Druhy motorů

Zážehové motory

Revoluci v dopravě způsobil počátkem 20. století vynález benzinového motoru. Vozidla s těmito motory brzy vytlačila vozidla na parní či plynový pohon. I ve vzduchu létala letadla poháněná benzinovými motory až do doby, kdy se objevil motor proudový. [14]

Zážehové motory (motory benzinové, spalovací) jsou motory s vnitřním spalováním. K uvedení věcí do pohybu je u nich využívána sílu výbuchu směsi benzinu a vzduchu. Pracují buď ve čtyřdobém cyklu (ten je častější) nebo v cyklu dvoudobém. Z hlediska práce je princip u obou typů podobný. Jedná se o sání nebo vstřik paliva, jeho vznícení, expanzi a výfuk horkých plynů.

Obr. 5 Zážehový motor
[zdroj: výukový program Fyzika zajímavě - Termika]

Zážehový motor je takový mechanický tepelný stroj, který spálením paliva přeměňuje jeho chemickou energie na energii mechanickou a tepelnou. Důležitá je především energie mechanická, která slouží jako pohon jiných strojních zařízení. Principem práce benzinového motoru je zapálení směsi paliva a vzduchu ve válci elektrickou jiskrou, kterou vytvoří zapalovací svíčka. Tyto motory pracují s nižším tlakem a jejich nejvyšší točivý moment a nejvyšší výkon jsou ve vyšších otáčkách. Jejich chod je tichý a pravidelný.

Nejpoužívanějším druhem paliva pro zážehové motory jsou benziny vyráběné z ropy. Vzhledem k ochraně životního prostředí se hledají stále nové druhy a typy paliv. Omezení je však způsobeno tím, že benzin je pro tento účel vhodný svými vlastnostmi, snadnou manipulací a dostupností v potřebném množství. [13]

Na automobilové benziny klademe tyto obecné požadavky:

• musí mít dobrou odpařitelnost, to znamená, že odpar musí vzrůstat především se stoupající teplotou;
• nesmí obsahovat těžší frakční složky, které by mohly způsobit ředění oleje a zvýšit obsah škodlivin ve výfukových plynech;
• nesmí působit korozívně;
• musí být dokonale stabilní ve svém složení (především kvůli jeho skladovacím dobám);
• musí mít žádoucí spalovací vlastnosti.

V rámci ochrany životního prostředí dochází k neustálému snižování olovnatých přísad do benzinů. Tyto přísady jsou však nutné pro správné fungování starších motorů. Proto majitelé starších automobilů používají tzv. aditiva.

Kvalitu benzinu udává tzv. oktanové číslo. Je to bezrozměrné číslo, které vyjadřuje vliv složení paliva na detonace a klepání motoru a také na zmenšování jeho výkonu. Motejl a Horejš ve své publikaci uvádějí, že oktanové číslo je označením míry odolnosti paliva proti detonačnímu hoření. Oktanové číslo zjišťujeme laboratorně porovnáním vlastností benzinu se směsí dvou uhlovodíků. Prvním z nich je heptan, který má oktanové číslo 0 (viz obr. 5), druhým je uhlovodík s rozvětveným uhlíkatým řetězcem (přesně 2,2,4-trimethylpentan), který má oktanové číslo 100 (viz obr. 6). Příkladem je benzin s oktanovým číslem 95, který se chová jako směs 95 dílů 2,2,4-trimethylpentanu a 5 dílů heptanu. [15] Oktanové číslo je možné zvyšovat změnami složení benzinu, tzv. reformováním, kdy se z uhlovodíku s nerozvětvenými nebo málo rozvětvenými řetězci vznikají řetězce bohatě rozvětvené. Jedná se převážně o zvýšení obsahu aromatických látek (hlavně methyl-terc-butyletheru). Zvětšení oktanového čísla lze také docílit přidáním olova. Dnes se již vyrábí také tzv. bezolovnaté benziny, ve kterých je výrazně snížen obsah olova (až na 0,013 g/dm3, jak uvádějí Motejl a Horejš).

