Spalovací motor (ICE): typy, konstrukce a princip činnosti, účinnost

Od instalace spalovacího motoru v prvním automobilu uplynulo více než sto let. Od té doby byl neustále vylepšován a nyní je hlavním motorem pro motorová vozidla. V tomto článku se budeme zabývat konstrukcí spalovacího motoru, seznámíme se s principem jeho činnosti a možnými variantami.

Co je ICE

Spalovací motor (ICE) je typ tepelného motoru, ve kterém palivová směs spaluje uvnitř něj a uvolněné teplo se přeměňuje na mechanickou práci. Proto se mu říká „spalovací“. Existují také spalovací motory (parní stroje, Stirlingovy motory), které generují mechanickou energii díky teplu dodávanému zvenčí. Dnes je těžké si představit pohyb jakéhokoli dopravního prostředku bez ICE. Výjimkou je stále populárnější elektromotor.

Zařízení motoru

První spalovací motory měly jeden malý válec. Později se jejich počet a velikost zvětšily. Nyní se za klasické uspořádání považují čtyři válce umístěné v řadě.

Motor se skládá z následujících hlavních systémů a součástí:

• Blok válců a hlava válců. Uvnitř bloku jsou válce s písty, které jsou spojeny ojnicemi s klikovou hřídelí. Směs paliva a vzduchu se zapaluje ve spalovacích komorách.
• Klikový mechanismus a kliková hřídel. Pohyb pístů uvádí kliku a klikovou hřídel do pohybu.
• Mechanismus časování ventilů. Prostřednictvím řemenového nebo řetězového spojení zajišťuje včasné otevírání a zavírání ventilů pro správný chod zdvihů motoru.
• Systém přívodu paliva. U karburátorových spalovacích motorů je za dodávku paliva zodpovědný karburátor, u vstřikovacích spalovacích motorů jsou za to zodpovědné vstřikovače, přímé vstřikování.
• Sací systém. Mnoho moderních motorů je nucených, vybavených kompresory a turbínami, aby se dosáhlo většího výkonu bez zvětšení objemu spalovacího motoru.
• Systém zapalování.
• Mazací systém.
• Chladicí systém. Bez řádného odvodu tepla se motor rychle přehřeje. Za tímto účelem má blok speciální plášť s cirkulující chladicí kapalinou.
• Výfukový systém.
• Elektronický systém řízení motoru. Zajišťuje koordinovaný a optimální provoz motoru v souladu s aktuálními podmínkami a povelmi řidiče.

Princip činnosti

Činnost spalovacího motoru je založena na efektu expanze plynu, ke kterému dochází během spalování paliva. Vzniká tak tlak, který uvádí písty do pohybu. Tento proces probíhá cyklicky, znovu a znovu a nazývá se pracovní cyklus motoru. Rozlišuje se mezi dvoudobým a čtyřdobým motorem. Podívejme se na činnost každého z nich podrobněji.

Čtyřtaktní

Klikový hřídel čtyřtaktního motoru provede během jednoho pracovního cyklu dvě otáčky, během nichž dochází ke čtyřem zdvihům:

1. Sání směsi paliva a vzduchu.
2. Komprese a zapalování.
3. Pracovní zdvih pístu.
4. Vypouštění výfukových plynů.

Při prvním zdvihu se píst pohybuje dolů, otevírá sací ventil a dodává palivo a vzduch, bez kterých by zapálení nebylo možné. Při dalším zdvihu se píst pohybuje nahoru a začíná komprese. Molekuly se stlačují, vytváří se tlak, v horním bodě zapalovací svíčka vytvoří jiskru a směs se ve spalovací komoře vznítí. Dochází k intenzivnímu spalování, uvolňuje se teplo, tlak, což způsobí, že se píst pohybuje zpět dolů a vykonává užitečnou práci. Rotace se přenáší na klikový hřídel. Při čtvrtém zdvihu se píst působením setrvačných sil opět pohybuje nahoru a otevírá výfukový ventil. Výfukové plyny jsou vytlačovány z válce. Poté se proces opakuje. V průměru se v jednom válci vyskytne 60 takových zdvihů za sekundu.

Důležitou roli hraje mechanismus distribuce plynu, který je zodpovědný za otevírání a zavírání ventilů ve správný čas. Klikový hřídel je s vačkovým hřídelem spojen řetězem nebo rozvodovým řemenem.

Dvoudobý

Tento motor pracuje ve dvou taktech. Místo ventilů má válec sací a výfukové kanály. K dispozici jsou také proplachovací kanály pro normalizaci tlaku. Směs paliva a vzduchu vstupuje do válce sacím kanálem. Když se píst pohybuje nahoru, proplachovací kanály se ucpou a pod pístem se vytvoří podtlak. Při průchodu k hornímu bodu se sací ventil otevře a do podtlaku je nasáta nová část palivové směsi. Mezitím se spustí zapalování a píst se pod tlakem pohybuje dolů. Cestou se kanály otevírají a palivová směs jimi prochází do komor v horní části. Výfukové plyny se uvolňují. Cyklus se opakuje. Tento proces lze lépe vidět v animaci nebo na videu.

