Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Ing. Jan Hromádko, Ph.D Spalovací motor jako zdroj energie. 2. Charakteristika automobilových paliv. 3. Pracovní oběhy zážehových a vznětových motorů. 4. Tepelná bilance a účinnosti spalovacího motoru. 5. Kinematika a dynamika klikového ústrojí. 6. Základy konstrukce pístových spalovacích motorů. 7. Palivové soustavy zážehových motorů - nepřímé vstřikování. 8. Palivové soustavy zážehových motorů - přímé vstřikování. 9. Palivové soustavy vznětových motorů. 10. Ekologické aspekty provozu spalovacích motorů. 11. Charakteristiky, regulace a měření spalovacích motorů. 12. Zapalovací soustavy zážehových motorů. 13. Elektrické příslušenství spalovacích motorů. 14. Chladicí a mazací soustavy spalovacích motorů. Témata přednášek

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Definice spalovacího motoru Historický vývoj spalovacího motoru Rozdělení spalovacích motorů Výhody spalovacích motorů Nevýhody spalovacích motorů Základní charakteristiky spalovacích motorů Přizpůsobení ideální hnací charakteristice Spalovací motory Osnova přednášky

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Definice Spalovací motor je teplený stroj, který spalováním paliva získává tepelnou energii a využitím vhodného plynného média ji převádí na mechanickou práci. Energie plynného média je využívána buď jako potenciální energie (tlak) u pístových spalovacích motorů, nebo energie kinetická (rychlost proudu) u spalovacích turbin. Transformace energií ve spalovacím motoru

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Historie První použití pístového parního stroje pro pohon vozidla je připisováno francouzskému inženýru Nikolasi Josephu Cugnotovi, který kolem roku 1769 postavil tříkolové vozidlo poháněné svislým dvouválcovým motorem. Maximální rychlost vozidla byla 4 km/h a na jedno naplnění kotle vodou pracoval parní stroj 15 minut. Parní stroj Cugnotův parní vůz Princip rohatkového pohonu

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Historie Parní stroj V roce 1769 James Watt dostal patent na parní stroj. Označení vynálezce parního stroje právem patří Watovi, nejen pro patent, který získal, ale obzvláště pro jeho zásluhy o rozšíření používání parního stroje a jeho další zdokonalování. Nejznámější z jeho zdokonalení spočívalo v zavedení dvojčinného parní stroje a odstředivého regulátoru. Wattova parní transmise (1787) 1 Wattův odstředivý regulátor 2

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Historie Parní stroj Richard Trevithick (1771 – 1833, Anglie) zkonstruoval v roce 1801 první parní stroj schopný samostatného pohybu. Pojmenoval ho "The Puffing Devil" (Bafající ďábel). Oliver Evans (1755 – 1819, USA) v roce 1804 vynalezl parní vozidlo, která bylo schopné pohybu jak po vodě tak po souši. Toto vozidlo bylo první samohybné vozidlo v USA. Josef Božek (1782 – 1835, Rakousko Uhersko) v roce 1815 předvedl první parou poháněný automobil na našem území. Škoda Sentinel

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Historie Zážehové motory Francouzský vynálezce Philippe Lebon, experimentující s plynem získávaným koksováním dříví, si v roce 1786 zažádal o patent na motor poháněný svítiplynem. Není však známo, že by takovýto motor sestrojil. V roce 1807 švýcarský vojenský vysloužilec Issac de Rivaz ( ) získal patent na vozidlo poháněné výbušným motorem. Vůz dokonce postavil a veřejně zkoušel. Jeho motor měl válec, v němž elektricky zapaloval směs svítiplynu a vzduchu. Píst, který byl výbuchem vytlačen vzhůru, byl pak svojí váhou a atmosférickým tlakem vzduchu tlačen dolů, přičemž ozubeným hřbetem poháněl soukolí, od nějž se pohyb přenášel na kola vozu. Po udělení patentu však v dalším vývoji nepokračoval a tak se jeho práce stala pouze historickou epizodou. Issac de Rivaz