Obr. 6 Uhlovodíky využívané pro zjišťování oktanového čísla [15]

Čtyřdobý zážehový motor

Čtyřdobý zážehový motor (neboli čtyřtaktní motor, čtyřtakt) je pístový motor, který pracuje na čtyřech pohybech pístu. První čtyřdobý motor byl sestrojen roku 1876 německým inženýrem Nicolausem Ottem (viz kapitola Historie automobilismu).

Základem činnosti motoru je jeho pracovní oběh. U čtyřdobých motorů proběhne sled všech fází za 4 zdvihy pístu, tj. za dvě otáčky klikové hřídele. [13]

Pracovní fáze čtyřdobého zážehového motoru (viz obr. 7):

1. Sání: Sací ventil se otvírá, výfukový ventil je uzavřen. Píst se pohybuje směrem dolů. Do válce je nasávána pohonná směs benzinu a vzduchu vytvořená v karburátoru.
2. Stlačování (komprese): Při stlačování jsou oba ventily uzavřeny. Píst se pohybuje nahoru a stlačuje pohonnou směs. V okamžiku, kdy se píst blíží horní úvrati, přeskočí ve válci jiskra a zapálí směs.
3. Rozpínání (expanze): Oba ventily jsou uzavřeny, zápalná směs prudce shoří, vytvořené plyny stlačují píst dolů. Tento tlak (zdvih) je pracovní.
4. Výfuk: Při výfuku je sací ventil uzavřen, výfukový se otevírá. Píst při pohybu nahoru vytlačuje spálené plyny mimo válec do výfuku. [12]

Obr. 7 Schéma principu čtyřdobého cyklu [16]

Dvoudobý zážehový motor

Jedná se o nejjednodušší typ motoru. Je vyžíván v některých malých autech, ale především u motocyklů. U dvoudobého zážehového motoru je, na rozdíl od čtyřdobého, pracovní každý zdvih pístu. Můžeme tedy říci, že každá druhá doba je pracovní. Při pohybu nahoru je stlačována směs benzinu a vzduchu nad pístem a současně je do prostoru pod pístem nasávána další dávka směsi. Stlačená směs je zapálena jiskrou. Plyny, které při zapálení vzniknou, stlačí na píst zpět do spodní části válce. Při pohybu dolů píst vytlačuje novou dávku nahoru. Tato nová směs vytlačí výfukové plyny a je stlačena do prostoru nad pístem. Píst svým pohybem nahoru a dolů otáčí klikovou hřídelí spojenou se setrvačníkem, který převádí energii na plynulý pohyb a nutí tím píst pohybovat se směrem vzhůru v druhé části každého cyklu. [14]

Dvoudobý motor má oproti čtyřdobému motoru vyšší měrný výkon. Ten je dán dvojnásobným počtem cyklů na jednu otáčku. Má však nižší účinnost, protože komprese nebo expanze musí být zkráceny. To souvisí i s životním prostředím. Dvoudobý motor je z tohoto hlediska méně vhodný, protože zkrácením celé pracovní doby dochází ke změnám v množství vstřikovaného paliva a tím i ke změnám složení výfukových plynů. Ty obsahují větší množství nespálené směsi paliva se vzduchem a jsou méně ohleduplné k životnímu prostředí.

Vznětové motory

Vznětový motor byl vynalezen roku 1897. Sestrojil jej německý inženýr Rudolf Diesel. Odtud pochází také rozšířený název Dieselův motor, nebo zkráceně diesel. V dnešní době je nejvýznamnějším druhem používaných spalovacích motorů. Palivem vznětového motoru je nafta, která je vstřikována přímo do válce motoru. Tento typ motoru nemá ani karburátor ani zapalovací svíčku. Ke vznícení paliva dochází samovolně na základě teploty stlačeného vzduchu. Teplota stlačeného vzduchu se pohybuje kolem 900°C.

