(Učebnice strana 88)

Pístové spalovací motory (Učebnice strana 88) Papírový hádek se proudícím teplým vzduchem roztočí. Ohřátý vzduch koná práci. Horká pára unikající z hrnce může nadzvednout pokličku. Pára může konat práci. Horká vodní pára nebo jiný plyn může sloužit k pohonu strojů. Na základě tohoto jevu vznikaly první tepelné motory, ve kterých se přeměňovala část vnitřní energie vodní páry nebo jiných plynů na pohybovou energii, např. otáčejících se kol brusky, pily nebo kol nějakého vozidla.

Pára se po dlouho dobu používala jako očistný prostředek v parních lázních nebo ji starověcí učenci využívali ke konstruování zařízení sloužících k zábavě nebo k ohromení věřících nad nadpřirozeným jevem. Heron z Alexandrie sestavil tzv. Aeopilu. Kouli roztáčenou tryskající vodní parou, tedy vlastně praprapředka reakční turbíny. Samozřejmě, že tato zařízení neměla na první pohled příliš společného s motory, jaké známe dnes, ale lze je pokládat za jejich předchůdce. V 17. století zadal Ludvík XIV. známému nizozemskému matematikovi a fyzikovi Christianu Huygensovi úkol, aby vymyslel zařízení, kterým by šlo čerpat vodu pro fontány v zahradách ve Versaille. Huygens přišel s originálním nápadem: k čerpání vody využil teplo spáleného černého prachu. Spaliny vytlačí nahoru píst a uniknou výfukovou trubkou ven. Píst je stlačen atmosférickým tlakem zpět dolů. Pohyb pístu se přenášel prostřednictvím vahadla na pístové vodní čerpadlo. Pokus provedený v roce 1666 skončil výbuchem. Přestože se jeho zařízení neuplatnilo, zahájil Huygens éru atmosferických tepelných motorů.

Huygensova práce nebyla zapomenuta, navázal na ni jeho žák Denis Papin. Protože po nepříliš vydařeném pokusu jeho učitele bylo zřejmé, že střelný černý prach nebude zrovna nejlepší prostředek k pohonu čerpadel, začal se Papin poohlížet po něčem jiném. A vybral si než páru. V kovovém válci ohříval vodu. Ta se přeměnila na páru, která vytlačila píst vzhůru. Pak válec polil studenou vodou, pára ve válci zkondenzovala. Pod pístem vznikl prázdný prostor a atmosférický tlak vzduchu srazil píst dolů. Papin svou práci zveřejnil v roce 1687, v tehdejší Francii však neměli o jeho vynález příliš velký zájem. Papinova práce inspirovala řadu další konstruktérů. Thomas Savery v roce 1702 patentoval stroj, kterému se přezdívalo „přítel horníků“, umožňující čerpat vodu ze zaplavených dolů. Thomas Newcomen v roce 1712 Saveryho stroj zdokonalil. Spojil píst s vahadlem, kterým přenášel pohyb pístu na vodní čerpadlo.

Princip Newcomenova stroje:V kotli se ohřívala voda. Vzniklá pára vytlačila píst válce, čímž stlačila vahadlo.V tomto okamžiku se uzavřel přívod páry a otevřel se kohout nádrže se studenou vodou, která se vstříkla do válce. Pára ve válci zkondenzovala, atmosférický tlak srazil píst dolů a vahadlo vyzvedlo píst důlní pumpy. Účinnost těchto strojů byla velmi malá. Píst konal práci pouze tehdy, když na něj působil atmosférický tlak. Další nevýhodou byla doba, po kterou byl stroj ochlazován; pak nutnost válec znovu rozehřát, než vzniklo dostatečné množství páry a velká spotřeba paliva. Přesto tyto stroje napomohly rozvoji těžby černého uhlí v Anglii a staly se kolébkou parních strojů.

