľa spôsobu ako sa dopravuje vzduch do valcov:
** motory s atmosférickým plnením valcov (prirodzeným), keď nasávanie zabezpečuje iba podtlak vyvolaný pohybom piesta vo valci,
** [[Prepĺňanie piestových spaľovacích motorov|preplňovaný motor]], keď naplnenie valca pod väčším tlakom ako má okolitá atmosféra zabezpečuje prídavné zariadenie v plniacom systéme. Plniacimi zariadeniami môžu byť mechanické [[dúchadlo|dúchadlá]] alebo aj kompresory, napríklad v automobile VW Corrado (G-Lader), alebo kompresory používané v automobiloch Bentley (Bentley Blower) [[turbodúchadlo|turbodúchadlá]], napríklad v motoroch TDI od spoločnosti VW.
* podľa pracovného určenia na: [[stacionárny motor|stacionárne]], mobilné, priemyselné, elektrárenské, [[lodný motor|lodné]], železničné, [[vozidlový motor|vozidlové]], traktorové, špeciálne a iné.
== Piestový spaľovací motor ==
{{Hlavný článok|Piestový spaľovací motor}}
Tieto motory sú najpočetnejším zástupcom spaľovacích motorov v technických zariadeniach. Takmer výhradne sa používajú pre pohon [[motorové vozidlo|motorových vozidiel]]. Ich základnou súčasťou je [[piest]], ktorý koná posuvný alebo [[rotačný pohyb]] a sprostredkúva premenu tlakovej energie plynovej náplne na mechanickú energiu otáčajúceho sa [[hriadeľ]]a.
=== Zážihový motor ===
{{Hlavný článok|Zážihový spaľovací motor}}
Základnou charakteristikou zážihových motorov je, že zmes vo valci nad piestom sa zapaľuje najčastejšie iskrou medzi elektródami sviečky. Zmes na zapálenie potrebuje cudzí zdroj energie. Zážihový motor môže pracovať ako dvojtaktný, aj štvrotaktný.
=== Vznetový motor ===
{{Hlavný článok|Vznetový motor}}
Základnou charakteristikou vznetových motorov je, že zmes, ktorá sa tvorí až priamo v spaľovacom priestore, sa vznecuje od tzv. kompresného tepla. Tieto motory majú taký vysoký kompresný pomer, že pri stlačení vzduchu nasatého do valca je v okamihu vstreknutia paliva v spaľovacom priestore teplota vyššia, ako je [[teplota vznietenia]] paliva. Aj vznetový motor môže pracovať ako dvojtaktný, alebo štvortaktný.
== Raketový motor ==
{{Hlavný článok|Raketový motor}}
Raketový motor má špeciálne postavenie medzi ostatnými spaľovacími motormi:
* pracovnú látku nečerpá počas činnosti z atmosféry , ale okrem paliva musí mať v zásobe aj dostatočnú zásobu [[okysličovadlo|okysličovadla]]
* užitočným výstupom motora nie je mechanická práca, ale [[reakčný účinok]] spalín
* okrem pomocných systémov (napr. [[čerpadlo|čerpadlá]], natáčanie dýz) neobsahuje v hlavnom systéme premeny energie pohyblivé súčasti.
S prihliadnutím na uvedené zásadné odlišnosti sa niektoré časti nižšie uvedeného textu na raketové motory nevzťahujú.
