Spaľovací motor

Moderný vozidlový spaľovací motor (vidlicový)

Čiastočný rez vidlicovým motorom s rozvodom OHC

Hviezdicový 7-valcový motor Armstrong Siddeley Cheetah X

Prúdový motor Rolls-Royce Avon Mk. 26

Jednovalcový stacionárny dieselový motor z roku 1906

Funkčný model Stirlingovho motora

Spaľovací motor (v širšom zmysle) je stroj, ktorý spálením paliva premieňa jeho chemickú energiu na mechanickú prácu. K spaľovaniu paliva, alebo palivovej zmesi môže dochádzať v motore, ale aj mimo motora. V užšom zmysle sa pod pojmom spaľovací motor spravidla rozumie piestový spaľovací motor.. Článok sa zaoberá spaľovacím motorom v širšom zmysle.

Princíp práce

Niektoré látky, všeobecne nazývané palivá, sú schopné chemickej reakcie spaľovania, pri ktorej sa uvoľňuje teplo. Ak sa uvoľneným teplom zahreje pracovný plyn, podľa 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 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 druhou termodynamickou vetou len s určitou účinnosťou.

Niektorá z variánt uvedeného všeobecného princípu 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:

1. podľa toho, kde k spaľovaniu dochádza (v motore alebo mimo neho) na
   • motory s vnútorným spaľovaním (väčšina súčasných spaľovacích motorov)
   • 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)
2. podľa pracovného cyklu na
   • motory s kontinuálnym pracovným cyklom (napríklad spaľovacia turbína)
   • motory s prerušovaným pracovným cyklom
     • dvojdobý motor
     • štvordobý motor
3. Podľa základného pracovného princípu na:
   • piestové spaľovacie motory
     • motory s priamočiarym vratným pohybom piesta (väčšina súčasných spaľovacích motorov)
     • motory s krúživým pohybom piesta (Wankelov motor)
   • lopatkové motory (turbíny)
   • reaktívne motory (prúdové, alebo raketové)
4. Piestové spaľovacie motory sa podľa spôsobu vyvolania spaľovania delia na:
   • zážihové - spaľovanie vyvolá energia z vonkajšieho zdroja - iskra zapaľovacej sviečky
   • vznetové - keď spaľovanie vyvolá ohrev stlačenej zmesi nad zápalnú teplotu
   • motory s kombinovaným zapaľovaním
   • 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
  • rôznopalivové - ktoré môžu prejsť na spaľovanie iného paliva s úpravami prípadne bez úprav motora
  • dvojpalivové - ktoré spaľujú súčasne viac druhov paliva
• podľa miesta prípravy zmesi:
  • s tvorbou zmesi mimo pracovného priestoru - napríklad v karburátore, spaľovacej komore
  • s tvorbou zmesi v pracovnom priestore - napríklad vo valci vznetových motorov
• podľa spôsobu prípravy zmesi:
  • karburačné motory
  • 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,
  • preplňovaný motor, keď naplnenie valca pod väčším tlakom ako má okolitá atmosféra zabezpečuje prídavné zariadenie v plniacom systéme. Plniacimi zariadeniami môžu byť mechanické dúchadlá alebo aj kompresory, napríklad v automobile VW Corrado (G-Lader), alebo kompresory používané v automobiloch Bentley (Bentley Blower) turbodúchadlá, napríklad v motoroch TDI od spoločnosti VW.
• podľa pracovného určenia na: stacionárne, mobilné, priemyselné, elektrárenské, lodné, železničné, vozidlové, traktorové, špeciálne a iné.

Piestový spaľovací motor

Tieto motory sú najpočetnejším zástupcom spaľovacích motorov v technických zariadeniach. Takmer výhradne sa používajú pre pohon 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 hriadeľa.

