Vývoj spalovacieho motora

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.