== História ==
Prvé návrhy využitia [[strelný prach|strelného prachu]], ako zdroja mechanickej energie sa objavili už v [[17. storočie|17. storočí]]. Vo [[Francúzsko|Francúzsku]] sa problematikou zaoberali [[Hautefeuille]] a [[Denis Papin]], v [[Holandsko|Holandsku]] [[Christian Huygens]]. Koncom [[18. storočie|18. storočia]] navrhol [[Street]] vo [[Spojené kráľovstvo|Veľkej Británii]] využiť zmes kvapalného paliva so vzduchom a [[Barber]] navrhol prvú spaľovaciu turbínu. V [[19. storočie|19. storočí]] patentoval [[Lebon]] dvojčinný plynový motor, [[S. Brown]] postavil plynový motor a v roku [[1826]] ho zabudoval do vozidla. [[Étienne Lenoir]] skonštruoval v roku [[1860]] dvojtaktný dvojčinný posúvačový motor na [[svietiplyn]]. V roku [[1867]] [[Nikolaus Otto]] a [[Langen]] skonštruovali atmosférický plynový motor, v roku [[1873]] [[Reithmann]] štvortaktný plynový motor, v roku [[1878]] opäť Otto ležatý štvortaktný plynový jedno činný motor. V roku [[1879]] skonštruoval [[Kostovič]] zážihový motor s výkonom až 60 kW na pohon [[vzducholoď|vzducholodí]]. V roku [[1884]] [[Gottlieb Daimler]] skonštruoval prvý štvortaktný zážihový motor s vysokými otáčkami. V roku [[1893]] opísal [[Rudolf Diesel]] pracovný obeh na využitie práškového [[uhlie|uhlia]], alebo iných ťažkých palív. V [[10. roky 20. storočia|10. rokoch 20. storočia]] prebiehali pokusy vstrekovať palivo čerpadlom a nie prostredníctvom stlačeného vzduchu. Sériovú výrobu automobilov, a teda aj ich motorov začala v roku [[1908]] firma [[Ford]]. V roku [[1912]] postavila švajčiarska firma [[Sulzer]] prvé [[lokomotíva|lokomotívy]], poháňané naftovým motorom.
== Výhody a nevýhody spaľovacích motorov ==
Každý typ spaľovacieho motora má svoje výhody a nevýhody a preto sa viac alebo menej hodí pre pohon jednotlivých zariadení.
Hlavné výhody spaľovacích motorov sú:
* v piestovom vyhotovení dosahujú vysoké účinnosti premeny energie. Spaľovacie turbíny dosahujú vysokú účinnosť iba v jednotkách s vysokým výkonom
* možno ich rýchlo uviesť do prevádzky (s výnimkou motorov s veľkými výkonmi)
* dajú sa konštruovať pre rôzne palivá, účely a veľkosti
* najmä s kvapalnými palivami umožňujú dosahovať nízke spotreby paliva, vysoké akčné rádiusy, nízke výkonové hmotnosti, t. j. sú vhodné pre pohon [[dopravný prostriedok|dopravných prostriedkov]].
Hlavné nevýhody spaľovacích motorov sú:
* nevhodné pôsobenie na životné prostredie
* vyžadujú pre štart cudzí zdroj energie (okrem raketových)
* piestové motory majú nevýhodný priebeh výkonových charakteristík
* nedosahujú vysokú životnosť
== Podsystémy ==
[[Súbor:Automobile starter.JPG|thumb|Elektrický štartér]]
Motor pre svoju reálnu prácu potrebuje ďalšie podsystémy.
* '''Palivový systém''' zabezpečuje uskladnenie, rozvod a filtrovanie paliva.
* '''Systém prípravy zmesi''' zabezpečuje prípravu spaľovacej zmesi vzduchu a paliva v dostatočnom množstve, kvalite a vhodnom zložení.
* '''Chladiaci systém''' zabezpečuje odvod zvyškového tepla a prevádzku motora v optimálnom tepelnom režime.
* '''Mazací systém''' zabezpečuje mazanie pohyblivých častí motora.
* '''Riadiaci systém''' (dnes takmer výhradne elektronický) zabezpečuje reguláciu chodu motora na základe vonkajších podmienok a samotného stavu motora.
* '''Elektrický systém''' zabezpečuje dostatok energie pre systémy poháňané elektrickou energiou.
* '''[[Zapaľovací systém]]''' (u zážihových motorov) zabezpečuje spoľahlivé zapálenie zmesi v spaľovacom priestore.
== Regulácia výkonu ==
Výkon spaľovacieho motora závisí hlavne od množstva energie uvoľnenej horením paliva. Množstvo uvoľnenej energie môžeme regulovať dvoma spôsobmi.
# '''Regulovanie množstva zmesi''', inak nazývané aj '''kvantitatívna regulácia'''. Pri menšom množstve zmesi sa uvoľní menej energie a teda motor odovzdá menší výkon. Túto reguláciu využívajú zážihové motory bez pracujúce s homogénnou zmesou. Najčastejšie je táto regulácia realizovaná '''škrtiacou klapkou''' v nasávacom potrubí.
