Piestové spalovacie motory

1. ÚVOD.

Na pohon dopravných prostriedkov (automobily a motocykle, lode, lietadla a pod.) ale aj na pohon rôznych prístrojov, stavebných a iných mechanizmov a náradia sa môžu používat motory spalovacie, parné, elektrické a solárne. Väcšinou sa však používajú spalovacie motory, v ktorých sa chemická energia paliva mení priamo v spalovacom priestore motora na energiu tepelnú, ktorú motor premení na mechanickú prácu. V spalovacom motore sa spaluje vhodná zmes paliva so vzduchom v takom pomere, aby po zapálení rýchlo a pokial možno bezo zbytku zhorela. V piestových spalovacích motoroch piest túto zápalnú zmes najskôr nasaje do pracovného priestoru valca a potom ju stlací. Vo vhodnom okamihu je zmes zapálená. Vplyvom uvolnenej tepelnej energie vo válci prudko stúpne tlak a objem plynov. Vzniknutý tlak plynov tlací na piest, pohybujúci sa vo valci motora, ktorého posuvný pohyb je klukovým mechanizmom prevedený na pohyb otácavý.

  • 2. PRINCÍP CINNOSTI PIESTOVÉHO SPALOVACIEHO MOTORA – VŠEOBECNE
Podstatu piestového spalovacieho motora tvorí piest s klukovým mechanizmom. Vo valci ktorého horný koniec je uzavretý hlavou sa pohybuje piest. Ojnica spája piest s klukovým hriadelom. Piest sa pohybuje vo valci hore a dolu, teda priamociare a vratne. Jeho posuvný pohyb sa prenáša ojnicou na klukový hriadel a mení sa na pohyb otácavý. Klukový hriadel je hnacím hriadelom motora. Otácky klukového hriadela sa prenášajú dalej cez spojku, prevodovku a rozvodovku na hnacie kolesá motorového vozidla. Piest, ojnica a klukový hriadel tvoria celok, ktorému hovoríme klukový mechanizmus motora. Krajné polohy piesta vo valci sa nazývajú úvrate, a to horná úvrat (HU) a dolná úvrat (DU). Vzdialenost medzi oboma úvratami, t.j. dlžka dráhy piesta, je zdvih piesta. Piest vykoná za jednu otácku klukového hriadela dva zdvihy. Priemer valca je priemer pracovnej dutiny valca motora a nazýva sa vrtanie valca. Kružnicu, ktorú opisuje stred capu klukového hriadela, nazývame klukovou kružnicou. Kružnicu rozdelujeme na 360 dielikov - stupnov. ktoré pocítame vždy od hornej polohy kluky v smere tocenia. Na toto rozdelenie potom vztahujeme cinnost všetkých mechanizmov motora, pokial je ich pohyb viazaný na klukový hriadel. Vzdialenost nameraná od osi klukového capu k osi klukového hriadela, je polomer klukovej kružnice (r). Základným údajom spalovacieho motora je objem valca, (pri viacvalcových motoroch objem všetkých valcov), ktorý nazývame objemom motora. Objem valca je priestor, ktorý je daný kruhovou plochou priemeru valca motora a výškou zdvihu piesta. Objem valca sa tiež nazýva zdvihovým objemom. Priestor, do ktorého sa stlací zápalná zmes alebo vzduch, sa nazýva kompresný priestor. Je to priestor nad piestom v hornej úvrati. Súctom objemu valca a kompresného priestoru dostávame pracovný priestor. Je to priestor nad piestom v dolnej úvrati. Kompresný pomer motora udáva stupen stlacenia. Je to pomer pracovného priestoru ku kompresnému priestoru. Pri každom motore sa vždy udávajú dva základné údaje: – maximálny výkon motora spolu s príslušnými otáckami za minútu – krútiaci moment motora - je moment sily a ramena okolo osi klukového hriadela motora.

3. ROZDELENIE SPALOVACÍCH MOTOROV

Spalovacie motory prešli dlhorocným vývojom, majú vysoký výkon pri nízkej spotrebe paliva. Piestové spalovacie motory spalujú palivo priamo vo valcoch. Rozdelujeme ich podla rôznych hladísk.

3.1 Podla druhu zapalovania:

  • zážihové motory - do valca motora sa nasáva zápalná zmes benzínu a vzduchu a po
stlacení sa zapáli.

  • vznetové motory - do valca motora sa nasáva vzduch, ktorý sa stlacením zahreje na
teplotu potrebnú na vznietenie paliva. Do zahriateho vzduchu vo valci sa pred skoncením kompresného zdvihu, vstrekne jemne rozprášené palivo - nafta. Tým sa vytvorí zápalná zmes, ktorá sa kompresným teplom vznieti. 3.2 Podla pracovného

obehu:

  • štvordobé motory - s ventilovým rozvodom
  • dvojdobé motory - najcastejšie s rozvodom piestovým alebo posúvacovým

3.3 Podla spôsobu plnenia valcov:

  • motory s nasávaním – vzduch je nasávaný pohybom piesta tak že vzniká podtlak,
ktorým sa vzduch alebo zápalná zmes nasáva do válca

  • motory s plnením – valec motora sa plní tlakom väcším ako atmosferickým, ktorý sa
vytvára pomocou dúchadla alebo kompresora. Tieto motory vplyvom núteného plnenia valca motora majú vyšší výkon ako rovnaké motory s plnením valca len atmosferickým tlakom.