Řešením malé účinnosti „ohňových strojů“ se zabýval mladý technik James Watt.Watt nechal kondenzovat páru mimo válec v tzv. kondenzátoru tak, aby „….válec zůstal vždy horký, jako pára….“. V roce 1769 tak sestrojil jednočinný parní stroj. Pára se pod válec vpouštěla, když byl píst v dolní úvrati. Vpuštěná pára vytlačila píst nahoru. V momentě, kdy píst dosáhl horní úvrati, se uzavřel ventil, kterým se vpouštěla pára a otevřel se ventil, kterým se odváděla pára z prostoru pod pístem do kondenzátoru, kde zkondenzovala na vodu. Pod pístem tak vznikl podtlak a vlivem atmosférického tlaku vzduchu přiváděného dalším ventilem byl píst znovu stlačen do dolní úvrati. Uzavřel se ventil odvádějící páru do kondenzátoru, otevřel se ventil přivádějící páru pod píst a celýděj se znovu opakoval. V roce 1782 nechal Watt patentovat tzv. dvojčinný parní stroj, u kterého byla pára vpouštěna střídavě před a za píst.

James Watt dal světu fungující parní stroj, přesto cesta jejich vývoje neskončila. Objevovali se další a další konstruktéři parních strojů. Konstruovaly se parní lokomotivy, parovozy, lodní parní stroje. Parní stroje poháněly strojovny pivovarů, cukrovarů, válcoven kovů. Nevýhodou parních strojů byla mimo jiné značná hmotnost a nízká účinnost, která se pohybuje kolem 10 %. Nevýhodu převádění přímočarého pohybu pístu v parním stroji na pohyb otáčivý překonaly parní turbíny V roce 1629 popsal Giovanni Branca ve své knize „Le Machine“ lopatkové parní kolo které se otáčí působením tlaku párydopadající na jeho lopatky. Bohužel tehdejší technika nestačila na konstrukci kola, které by se rychle otáčelo a přitom vydrželo tlak a žár páry. Proto se vývoj parních turbín opět odmlčel a tehdejší technický svět ovládly parní stroje.

V 19. století se parní stroj stal nejvýznamnějším zdrojem energie jak v průmyslu, tak v dopravě. Proto se tomuto století také říká století páry. Dopravě kralovaly vlaky tažené parními lokomotivami, vody brázdily parníky, průmyslové podniky měly stroje poháněné transmisemi od centrálního parního stroje, na polích se objevily parní oračky, parní mlátičky a parní lokomobily. Povrch silnic pak upravovaly parní válcovačky resp. parní válce. Postupně však byly nahrazovány účinnějšími parními turbínami či spalovacími motory.

V roce 1883 sestavil první použitelnou parní turbínu švédský inženýr Gustaf Laval. Laval hledal vhodný pohon pro odstředivku na mléko a po několika pokusech zkonstruoval v roce 1883 tzv. rovnotlakou parní turbínu. Veškerý tlak páry nechal přeměnit na rychlost v jedné či více tryskách, které ofukovaly oběžné kolo s lopatky, jež byly zakřiveny tak, aby se co nejlépe přeměnila kinetická energie páry v obvodovou rychlost. Velká výtoková rychlost páry má samozřejmě vliv na rychlost otáčení kola. Lavalova parní turbína tak vykonala přes 30 000 otáček za minutu, což bylo pro tehdejší průmysl příliš mnoho. Proto musel Laval snižovat počet otáček pomocí složitých ozubených převodů. Na přelomu století se mu podařilo uspořádáni lopatek vyřešit pomocí rozšiřujících trysek.

Problémem vysokých otáček se zabýval i Charles Algermon Parsons. Páru nechal rozpínat jednak v rozváděcích lopatkách, kterými nahradil trysky, a jednak mezi lopatkami oběžných kol. Protože tlak páry vstupující do oběžného kola je vyšší než při výstupu, nazývají se tyto turbíny jako přetlakové. Aby se však mohlo plně využít energie páry, bylo potřeba několika oběžných kol vložených mezi rozváděcí lopatky. První plně použitelná turbína, zkonstruována v roce 1884, měla 20 stupňů kol a vykonala 4 200 otáček za minutu Jedna z nejvýkonnějších turbín byla zkonstruována pro francouzskou jadernou elektrárnu Chooz-B. Tato turbína má výkon 1 500MW při 1 500 otáčkách za minutu. vývoj parních turbín neustal, naopak stále se rozvíjí.

