spalovací motor

Spalovací motor (v širším smyslu) je stroj, který spálením paliva přeměňuje jeho chemickou energii na mechanickou práci. Ke spalování paliva nebo palivové směsi může docházet v motoru, ale i mimo motor. V užším smyslu se pod pojmem spalovací motor zpravidla rozumí pístový spalovací motor.[1]. Článek se zabývá spalovacím motorem v širším smyslu.
​

Princip práce

Některé látky, obecně nazývané paliva, jsou schopny chemické reakce spalování, při které se uvolňuje teplo. Pokud se uvolněným teplem zahřeje pracovní plyn, podle stavové rovnice se zvýší jeho tlak, nebo objem, v závislosti na tom, zda se nachází v uzavřeném nebo otevřeném prostoru. Tento stav plynu můžeme využít k provedení mechanické práce, buď působením tlaku na pohyblivou část motoru, nebo využitím zákona akce a reakce při výtoku pracovní látky z motoru. Vyvedení získané mechanické práce ve využitelné formě je už jen věcí vhodného konstrukčního řešení. Celý proces probíhá v souladu s druhou termodynamickou větou jen s určitou účinností.

Některá z variant uvedeného obecného principu je přítomna v realizaci každého spalovacího motoru. Přitom platí:

paliva mohou být tuhá, kapalná nebo plynná,
prostředí ve kterém se spalují je nejčastěji, ale může to být i jiná látka,
spalování může probíhat uvnitř nebo vně motoru,
pracovní plyn může být samostatný, nebo to mohou být přímo spaliny,
pracovní plyn se průběžně vyměňuje, nebo je uzavřen v motoru,
pohyblivá část motoru na kterou působí pracovní plyn se může pohybovat různým způsobem,
pro získání mechanické práce se může využít jeden, druhý nebo oba způsoby společně.
Vzhledem k výše uvedenému není překvapující, že skupina spalovacích motorů zahrnuje množství typů a různých konstrukčních provedení, proto je užitečné použít pro jejich rozdělení správná kritéria.

Rozdělení
Spalovací motory se rozdělují podle několika hledisek. Jednotlivá hlediska jsou vzájemně nezávislá, proto se nedá v tomto případě vytvořit jednoduchá stromová struktura

Základní rozdělení
Spalovací motory se dělí:

podle toho, kde ke spalování dochází (v motoru nebo mimo něj) na
motory s vnitřním spalováním (většina současných spalovacích motorů)
motory s vnějším spalováním, přičemž u nich lze rozlišovat, zda se energie do pracovního prostoru dostává
přívodem pracovních plynů (například plynová turbína)
prostupem tepla prostřednictvím ohřívače pracovní látky (například Stirlingův motor)
podle pracovního cyklu na
motory s kontinuálním pracovním cyklem (například spalovací turbína)
motory s přerušovaným pracovním cyklem
dvoudobý motor
čtyřdobý motor
Podle základního pracovního principu na:
pístové spalovací motory
motory s přímočarým vratným pohybem pístu (většina současných spalovacích motorů)
motory s krouživým pohybem pístu (Wankelův motor)
lopatkové motory (turbíny)
reaktivní motory (proudové, nebo raketové)
Pístové spalovací motory se podle způsobu vyvolání spalování dělí na:
zážehové - spalování vyvolá energie z vnějšího zdroje - jiskra zapalovací svíčky
vznětové - když spalování vyvolá ohřev stlačené směsi nad zápalnou teplotu
motory s kombinovaným zapalováním
žárové motory
V běžné praxi se dnes pod spalovacím motorem rozumí spalovací motor s vnitřním spalováním.
​

Další rozdělení
Existují i další podrobnější aspekty. Následující seznam kritérií není úplný, navíc jednotlivé kategorie spalovacích motorů, například turbíny, mají specifické vlastní kategorie.