Obr. 8 Vznětový motor
[zdroj: výukový program Fyzika zajímavě - Termika]

Princip vznětového motoru je odlišný od principu zážehového motoru (viz obr. 9). Nasává se samotný vzduch (1), který je poté stlačován v prostoru představujícím přibližně 5 % původního objemu (2) Tím je dosahováno mnohem vyššího kompresního poměru než je tomu u zážehového motoru. Díky velkému stlačení vzduchu dojde k jeho zahřátí na vysokou teplotu, takže po vstřiku paliva v horní části válce (3) se směs paliva a vzduchu sama vznítí. Při vznícení je píst stlačen směrem dolů (4). Pohybem klikového hřídele se píst opět vytlačí nahoru, otevře se výfukový ventil a zplodiny spalování unikají výfukovým potrubím do ovzduší (5). [16]

Vznětový motor je účinnější než zážehový motor a má i vyšší hmotnost. Zážehový motor je na rozdíl od motoru vznětového koncepčně jednodušší, zpravidla i menší, neboť je vyrobený z materiálů s vysokým podílem komponentů z lehkých slitin a také odolává menšímu termodynamickému a mechanickému zatížení.

Obr. 9 Schéma vznětového motoru [16]

Elektromotory

Nejjednodušší elektrické stroje používají elektrickou energii ke konání práce obvykle jejím převedením na mechanickou energii.

V elektrických motorech vytváří interakce magnetických a elektrických polí rotační pohyb. Ve větších elektromotorech na stejnosměrný elektrický proud (stejnosměrných motorech) se budí magnetické pole elektromagneticky. Proud, který pohání motor, „teče“ závity cívky, která se může v magnetickém poli otáčet. Proud „teče“ do cívky přerušovaným kovovým kroužkem zvaným komutátor. Skutečné motory mají mnoho cívek, které tvoří rotující kotvu. [17]

U střídavého proudu (střídavý motor, asynchronní), když „teče“ proud vodičem v magnetickém poli, vodič se pohybuje. Když proud „teče“ cívkou v motoru, cívka rotuje. Po částečném otočení obrátí komutátor směr toku proudu v cívce, a tím udržuje její rotaci. Směr proudu se mění rychle. Proto nepotřebují střídavé motory segmentovaný komutátor. Aby se však kotva začala vůbec točit a také aby se točila ve zvoleném směru, mají komerční střídavé motory ještě jednu stacionární cívku. Společně se závity, které vytvářejí magnetické pole motoru, je stacionární cívka zdrojem sekundárního magnetického pole. Toto pole se otáčí a táhne kotvu za sebou. [17]

Principy elektrického motoru se nejlépe ilustrují na jednoduchém zařízení, které má cívku pouze o jedné smyčce (viz obr. 10). Nalevo je stejnosměrný motor. Střídavý motor je znázorněn vpravo. Do obou zařízení přichází elektrický proud, který motorem otáčí (na obrázku motor pohání kladku). Ve stejnosměrném motoru prochází proud párem uhlíkových kartáčků, které jej přivedou na komutátor se dvěma segmenty. Komutátor obrací směr proudu při každé půlotáčce, aby se cívka točila v magnetickém poli stále stejným směrem. Směr střídavého proudu se mění rychle 50 nebo 60krát za sekundu a z tohoto důvodu nepotřebuje střídavý motor komutátor. [17]

Obr.10 Eletromotory [17]

Elektrická vozidla neznečišťují prostředí, proto se dnes hojně využívají. Elektrické lokomotivy obvykle používají vysokonapěťového střídavého proudu z elektrického vedení, který je transformován na nižší napětí a usměrněn k pohonu stejnosměrných dopravních motorů. Systémy městské dopravy a vlaky metra obvykle využívají stejnosměrný proud. Ten prochází třetí kolejí v trati. Silniční vozidla používají baterie. Neustále však pokračuje výzkum a vývoj palivových článků pro tento účel. [17]