V roce 1786 si nechal Phillipe Lebon patentovat motor, který poháněl svítiplyn. Motor se skládal z plynové nádrže oddělené od pracovního prostoru pístu šoupátkem. Když byl píst v horní úvrati, šoupátko se otevřelo a do válce vnikla směs plynu se vzduchem, která byla zapálena plamenem. Nastal výbuch a píst se vrátil do dolní úvrati. Lebonův motor byl dvojčinný, tzn. že směs vzduchu a svítiplynu byla střídavě zapalována na obou stranách pístu. Motor však nikdy neběžel delší dobu. V roce 1807 si nechal švýcarský major Isaac de Rivaz patentovat vynález, který se stal významným mezníkem v dějinách lidstva. Jednalo se o první automobil poháněný spalovacím motorem. Hlavní část vozu tvořil válec připevněný na podvozku. Píst válce byl spojen s ozubenou tyčí. Na jedno kolo podvozku bylo navinuto lano spojené s hřídelí ozubeného kola otáčeného tyčí. Pod píst válce se vpustil svítiplyn, zapojila se jiskra (inspirován Voltem) a mohlo se jet.

První pokusná jízda sice skončila zbořenou kůlnou, ale De Rivaz začal postupně a velmi pomalu jezdit s prvním automobilem poháněným spalovacím motorem. Spalovací motory začaly pomalu dobývat svět. Jednoválcové plynové spalovací motory, které se zapalovaly elektricky po smíchání se vzduchem, začal vyrábět v roce 1860 Etiénne Lenoir. Do poloviny zdvihu nasával píst směs plynu se vzduchem. Stlačená směs se zapálila jiskrou a výbuch popohnal píst do jedné z krajních poloh. Při vratném pohybu pístu nastal výbuch z druhé strany. V roce 1863 namontoval Lenoir tento svůj motor do vozu. Vůz byl těžký, motor měl výkon 1,1 kW a velkou spotřebu. Při pokusné jízdě ujel 10 km za tři hodiny.

Problém malých výkonů Lenoirových motorů vyřešil německý obchodník Nikolaus August Otto. Spolu s inženýrem Langem zkonstruovali motor, kde byl pohyb pístu přenášen tyčí na malé ozubené kolo spojené s hřídelí setrvačníku. Hořící plyny vyhnaly píst vzhůru. Pod pístem vznikl podtlak a píst se vlivem atmosférického tlaku vracel zpět. Pohyb pístu se přenášel ozubenou tyčí na malé ozubené kolečko spojené s hřídelí setrvačníku, který udržoval pravidelný oběh. Při stejném objemu válce jako Lenoirův motor byl Ottův motor třikrát výkonnější. Byl velmi vysoký a hřmotný, takže při zapojení do provozu otřásal celou stavbou. Přesto začal velmi pomalu nahrazovat v továrnách motory parní. Otto se pokoušel svůj vynález zdokonalit. V roce 1876 získal patent na čtyřdobý spalovací motor. Výbuch probíhá na každou druhou otáčku setrvačníku. Energie akumulovaná v setrvačníku umožňovala vratný pohyb pístu, při kterém se vystřídají kromě pracovní doby zbývající tři doby: sání, komprese a výfuk.

Ottův čtyřdobý spalovací motor pak zdokonalili Gottlieb Daimler a W. Maybach. Zavedli mazání, zvýšili počet otáček, zmenšili rozměry motoru. V roce 1887 Daimler vynalezl karburátor. Vozům, které začaly konstruovat, dali značku Mercedes. V roce 1886 představil veřejnosti trojkolku poháněnou benzínovým motorem Karl Benz. Vynález však nevzbudil žádoucí pozornost, a proto se jeho manželka, paní Berta, vydala se svými syny na propagační jízdu k babičce. Úspěch této jízdy byl obrovský a Benz začal konstruovat další vozy. Spalovací motor se vydal na silnice nikoliv v roce 1886 díky tříkolce Carla Benze a "ocelovému vozu" Gottlieba Daimlera (1834-1900), ale již o rok dříve v dřevěném rámu motocyklu téhož vynálezce. Jeden z otců automobilu a předchůdce značky Mercedes-Benz hledal levnou cestu.