podle druhu spalovaného paliva se motory rozdělují na:
plynová - spalující plynná paliva například zemní plyn
na kapalná paliva - ropná (benzin, nafta), nebo jiná (alkohol)
na tuhá paliva - například práškové uhlí
různopalivové - které mohou přejít na spalování jiného paliva s úpravami případně bez úprav motoru
dvoupalivové - které spalují současně více druhů paliva
podle místa přípravy směsi:
s tvorbou směsi mimo pracovní prostor - například v karburátoru, spalovací komoře
s tvorbou směsi v pracovním prostoru - například ve válci vznětových motorů
podle způsobu přípravy směsi:
karburační motory
vstřikové motory
podle způsobu jak se dopravuje vzduch do válců:
motory s atmosférickým plněním válců (přirozeným), když nasávání zajišťuje pouze podtlak vyvolaný pohybem pístu ve válci,
přeplňovaný motor, když naplnění válce pod větším tlakem než má okolní atmosféra zajišťuje přídavné zařízení v plnícím systému. Plnicími zařízeními mohou být mechanická dmychadla nebo i kompresory, například v automobilu VW Corrado (G-Lader), nebo kompresory používané v automobilech Bentley (Bentley Blower) turbodmychadla, například v motorech TDI od společnosti VW.
dle pracovního určení na: stacionární, mobilní, průmyslové, elektrárenské, lodní, železniční, vozidlové, traktorové, speciální a jiné.
Pístový spalovací motor
Bližší informace v hlavním článku: Pístový spalovací motor
Tyto motory jsou nejpočetnějším zástupcem spalovacích motorů v technických zařízeních. Téměř výhradně se používají pro pohon motorových vozidel. Jejich základní součástí je píst, který koná posuvný nebo rotační pohyb a zprostředkovává přeměnu tlakové energie plynové náplně na mechanickou energii otáčejícího se hřídele.

Zážehový motor
Bližší informace v hlavním článku: Zážehový spalovací motor
Základní charakteristikou zážehových motorů je, že směs ve válci nad pístem se zapaluje nejčastěji jiskrou mezi elektrodami svíčky. Směs k zapálení potřebuje cizí zdroj energie. Zážehový motor může pracovat jak dvoutaktní, i čtvrtotaktní.

Vznětový motor
Bližší informace v hlavním článku: Vznětový motor
Základní charakteristikou vznětových motorů je, že směs, která se tvoří teprve přímo ve spalovacím prostoru, se vzněcuje od tzv. spalovacích motorů. kompresního tepla. Tyto motory mají tak vysoký kompresní poměr, že při stlačení vzduchu nasátého do válce je v okamžiku vstříknutí paliva ve spalovacím prostoru teplota vyšší, než je teplota vznícení paliva. I vznětový motor může pracovat jako dvoutaktní nebo čtyřtaktní.

Raketový motor
Bližší informace v hlavním článku: Raketový motor
Raketový motor má speciální postavení mezi ostatními spalovacími motory:

pracovní látku nečerpá během činnosti z atmosféry , ale kromě paliva musí mít v zásobě i dostatečnou zásobu okysličovadla
užitečným výstupem motoru není mechanická práce, ale reakční účinek spalin
kromě pomocných systémů (např. čerpadla, natáčení trysek) neobsahuje v hlavním systému přeměny energie pohyblivé součásti.
S přihlédnutím k výše uvedeným zásadním odlišnostem se některé části níže uvedeného textu na raketové motory nevztahují.

Historie
První návrhy využití střelného prachu, jako zdroje mechanické energie se objevily již v 17. století. Ve Francii se problematikou zabývali Hautefeuille a Denis Papin, v Nizozemsku Christian Huygens. Koncem 18. století navrhl Street ve Velké Británii využít směs kapalného paliva se vzduchem a Barber navrhl první spalovací turbínu. V 19. století patentoval Lebon dvojčinný plynový motor, S. Brown postavil plynový motor a v roce 1826 ho zabudoval do vozidla. Étienne Lenoir zkonstruoval v roce 1860 dvoutaktní dvojčinný šoupátkový motor na svítiplyn. V roce 1867 Nikolaus Otto a Langen zkonstruovali atmosférický plynový motor, v roce 1873 Reithmann čtyřtaktní plynový motor, v roce 1878 opět Otto ležatý čtyřtaktní plynový jednočinný motor. V roce 1879 zkonstruoval Kostovič zážehový motor o výkonu až 60 kW na pohon vzducholodí. V roce 1884 Gottlieb Daimler zkonstruoval první čtyřtaktní zážehový motor s vysokými otáčkami. V roce 1893 popsal Rudolf Diesel pracovní oběh pro využití práškového uhlí, nebo jiných těžkých paliv. V 10. letech 20. století probíhaly pokusy vstřikovat palivo čerpadlem a ne prostřednictvím stlačeného vzduchu. Sériovou výrobu automobilů, a tedy i jejich motorů začala v roce 1908 firma Ford. V roce 1912 postavila švýcarská firma Sulzer první lokomotivy, poháněné naftovým motorem.

