Vývoj spalovacieho motora Po pociatocnom nadšení z výhod parného stroja sa coraz viac dostávaly do popredia aj jeho zjavné nevýhody: malá úcinnost premeny energie paliva a straty v dôsledku spalovania paliva a prenosu energie mimo pracovný priestor motora. Za prvý spalovací motor, teda motor spalujúci palivo priamo v pracovnom valci, môžeme považovat motor na strelný prach navrhnutý holandským fyzikom Christianom Huygensom a zostrojený jeho asistentom Denisom Papinom. Tento zanechal svoje pokusy kvôli problémom so zásobovaním motora palivom - strelným prachom. Napriek tomu, že prvé prevedenie bolo neúspešné, sama myšlienka nezanikla, i ked trvalo viac ako sto rokov, kým bola dovedená do prevádzky úsilím mnohých známych i zabudnutých osobností. V roku 1786 si dal patentovat francúzsky inžinier Philippe Lebon výrobu svietiplynu z dreva. Plynom vyrábaným podla svojho patentu vykuroval a osvetloval svoj parížsky byt, a, co je pre nás najdôležitejšie, pohánal ním svoj patentovaný motor. Lebonov motor bol dvojcinný – zmes vzduchu a svietiplynu bola striedavo zapalovaná na oboch stranách piestu. Napriek tomu, že jeho motor bol prakticky nepoužitelný, cesta bola naznacená. Prvý spalovací motor bol teda plynový, tak ako celá nasledujúca generácia. Našli sa samozrejme aj výnimky. Jednou z najkurióznejších bola urcite konštrukcia motora bratov Josepha Nicéphora a Clauda Niepce-ov. Ich naozaj fungujúci motor bol pohánaný plavúnovým práškom , ktorý sa získaval z dozretých klasov plavúnovitých rastlín a bol bežne používaný pri ohnostrojoch a podobných atrakciách. Do dnešných cias sa dochoval záznam o spotrebe pyroleofora (tak pomenovali bratia svoj vynález), tá bola: 125 zrniecok plavúnového prášku za minútu. Tažko dnes posúdime, ci to bol motor úsporný a ci naopak. Bratia dalej svoj vynález nezdokonalovali a venovali sa iným oborom. Starší z nich Nicéphore je považovaný za spoluvynálezcu fotografie. Neporovnatelne úspešnejšia myšlienka pohánat spalovací motor plynom ako tuhým palivom bola dalej zdokonalovaná. Belgican Jean Joseph Etienne Lenoir a Nemec Nikolaus August Otto nezávisle na sebe skonštruovali malý, lahký, úsporný a kdekolvek použitelný spalovací motor. Stal sa ideálnym pomocníkom malých remeselníkov a výrobcov, ktorý si nemohli dovolit podstatne drahší parný stroj. Tam, kde nebola možnost použitia svietiplynu z plynárne, vyrábal sa plyn pre pohon motora priamo na mieste v generátore (z dreva, uhlia, koksu). Tento stabilný motor sa však nehodil pre pre dopravu. Z niektorých aj ked úspešných pozícií ho však vytlacila stále sa rozvíjajúca elektrifikácia. Zdalo sa, že doba spalovacieho motora je už prekonaná, ked však jeden z jeho vynálezcov dostal naozaj geniálny nápad, ktorý si dal obratom patentovat. Išlo o myšlienku nahradit pohonný plyn parami vodíku, petroleja a iných palív zmiešaných so vzduchom. Týmto sa mohol dosial stabilný motor závislý od prívodu plynu stat motorom mobilným, co aj dokázal Jean Joseph