Tepelné motory
Spalovací motory
Spalovací motory dělíme na tři kategorie a to:
1) zážehový motor - benzin
2) vznětový motor - nafta
3) proudový motor – kerosin (letecký benzin)
U prvních dvou se lineární pohyb převádí na pohyb kruhový.
Zážehové motory
Rozlišujeme je na dvoutaktní a čtyřtaktní. Počet dob ne vždy závisí na počtu válců, neboť například u Wartburgu můžeme najít motor s třemi válci, který pracuje na dvě doby. Je to nešťastné řešení protože tento motor je méně ekonomický a ekologický než jeho čtyřválcoví kolegové, kteří většinou pracují ve svých čtyřech dobách. Můžeme však také narazit na jednoválec (např. motorové pily, sekačky,…) nebo také šesti, osmi, dvanácti, šestnácti a dokonce i čtyřiadvacetiválec. Válce vždy pracují na čtyři doby a jen si mezi sebou rozdělí čas, takže například u čtyřiadvacetiválce se nachází vždy šest pístů v jedné fázi najednou.
Jako palivo zde poslouží benzin. U čtyřtaktů je benzin bez příměsí, ale v benzinu pro dvoutakty musí být obsaženo olovo.
Princip zážehového motoru:
Čtyřtakt: V první fázi jde píst dolů, vzniká podtlak, který nasává hořlavou směs (benzin se vzduchem). Ve fázi druhé píst stlačí nasátou směs, která se pak ve třetí díky jiskře ze svíčky vznítí a dojde tak k výbuchu. Rychlým rozepnutím vzniká tlak, který zatlačí píst dolů a zároveň umožňuje, aby vyhořelá směs byla vypuštěna a nová byla nasáta. Celý cyklus se pak dále opakuje.
Dvoutakt: V první fázi jde píst nahoru, stlačuje hořlavou směs nad sebou a zároveň podtlak, který vzniká pod ním nasává směs novou. Ve fázi druhé pak jiskra stlačenou směs nad pístem zažehne a vyvolaný tlak stlačí píst dolů. Teď jsou zplodiny vypuštěny a zároveň se nová směs přečerpá z prostoru pod pístem nad něj. Opět dochází ke stlačení a celé se to opakuje.
Ve chvíli, kdy se zplodiny vypouštějí a nová směs se přečerpává však dochází k nechtěnému míchání zplodin s novou směsí, takže ta se spálí nedokonale a motor ztrácí na účinnosti a do ovzduší je pak zbytečně vypouštěna ta nespálená směs.
Dvoutaktní motor je malý a lehký a proto je často používán v menších strojích jako jsou například pily, motorky, sekačky, vodní skútry a modely letadel a lodí. Je také jednoduchý, o čemž svědčí fakt, že neobsahuje 3/4 pohyblivých součástí čtyřtaktního motoru.
Díky tomu je i levný. Po druhé světové válce se začal ve velkém vyrábět ve finančně zruinovaném Německu, kde se za čas díky němu opět zvedla ekonomická situace. Začali jej montovat do legendárních Trabantů. Jen tak pro zajímavost na rozebrání Trabantu potřebujeme dohromady pět klíčů, motor vyndáme za 20 minut a lehce ho uzvedneme v rukou.
Energie vzniká při každém druhém zdvihu, místo při každém čtvrtém a tak musí motor vše vykonat s dvojnásobnou rychlostí, čímž se zvyšuje i hluk.
A jen tak pro zajímavost: Roku 1926 byla vynalezena motorová řetězová pila Andreasem Stihlem.
Vznětové motory
Rudolf Diesel již v 19 letech na přednášce v Mnichově nastínil možnost takovéhoto motoru. Nápad mu vnukla tzv. malajská trubice, což je vlastně dobře těsnící trubička s pístem na jejímž dně je hořlavá látka. Stlačením pístu vzniká v trubici velký tlak a vzduch se rychle zahřeje natolik, že se látka na dně vznítí. Takovému jevu se říká kompresní zapalování.
Princip vznětového motoru:
Do stlačeného rozžhaveného vzduchu se vstříkne hořlavá směs, která se okamžitě zapálí. Pak následuje vypuštění zplodin a nasátí nového vzduchu, který se opět stlačí.
Diesel si nechal svůj vynález patentovat a zakrátko ohromně zbohatl. Jako palivo zkoušel olej na svícení nebo uhelný prach, prostě levné zdroje. Každá hořlavá látka se vznítí při takovém tlaku a teplotě. Nakonec nejlepší výsledky zaznamenal u nafty a tak se s malými obměnami používá až dodnes.