Výhody a nevýhody spalovacích motorů
Každý typ spalovacího motoru má své výhody a nevýhody, a proto se více či méně hodí pro pohon jednotlivých zařízení.

Hlavní výhody spalovacích motorů jsou:

v pístovém provedení dosahují vysoké účinnosti přeměny energie. 

lze je rychle uvést do provozu (s výjimkou motorů s velkými výkony)
lze konstruovat pro různá paliva, účely a velikosti
zejména s kapalnými palivy umožňují dosahovat nízké spotřeby paliva, vysoké akční rádiusy, nízké výkonové hmotnosti, t. j. jsou vhodné pro pohon dopravních prostředků.
Hlavní nevýhody spalovacích motorů jsou:

nevhodné působení na životní prostředí
vyžadují pro start cizí zdroj energie (kromě raketových)
pístové motory mají nevýhodný průběh výkonových charakteristik
nedosahují vysokou životnost

Podsystémy

 

Elektrický startér

Motor pro svoji reálnou práci potřebuje další podsystémy.

Palivový systém zajišťuje uskladnění, rozvod a filtrování paliva.
Systém přípravy směsi zajišťuje přípravu spalovací směsi vzduchu a paliva v dostatečném množství, kvalitě a vhodném složení.
Chladící systém zajišťuje odvod zbytkového tepla a provoz motoru v optimálním tepelném režimu.
Mazací systém zajišťuje mazání pohyblivých částí motoru.
Řídící systém (dnes téměř výhradně elektronický) zajišťuje regulaci chodu motoru na základě vnějších podmínek a samotného stavu motoru.
Elektrický systém zajišťuje dostatek energie pro systémy poháněné elektrickou energií.
Zapalovací systém (u zážehových motorů) zajišťuje spolehlivé zapálení směsi ve spalovacím prostoru.
Regulace výkonu
Výkon spalovacího motoru závisí hlavně na množství energie uvolněné hořením paliva. Množství uvolněné energie můžeme regulovat dvěma způsoby.

Regulování množství směsi, jinak nazývané také kvantitativní regulace. Při menším množství směsi se uvolní méně energie a tedy motor předá menší výkon. Tuto regulaci využívají zážehové motory bez pracující s homogenní směsí. Nejčastěji je tato regulace realizována škrtící klapkou v sacím potrubí.
Regulování složení směsi, jinak nazývané také kvalitativní regulace. Stejné množství směsi, která obsahuje méně paliva, uvolní méně energie. Tuto regulaci využívají zejména vznětové motory pracující s heterogenní směsí. Nejšastěji je tato regulace reprezentována změnou délky vstřiku paliva.
Složky směsi
Paliva
Jako paliva se nejčastěji používají uhlovodíky: lehkoodpařitelné (benzin), těžkoodpařitelné (nafta), stlačený zemní plyn (CNG), zkapalněný propan-butan (LPG), alkoholy (methanol, etanol).

Využívají se i jejich různé směsi, případně se motor používá jako vícepalivový s přepínáním paliva během jízdy. V poslední době se do paliv začínají přidávat biologické příměsi, jako například methylester řepky olejné (MERO).

Intenzivně se pracuje na nahrazení ropných paliv vodíkem.

Vzduch
Kromě paliva je nezbytnou složkou směsi pro většinu spalovacích motorů vzduch, protože obsahuje kyslík potřebný ke spalování.

Energetická bilance
Teplo přivedené v palivu se ve spalovacím motoru rozdělí následovně:

Qd = Qe + Qch + Qv + Qns + Qol + Qzv

Qd - teplo dodané v palivu
Qe - teplo ekvivalentní užitečné práci motoru
Qch - teplo odvedené do chladicí soustavy
Qv - teplo odvedené výfukovými plyny
Qns - teplo nevyužité nedokonalým spálením paliva, nazývané také chemické ztráty
Qol - teplo odvedené mazacím olejem
Qzv - teplo nezahrnuté v předchozích členech (jiné ztráty)
Podíl nejvýraznějších složek rovnice je uveden v tabulce, přičemž Qd odpovídá 100%.