# '''Regulovanie zloženia zmesi''', inak nazývané aj '''kvalitatívna regulácia'''. Rovnaké množstvo zmesi ktorá obsahuje menej paliva uvoľní menej energie. Túto reguláciu využívajú najmä vznetové motory pracujúce s heterogénnou zmesou. Najšastejšie je táto regulácia reprezentovaná '''zmenou dĺžky vstreku paliva'''.
== Zložky zmesi ==
=== Palivá ===
Ako palivá sa najčastejšie používajú [[uhľovodík]]y: ľahkoodpariteľné ([[benzín]]), ťažkoodpariteľné ([[motorová nafta|nafta]]), stlačený [[zemný plyn]] ([[CNG]]), skvapalnený propán-bután ([[skvapalnený ropný plyn|LPG]]), [[alkohol]]y ([[metanol]], [[etanol]]).
Využívajú sa aj ich rôzne zmesi, prípadne sa motor používa ako viacpalivový s prepínaním paliva počas jazdy. V poslednej dobe sa do palív začínajú pridávať biologické prímesi, ako napríklad [[metylester repky olejnej]] (MERO).
Intenzívne sa pracuje na nahradení ropných palív [[vodík]]om.
=== Vzduch ===
Okrem paliva je nevyhnutnou zložkou zmesi pre väčšinu spaľovacích motorov [[vzduch]], pretože obsahuje [[kyslík]] potrebný k spaľovaniu.
== Energetická bilancia ==
Teplo privedené v palive sa v spaľovacom motore rozdelí nasledovne:
'''Q<sub>d</sub> = Q<sub>e</sub> + Q<sub>ch</sub> + Q<sub>v</sub> + Q<sub>ns</sub> + Q<sub>ol</sub> + Q<sub>zv</sub>'''
* '''Q<sub>d</sub>''' - teplo dodané v palive
* '''Q<sub>e</sub>''' - teplo ekvivalentné ''užitočnej práci'' motora
* '''Q<sub>ch</sub>''' - teplo odvedené do chladiacej sústavy
* '''Q<sub>v</sub>''' - teplo odvedené výfukovými plynmi
* '''Q<sub>ns</sub>''' - teplo nevyužité nedokonalým [[spaľovanie|spálením]] paliva, nazývané aj chemické straty
* '''Q<sub>ol</sub>''' - teplo odvedené mazacím olejom
* '''Q<sub>zv</sub>''' - teplo nezahrnuté v predošlých členoch (iné straty)
Podiel najvýraznejších zložiek rovnice je uvedený v tabuľke, pričom Q<sub>d</sub> zodpovedá 100 %.
{| class="wikitable"
|- bgcolor="#efefef"
| Druh motora
| '''% Q<sub>e</sub>'''
| '''% (Q<sub>ch</sub> + Q<sub>ol</sub>)'''
| '''% Q<sub>v</sub>'''
|-
|zážihový||'''21 až 28'''|| 12 až 27|| 30 až 55
|-
|vznetový|| '''29 až 42'''|| 15 až 35|| 25 až 45
|-
|}
Tepelná energia, ktorá spôsobuje ohrev motora a spalín (Q<sub>ch</sub>, Q<sub>v</sub>, Q<sub>ol</sub>) je nevyužiteľná a nazýva sa [[stratová energia|stratovou energiou]].
Z uvedeného porovnania vyplýva že vznetový motor využije dodanú energiu efektívnejšie, pracuje teda s vyššou [[účinnosť (technika)|účinnosťou]].
Z tepla ekvivalentného užitočnej práci Q<sub>e</sub> sa ešte časť spotrebuje na mechanické straty ([[trenie]] a pohon pomocných [[agregát]]ov).
== Emisie ==
[[Súbor:Exhaust.jpg|thumb|Spaľovacie motory sú významným zdrojom emisí]]
{{Hlavný článok|Emisie dopravných prostriedkov}}
Spaľovací motor s ohľadom na jeho masové rozšírenie patrí k významným zdrojom znečisťovania životného prostredia. Prirodzeným produktom dokonalého spaľovania uhľovodíkového paliva sú
* CO<sub>2</sub> - [[oxid uhličitý]].
* H<sub>2</sub>O - [[voda]].