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Historie Zážehové motory Německý vynálezce N.A.Otto. V roce 1867 staví společně s E.Langenem atmosférický plynový motor, i přes značnou hlučnost tohoto motoru se vzhledem k nízké spotřebě plynu osvědčil a začal se v roce 1872 sériově vyrábět. Výkon těchto motorů byl od 1/4 do 3 koňských sil při šedesáti otáčkách za minutu. Zapalování bylo řešeno pomocí plynového plamínku odkrývaného ve vhodný okamžik šoupátkem. V roce 1876 vyrobil Otto čtyřtaktní motor se zvýšeným kompresním poměrem a 25. května 1877 si jej nechal patentovat. Tento typ motoru se stal základem pro stavbu pozdějších spalovacích motorů. Zážehový motor tohoto principu je dodnes označován jako „Ottův motor“. N.A.Otto

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Historie Zážehové motory Dvoudobý plynový spalovací motor konstruuje v roce 1879 K. Benz (1844 – 1929). Avšak proslavil se až svými automobily se spalovacími motory vlastní konstrukce. První tříkolové vozidlo (obr. 1.9), vyjelo z Benzovy dílny na jaře roku Poprvé ujel Benzův vůz 100 metrů, po několika týdnech ujel již trať dlouhou jeden kilometr a dosáhl rychlosti 11 km za hodinu. Teprve třetí model mu však přinesl pronikavější úspěch. Patent na toto vozidlo obdržel v lednu Tříkolka K. Benz 1885

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Historie Zážehové motory Další z německých vynálezců Gottlieb Daimler (1834 – 1900), se snažil o zvýšení výkonu motorů zvýšením otáček motoru. Poznal, že základním omezením je nízkonapěťové elektrické zapalování. Řešení nalezl v zapalování pomocí žhavící trubičky. Žhavící trubička procházející stěnou hlavy válce byla zahřívána zvenku malým plamínkem. V průběhu komprese byla čerstvá směs zatlačena do trubičky a tam se od žhavé stěny vznítila. Spolehlivost tohoto zapalování vedla ke zvýšení otáček motoru až na 900 min -1. Roku 1885 ho zabudoval do stroje dřevěné konstrukce viz obr., který byl defakto čtyřkolový, ale dvě malá stabilizační kolečka historie pomíjí a prohlašuje tento stroj za první motocykl Motocykl G. Deimler

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Historie Zážehové motory Na území české republiky byl první vyrobený automobil v roce 1897 Tatra Präsident. Podvozek vycházel z osvědčeného kopřivnického kočáru „Mylord“. Pod sedadlem v zadní části, v prostoru, který u kočárů sloužil pro zavazadla, byl umístěn dvouválcový ležatý motor Benz o obsahu 2,714 l a výkonu přibližně 5 koní při 600 min -1 (vrtání i zdvih 120 mm). Tatra Präsident

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Historie Vznětové motory 28. února 1892 obdržel Rudolf Diesel ( ) německý patent číslo s názvem „Způsob práce a druh provedení spalovacího motoru“ První prototyp ze srpna 1893 poháněl uhelný prach. Roku 1896 byl postaven druhý pokusný motor s vodním chlazením a vstřikováním benzínu. Po krátké době experimentů byl benzín nahrazen petrolejem, s nímž motor pracoval klidněji. Třetí prototyp byl hotový v prosinci 1896 a odzkoušený v roce Tento motor již plnil všechny požadavky, vznikl tak klasický vznětový čtyřdobý motor. Rok 1897 je právem považován za rok vzniku vznětového motoru. Motor měl výkon 14,7 kW při otáčkách 170 min -1. Motor prokázal vysokou ekonomičnost (celková účinnost byla 26 %), ale pro značné rozměry, hmotnost a složitost vysokotlakého kompresoru, který u prvních Dieselových motorů zabezpečoval dopravu paliva do válce v proudu stlačeného vzduchu, byly tyto motory používány, jako motory stacionární nebo motory lodní.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Historie Vznětové motory Diesel Patent z roku