Druh motoru % Qe % (Qch + Qol) % Qv
zážehový 21 až 28 12 až 27 30 až 55
vznětový 29 až 42 15 až 35 25 až 45
Tepelná energie, která způsobuje ohřev motoru a spalin (Qch, Qv, Qol) je nevyužitelná a nazývá se ztrátovou energií.

Z uvedeného srovnání vyplývá že vznětový motor využije dodanou energii efektivněji, pracuje tedy s vyšší účinností.

Z tepla ekvivalentního užitečné práci Qe se ještě část spotřebuje na mechanické ztráty (tření a pohon pomocných agregátů).

Emise

 

Spalovací motory jsou významným zdrojem emisí
Bližší informace v hlavním článku: Emise dopravních prostředků
Spalovací motor s ohledem na jeho masové rozšíření patří k významným zdrojům znečišťování životního prostředí. Přirozeným produktem dokonalého spalování uhlovodíkového paliva jsou

CO2 - oxid uhličitý.
H2O - voda.
Kromě nich vznikají i ostatní škodlivé sloučeniny:

NOx - oxidy dusíku, nejvíce zastoupené oxidem dusičitým. Vznikají disociací dusíku při vysokých teplotách a jeho následnou oxidací.
NH3 - amoniak. Vznikají nedostatečným spálením paliva.
CO -oxid uhelnatý. Vzniká nedokonalým spalováním bez dostatečného přístupu vzduchu (kyslíku).
CHx - nespálené uhlovodíky. Vznikají nedostatečným spálením paliva.
SO2 - oxid siřičitý. Vzniká spalováním příměsí síry v palivu.
O3 - ozón. Vzniká při reakcích NOx a CHx.
pevné částice - rozpustné, nebo nerozpustné (saze) - zejména u motorů spalujících těžko odpařitelná paliva (dieselové motory).
aldehydy - částečně naoxidované uhlovodíky.
Spalovací motor je také významným zdrojem emisí hluku.

Snižování emisí
Při současné úrovni poznání nelze spalovací motor masově nahradit jiným alternativním pohonem, vhodným pro automobilovou dopravu, který by zachoval výhody spalovacího motoru a neměl by jeho nevýhody. Proto výrobci motorů a motorových vozidel intenzivně pracují na snížení nepříznivých dopadů používání spalovacích motorů.

Při snižování emisí lze využít některé z následujících technik:

Zvýšení účinnosti motoru. Tato technika přináší snížení spotřeby paliva, čemuž úměrně se sníží i objem emisí vytvořených motorem za jinak stejných podmínek. Pro snižování emisí C02 je tato technika jediná možná, jelikož oxid uhličitý je produkt dokonalého (a tedy čistého) spalování.
Použití přídavných zařízení. Úkolem těchto zařízení je zvýšit čistotu výfukových plynů, před vypuštěním do ovzduší. Technickou realizací jsou katalyzátory (třícestné, nebo reagující jen na určitou složku) nebo filtrace spalin.
Konstrukční úpravy motoru. Jde hlavně o změny kompresního poměru, časování ventilů, velikosti a tvaru vstřikovacích otvorů, zvýšení počtu ventilů, změna tvaru spalovacích prostor, snižování třecích ztrát.
Ovlivnění průběhu spalování. Realizuje se změnou časových a objemových průběhů vstřiku, využitím žhavicích svíček i při nízkých zatíženích, změnou proudění náplně ve válci.
Úprava paliv. Žádoucí jsou paliva s vyšším podílem vodíku, nižším obsahem síry a polycyklických uhlovodíků, se zvýšeným cetanovým a oktanovým číslom.
Změna pracovního cyklu. Pro motory s kvantitativní regulací lze využít techniku vypínání válců CDA (Cylinder DeActivation).
Ovlivněním plnění válců. Při částečných zatíženích je možné využívat techniku recirkulace výfukových plynů - EGR (Exhaust Gas Recilculation).