Okrem nich vznikajú aj ostatné škodlivé zlúčeniny:
* NO<sub>x</sub> - [[oxidy dusíka]], najviac zastúpené [[oxid dusičitý|oxidom dusičitým]]. Vznikajú disociáciou dusíka pri vysokých teplotách a jeho následnou oxidáciou.
* NH<sub>3</sub> - [[amoniak]]. Vznikajú nedostatočným spálením paliva.
* CO - [[oxid uhoľnatý]]. Vzniká nedokonalým spaľovaním bez dostatočného prístupu vzduchu (kyslíku).
* CH<sub>x</sub> - [[nespálené uhľovodíky]]. Vznikajú nedostatočným spálením paliva.
* SO<sub>2</sub> - [[oxid siričitý]]. Vzniká spaľovaním prímesí [[síra|síry]] v palive.
* O<sub>3</sub> - [[ozón]]. Vzniká pri reakciách NO<sub>x</sub> a CH<sub>x</sub>.
* [[pevné častice (emisie)|pevné častice]] - rozpustné, alebo nerozpustné (sadze) - najmä pri motoroch spaľujúcich ťažko odpariteľné palivá (dieselove motory).
* [[aldehyd]]y - čiastočne naoxidované uhľovodíky.
Spaľovací motor je tiež významným zdrojom emisií [[hluk]]u.
=== Znižovanie emisií ===
Pri súčasnej úrovni poznania nie je možné spaľovací motor masovo nahradiť iným alternatívnym pohonom, vhodným pre automobilovú dopravu, ktorý by zachoval výhody spaľovacieho motora a nemal by jeho nevýhody. Preto výrobcovia motorov a [[motorové vozidlo|motorových vozidiel]] intenzívne pracujú na znížení nepriaznivých dopadov používania spaľovacích motorov.
Pri znižovaní emisií je možné využiť niektoré z nasledovných techník:
* ''Zvýšenie účinnosti motora''. Táto technika prináša zníženie spotreby paliva, čomu úmerne sa zníži aj objem emisií vytvorených motorom pri inak rovnakých podmienkach. Pre znižovanie emisií C0<sub>2</sub> je táto technika jediná možná, keďže oxid uhličitý je produkt dokonalého (a teda čistého) spaľovania.
* ''Použitie prídavných zariadení''. Úlohou týchto zariadení je zvýšiť čistotu výfukových plynov, pred vypustením do ovzdušia. Technickou realizáciou sú [[katalyzátor (auto)|katalyzátory]] (trojcestné, alebo reagujúce len na určitú zložku) alebo filtrácia spalín.
* ''Konštrukčné úpravy motora''. Ide hlavne o zmeny kompresného pomeru, časovania [[Ventil (piestový spaľovací motor)|ventilov]], veľkosti a tvaru vstrekovacích otvorov, zvýšenie počtu ventilov, zmena tvaru spaľovacích priestorov, znižovanie trecích strát.
* ''Ovplyvnenie priebehu spaľovania''. Realizuje sa zmenou časových a objemových priebehov vstreku, využitím žeraviacich sviečok aj pri nízkych zaťaženiach, zmenou prúdenia náplne vo valci.
* ''Úprava palív''. Žiadúce sú palivá s vyšším podielom vodíka, nižším obsahom síry a polycyklických uhľovodíkov, so zvýšeným [[cetánové číslo|cetánovým]] a [[oktánové číslo|oktánovým]] číslom.
* ''Zmena pracovného cyklu''. Pre motory s kvantitatívnou reguláciou je možné využiť techniku [[regulácia vypínaním valcov|vypínania valcov]] CDA (Cylinder DeActivation).
* ''Ovplyvnením plnenia valcov''. Pri čiastočných zaťaženiach je možné využívať techniku [[recirkulácia výfukových plynov|recirkulácie výfukových plynov]] - EGR (Exhaust Gas Recilculation).
{{Hlavný článok|Znižovanie emisií motorových vozidiel}}
== Zdroje ==
*Hromádko J.,Hromádko J., Hönig V., Miler P.: ''Spalovací motory''. Grada Publishing a.s. 2011.
*Trnka J., Urban J.: ''Spaľovacie motory''. [[Alfa (vydavateľstvo)|Alfa]] Bratislava, 1992.
==Referencie==
{{reflist}}
[[Kategória:Spaľovacie motory| ]]
| |||