První velkou podporou pro dieselové motory se stala továrna na výrobu kamionů a těžkých dopravních strojů značky MAN, která sídlí v Ausburgu v Německu, a která je ekvivalent Microsoftu. Je to taková směs byznysu a inovací.
Obrovská přednost dieselových motorů spočívá v jejich nejlepší tažné síle v nízkých otáčkách, což je velmi výhodné pro přepravu těžkého nákladu na velké vzdálenosti jako například pro vlaky. Navíc jsou na ně potřeba jen 50-ti procentní náklady a mají dvojnásobný poměr účinnosti než parní stroje, což tenkrát způsobilo revoluci na železnici. Další neméně velká výhoda dieselových motorů je v jejich účinnosti. Pro porovnání – z uhlí je na páru využita asi jen jedna desetina, takže 90 % je na nic, nezužitkováno. Rudolf Diesel počítal s tím, že jeho motory budou využívat palivo na 73 %, bohužel to byly jen teorie a přání. V době svého vynalezení měly diesely účinnost okolo 20 %, dnes je to dokonce až 40 %. Byly však příliš obrovské a těžké, čímž se staly nevhodnými pro dopravní prostředky až do 20. Let našeho století. Roku 1923 bylo vyvinuto lehké vstřikovací čerpadlo, které se s malými obměnami používá až dodnes snad ve všech strojích s dieselovými motory. Snad největší problémy s proniknutím na trh měly diesely v USA, kde obrovská konkurenční automobilka FORD vyráběla benzinová auta rychlostí jedno za deset vteřin. Naštěstí pro diesely tam měli v té době farmáři ekonomickou krizi a tudíž neměli peníze na nákup nových strojů. Přešli tedy na dieselové motory, které vyšly o 25 až 30 % levněji. Tím pádem vzrostla podpora nákladních automobilů s dieselovými motory (ty měly 14 – 16 převodů) a jejich výrobci pak zpětně poskytovali zakázky jejich výrobcům.
Nejlepší z výrobců byl CATERPILLAR, který se startoval dvoutaktním benzinovým Randyho motorem.
V Grande Motori, továrně na dieselové motory v italském Terstu se vyrábí třípatrová monstra, tzv. katedrály, které mají až 50-ti procentní účinnost! Ty však mají při dvoutaktním osmiválci výkon 24.000 koňských sil a jejich rozměry se pohybují asi okolo 40 m na délku, 8 m na výšku a 10 m na šířku. Uvědomme si, jak obrovské musely být rozměry pístů, když výše uvedená čísla byla jen rozměry silného pláště. Také výbuchy, které uvnitř probíhaly asi nebyly žádnou legrací. A spotřeba jakbysmet.
Na závěr historie vznětových motorů zbývá již jen dodat, že ohromně bohatý Rudolf Diesel jednoho dne spadl z lodi a utopil se.
Proudové motory
Vynálezcem proudových motorů se stal Frank Whittle již ve svých 21 letech.
První proudový motor dosahoval rychlosti 500 km/hod. a obsahoval kompresor (tam se vháněl vzduch), v další části se míchala a spalovala hořlavá směs a na konci motoru, tedy vzadu, byla vrtule. To vše bylo spojeno s osou a ukryto v kovovém pouzdře. Takto tedy vypadal obyčejný proudový motor, ale pak přišel na scénu METEOR, který dosahoval rychlosti až 960 km/hod. a to díky nové technologii, která umožňovala, aby zplodiny ze spalovací komory byly znovu zapáleny a díky turbíně vyhnány tryskou ven. Palivem se stal kerosin, letecký benzin.
Tyto motory mají obrovskou sílu, výkon a účinnost, ale také spotřebu a jsou veliké a hlučné. A právě pro tyto záporné vlastnosti se naprosto nehodí k pozemním účelům (velké nádrže, tlumení), na druhé straně jsou však tím nejlepším dosud známým řešením pro leteckou dopravu, zejména civilní, kde je nejdůležitějším požadavkem bezpečnost.
