Ako pracuje motor? Odhaľme jeho tajomstvá

09. júl. 2018 • Technické vedy

Ako pracuje motor? Odhaľme jeho tajomstvá

Už starí Gréci poznali jednoduchý parný motor, známy ako Herónova banka, kde para unikala cez dve trysky a tým roztáčala otočne uložený zásobník. Pod pojmom spaľovací motor si môžeme predstaviť stroj, ktorý premieňa teplo vzniknuté spaľovaním paliva na mechanickú prácu. Spaľovanie môže prebiehať priamo v motore (motory s vnútorným spaľovaním) alebo mimo motora a samotný motor využíva už len privedenú tepelnú energiu (napr. parné motory, turbíny, atď.).

Ako uvádza Matej Štěpánek z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV, skutočne využiteľné motory prichádzajú až s vynálezom parného stroja. V roku 1712 Thomas Newcomen postavil prvý fungujúci parný stroj, ktorý čerpal vodu z baní. Bol to však nedokonalý vynález, o čom svedčí fakt, že mal kotlík ako čajník a zdvih piesta iba 15 cm. V roku 1760 si James Watt nechal patentovať prvý skutočný parný stroj s uzavretým piestom valca. Tento stroj priebežne vylepšoval a bol to motor, ktorý skutočne začal priemyselnú revolúciu. Počiatky motorov s vnútorným spaľovaním siahajú do roku 1861, kedy Nikolaus August Otto postavil svoj prvý plynový motor. Carl Benz následne vylepšil tieto motory tak, že plyn nahradil benzínom, ktorého spaľovanie prinieslo vyšší výkon a otvoril tým cestu prvým automobilom. Tie sa objavili v roku 1885. O rok nato prichádza patent na Ottov štvordobý motor, ktorého princíp sa využíva dodnes. Naftový motor zostrojil v roku 1893 Rudolf Diesel. Dodnes sa využívajú v spaľovacích motoroch tieto dva základné obehy (Ottov a Dieslov). Parné turbíny sa objavujú v roku 1883 a prvý prúdový motor, ktorý neskôr zmenil letectvo, sa podarilo zostrojiť vtedy 21-ročnému Frankovi Whittlovi v roku 1923.

Odborník pokračuje, že vo vozidlách sa najčastejšie stretávame so spaľovacími motormi s vnútorným spaľovaním. Na transformáciu tepelnej energie na mechanickú využívajú piest, ktorý koná priamočiary vratný alebo rotačný/krúživý pohyb (Wankelov motor). Pri spaľovaní sa premieňa chemická energia paliva na tepelnú energiu, ktorá ohrieva plyny vzniknuté pri tomto procese, čo súčasne spôsobí zvýšenie ich tlaku. Tieto plyny expandujú veľkou rýchlosťou, čím rozhýbu piest a ďalšie mechanizmy, a teda premenia svoju energiu na mechanickú. Táto energia je použitá na vlastný pohon vozidla a na výrobu elektrickej energie pre pohon elektronických súčiastok.

Piestové spaľovacie motory môžeme deliť podľa rôznych kritérií:

podľa spôsobu zapálenia zmesi:

  • zážihové: Zmes paliva a vzduchu je zapálená elektrickou iskrou
  • vznetové: Vzduch sa kompresiou ohreje na teplotu vyššiu ako je teplota vznietenia paliva a následne sa doňho vstrekne palivo, ktoré sa v dôsledku vysokej teploty vznieti

podľa princípu činnosti:

  • dvojdobé: Pracovný cyklus sa vykoná v priebehu jednej otáčky kľukového hriadeľa
  • štvordobé: Pracovný cyklus sa vykoná v priebehu dvoch otáčok kľukového hriadeľa.

