Spalovací motory

1. Spalovací motory

2. Spalovací motor je stroj, který vnitřním nebo vnějším spálením paliva přeměňuje jeho chemickou energii na mechanickou práci působením na píst, lopatky turbíny, nebo využitím reakční síly. Jeho účinnost je výrazně menší než u motoru elektrického, odpadní teplo tvoří cca 80% vložené energie. Spalovací motor je tak nevhodný pro trakční provoz a je nahrazován elektromobily.

3. Základním rozdělením podle druhu spalování paliva: • Motory s vnějším spalováním:

4. Stirlingův motor • Stirlingův motor je druh tepelného motoru. Vynalezl jej v roce 1816 skotský pastor Robert Stirling. Jedná se o motor s vnějším spalováním. • Spolu s Ericsonovým motorem patří mezi teplovzdušné motory. KONSTRUKCE Stirlingův motor má dva pracovní prostory, mezi nimiž může volně proudit plyn (je v nich prakticky stejný tlak). Jeden z prostorů je studený, druhý horký. Toho je docíleno buď přímým ohříváním a chlazením komor (viz pracovní cyklus), nebo, a to častěji, vnějším ohřívačem a chladičem. Mezi ohřívačem a chladičem je obvykle zařazen ještě regenerátor, akumulující teplo plynu procházejícího z ohřívače do chladiče nebo naopak. Tohoto motoru existuje mnoho modifikací - písty mohou být v samostatných válcích, nebo v jednom válci společném, kdy jeden z pístů pracuje v dvojčinném režimu.

5. Parní stroj • Parní stroj je pístový tepelný stroj, přeměňující tepelnou energii vodní páry na energii mechanickou, nejčastěji rotační pohyb. • Proti současným tepelným strojům má velmi nízkou účinnost přeměny energie (maximálně 30 %). Spolu s kotlem, který ná tepelnou účinnost okolo 50 % je výsledná účinnost (podle typu stroje a kotle) mezi 5 % – 15 %. To je proti spalovacím motorům s běžně dosahovanou účinností okolo 35 % nedostačující.

6. Motory s vnitřním spalováním: Přímočarý vratný pohyb pístu

7. Čtyřdobý spalovací motor • Čtyřdobý spalovací motor je pístový spalovací motor, jehož pracovní cyklus se odehrává během čtyř pohybů pístu: dvou každým směrem. Podle způsobu zapálení pohonné směsi rozeznáváme čtyřdobé motory zážehové a vznětové. Pracovní fáze spalovacího motoru téměř přesně kopírují Carnotův cyklus. • Pracovní fáze zážehového motoru • sání - Píst se pohybuje směrem do DÚ (dolní úvrať), přes sací ventil je nasávána pohonná směs. • komprese - Píst se pohybuje směrem do HÚ (horní úvrať). Oba ventily jsou uzavřené. Nasátá směs zmenšuje svůj objem, zvětšuje tlak a teplotu. Těsně před horní úvratí je směs zapálena elektrickou jiskrou • expanze - Oba ventily jsou uzavřené. Směs paliva a vzduchu zapálená elektrickou jiskrou shoří. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů. Ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci. • výfuk - Píst se pohybuje směrem do DÚ (dolní úvrať). Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí.. • Pracovní fáze vznětového motoru • sání - Píst se pohybuje směrem do DÚ (dolní úvrať), přes sací ventil je nasáván vzduch. • komprese - Píst se pohybuje směrem do HÚ (Horní úvrať). Oba ventily jsou uzavřené. Nasátý vzduch zmenšuje svůj objem, zvětšuje tlak a teplotu. Těsně před horní úvratí je do válce vstříknuto palivo. • expanze - Oba ventily jsou uzavřené. Směs paliva a vzduchu zapálená samovznícením shoří. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů. Ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci. • výfuk - Píst se pohybuje směrem do DÚ (Dolní úvrať). Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukovéhopotrubí.

9. Dvoudobý spalovací motor • Dvoudobý spalovací motor je pístový spalovací motor, jehož pracovní cyklus proběhne za jednu otáčku klikové hřídele. Na rozdíl od čtyřdobého spalovacího motoru obstarávají přívod zápalné směsi místo ventilů píst a kanály. Píst při svém pohybu otevírá a zavírá kanály.U novějších motorů ovládá sání pod píst šoupátkový rozvod nebo klapky. • Mazání dvoudobého motoru je prováděno olejem rozpuštěným v palivu. Tlakové oběhové mazání, používané u čtyřdobých motorů, nelze použít, protože na pracovním cyklu se podílí i dolní plocha pístu. Dvoudobé motory mají nižší účinnost než čtyřdobé, což je částečně způsobeno mícháním zápalné směsi a výfukových plynů. Proto velmi záleží na tvaru, délce a průměru výfuku, který velmi ovlivňuje vyplachování spalovacího prostoru čistou směsí. Při stejných otáčkách však mohou mít vyšší výkon, protože za stejnou dobu dojde ke dvojnásobnému počtu pracovních cyklů. Díky jednodušší konstrukci jsou také při stejném výkonu lehčí a mají obvykle větší měrný výkon. V současné době jsou ale na ústupu právě pro svou nižší účinnost a hlavně pro znečištění, způsobené olejem v palivu. • Pracovní fáze dvoudobého spalovacího motoru • sání a komprese - Píst se pohybuje od dolní úvratě směrem k horní úvrati. V klikové skříni vzniká podtlak a tím se nasaje do klikové skříně zápalná směs. Během pohybu pístu nahoru se uzavírá výfukový a přepouštěcí kanál. Směs v prostoru nad pístem (byla připravena dříve během druhé fáze) se stlačuje, nastává komprese a pod pístem probíhá důsledkem podtlaku sání. • expanze a výfuk - Těsně před horní úvratí přeskočí jiskra, nastává zážeh a expanze. Expanzí je píst tlačen z horní úvratě do úvratě dolní. Spodní hrana pístu uzavírá sací kanál. Směs v klikové skříni se pohybem pístu stlačuje. Při dalším pohybu pístu otevírá pravá horní hrana pístu výfukový kanál a vzápětí na to otevírá horní hrana pístu i přepouštěcí kanál a stlačená směs začne vytlačovat zbytky splodin a dostává se do prostoru nad píst.