V roce 1892 přišel Rudolf Diesel s novým typem spalovacího motoru. Do válce se nasává pouze vzduch a po jeho kompresi, spojené se silným zahřátí, se do něj vstříkne jemně rozptýlená nafta tak, že se sama vznítí. Výhodou těchto motorů bylo použití nafty jako paliva, která byla levnější než benzín, jednodušší konstrukce a jednoduché zapalování pohonné směsi. Tyto motory začaly být označované jako vznětové, naftové nebo podle jejich vynálezce – dieslové. První použitelný motor byl zkonstruován v roce 1897, vážil 4,5 t a měl výkon 15 kW. Dnes konstruované turbodiesly jsou desetkrát lehčí a mají výkon 320 kW.

Spalovací motor je mechanický tepelný stroj, který vnitřním nebo vnějším spálením paliva přeměňuje jeho chemickou energii na energii tepelnou a na mechanickou energii působením na píst, lopatky turbíny, nebo s využitím reakční síly. Motor vykonává mechanickou práci a jako takový slouží coby pohon jiných strojních zařízení. Spalovací motory všech typů nalezly největší uplatnění zejména v dopravních a mobilních mechanizačních prostředcích všech druhů. Pístové spalovací motory rozdělujeme podle způsobu zapalování pohonné směsi na motory zážehové a vznětové. svíčka V automobilech se dnes nejčastěji používá zážehový čtyřdobý motor. Jako palivo se v něm používá směs benzínu (rozptýleného na nepatrné kapky) a vzduchu. Posuvný pohyb pístu ve válci se přeměňuje na otáčivý pohyb klikového hřídele. výfukový ventil sací ventil válec pístní čep píst ojnice klikový hřídel

Čtyřdobý zážehový motor Motor pracuje ve čtyřech dobách, které se stále opakují, nazývají se pracovní cyklus motoru.

Čtyřdobý zážehový motor Motor pracuje ve čtyřech dobách, které se stále opakují, nazývají se pracovní cyklus motoru. 1. Sání: Píst jde dolů, pod ním vzniká podtlak. Proto otevřeným sacím ventilem vniká do válce chladná palivová směs. 2. Stlačování: Píst jde nahoru a stlačuje směs; oba ventily jsou přitom uzavřené. Tím se zvýší tlak směsi i teplota. Ve vhodném okamžiku, kdy se píst blíží své horní poloze, zapálí se stlačená palivová směs elektrickou jiskrou. 3. Rozpínání: Zapálená směs hoří, zvyšuje se tlak vznikajícího plynu i teplota (asi na 2 000 °C). Oba ventily jsou uzavřené. Vytvořený plyn se prudce rozpíná a tlačí píst dolů. Koná práci a jeho vnitřní energie se zmenší, plyn se ochlazuje. Část jeho vnitřní energie se přemění na pohybovou energii pístu. 4. Výfuk: Píst jde nahoru, výfukový ventil se otevře, spálené plyny jsou vytlačeny z válce.

Motor tedy koná práci jen ve třetí době, kdy se rozpínají plyny vzniklé hořením palivové směsi. Ve zbývajících dobách se píst udržuje v pohybu díky setrvačnosti klikového hřídele a k němu připevněnému těžkému setrvačníku. Motor automobilu s čtyřdobým motorem má zpravidla čtyři nebo více válců na společném klikovém hřídeli. Když v jednom z nich je sání, v druhém je stlačování, ve třetím rozpínání a ve čtvrtém výfuk. Tím je zajištěno, že vždy v jednom z nich se koná práce. Účinnost čtyřdobého zážehového motoru je asi 30 %.

Ve spalovacích motorech se přeměňuje část vnitřní energie, která se uvolní při hoření paliva na pohybovou energii pístu. Podle způsobu zapalování pohonné směsi rozlišujeme motory zážehové a vznětové. V automobilech se dnes nejčastěji používá zážehový čtyřdobý motor. Jako palivo se v něm používá směs benzinu (rozptýleného na drobné kapky) a vzduchu. Pracovní cyklus čtyřdobého zážehového motoru: • Sání • Stlačování • Rozpínání – zapálená směs hoří, vytvořený plyn se rozpíná a tlačí píst dolů – koná práci, část energie plynu se přemění na pohybovou energii. • Výfuk Motor koná práci jen ve třetí době, ve zbývajících dobách cyklu se píst udržuje v pohybu díky setrvačnosti klikového hřídele. Zpravidla má motor čtyři válce na společném klikovém hřídeli, tím je zajištěno, že se vždy v jednom válci koná práce.Účinnost čtyřdobého zážehového motoru je asi 30 %.