„Premena tepelnej energie na mechanickú prácu v piestových spaľovacích motoroch prebieha vo veľmi zložitých fyzikálnochemických a termodynamických podmienkach. Všetky obehy, charakterizované rozličným stupňom zjednodušenia skutočných pracovných obehov, sa nazývajú porovnávacie alebo teoretické obehy. Hraničným prípadom sú ideálne obehy, v ktorých sa zohľadňujú pri premene uvoľneného tepla z paliva na mechanickú prácu iba tepelné straty v zmysle prvej termodynamickej vety a všetky deje sú zidealizované. V skutočnom motore sú však všetky procesy dynamické, mení sa priebežne chemické zloženie zmesi, piest sa pohybuje s trením a netesnosťami, atď. Takýto obeh sa potom nazýva pracovný alebo tiež skutočný obeh,“ konštatuje Matej Štěpánek.

Ideálne obehy, na základe ktorých pracujú dnešné spaľovacie motory, sú:

Ottov obeh: Je to základný obeh pre zážihové motory. Teoretický Ottov cyklus nazývame aj izochorický (rovnoobjemový), pretože sa teplo privádza a odvádza pri stálom objeme. Na obrázku plocha ohraničená krivkami 2 a 3 predstavuje kladnú prácu plynov vykonanú počas expanzného zdvihu, zmenšenú o prácu potrebnú na stlačenie pracovnej náplne a plocha ohraničená krivkami 1 a 4 predstavuje zápornú prácu potrebnú na výmenu obsahu valca. Súčtom týchto prác dostaneme indikovanú prácu Ai.

Teoretický Ottov cyklus v p-V a T-s diagrame (zdroj: VUT Brno)

Teoretický Ottov cyklus v p-V a T-s diagrame (zdroj: VUT Brno)

Sabatov obeh: Počiatok vznetových motorov sa datuje od konca 19. storočia, kedy nemecký vynálezca Rudolf Diesel vytvoril prvý motor tohto typu. Jeho motor pracoval podľa obehu, ktorý bol na jeho počesť nazvaný Dieselov obeh, avšak dnešné vznetové motory pracujú na princípe Sabatovho obehu. Sabatov obeh sa od Ottovho líši tým, že sa teplo privádza pri stálom objeme, aj pri stálom tlaku a odvádza iba izochoricky.

Teoretický Sabatov cyklus v p-V a T-s diagrame (zdroj: VUT Brno)

Teoretický Sabatov cyklus v p-V a T-s diagrame (zdroj: VUT Brno)

Štvordobé motory: Obeh štvordobého motora je zložený zo štyroch pracovných dôb, ktoré sú v diagrame farebne vyznačené a očíslované.

Indikátorový diagram štvordobého motora (zdroj: VUT Brno)Indikátorový diagram štvordobého motora (zdroj: VUT Brno)

1. Nasávanie – piest sa pohybuje z hornej úvrate do dolnej úvrate a v dôsledku vznikajúceho podtlaku (10 – 20 kPa) sa do valca nasáva čerstvá zmes. Bod SO znázorňuje počiatok otvorenia sacieho ventilu. K tomu dochádza ešte pred hornou úvraťou, aby bol sací ventil plne otvorený v okamihu, keď sa vo valci objaví podtlak. Dochádza tiež k vypláchnutiu kompresného priestoru (pozri výfuk). Sací ventil je úplne uzavretý v bode SZ, teda až za dolnou úvraťou. Využíva sa tým kinetická energia zmesi prúdiacej sacím kanálom, vzniknutá zotrvačnosťou, pre maximálne naplnenie valca motora. Tento jav je nazývaný „samopreplňovací efekt“.

2. Kompresia a zážih – piest sa pohybuje z dolnej úvrate do hornej úvrate a stláča zmes, ktorá sa ohrieva na teplotu okolo 450°C. Vďaka tomu sa palivo odparí a pary sa lepšie zmiešajú so vzduchom. Zmes je zapálená elektrickou iskrou ešte pred hornou úvraťou – bod P. Aby bola dosiahnutá čo najvyššia tepelná účinnosť obehu je treba, aby podstatná časť paliva zhorela čo najbližšie hornej úvrati a aby maximálny tlak vo valci nastal 12 – 15° otočenia kľukového hriadeľa za hornou úvraťou. Keďže proces horenia zmesi trvá určitý čas (0,001 s pre benzín), je treba zmes zapáliť s určitým predstihom. Tento jav nazývame predstih zážihu. Čas horenia sa za normálnych podmienok príliš nemení, preto je potrebné regulovať predstih v závislosti na otáčkach motora. Pri vznetovom motore sa palivo nezapaľuje iskrou, ale pred hornou úvraťou sa vstrekuje palivo, ktoré sa vznieti od kompresného tepla. Pri moderných motoroch vstrek paliva pokračuje aj po hornej úvrati a zvyčajne sa delí na niekoľko vstrekovacích dávok, ktoré regulujú nárast tlaku vo valci.