Jedněmi z nejproslulejších výrobců nejen leteckých proudových motorů jsou i německá automobilka BMW a tradiční britský výrobce luxusních automobilů Rolls-Royce. První v Německu vyráběný proudový motor určený pro civilní účely byl BR710 (BMW, R-R). Tvoří ho nejen deset tisíc součástek, ale i 15 km nezbytných drátů a kabelů. Ne všechny součástky jsou ale z kovu. Například pouzdra rotorových lopatek (těch je 744) jsou vyrobena z plastu, stejně jako dalších 34 dílů. Jedná se o materiál nazvaný Vespel, polyamidovou pryskyřici s vlastnostmi kovu a keramiky. Je vysoce pevný, lehký, snáší velké zatížení a teploty do 480° C. Jeho odolnost proti opotřebení je kombinována s nízkým koeficientem lomu. K dalším přednostem patří i rozměrová stálost, nehořlavost a odolnost proti zatížení chvěním. Díky všem pro plast mimořádným vlastnostem se stal Vespel, tvořený z 15 – 30 % grafitem, vhodným materiálem na pouzdra pro pohyblivá vodítka lopatek desetistupňového vysokotlakého kompresoru. Nepotřebuje žádný olej či mazivo – nic takového stejně do kompresoru přijít nesmí, protože by vznikly jedovaté plyny.
Proudové motory se používají u většiny větších civilních letadel, u bojových jsou použity například u B52, F100, F86, stíhaček a tankovacích letadel, která vydrží ve vzduchu až 24 hodin.
Plnící dmychadlo
Plnící dmychadlo je dnes již nedílná součást závodních automobilů a velkých těžkých strojů. Výsledek je přibližně stejný jako když do motoru o objemu 1 litr dáme 2 litry palivové směsi. Motor je pak přeplněný.
Princip plnícího dmychadla:
Plnící dmychadlo je umístěno před motorem a je připojeno před klikovou hřídelí. Motor předává hybný impuls soustavě, která umožňuje, aby se dmychadlo točilo 3x rychleji, než motor. Dmychadlo pak tedy doslova narve trojnásobek vzduchu do karburátoru, kde se pak míchá na kyslík bohatší a kvalitnější směs, která pak proudí do motoru. A čím více je vzduchu, tím více se spaluje. Zjednodušeně řečeno je to taková chytrá soustava měchů, která zvyšuje výkon motoru až o 50 %.
Jsou dva typy:
1. Amherst Villiers – plnící dmychadlo
2. Bentley – přeplňovaný motor.
Němci přišli s dmychadlem jako první (A.V.) a hned bylo tak rafinované, že se spouštělo pouze pro plný výkon, tedy když byl pedál sešlápnutý až k podlaze. Účinek byl stejný jako když u moderní převodovky zařadíte při nízké rychlosti nižší stupeň. Normální zvuk je přitom vystřídán vysokým trubkovým, jaký můžeme slyšet například při startu formulí a motorek, který je způsoben stlačeným vzduchem. Také je podobný zvuku, který vzniká při podřazení za vysoké rychlosti.
U Bentleyů, s kterými přišli Angličané, bylo přeplňování v činnosti neustále, což vedlo k tendenci k přehřívání a technickým poruchám.
První přeplňovaný motor se u bojových stíhacích letadel objevil u Messerschmidta M109, který měl na tehdejší dobu neslýchaných 2000 koní a tak lehce utekl Spitfireům. Další výhoda přeplňovaného motoru byla, že vyšší tlak vyrovnal menší obsah, takže mohl být menší motor. Toho bylo využito například u přeplňovaného MERLINA, který se však jako ostatní přehříval. Tento nedostatek byl vyřešen předěláním na dva stupně. Jakmile motor dosáhl maximálního výkonu, tak se přeřadil.
Jak je známo, čím větší výška, tím menší tlak vzduchu a tím i menší výkon motoru. Pro docílení maximálního výkonu ve vysokých výškách se musel vzduch uměle stlačovat, pro což se uplatnilo právě plnící dmychadlo. Němci přišli se složitější konstrukcí dmychadla ovládaného proměnným tlakem. Dnes se objevuje již v základní výbavě jako Turbo. Dnes je mají všechny typy Mercedesů a jiných luxusních vozidel, většinou proměnné přeplňované.
Roku 1927 se věžně objevovaly 5-ti litry. V Německu díky týmu Daimler-Benz, který měl od vlády neomezené finanční i technické zázemí, měly motory ještě navíc o 2000 ccm větší objem než kdekoliv jinde.
Dalším vynálezem, který ovlivnil vývoj spalovacích motorů a s nimi spojených zařízení bylo přímé vstřikování paliva, tzv. injection. Největší využití našlo u letadel pro výhodu v dobrém klesání. Dobrá směs byla díky němu míchána i když byl stroj na zádech a motor tak nekašlal, nebo dokonce úplně nezhasl.