Jednodušším motorem je zážehový dvoudobý motor. Zážehový dvoudobý motor nemá sací a výfukový ventil. Píst při svém pohybu postupně zakrývá a odkrývá otvor pro sání, přepouštění a výfuk. Konstrukce motoru je jednodušší, při stejném výkonu má menší hmotnost než zážehový čtyřdobý motor. svíčka výfukový otvor sací otvor přepouštěcí kanál Účinnost zážehového dvoudobého motoru je menší, jen asi 20 %.

Pracovní cyklus dvoudobého zážehového motoru je: 1. Sání a stlačování: Píst jde nahoru, palivová směs se nasává do prostoru pod pístem a současně probíhá stlačování směsi, která je nad pístem. Na konci stlačování je směs nad pístem zapálena elektrickou jiskrou. 2. Rozpínání a výfuk: Nad pístem se rozpínají plyny vzniklé shořením palivové směsi a tlačí píst dolů. Současně se přepouští kanálem nová palivová směs z prostoru pod pístem do válce nad píst. Nová směs přitom pomáhá vytlačit plyny vzniklé předchozím spálením výfukovým otvorem.

Dvoudobé motory jsou ekologicky nešetrné. V důsledku nedokonalého spalování pohonné směsi, která obsahuje i olej, uniká výfukem do ovzduší mnohem více škodlivých látek než u čtyřdobých motorů. Také spotřeba palivové směsi je větší, protože výfukové plyny jsou vytlačovány novou směsí a přitom část unikne do výfuku bez užitku. Dvoudobé motory se dnes používají většinou u malých motocyklů, travních sekaček apod. Jednodušším motorem je zážehový dvoudobý motor, který nemá sací ani výfukový ventil. Používá se u malých motocyklů, travních sekaček apod. Účinnost zážehového dvoudobého motoru je asi 20 %.

Čtyřdobý vznětový motor (Dieselův motor) – má obdobnou konstrukci jako zážehový čtyřdobý motor, nepotřebuje však elektrické zapalování.

Čtyřdobý vznětový motor (Dieselův motor) – má obdobnou konstrukci jako zážehový čtyřdobý motor, nepotřebuje však elektrické zapalování. Do válce se nasává vzduch z vnějšího prostoru. Ve válci se prudce stlačí, a tím se zvýší jeho teplota asi na 600 °C. Do horkého vzduchu se vstřikuje palivo, které se vznítí a hoří ve válci během třetí pracovní doby. Jako palivo se nejčastěji používá motorová nafta. Účinnost tohoto motoru je asi 40 %. Pístové spalovací motory je nutno při provozu chladit. Děje se tak buď přímo vzduchem nebo u většiny automobilů a u některých motocyklů vodou či jinou kapalinou, která proudí v chladiči ochlazovaném zevně vzduchem.

Vznětový čtyřdobý motor (Dieselův motor) má obdobnou konstrukci jako zážehový motor. Nepotřebuje zapalování svíčkou – do stlačeného horkého vzduchu nad válcem se vstřikuje palivo ( motorová nafta). Je masivnější – dochází k velkému stlačování vzduchu. Vznětové čtyřdobé motory se používají nejčastěji u nákladních automobilů, lokomotiv, lodí a stále častěji i osobních automobilů. Účinnost tohoto motoru je asi 40 %. Příklad: Automobil jelrovnoměrným pohybem rychlostí 75 km/h po dráze 110 km. Motor spotřeboval benzín o hmotnosti 6,9 kg. Výkon motoru automobilu 13 kW. Určete dobu jízdy. Určete teplo odevzdané při spálení paliva. Určete práci vykonanou motorem. Určete účinnost motoru.

v = 75 km/hs = 110 kmP = 13 kW m = 6,9 kg (hmotnost benzínu)a) t = ? h b) Q = ? kJh = 43 000 kJ/kg (výhřevnost benzínu) c) W = ? kJd) η = ? % Doba jízdy automobilu je 1 h 28 min. Motor odevzdá teplo 296,7 MJ, vykoná práci 19,11 kWh, tj. 68, 796 MJ. Účinnost motoru je 23 %. Otázky a úlohy k opakování – učebnice strana 89.

(Učebnice strana 88)