Zážihový 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

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

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 okysličovadla
• užitočným výstupom motora nie je mechanická práca, ale reakčný účinok spalín
• okrem pomocných systémov (napr. 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 strelného prachu, ako zdroja mechanickej energie sa objavili už v 17. storočí. Vo Francúzsku sa problematikou zaoberali Hautefeuille a Denis Papin, v Holandsku Christian Huygens. Koncom 18. storočia navrhol Street vo Veľkej Británii využiť zmes kvapalného paliva so vzduchom a Barber navrhol prvú spaľovaciu turbínu. V 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 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 uhlia, alebo iných ťažkých palív. V 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 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 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

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.

1. 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.
2. 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 uhľovodíky: ľahkoodpariteľné (benzín), ťažkoodpariteľné (nafta), stlačený zemný plyn (CNG), skvapalnený propán-bután (LPG), alkoholy (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 vodíkom.

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

• Q_d - teplo dodané v palive
• Q_e - teplo ekvivalentné užitočnej práci motora
• Q_ch - teplo odvedené do chladiacej sústavy
• Q_v - teplo odvedené výfukovými plynmi
• Q_ns - teplo nevyužité nedokonalým spálením paliva, nazývané aj chemické straty
• Q_ol - teplo odvedené mazacím olejom
• Q_zv - teplo nezahrnuté v predošlých členoch (iné straty)

Podiel najvýraznejších zložiek rovnice je uvedený v tabuľke, pričom Q_d zodpovedá 100 %.

Druh motora	% Qe	% (Qch + Qol)	% Qv
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_ch, Q_v, Q_ol) je nevyužiteľná a nazýva sa stratovou energiou.

Z uvedeného porovnania vyplýva že vznetový motor využije dodanú energiu efektívnejšie, pracuje teda s vyššou účinnosťou.

Z tepla ekvivalentného užitočnej práci Q_e sa ešte časť spotrebuje na mechanické straty (trenie a pohon pomocných agregátov).

Emisie

Spaľovacie motory sú významným zdrojom emisí

Spaľovací motor s ohľadom na jeho masové rozšírenie patrí k významným zdrojom znečisťovania životného prostredia. Prirodzeným produktom dokonalého spaľovania uhľovodíkového paliva sú

• CO₂ - oxid uhličitý.
• H₂O - voda.

Okrem nich vznikajú aj ostatné škodlivé zlúčeniny:

• NO_x - oxidy dusíka, najviac zastúpené oxidom dusičitým. Vznikajú disociáciou dusíka pri vysokých teplotách a jeho následnou oxidáciou.
• NH₃ - amoniak. Vznikajú nedostatočným spálením paliva.
• CO - oxid uhoľnatý. Vzniká nedokonalým spaľovaním bez dostatočného prístupu vzduchu (kyslíku).
• CH_x - nespálené uhľovodíky. Vznikajú nedostatočným spálením paliva.
• SO₂ - oxid siričitý. Vzniká spaľovaním prímesí síry v palive.
• O₃ - ozón. Vzniká pri reakciách NO_x a CH_x.
• pevné častice - rozpustné, alebo nerozpustné (sadze) - najmä pri motoroch spaľujúcich ťažko odpariteľné palivá (dieselove motory).
• aldehydy - čiastočne naoxidované uhľovodíky.

Spaľovací motor je tiež významným zdrojom emisií hluku.

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 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 C0₂ 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 katalyzátory (trojcestné, alebo reagujúce len na určitú zložku) alebo filtrácia spalín.
• Konštrukčné úpravy motora. Ide hlavne o zmeny kompresného pomeru, časovania 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 cetánovým a oktánovým číslom.
• Zmena pracovného cyklu. Pre motory s kvantitatívnou reguláciou je možné využiť techniku vypínania valcov CDA (Cylinder DeActivation).
• Ovplyvnením plnenia valcov. Pri čiastočných zaťaženiach je možné využívať techniku recirkulácie výfukových plynov - EGR (Exhaust Gas Recilculation).

Zdroje

• Hromádko J.,Hromádko J., Hönig V., Miler P.: Spalovací motory. Grada Publishing a.s. 2011.
• Trnka J., Urban J.: Spaľovacie motory. Alfa Bratislava, 1992.