3. Výbuch a expanzia – po zapálení paliva nastáva proces horenia, pričom sa prudko zdvihne tlak, ktorý dosiahne svoju maximálnu hodnotu okolo 5 – 6 MPa (u vznetových motorov 7 – 8 MPa) a teplota zmesi vystúpi až na 2500 °C. Vzniknuté plyny expandujú veľkou rýchlosťou a tlačia piest do dolnej úvrate, pričom ich tlak a teplota klesá.

4. Výfuk – ešte pred dosiahnutím dolnej úvrate sa otvára výfukový ventil – bod VO. Tlak vo valci je značne vyšší ako tlak vo výfukovom potrubí, preto po otvorení výfukového ventilu pretlak vytláča spaliny z priestoru valca do potrubia. Po priechode piestu dolnou úvraťou sú spaliny z valca vytlačované pohybujúcim sa piestom. Experimentálne sa zistilo, že kladná práca obehu stratená otvorením výfukového ventilu pred dolnou úvraťou je menšia ako nárast práce potrebný pre vytlačenie spalín z valca motora piestom pri otvorení výfukového ventilu v dolnej úvrati. Piest je schopný vytlačiť spaliny iba zo zdvihového objemu, pričom v kompresnom priestore spaliny zostávajú. Keďže odtekajúce spaliny vplyvom vlastnej kinetickej energie pokračujú ďalej do výfukového potrubia aj po zastavení piesta v hornej úvrati, vytvára sa v kompresnom priestore podtlak. Tento jav môžeme zužitkovať práve otvorením sacieho ventilu pred hornou úvraťou na takzvané „vypláchnutie kompresného priestoru“, teda podtlakom sa nasaje čerstvá zmes, ktorá zároveň vytlačí zvyšky spalín. Doba, kedy je zároveň otvorený sací aj výfukový ventil, sa nazýva prekrytie ventilov. Výfukový ventil sa uzavrie 15 – 50° po hornej úvrati – bod VZ.

Optimálne načasovanie otvárania a zatvárania ventilov má veľký vplyv na účinnosť motora a závisí na podmienkach v ktorých motor pracuje – napr. na otáčkach. Preto sa v poslednej dobe rozširujú systémy variabilného časovania ventilov.

Matej Štěpánek z Ústavu materiálov a mechaniky strojov ešte popisuje dvojdobé motory, ktoré zaznamenali najväčší rozmach v priebehu 20. storočia pre svoju konštrukčnú jednoduchosť a vysoký merný výkon. Avšak sprísňujúca sa ekologická legislatíva ich postupne vytlačila na okraj záujmu a dnes sú už len súčasťou jednoduchej záhradnej techniky alebo naopak špičkových súťažných strojov (lodí, motocyklov, snežných skútrov). „Napriek svojej konštrukčnej jednoduchosti je za dvojdobými motormi veľká veda ohľadom využitia nestacionárneho prúdenia. Zásadnú úlohu to zohrávajú jednotlivé kanály vo valci, tvary a dĺžky výfukových častí, spôsob nasávania zmesi a ich vzájomné pôsobenie. Tieto motory pracujú len pri dvoch zdvihoch kľukového hriadeľa. Pri pohybe piesta z dolnej úvrate do hornej dochádza k stláčaniu nasatej zmesi vo valci, ale zároveň aj k nasávaniu zmesi do kľukovej skrine motora. Po zapálení zmesi pri pohybe piesta do dolnej úvrate nastáva expanzia avšak zároveň sa otvára aj výfukový kanál, kde spaliny unikajú z valca, ale taktiež aj prepúšťacie kanály, cez ktoré prúdi čerstvá zmes do valca, ktorú tam vtláča tlak, ktorý v kľukovej skrini vytvára piest pohybujúci sa nadol. Táto čerstvá zmes taktiež pomáha vytlačiť zvyšky výfukových plynov z valca.“