3.4 Podla spôsobu chladenia rozlišujeme:

  • vzduchom chladené motory,
  • kvapalinou chladené motory,
  • kombinovane - hlava valcov je chladená kvapalinou a valec vzduchom

3.5 Podla poctu valcov:

  • jednovalcové
  • viacvalcové (2-valcové, 3 - valcové, atd.....) -

3.6 Podla vzájomného usporiadania valcov:

  • radový motor - s valcami v jednej rade, stojatý, invertný (v letectve), ležatý, šikmý
  • motor s protilahlými valcami (tzv.
boxer motor)

  • vidlicový motor (v usporiadaní do „V“)
  • hviezdicový motor (v letectve)

Poznámka:

Neustály vývoj a modernizácia piestových spalovacích motorov, najmä využívanie nových poznatkov, používanie nových prvkov (napr. motor Wankel) príslušenstva a zapalovania (napr. využívanie elektroniky), nových materiálov (napr. keramický motor) umožnuje rozdelovanie motorov aj podla iných kritérií. Predmetom mojej práce však je predovšetkým opísat základný princíp cinnosti dvojtaktného a štvortaktného motora, co uvádzam v nasledujúcej cast a k tomu som považoval za nutné, uviest niektoré základné informácie v predchádzajúcom texte.

4. POPIS CINNOSTI DVOJTAKTNÉHO (DVOJDOBÉHO) MOTORA

Na nasledujúcich obrázkoch je znázornená schéma dvojtaktného (dvojdobého) piestového motora. U tohto motora (na rozdiel od štvortaktného), prebiehajú pracovné procesy nielen nad piestom ale aj pod ním v uzatvorenom priestore klukovej skrine. Dvojdobý motor (na rozdiel od štvortaktného) nemá ventily ale tri kanály, ktoré sú otvárané a zatvárane samotným piestom. Práve usporiadanie týchto kanálov má rozhodujúci vplyv na dosahovaný výkon ako aj na celkovú cinnost dvojdobého motora.

PRINCÍP CINNOSTI DVOJTAKTNÉHO MOTORA

1. Nasávanie + Kompresia:

Piest sa pohybuje smerom hore a priestor pod ním sa zväcšuje. Tým vzniká podtlak (kluková skrina musí byt u dvojtaktného motora plynotesná) Dolná hrana piestu pri pohybe nahor uvolní sací kanál, cim sa do klukovej skrine nasaje cerstvá palivová zmes z karburátora. Súcastne sa nad stúpajúcim piestom stláca palivová zmes.

2. Expanzia + Výfuk (výplach):

Tesne pred tým ako piest dosiahne hornú úvrat, zapalovacia sviecka zapáli stlacenú zmes. Rozpínajúce plyny konajú prácu a tlacia piest dole. Tým sa v klukovej skrini stláca cerstvá zmes nasatá pri prvom takte. Krátko pred dolnou úvratou uvolní horná hrana piestu výfukový kanál, ktorým môžu prúdit spaliny do výfuku. Bezprostredne potom horná hrana piestu uvolní aj prepúštací kanál (spája priestor pod a nad piestom). Tým môže stlacená cerstvá zmes z klukovej skrine prúdit do spalovacieho priestoru. Urcitý cas je pritom otvorený výfukový aj prepúštací kanál súcastne (pokial sa piest nepresunie cez dolnú úvrat a neuzavrie svojou hornou hranou výfukový kanál), co má za následok to, že so spalinami uniká do výfuku aj cast cerstvej zmesi. Celý cyklus sa takto opakuje. Prícinou neekologickosti a neekonomickosti dvojtaktných motorov je práve únik nespálenej zmesi do výfuku. Dalším problémom je mazanie pohybujúcich sa castí motora. Kedže v klukovej skrini prebiehajú pracovné procesy nemôže byt využitá ako zásobárna oleja ako je to pri štvortaktných motoroch. Preto sa musí olej pridávat priamo do paliva, co spôsobuje namodro zafarbený dym a charakteristický zápach dvojtaktných motorov. VÝHODY DVOJTAKTNÉHO MOTORA:  Na jeden pracovný takt pripadá jedna otácka klukového hriadela (Na rozdiel od štvortaktného motora, kde 1. prac. takt = 2. ot. klukového hriadela).  Relatívne vyšší výkon. (oproti štvortaktu s rovnakým zdvihovým objemom)  Nižšia hmotnost.  Konštrukcná jednoduchost a tým pádom aj

jednoduchšia údržba a opravy. NEVÝHODY DVOJTAKTNÉHO MOTORA:

 Vyššia spotreba paliva (oproti štvortaktným motorom).  Neekologická prevádzka.  Nekludný chod (hlavne pri volnobežných otáckach).  Nedostatocný výkon pri nižších otáckach.  Relatívne vysoká spotreba oleja (závisí od pomeru miešania oleja s benzínom a spotreby benzínu motora). ZÁVER I. U dvojtaktných motorov prebehne celý pracovný cyklus v priebehu jednej otácky klukového hriadela resp. v priebehu dvoch zdvihov piesta t.j. na dva takty, z coho vzniklo aj jeho oznacenie ako „DVOJTAKTNÝ MOTOR“

5. PRINCÍP CINNOSTI ŠTVORTAKTNÉHO MOTORA

1. Nasávanie:

Nasávací ventil je otvorený, ale výfukový je zatvorený. Piest sa pohybuje z hornej úvrate (HÚ) do dolnej úvrate (DÚ). V priestore nad piestom vzniká podtlak. Ten spôsobuje, že do válca sa cez sacie potrubie a karburátor nasáva cerstvá palivová zmes. Nasávací takt koncí ked piest dosiahne DÚ. 2. Kompresia: Oba ventily sú zavreté. Piest sa pohybuje z DÚ do HÚ. Tým stláca nasatú palivovú zmes na zlomok jej pôvodného objemu (toto udáva kompresný pomer motora). Ked piest dosiahne HÚ, zmes paliva a vzduchu je natolko stlacená, že dosahuje teplotu až

400 oC a kompresný takt týmto koncí. 3. Expanzia:

Oba ventily sú zavreté, ale zapalovacia sviecka vytvorí zapalovaciu iskru. Tá spôsobí zapálenie pripravenej stlacenej palivovej zmesi a nastáva expanzia (výbuch). Toto je práve takt, ktorý dodáva požadovaný výkon. Spaliny v motore dosahujú teplotu až 2500 oC a rozpínajú sa cim pôsobia na piest a tlacia ho z HÚ do DÚ. 4. Výfuk: Nasávací ventil je zatvorený, ale výfukový je otvorený. Piest sa pohybuje z DÚ do HÚ. Cez otvorený výfukový ventil unikajú spaliny. Po dosiahnutí HÚ nastáva dalšie nasávanie cerstvej zmesi a celý cyklus sa znovu opakuje.

VÝHODY ŠTVORTAKTNÉHO MOTORA:

 Nižšia spotreba paliva (oproti dvojtaktným motorom).  Ekologickejšia prevádzka.  Kludnejší, kultivovanejší chod.  Dostatocný výkon aj pri nižších otáckach.  Dokonalejší systém mazania (oproti dvojtaktným motorom).  Relatívne nízka spotreba oleja (ak je motor v dobrom technickom stave).  Lepšie chladenie motora pretože olej precerpávaný motorom zároven aj

chladí namáhané súciastky. NEVÝHODY ŠTVORTAKTNÉHO MOTORA:

 Na jeden pracovný takt pripadajú dve otácky klukového hriadela (Na rozdiel od dvojtaktného motora, kde 1. prac. takt = 1. ot. klukového hriadela).  Vyššia hmotnost.  Konštrukcná komplikovanost a tým pádom aj zložitejšia údržba a opravy. ZÁVER I I. U štvortaktných motorov prebehne celý pracovný cyklus v priebehu dvoch otácok klukového hriadela resp. v priebehu štyroch zdvihov piesta t.j. na štyri takty, z coho vzniklo aj jeho oznacenie ako „ŠTVORTAKTNÝ MOTOR“

VZNETOVÉ MOTORY.

Princíp cinnosti 4. taktného vznetového motora je rovnaký ako u zážihového motora, rozdiel je iba v tom, že u vznetového motora sa do stlaceného vzduchu nad piestom vstrekne jemne rozprášené palivo pod vysokým tlakom, cím dôjde k zapáleniu takto vzniknutej zápalnej zmesi. K vstreknutiu paliva do valca dochádza v okamžiku, ked je piest tesne pred HU, teda podobne ako vznikne iskra na zapalovacej sviecke u zážihového motora. Vznetové motory majú vyšší kompresný pomer ako zážihové, práve z dôvodu nutnosti stlacenia vzduchu na vyšší tlak, pri ktorom sa vzduch zohreje na vysokú teplotu potrebnú na zapálenie vstreknutého, jemne rozprášeného paliva (nafty). Vznetové motory, na rozdiel od zážihových motorov,

  • nemajú karburátor, ale majú vstrekovacie cerpadlo
  • nemajú ani príslušenstvo zapalovania (zapalovaciu sviecku, prerušovac, rozdelovac, a
pod.).