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle způsobu přívodu tepelné energie motory s vnějším spalováním: Spalovací proces probíhá mimo pracovní válec. Médiem pro přenos energie je např. vodní pára, vzduch a některé plyny např. helium (pístový parní stroj, Stirlingův motor). motory s vnitřním spalováním: Spalovací proces probíhá uvnitř pracovního válce. Pracovní látkou v těchto motorech jsou přímo produkty spalování (pístový spalovací motor a spalovací turbína). Podle způsobu transformace energie pístové: S vratným nebo rotačním pohybem pístu, u nichž je využívána především potenciální energie spalin; lopatkové: Spalovací turbíny využívající především kinetickou energii spalin proudové a raketové: Využívají reakci proudu spalin, která je dána jejich hmotností a rychlostí.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle použitého paliva Plynové motory: propan – butan, zemní plyn, kychtový plyn, generátorový plyn, kalový plyn a bioplyn Motory na kapalná paliva: a) ropná lehko odpařitelná paliva (benzín, petrolej) b) ropná těžko odpařitelná paliva (nafta, mazut) c) kapalná paliva neropného původu (metanol, etanol, metylester řepkového oleje) d) směsná paliva (lihobenzinová paliva, nafta + metylester řepkového oleje) Vícepalivové motory: většinou provoz na plynného paliva s možností záměny palivem kapalným (propan - butan + benzín, zemní plyn + benzín, zemní plyn + nafta, bioplyn + nafta).

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle způsobu dopravy náplně do válce motoru: Motory s přirozeným sáním: Motory čtyřdobé nasávají čerstvou náplň (vzduch, směs paliva se vzduchem) do válce motoru podtlakem, který vzniká pohybem pístu ve válci. Motory s vyplachováním: Motory dvoudobé u nichž k dopravě čerstvé náplně do válce motoru je využíván přetlak vyvolaný dmychadlem, nebo spodní kompresí u malých motorů, tj. stlačením vzduchu, nebo směsi paliva se vzduchem pístem motoru v klikové skříni motoru při jeho pohybu do dolní úvrati,. Přičemž vstupující čerstvá náplň vyplachuje vnitřní objem válce od zbylých spalin. Hodnota přetlaku je malá, přibližně 15 až 20 kPa. Motory přeplňované: Čtyřdobé i dvoudobé motory u nichž je k dopravě čerstvé náplně do válce použito dmychadlo vyvolávající přetlak 0,1 až 0,2 MPa.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle počtu dob pracovního cyklu Motory čtyřdobé: Pracovní oběh čtyřdobých motorů 10

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle počtu dob pracovního cyklu Motory dvoudobé: Pracovní oběh dvoudobých motorů 11

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle způsobu zapálení směsi Motory zážehové: (podle převážně používaného paliva - benzínové), (v německy mluvících zemích - OTTOmotoren). Směs paliva se vzduchem je zažehována energií vnějšího zdroje, např. elektrickou jiskrou. Používá se u motorů na plynná paliva, benzín, líh případně dříve petrolej. Kompresní poměr ε je omezen teplotou vznícení směsi paliva se vzduchem a tedy vznikem detonačního hoření (ε max = 11,5). Tlak na konci komprese 0,8 až 1,5 MPa. Teplota na konci komprese 400 až 600 °C.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle způsobu zapálení směsi Motory vznětové: (podle převážně používaného paliva - naftové), (v německy mluvících zemích - DIESELmotoren). Palivo, které je vstřikováno do válce motoru (případně komůrky) se v důsledku vysoké teploty vyvolané stlačením vzduchu vznítí. Pro dosažení potřebné teploty vznícení je nutno použít velký kompresní poměr (ε min = 12). Běžně používaný kompresní poměr u motorů s přímým vstřikem ε = 17 a u motorů komůrkových ε = 22. Tlak na konci komprese 3,0 až 5,5 MPa. Teplota na konci komprese 700 až 900 °C.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle celkového uspořádání a detailů konstrukce Podle způsobu přenosu síly od pístu S přímým přenosem síly ojnicí na klikový hřídel, kde zachycení axiální síly klikového mechanismu zajišťuje plášť pístu. Křižákové motory, kde zachycení axiální síly klikového mechanismu zabezpečuje křižák, přičemž kluzák křižáku je pevně spojen s pístem pístní tyčí. Používá se pouze u pomaloběžných motorů o velkém výkonu. Motory bez klikového mechanismu (motory rotační např. Wankel, motory se šikmou deskou, např. Stirling, motory s volnými písty např. lineární spalovací motor).