Také palivo pro dvoutaktní motory se obvykle ředí olejem, protože k mazání dochází během provozu. Velkou nevýhodou těchto motorů je, že v okamžiku uvolnění může část paliva unikat výfukem, čímž dochází ke ztrátě komprese a výkonu. Jsou široce používány pro sekačky na trávu, mopedy, motorové pily a další zařízení s nízkým výkonem.

Druhy motorů

Motory se dělí podle konstrukce, účelu, typu použitého paliva a dalších kritérií. Některé jsou určeny pro pozemní dopravu, jiné pro letectví a existují i takové, které mohou pracovat mimo atmosféru.

Pístové spalovací motory

Pokud vezmeme v úvahu pístový spalovací motor automobilu, lze jej klasifikovat podle následujících hlavních znaků:

• pracovním cyklem (dvoutaktní, čtyřtaktní);
• podle počtu válců (může být od 2 do 16 válců);
• podle uspořádání válců (rozvržení) mohou být umístěny v různých rovinách a pod různými úhly;
• podle druhu použitého paliva (benzín, motorová nafta, zkapalněný plyn);
• podle principu fungování rozvodového systému. Mohou být s jedním nebo dvěma vačkovými hřídeli a také rozlišují mezi spodní (již se nepoužívají) a horní polohou vačkového hřídele;
• principem přívodu vzduchu (atmosférický nebo přeplňovaný motor);
• metodou tvorby směsi. S vnějším – karburátorový spalovací motor, kde se palivová směs míchá v karburátoru a poté se přivádí do válců. S vnitřním tvorbou směsi – vstřikovací spalovací motor, který po 80. letech začal vytlačovat karburátor. Pod kontrolou řídicí jednotky motoru (ECU) je palivo dodáváno speciálními vstřikovači do každého válce nebo může dojít k jedinému vstřiku. Může se provádět i přímé vstřikování paliva do válce;
• způsobem zapálení směsi paliva a vzduchu (zápalové nebo vznětové (vznětové motory));
• metodou chlazení (kapalinou nebo vzduchem).

Rotační píst

Tento typ motoru se v automobilovém průmyslu prakticky nepoužíval kvůli své relativně krátké životnosti a rychlému opotřebení. Existují však známé příklady, například Mazda RX8. Rotační pístový motor nemá rozvodový řemen a klikový mechanismus, místo toho se používá excentrická hřídel a trojúhelníkové rotory, které fungují jako písty. Princip činnosti je podobný jako u běžného pístového motoru. Rotory se pohybují po planetární trajektorii, dochází k cyklu sání, komprese, spalování a výfuku.

Plynová turbína

V takových pohonných jednotkách je synchronizovaný provoz kompresoru pro stlačování vzduchu, spalovací komory a turbíny, která přenáší síly na hnací hřídel. Ta zase otáčí rotorem, který přenáší sílu na šroub. Takové jednotky se používají v letectví a průmyslu.

Účinnost spalovacích motorů

Efektivní účinnost motoru je poměr efektivní práce zaznamenané na spojce vozidla (We) k práci ekvivalentní spotřebovanému palivu (Wb).

Účinnost benzínového motoru je snížena četnými ztrátami. Asi 25 % se ztrácí v důsledku nedokonalého spalování paliva. Asi 35 % jde na tepelné ztráty: zahřívání motoru, kapaliny atd. Dalších 20 % jde na mechanické ztráty. Jedná se o pohyb pístů, ojnic, překonávání tření. Nakonec dosáhneme účinnosti pouze 20 %, v nejlepším případě 25 %. To je část energie, která zbývá pro užitečnou činnost, tj. otáčení hřídele a kol.

Za nejúčinnější motor z hlediska účinnosti se považuje elektrický. Hodnota dosahuje 90–95 %.

Porovnání účinnosti benzínových a naftových motorů

Účinnost nafty bude o řád vyšší – 40–45 %. Proč je hodnota vyšší, když oba typy motorů fungují na stejném principu? Jde o účinnost. Kompresní poměr je mnohem vyšší a palivo se vznítí díky kompresi. Nafta se také méně zahřívá než benzín, energie se nespotřebovává na zapalovací svíčky a zapalovací cívky.

Kompresní poměr nafty hraje velkou roli, která ovlivňuje spotřebu paliva. S malým objemem produkuje více výkonu. To se odráží i v malých rozměrech jednotky. To vše zvyšuje účinnost nafty ve srovnání s benzínovou jednotkou, ale má to i své značné nevýhody.

Výkon a točivý moment

Jsme zvyklí měřit výkon v koňských silách, i když to není úplně správné a je to zastaralé. Výkon by se měl měřit v kW. Jedná se o fyzikální veličinu, která ukazuje práci motoru za jednotku času. Jednoduše řečeno, čím větší výkon, tím větší rychlost dokáže auto vyvinout.

Výkon a točivý moment spolu souvisí. Přenášený výkon se přeměňuje na točivý moment, který následně ovlivňuje dynamiku vozu. Důležitý je objem motoru, kompresní poměr a tlak plynu.

Benzínové a naftové motory dosahují maximálního výkonu a maximálního točivého momentu při různých otáčkách klikového hřídele. Dieselové motory dosahují maximálního výkonu při 3000–4000 ot/min a benzinové motory při 5000–6500 ot/min.