11. Rotační pohyb pístu

12. Wankelův motor • Wankelův motor je spalovací motor s rotačním pístem založený na principu rozpínání plynů. Princip • Od začátku 20. století se objevují pokusy využívat rozpínání plynů mechanizmem, který by zaujímal menší prostor než mechanizmus s ojnicí a klikou a který by bylo možno zcela vyvážit. Tyto stroje jsou založeny na tom, že otáčející se díly jsou uspořádány tak, aby plynulé a cyklické zvětšování a zmenšování prostoru mezi válcem a pístem bylo vyvoláno výhradně částmi, jejichž těžiště se rovnoměrně otáčejí, takže jejich odstředivou sílu je možno zcela kompenzovat. Takovéto stroje jsou zahrnuty pod společný název rotační.

13. Reakční motory:

14. Spalovací turbína • Spalovací turbína je tepelný stroj, jehož pracovní látkou jsou spaliny vzniklé spalováním paliva v spalovací komoře. Palivo se spaluje se vzduchem, který se předtím stláčí v kompresoru. Spaliny při průchodu turbínou jejím lopatkám odevzdávají svou kinetickou energii. Spalovací turbína patří do skupiny spalovacích (resp. reaktivních) motorů s vnitřním spalováním, protože spalovací komora je její součast. Princip činnosti • Kompresor spalovací turbíny, většinou řešený jako lopatkový turbokompresor nasává atmosferický vzduch, který stlačí na vyšší tlak, doprovázený vzestupem teploty. Stlačený vzduch se vede do spalovací komory, kam se průběžně vstřikuje palivo, které se v stlačeném vzduchu spaluje. Protože spalovací komora není uzavřená, ale vede spaliny na lopatky turbíny, dochází jen k mírnému nárustu tlaku spalin. Energie získaná spálením paliva se přemění hlavně na tepelnou a kinetickou energii spalin. Na lopatkách turbíny se část energie spalin přemění na mechanickou tím, že roztáčí rotor turbíny. Část vytvořené mechanické energie se odvede hřídelem, část se použije na pohon turbokompresoru. Přebytečná část zůstává ve formě tepelné a kinetické energie spalin. • Protože spalování probíhá při přibližně konstantním tlaku, tak se tato turbína nazýví i izobarická neborovnotlaká. Její zjednodušený teoretický model popisuje Erikson-Braytonův cyklus neob Joule-Braytonův cyklus při předpokladě izotermické komprese a expanze a úplné regenerace tepla.

16. Raketový motor • Raketový motor je typ tepleného motoru, který pracuje na principu akce a reakce. Narozdíl od ostatních reaktivních motorů není závislý na atmosferickém kyslíku a tak je schopen se pohybovat mimo atmosféru. Může být poháněn tuhými a kapalnými palivy. • Motor poháněný tuhými palivy je jednodušší. Je tvořen spalovací komorou a hnací tryskou. Skoro celá spalovací komora je naplněna palivem nebo směsí paliva a okysličovadla, které postupně odhořívá. Tento typ je velice spolehlivý, protože nemá žádné pohyblivé části. Nemá možnost opakovaného zažehnutí a jeho výkon se dá regulovat jen velmi omezeně, proto se nejvíce používají pro neřízené i řízené střely a pomocné rakety, které např. zkracují vzlet letadel. Tohoto typu jsou i boční stupně amerického raketoplánu. • Naopak motor na kapalné palivo je výkonnější, účinnější, ale také složitější. Je obvykle napájen ze dvou nadrží. V jedné je palivo a ve druhé okysličovadlo. Palivo je s okysličovadlem do spalovací komory vháněno buď pomocí čerpadel nebo pouze tlakem interního plynu. Čerpadlo může být poháněno například parní turbínou, pro kterou se pára vyrábí rozkladem peroxidem vodíku a manganistanu draselného. U motoru na kapalné palivo je výstupní tryska vysoce tepelně namáhána a proto je vyložena např. grafitem. Tyto motory se používají pro pokusná letadla a veliké rakety o hmotnosti několika tun. • Existují také hybridní raketové motory, které oba principy kombinují. Příkladem může být motor z pokusného letounu SpaceShipOne, který má komoru vyplněnou hořlavinou a okysličovadlo je dodáváno z oddělené nádrže.