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle celkového uspořádání a detailů konstrukce Podle způsobu činnosti motory jednočinné, kde pracovní oběh je uskutečňován pouze na jedné straně pístu. motory dvojčinné, kde pracovní oběh probíhá na obou stranách pístu. Podle počtu a uspořádání válců motoru motory jednoválcové motory víceválcové – jednořadové, dvouřadové (nejčastěji do V, případně proti sobě „box motory“, víceřadové (např. do W, X, nebo u letadel hvězdicové motory)

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle celkového uspořádání a detailů konstrukce Podle rychloběžnosti pomaloběžné motory - se střední pístovou rychlostí menší než 6,5m.s -1 rychloběžné motory - se střední pístovou rychlostí větší než 6,5m.s -1 Podle způsobu chlazení motoru kapalinou chlazené motory vzduchem chlazené motory s kombinovaným chlazením

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Rozdělení Podle celkového uspořádání a detailů konstrukce Podle konstrukce rozvodového mechanizmu motory ventilové ( SV, OHV, OHC, DOHC, SOHC, desmodromické ) motory šoupátkové motory s kanálovým rozvodem motory se smíšeným typem rozvodu (např. sání pomocí kanálů, výfuk řízen ventilem) Podle zdvihového poměru Z/D Z/D < 1 - motory krátkozdvihové (pod čtvercové) Z/D = 1 - motory čtvercové Z/D > 1 - motory dlouho zdvihové (nad čtvercové)

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výhody PSM Vysoká celková účinnost, tj. účinnost charakterizující transformaci energie obsažené v palivu na mechanickou práci. Čtyřdobé motory zážehové (benzinové, plynové) - celková účinnost dosahuje 25 až 35 %. V důsledku menší tepelné účinnosti pracovního oběhu je nižší než u motorů vznětových. Čtyřdobé motory vznětové ( naftové) - celková účinnost se pohybuje v rozmezí 35 až 45 %. Vyšší hodnoty jsou dosahovány u motorů přeplňovaných. Dvoudobé motory (benzinové) - mají celkovou účinnost kolem 10 až 15 %. Spalovací turbíny v závislosti na teplotě spalin před turbínou, velikosti, použití výměníků a regulačních orgánů na vstupu plynů, dosahují celkové účinnosti v rozmezí 10 až 30 %.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výhody PSM Jednoduchost konstrukce a kompaktnost pístových spalovacích motorů. Při porovnávání je vždy nutno uvážit i velikost a rozměry zásobníků energie a velikost obslužných zařízení nutných pro provoz. Například elektromotor + akumulátorové baterie, parní turbína + příslušenství (kotel, kondenzátor, palivová nádrž...). Malá měrná hmotnost vyjádřená v kg hmotnosti motoru připadajících na 1 kW výkonu. Hodnoty tohoto parametru neustále klesají. Přispívá k tomu zvyšování otáček u naftových motorů, používání přeplňování motorů, nové konstrukční materiály (hliníkové slitiny, plasty, keramika), jakož i dokonalejší výpočtové a experimentální metody používané při konstrukci a zkoušení motorů.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výhody PSM typ motoruotáčky motoru [min -1 ] výkonová hmotnost [kg.kW -1 ] volnoběžné lodní motory100 ÷ ÷ 60 průmyslovén < ÷ 40 průmyslovén > ÷ 18 lokomotivnín = ÷ 7 automobilové - zážehové5000 ÷ ÷ 4 automobilové - vznětové2000 ÷ ÷ 6 Tabulka měrných hmotností jednotlivých typů motorů Poznámka: Nejnižší měrnou hmotnost mají spalovací turbíny v jednohřídelovém provedení, s otevřeným oběhem a bez výměníků. Současné letadlové spalovací turbíny mají měrnou hmotnost od 0.2 do 0.35 kg.kW -1. U spalovacích turbín s krátkou životností, např. turbínové motory tzv. „křídlatých raket“, byly dosaženy hodnoty až 0.1 kg.kWh -1.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výhody PSM Možnost rychlého spuštění a rychlého zatížení a krátkých přestávek provozu v porovnání s tepelnými motory s vnějším spalováním (např. spalovací turbíny). Poznámka: Při extrémně nízkých teplotách je však spouštění spalovacích turbin snazší. Používání paliv s vysokým energetickým obsahem. Kapalná paliva používaná u pístových spalovacích motorů mají malý objem a hmotnost při velkém energetickém obsahu. To má velký význam zvláště u motorů dopravních prostředků, které požadují velký jízdní dosah při přijatelných rozměrech palivových nádrží. Možnost provedení motorů jako více palivových umožňujících přechod z jednoho paliva na druhé za chodu motoru, např. meřo a nafta, zemní plyn a benzin, etanol a benzin. Poznámka: To platí i pro spalovací turbínu kde lze použít téměř jakékoliv palivo