Faktor, který také ovlivňoval výkon motoru bylo vypařování paliva. To snižuje teplotu asi o 25 – 30° C, čímž se zvyšuje poměr tlaku v kompresoru, což je taková výhoda pro karburátor, jaké s přímým vstřikováním nelze dosáhnout. Motor má pak i 20.000 ot./min.
Zpět
Spalovací motor, který vznikl v 19. století jako výsledek jak hlubokého vědeckého chápání základů termodynamiky, tak snahy inženýrů o nalezení náhrady za parní energii je v určitých případech primárním pohonem. Ve spalovacím motoru se palivo spaluje uvnitř motoru: prvním příkladem ranného modelu jednočinného motoru bylo dělo a různí lidé experimentovali se střelným prachem jako pohonem pístu ve válci. Hlavním problémem bylo nalezení vhodného paliva, dalším problémem pak bylo zažehnutí paliva v uzavřeném prostoru, které by vedlo ke snadno a rychle opakovatelné akci. První problém byl vyřešen v polovině 19. století vybudováním rozvodů plynu ve městech, ale druhý problém se ukázal hůře zvládnutelným, protože bylo obtížné udržet rovnoměrný zážeh. První úspěšný plynový motor vyrobil Étienne Lenoir r. 1859 v Paříži. Návrh byl blízký horizontálnímu parnímu stroji, výbušná směs plynu a vzduchu byla zapalována elektrickou jiskrou na protilehlých stranách pístu, když byl píst v polovině zdvihové dráhy. I když byl motor technicky uspokojivý, jeho provoz byl nákladný a až po zdokonaleních provedených německým vynálezcem Nikolausem Otto r. 1878 se stal plynový motor komerčně úspěšným. Otto přijal čtyřtaktní cyklus vstřik - komprese - zážeh - výfuk, který je od té doby znám pod jeho jménem. Plynové motory byly široce využívány v malých průmyslových závodech, které se tak mohly obejít bez kotle, který byl nutný při využití parního pohonu.
Nafta. Ekonomický potenciál spalovacího motoru byl dán potřebou lehkého motoru pro lokomotivy. Tím nemohl být plynový motor, který závisel na přívodu plynu potrubím městského rozvodu, o nic víc než parní stroj, který potřeboval velký kotel. Ale s použitím alternativních paliv odvozených z ropy se spalovací motor dostal na kola, a to s okamžitými důsledky. Živičné usazeniny v jihozápadní Asii byly známy od středověku a byly zpracovávány jako stavební materiály, zdroje světla a farmaceutické produkty. Při osídlování Ameriky směrem na západ se mnoho domovů dostávalo mimo dosah městských rozvodů plynu a jejich obyvatelé využívali lehce dostupných zdrojů ropy pro výrobu petroleje. V r. 1859 se význam naftařského průmyslu dále zvýšil, když Edwin L. Drake v Pensylvánii úspěšně vyvrtal 21 m hluboký vrt ve skále a nalezl ropu, čímž započalo vyhledávání a využívání hlubinných zdrojů ropy po celém světě. I když se světové zdroje ropy rychle zvětšovaly, největší zájem byl o petrolej, středně těžkou frakci destilovanou ze surové ropy, který byl používán jako palivo v petrolejových lampách. Nejtěkavější frakce ropy, benzín, byla obtížným odpadem, dokud se nezjistilo, že může být spalován v lehkých spalovacích motorech; výsledkem byl ideální primární pohon vozidel. Cesta k tomuto úspěchu byla připravena motory, které spalovaly těžší frakce. Motory spalující benzín, které se objevily v 70. letech 19. století, a motory spalující těžší motorovou naftu vstřikovanou se stlačeným vzduchem, které se objevily koncem 80. let a využívaly Ottův cyklus, se staly vítanou alternativou pro lehké provozy v místech vzdálených od rozvodů plynu.
Nejdůležitější zdokonalení naftového motoru jsou spojena s prací Rudolfa Diesela v Německu, který podal své první patenty r. 1892. Vycházeje z termodynamických principů minimalizace tepelných ztrát Diesel vymyslel motor, v němž velmi vysoká komprese vzduchu ve válci zajistila samovznícení paliva, pokud bylo vstřikováno v pečlivě určeném množství. Tím byla zajištěna vysoká tepelná účinnost, ale vzhledem k vysokým tlakům byla nutná i robustní konstrukce motoru a rovněž chod motoru při nízkých rychlostech nebyl ve srovnání s benzínovými motory tak hladký. Nebyl tedy okamžitě vhodný pro pohon vozidel, ale Diesel svůj motor dále zdokonaloval a ve 20. století se tento typ motoru stal důležitým pohonem vozidel.