Etienne Lenoir zostrojením voza pohánaného týmto motorom. V septembri roku 1863 prešiel trasu z Paríža do Joinville-le-Pont a spät. Jeho voz bol tažký, motor o výkone 1,1 kW mal iba 100 otácok za minútu a velkú spotrebu. Funkcný automobil bol však skutocnostou. Rozšírenie spalovacieho motora v doprave bolo podmienené až vynálezom karburátora – splynovaca kvapalných palív. Vynašiel ho roku 1887 Nemec Gottlieb Daimler. Týmto krokom sa spalovací motor dostal do dalšej etapy svojho vývoja. Druhým významným vynálezcom tejto etapy je taktiež Nemec Karl Benz. Približne v rovnakej dobe ako Daimler zostrojil spalovací motor, pohánaný zmesou petroleja a vzduchu. Gottlieb Daimler v roku 1882 zakladá svoj vlastný podnik, spolu s nadaným konštruktérom Wilhelmom Maybachom. Spolu analyzovali základné nevýhody motorov vtedajších konštrukcií: explózie paliva v pracovnom valci nenasledovali dostatocne rýchlo po sebe, z toho vyplývajúci výkon musel byt nutne nízky, vyšším otáckam motora bránili nedokonalé spôsoby zapalovania. Preto sa úsilie oboch konštruktérov zameralo týmto smerom. Daimler navrhol nový systém zapalovania založený na princípe žeraviacej trubicky. Žeraviaca trubicka, zvonka nahrievaná malým plamenom, vycnievala z hlavy valca. Pri každom stlacení zmesi sa zmes teplom žeraviacej trubicky zapálila. Napriek úsmevnej konštrukcii prax ukázala spolahlivost tohto systému. Motor s týmto zapalovaním dosiahol celých 900 otácok za minútu namiesto vtedy obvyklých 200 otácok za minútu. Najmasovejšiemu rozšíreniu motora Karla Benza vdacíme Henrymu Fordovi, ktorý zacal s jeho dalšou konštrukciou a výrobou. V dalšom vývoji sa spalovacie motory rozdelili na dve základné skupiny: motory zážihové a motory vznetové. V prípade zážihového motora je palivová zmes – benzín zmiešaný so vzduchom ( u niektorých dvojtaktných motorov aj s mazacím olejom ) – nasávaná do válca a stlacovaná piestom. Stlacením zmesi sa vzájomne priblížia molekuly paliva a kyslíku zo vzduchu a zároven sa zmes stlacením zohreje. Tým je pripravená do stavu, kedy môže byt lahko zapálená pomocou prídavného zariadenia. U prvých motorov to bolo žeraviacou trubickou, dnes zapalovacou svieckou s priamou väzbou na celý zapalovací systém. Preto ich voláme motory zážihové. Pri vznetových motoroch je najskôr nasávaný do valca motoru cistý vzduch, ktorý piest stláca na tlak vysoký asi 4 MPa. Týmto stlacením sa vzduch ohreje na teplotu vyše 600 st Celzia. V tomto okamžiku je do valca vstreknuté palivo – motorová nafta, ktorá sa vysokou teplotou sama vznieti a zhorí, bez toho, aby musela byt zapálená elektrickou iskrou. Preto hovoríme o motoroch vznetových. Obidva základné typy spalovacieho motora sa konštruujú ako dvojtaktné, alebo štvortaktné. Základnom cinnosti cinnosti zážihového spalovacieho motora je jeho pracovný obeh, ktorý sa skladá bud zo štyroch dôb - taktov (sanie, kompresia, výbuch, výfuk), alebo z dvoch dôb ( prvé dve a druhé dve ) prebiehajú zároven. Princíp cinnosti