Princíp činnosti dvojdobého motora(zdroj: Internet)

Princíp činnosti dvojdobého motora (zdroj: Internet)

Iný variant dvojdobých motorov sa využíva v lodiarskom priemysle, kde v dvojdobom cykle pracujú najväčšie lodné vznetové motory. Tie sú prepĺňané externým dúchadlom a výfuk je ovládaný výfukovým ventilom. Tieto motory dokážu mať vysokú účinnosť.

Čo sa týka Wankelovho motora, v priebehu rokov sa objavilo množstvo rôznych netradičných konštrukcií spaľovacích motorov, ale len minimum z nich sa dočkalo aj reálneho využitia. „Asi najpoužívanejší nekonvenčný motor je Wankelov motor. Pre mnoho konštruktérov bolo cieľom odstrániť najväčšiu slabinu piestových motorov, a to prevod z posuvného na rotačný pohyb a nahradiť ho čisto rotačným pohybom. Najväčší úspech na tomto poli zožal Felix Wankel. Ten predstavil prvý funkčný prototyp motora v roku 1957. Ten mal ešte piest s rotačným pohybom a rovnako rotovala aj komora. To však prinieslo mnohé problémy a čoskoro bol motor inovovaný,“ hovorí Matej Štěpánek z Ústavu materiálov a mechaniky strojov.

Piest vykonával krúživý pohyb a komora bola pevná. Motor zaznamenal obrovský záujem aj napriek niektorým nedostatkom, a tak postupne záujem oň opadal najmä pre jeho vyššiu spotrebu paliva a oleja a tým aj vyššie emisie. „Dnes ho v automobiloch používa už iba automobilka Mazda a pár menších firiem ako motor pre ultraľahké lietadlá, malé člny a motokáry. Svoj opätovný nástup pravdepodobne zažije až s prechodom na spaľovanie vodíka, na čo je tento typ motora ideálny.“

Konštrukčne motor pozostáva z pevnej komory tvaru epitrochoidy a piestu trojuholníkového tvaru, ktorý sa odvaľuje po pevnom ozubení. Výkon je z motora odoberaný výstredníkovým hriadeľom, ktorý sa krúti trojnásobnou rýchlosťou oproti piestu. Spaľovanie prebieha kontinuálne v troch komorách, ktoré vznikli medzi piestom a komorou. Otáčaním piesta sa tieto komory pohybujú, takže jednotlivé cykly prebiehajú na rozdielnych miestach, preto je motor nerovnomerne tepelne namáhaný (nechladí ho čerstvá zmes ako u konvenčných motorov).

Princíp činnosti Wankelovho motora (zdroj: internet)

Princíp činnosti Wankelovho motora (zdroj: internet)

Doc. RNDr. František Kundracik, CSc. z Katedry experimentálnej fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave popisuje fyzikálny princíp motorov. Princíp spaľovacích motorov je podľa neho založený na horení (výbuchu) paliva v uzavretom priestore. Horením vzniká vysoká teplota, a tým aj vysoký tlak v spaľovacej komore. „Obvykle jednu stenu tejto komory tvorí pohyblivý piest, ktorý je tlakom horúceho plynu vytláčaný von. Piest je spojený s ojnicou tak, že ju roztáča. Dôležitou súčasťou piestových motorov sú výfukové a nasávacie ventily, ktoré po expanzii vypustia zvyšný horúci plyn do výfuku a umožňujú nasať čerstvý vzduch a palivo. V moderných motoroch sa palivo priamo vstrekuje do spaľovacej komory v okamihu najväčšieho stlačenia vzduchu. Presné časovanie otvárania a zatvárania ventilov, vstrekovania a zážihu v závislosti od otáčok motora a jeho zaťaženia je kľúčové z hľadiska presného a účinného chodu motora.“