Zatím převládal lehký vysokorychlostní benzínový motor. Jeho první aplikací pro pohon vozidel bylo jeho použití pro pohon prvního motocyklu a prvního automobilu v Německu, které Gottlieb Daimler a Carl Benz vybavili motory své vlastní konstrukce r. 1885. Benzův "kočár bez koní" se stal prototypem moderního automobilu, jehož rozvoj a důsledky tohoto rozvoje se budeme více zabývat při popisu revoluce v dopravě.
Koncem 19. století spalovací motor v mnoha aplikacích v průmyslu i dopravě vytlačoval páru. Je dobré si uvědomit, že zatímco skoro všichni průkopníci parního stroje byli Britové, většina inovátorů spalovacího motoru pocházela z kontinentální Evropy a z Ameriky. Tento posun odráží obecnou změnu vedoucí role v průmyslové revoluci: Británie byla postupně vytlačována ze své pozice neohrožované nadřazenosti v industrializaci a technologické inovaci. K podobnému posunu došlo v teoretickém výzkumu tepelných strojů: k nové vědě, termodynamice, spíše než práce britských inženýrů, kteří měli nejvíce zkušeností se stroji, na kterých byly tato věda vystavěna, vedly práce Francouze Sadi Carnota a dalších vědců.
Nelze však učinit takový závěr, že se britské inovace primárních pohonů omezily na parní stroj, nebo že pára a vnitřní spalování jsou na tomto poli jedinými významnými přínosy průmyslové revoluce. Spíše je třeba si uvědomit, že úspěch těchto strojů podnítil spekulace o alternativních zdrojích energie a alespoň v jednom případě bylo dosaženo úspěchu, který dodnes nebyl zcela využit. Byl to motor na horký vzduch, který si nechal Skot Robert Stirling patentovat v r. 1816. Motor na horký vzduch pracuje na základě expanze a vytěsnění vzduchu uvnitř válce, který je zahříván externím a stálým spalováním paliva. Ještě před objevem zákonů termodynamiky Stirling vynalezl cyklus tepelného přenosu, který byl důmyslný a hospodárný. Různými konstrukčními problémy byla velikost motorů na horký vzduch omezena na velmi malé jednotky, takže přestože byly před rozšířením elektromotorů používány k pohonu větráků a podobných lehkých zařízení, nikdy nedosáhly velkého technického významu. Ale díky hospodárnosti a poměrné čistotě provozu se horkovzdušné motory staly znovu předmětem intenzivního výzkumu v 70. letech 20. století.
Transformace energetických technologií za průmyslové revoluce se odrazila v průmyslu i ve společnosti. Za prvé, požadavky na palivo stimulovaly pokračující expanzi a inovace v těžbě uhlí, která se rychle rozvíjela už od počátku 18. století. Parní stroj, díky němuž mimořádně rostla spotřeba uhlí, k jeho těžbě významně přispěl tím, že zajistil účinnější čerpání vody a zlepšení ventilace. Jiné vynálezy, jako hornická bezpečnostní lampa, napomohly ke zlepšení pracovních podmínek, i když okamžitým důsledkem jejího zavedení v r. 1816 bylo rozhodnutí vlastníků dolů těžit i nebezpečné sloje, které byly dosud považovány za nevyužitelné. Lampa využívala toho, že plamen z knotu olejové lampy byl uzavřen do válcové plechové mřížky, kterou procházelo tak málo tepla, že nemohlo způsobit vznícení důlního plynu. Tato lampa byla postupně zdokonalována a zůstala hlavním zdrojem světla v dolech až do zavedení elektrických bateriových lamp. Díky těmto zdokonalením a současně probíhající revoluci v dopravě produkce uhlí v Británii v průběhu 19. století stále rostla. Jiným důležitým palivem pro nové primární pohony byla nafta; o rychlém rozvoji její produkce jsme se již zmínili. V rukou Johna D. Rockefellera a jeho firmy Standard Oil ve Spojených Státech po skončení občanské války dala vzniknout významnému odvětví, ale její zpracování se až do 20. století nikde na světě tolik nerozvinulo.
PŘIDEJTE SVŮJ REFERÁT
Tisknout -
Poslat(@) -
Uložit->Moje referáty -
Přidat referát