dvojtaktného motora ( a ) je nasledovný:

U dvojtaktných motorov prebehne sled všetkých fáz na dva zdvihy piestu, teda za jednu otácku klukového hriadela. Pri pohybe piestu z dolnej úvrate do hornej úvrate je nad piestom v pracovnom priestore stlácaná zmes a súcasne vzniknutým podtlakom ( asi 0,02 MPa ) sa nasáva plniacim kanálom z karburátora palivová zmes do utesnenej klukovej skrine. Tesne pred koncom zdvihu piesta do hornej úvrate preskocí na zapalovacej sviecke iskra a zapáli stlacenú zmes. Zmes prudko zhorí a po prekrocení hornej úvrate ( zotrvacnostou motora ) tlak spálených plynov ( asi 30 MPa ) tlací piest dolu a koná prácu. Pritom dolná hrana piestu uzatvorí plniaci kanál a v klukovej skrini nastáva pretlak. Pri dalšom pohybe piestu smerom k hornej úvrati otvára horná hrana piestu najskôr výfukový kanál a potom vyplachovací ( prepúštací kanál ), ktorým sa prepúšta stlacená zmes z klukovej skrine ( 0,06 MPa ) do pracovného priestoru. Prepúštaná zmes vytlacuje pred sebou spaliny a vyplachuje válec. Pri dalšom pohybe z dolnej do hornej úvrate piest najskôr uzatvára vyplachovací kanál a potom výfukový kanál. Celý dej sa potom opakuje.

Princíp cinnosti štvortaktného motora ( b ) je nasledovný:

U štvortakného motora prebehne sled všetkých fáz za štyri zdvihy, teda za dve otácky klukového hriadela. 1.doba: Sanie – piest ide z hornej do dolnej úvrate. Nad piestom vzniká podtlak ( až 0,03 MPa ), ktorý spôsobuje, že zmes paliva a vzduchu, vytvorená v karburátore, vniká pôsobením atmosférického tlaku otvoreným sacím ventilom do uvolneného priestoru valca. 2.doba: Kompresia – piest ide z dolnej do hornej úvrate a nasatá zmes je stlacovaná podla stupna kompresie až na 1,1 MPa, pricom jej teplota stúpne na 300 až 350 st Celzia. Pred dosiahnutím hornej úvrate preskocí na elektródach zapalovacej sviecky elektrická iskra, od ktorej sa zmes zapáli a zacne horiet.

  • 3. doba: Výbuch – horením zmesi vzniká teplota až 4000 st Celzia, ktorá spôsobí
prudký nárast tlaku na 4 až 5 MPa. Rozpínajúce sa plyny tlacia na piest a ten sa pohybuje z hornej do dolnej úvrate a koná prácu.

  • 4. doba: Výfuk – pred koncom expanzného zdvihu, teda pred dolnou úvratou, sa zacne
otvárat výfukový ventil a spálené plyny o tlaku až 0,5 MPa a teplote až 800 st Celzia odchádzajú výfukovým potrubím a sú dalej vytlacované pri pohybe piestu z dolnej do hornej úvrate. Pred dosiahnutím hornej úvrate sa zacne otvárat sací ventil a všetko sa znova opakuje. Pracovné cykly dvojtaktného ( a ) a štvortaktného ( b ) motora. V doteraz spomínaných motoroch zapáli zmes paliva a vzduchu nejaké prídavné zariadenie, ktoré však so sebou vždy prináša komplikácie. Najúspešnejším konštruktérom spalovacieho motora bez pomocného zapalovacieho zariadenia sa stal Rudolf Diesel. V roku 1892 získal patent na svoj nový typ spalovacieho motora, avšak prvý trvalo použitelný motor skonštruoval až v roku 1897. Výnimocnost a pokrokovost jeho vynálezu spocíva v jeho vysokej tepelnej úcinnosti, okolo 30 percent, v lacnejšom palive, jednoduchšej konštrukcii a obzvlášt výhodnom samocinnom spôsobe zapalovania. Princíp cinnosti dvojtaktného a štvortaktného vznetového motora je nasledovný: Základným znakom vznetových motorov je, že nasávajú cistý vzduch a zápalná zmes sa tvorí v spalovacom priestore vstreknutím jemne rozprášeného paliva ( nafty ) do stlaceného a ohriateho vzduchu, od ktorého sa zmes vznieti. Stavba vznetových motorov sa rýchlo rozšírila po celom svete a postupom casu sa i Dieselov motor dockal mnohých zdokonalení. Prvým bolo zdokonalenie vstrekovania paliva. Palivo možno vstrekovat priamo do kompresného priestoru valca, alebo do zvláštnej komôrky, ktorá je spojená s kompresným priestorom valca. Druhý smer smer zdokonalovania spalovacích motorov predstavuje preplnanie spalovacieho priestoru valca vzduchom. To znamená, že sa množstvo náplne valcov dá výhodne zvýšit stlacením vzduchu

pomocou:

  • vhodne tvarovaného sacieho potrubia spôsobujúceho rezonanciu vzduchu s jeho
následným urýchlením

  • plniaceho, mechanicky pohánaného kompresora
  • turbodmýchadla, pohánaného spálenými plynmi
Zdokonalovanie spalovacích motorov sa uberalo hlavne smerom zvyšovania výkonu a znižovaniu spotreby a v poslednej dobe hlavne smerom znižovaniu negatívnych vplyvov prevádzky spalovacích motorov na životné prostredie. Úsilie sa venuje hlavne znižovaniu hlucnosti, produkcie škodlivých emisií a hladaniu alternatívnych druhov palív. Palivom u pôvodných stacionárnych motorov bol plyn. Vzhladom k tomu mohli byt takéto motory používané iba u zdroja plynu, co zabránilo ich väcšiemu rozšíreniu. Casom sa prešlo na palivá kvapalné – spociatku na petrolej, neskôr benzín a motorová nafta. U niektorých motorov bol použitý s väcším, alebo menším úspechom lieh, benzén a podobne. U vznetových motorov boli pokusy dokonca s uholným prachom, ale jeho použitie sa nerozšírilo. U dnes používaných spalovacích motorov prevláda ako palivo benzín ( zážihové ) a motorová nafta ( vznetové ). K tomu, aby moderný spalovací motor mohol pracovat podla našich požiadaviek už nestací obycajný benzín, teda benzín získaný priamou destiláciou ropy. Dnes používaný benzín je zmesou benzínu získaného priamou destiláciou ropy s rôznymi prísadami, ktoré sa líšia podla typu spalovacieho motora a podla toho na aké úcely sa motor používa. V súcasnej dobe pristupuje k otázke kvality ešte dostupnost paliva, cena a hlavne obsah škodlivých látok. Z týchto dôvodov sa hlavne benzín a nafta dostávajú do ústrania. Napríklad kvôli nedostatku iných palív sa pocas druhej svetovej vojny prestavovali vozidlá na pohon takzvaným drevoplynom. Dalšou možnostou sa stalo, aj dnes sa využívajúceho, použitie skvapalnených plynov ( propán-bután obvykle oznacovaný ako LPG ) ako paliva pre motorové vozidlá. Propán a bután sú vedlajšie produkty pri rafinovaní ropy. Okrem úspory nákladov na výrobu LPG paliva je jeho hlavnou výhodou zníženie obsahu škodlivých látok vo výfukových plynoch, hlavne oxidu uhlicitého.

Palivo budúcnosti musí vyhovovat týmto požiadavkám:

  • musí byt použitelné pre súcasné konštrukcie spalovacích motorov
  • technológia výroby musí byt známa a súcasne rýchlo použitelná v širokom meradle
  • musí splnat požiadavky maximálnej hospodárnosti prevádzky
  • musí sa dat distribuovat existujúcim systémom
V dalšej fáze hladania nového paliva sa však musí hladat palivo pre motor na úplne inom princípe, ktorého funkcia nebude viazaná premenou chemickej energie na mechanickú klasickým spalovacím procesom. Z tohto vyplýva najdôležitejší záver. Ak budeme chciet naše spalovacie motory do budúcnosti používat, musíme nutne previest radikálne opatrenia v ich konštrukcii a zároven nájst i nové perspektívne palivá. Inak sa z našich dobrých pomocníkov stanú naši úhlavní nepriatelia.