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nevýhody PSM Nutnost spouštět odlehčený motor cizím zdrojem energie: vzhledem k principu práce pístového spalovacího motoru je nutnost použití cizího zdroje ke spuštění zřejmá. Méně zřejmá je skutečnost, že pístový spalovací motor je nutno spouštět buď úplně nezatížený a nebo jen s malým zatížením. U zařízení, která není možno při spouštění motoru odlehčit musí být mezi motorem a strojem zařazena spojka. Nevýhodný průběh točivého momentu: při konstantním množství přiváděného paliva dochází při nárůstu zatížení motoru k poklesu otáček klikového hřídele motoru. Narůst točivého momentu při poklesu otáček je poměrně malý a vede k požadavku na zástavbu mnohastupňových převodovek. Malá přetížitelnost pístových spalovacích motorů: přetížení motoru nad hodnotu jmenovitého, nebo maximálního momentu je u běžných motorů nemožné. Maximální (jmenovitý) výkon motoru je omezen množstvím vzduchu a tudíž i paliva, které je do válce motoru přiváděno.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Nevýhody PSM Negativní vlivy provozu pístových spalovacích motorů na okolní prostředí: hlukem - výfuku a sání motoru - spalování - mechanickým hlukem motoru a příslušenství vibracemi - v důsledku obtíží při vyvažování posuvného pohybu - v důsledku obtíží s přerušením přenosu vibrací na stroj exhalacemi- CO 2, CO, HC, NO X, PM

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Základní charakteristiky Základní charakteristikou spalovacího motoru je vnější otáčková charakteristika měřená při plném zatížení. Lze na ní najít 4 významné body. Bod 1 je točivý moment při maximálním výkonu. Bod 2 je maximální točivý moment. Bod 3 je točivý moment při minimálních otáčkách motoru. Bod 4 je točivý moment při maximálních otáčkách motoru.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Základní charakteristiky Vlastnosti vnější rychlostní charakteristiky motoru se vyjadřují několika ukazateli. momentová pružnost pro zážehové motory 1,07 – 1,50 pro vznětové motory 1,03 – 1,35 otáčková pružnost pro zážehové motory 1,5 – 3,5 pro vznětové motory 1,3 – 2,0 celková pružnost motoru pro zážehové motory 1,6 – 5,25 pro vznětové motory 1,34 – 2,7

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Základní charakteristiky Charakteristika spalovacího motoru vyplní poměrně malou část ideální hnací charakteristiky. Charakteristiku motoru je tedy nutno změnit tak, aby se přiblížila ideální charakteristice.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Literatura: [1] James Watt [online]. [cit ]. Dostupný z WWW:. [2] Wattův odstředivý regulátor [online]. [cit ]. Dostupný z WWW:. [3] Škoda Sentinel [online]. [cit ]. Dostupný z WWW:. [4] Francois Isaac de Rivaz (1807) [online]. [cit ]. Dostupný z WWW:. [5] Otto Langen. [online]. [cit ]. Dostupný z WWW:. [6] První benzinová motorka: Stojací hodiny v rámu. [online]. [cit ]. Dostupný z WWW:. [7] Tatra Präsident [online]. [cit ]. Dostupný z WWW:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Literatura: [8] The diesel engine. online]. [cit ]. Dostupný z WWW:. [9] Diesel Rudolf. [online]. [cit ]. Dostupný z WWW:. [10] Encyclopædia Britannica - four-stroke cycle [online]. [cit ]. Dostupný z WWW:. [11] Encyclopædia Britannica - two-stroke cycle [online]. [cit ]. Dostupný z WWW:.