Čo sa týka účinnosti piestových spaľovacích motorov, najväčší vplyv na účinnosť má:

  • Teplota horiacej zmesi, ktorá priamo určuje tlak na piest a tým aj silu a krútiaci moment motora.
  • Hmotnosť motora a najmä jeho pohyblivých častí, na pohyb ktorých sa spotrebuje časť energie.
  • Trenie v motore, ktoré opäť závisí aj od rozmerov motora a jeho hmotnosti.

Snaha znižovať hmotnosť motora a trenie v ňom viedla v ostatných rokoch k tzv. downsizingu, teda k zmenšovaniu počtu valcov (piestov) a objemu motora. „Samozrejme, bez dodatočných úprav by to viedlo k zníženiu výkonu motora. Preto sa takéto motory kombinujú s turbodúchadlom, ktoré zvyšuje tlak privádzaného vzduchu. Do spaľovacej komory sa tak dostane viac vzduchu a môžeme tak pridať aj viac paliva. Ak vytvára turbodúchadlo tlak napríklad 1,5 atmosféry, tak motor s objemom 1 liter má výkon, ako by mal motor bez turbodúchadla s objemom 1,5 litra. Ďalšie zvýšenie množstva vzduchu privádzaného do spaľovacej komory možno dosiahnuť ochladením privádzaného vzduchu, ktorý tak pri atmosférickom tlaku zaberá menší objem a do spaľovacej komory sa ho zmestí viac.“ 

To všetko podľa odborníka vedie súčasne k zvýšeniu teploty vybuchujúcich a výfukových plynov, čo je na jednej strane želaný výsledok (zvýšenie účinnosti), na druhej strane to vedie k tepelnému namáhaniu výfukových ventilov a lopatiek turbodúchadla, ktoré je poháňané výfukovými plynmi. Preto sa pristupuje k rôznym technickým opatreniam, napríklad k chladeniu ventilov kvapalným sodíkom, ktorý sa nachádza v dutine ventilu a ktorý rozvádza teplo vytvorené na strane ventilu pri spaľovacej komore po celom objeme ventilu. Výfukové plyny sa tiež zvyknú aktívne chladiť pred ich vypustením do turbodúchadla a výfukového potrubia.

Prúdové motory spaľujú palivo v spaľovacej komore, pričom horúce plyny vysokou rýchlosťou opúšťajú spaľovaciu komoru otvorom (dýzou). „Odhadzovanie“ horúcich plynov za seba vyvolá reakciu – ťah motora vpred, pričom tento princíp pohonu funguje aj bez prítomnosti vzduchu (vo vesmíre). Raketové motory si okrem paliva nesú aj okysličovadlo (napríklad kyslík), ktoré sa spolu s palivom vstrekuje do spaľovacej komory v správnom pomere. Raketový motor tak horí bez prerušovania: Do komory sa plynule vstrekuje palivo s okysličovadlom, tam zhorí a horúce plyny plynule opúšťajú motor a vytvárajú ťah.

Letecké prúdové motory sú určené pre prácu v atmosfére, nemusia si preto nosiť zásobu kyslíka, ale do spaľovacej komory turbínou natláčajú atmosférický vzduch, takže palivo horí vo vzduchu.

Aj keď plyny vzniknuté horením majú vysokú teplotu (a tým aj rýchlosť), poznáme spôsob, ako ich urýchliť viac. Používa sa na to elektrické pole, keď vhodný plyn („palivo“) sa najprv elektrickým výbojom ionizuje a ióny sa vysokým napätím urýchlia smerom von z motora. Takýto iónový motor má síce v porovnaní s klasickým spaľovacím raketovým motorom veľmi nízky ťah, ale v konečnom výsledku vyvrhne za seba palivo vyššou rýchlosťou, čím získa vyššiu rýchlosť aj vesmírna sonda. Je to teda „bežec na dlhé trate“, na rozdiel od klasického spaľovacieho „šprintéra“.

