Piestové spalovacie motory

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.).