Ešte si vysvetlime pojem elektromotory, ktoré využívajú silu, ktorou pôsobí magnetické pole na vodič (presnejšie cievku), ktorým tečie elektrický prúd. Magnetické pole sa v motore vytvára elektromagnetom alebo permanentným magnetom. Najmä s objavom veľmi silných „supermagnetov“ sa dnes dajú vyrobiť malé a pritom pomerne silné elektromotory s permanentným magnetom, na radosť leteckých modelárov a priaznivcov elektrobicyklov.

Počas otáčania sa cievky treba synchrónne s otáčaním cievky meniť smer elektrického prúdu v nej. „Najjednoduchšie sa to robí mechanicky tzv. komutátorom, kde elektrický prúd sa do cievky privádza trecím kontaktom (uhlíkom). Modernejšie motory (napríklad vo ventilátoroch počítačov) riadia smer prúdu cievkou elektronicky.“

Z technického hľadiska môžu byť rotujúcou časťou motora cievky a nepohyblivou permanentné magnety alebo elektromagnety alebo v motore môžu byť nepohyblivé cievky a otáča sa permanentný magnet (takéto motory majú napríklad filtre do akvárií a ich pohyblivé časti môžu byť úplne elektricky izolované od nepohyblivých, čím sa prečerpávaná voda nemôže dostať do elektrickej časti systému).

Veľmi obľúbené sú elektromotory s tzv. kotvou nakrátko, kde nepohyblivou časťou sú elektromagnety a pohyblivou časťou sú skratované závity (cievky bez privedeného napájania). Ak sa na cievky elektromagnetov privedie napríklad trojfázové napätie, v okolí skratovaných závitov vytvoria elektromagnety otáčajúce sa magnetické pole, ktoré pomocou elektromagnetickej indukcie vyvolá prúd v skratovaných závitoch a donúti ich roztočiť sa.

Princíp rotujúceho magnetického poľa sa využíva aj u tých motorov, ktorých smer otáčania môže byť ľubovoľný, a to na roztočenie motora želaným smerom. Vtedy sa do motora pridajú pomocné cievky, do ktorých sa privedie prúd cez tzv. štartovací kondenzátor. Ten zmení fázové pomery prúdu v pomocných cievkach tak, že v oblasti rotora vznikne magnetické pole, ktoré sa otáča jedným smerom, čo pomôže roztočiť motor týmto smerom.

„Elektromotory majú oproti spaľovacím motorom s piestom obrovskú výhodu – majú vysoký krútiaci moment už od samého začiatku pohybu, keď sa motor ešte prakticky netočí. Preto sa napríklad v diesel-elektrických lokomotívach využíva zaujímavá kombinácia: spaľovacím motorom sa roztáča generátor elektrického napätia (je to taká malá elektráreň) a elektrickým prúdom sa napája elektromotor. Motor v generátore pritom pracuje pri vhodných otáčkach (v optimálnom režime) a otáčky mení elektromotor. Tým dokáže takáto lokomotíva vyvinúť obrovský ťah, aj keď súprava ešte stojí. Výhodu elektromotora pri rozbiehaní využívajú aj moderné hybridné pohony automobilov, kde elektromotor zabezpečuje počas rozbehu vysokú dynamiku automobilu a jeho športový charakter,“ uzavrel doc. RNDr. František Kundracik, CSc.

 

Odborní garanti textu a foto poskytli: Matej Štěpánek z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV a doc. RNDr. František Kundracik, CSc. z Katedry experimentálnej fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave

Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR

Ilustračné úvodné foto: Pixabay.com /markusthomasde/

Uverejnila: VČ

Hore
Publikácie Veda v CENTRE
Aurelium - centrum vedy
CVTI SR 80. výročie
QUARK
Prechod VK na VND
kúpa časopisov jún 2016
Atmosféra počas TVT 2017
TVT 2017 články
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
TAG História
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
TAG Ženy vo vede
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Schizofrénia je duševná porucha, ktorou trpí až jedno percento ľudí.
Zistite viac