Tepelné motory

Tepelné motory
  
1. Úvod
Už  ako malý chlapec som sníval o tom, ako raz budem veľký a kúpim si obrovské auto. No málokedy som pomyslel na to, aké zložité a zaujímavý mechanizmus vlastne auto poháňajú. V súčastnosti navštevujem aj autoškolu a preto pri výbere témy projektu som si zvolil tému tepelných motorov.Projekt je o tom, čo  vlastne motor je, na akom princípe funguje aby keď dostanem do rúk vodičský preukaz som vedel, ako ten motor vlastne funguje.

2. Tepelné motory ( všeobecná charakteristika)
Tepelné motory získávajú mechanickú energiu zmenou tepelnej energie pracovnej látky. Pracovnou látkou môže byť  buď para alebo plyn. Podľa toho sa preto delia na parné motory a motory spaľovacie.
 
Motory môžme deliť podľa konstrukčných znakov na :
- piestové (motory spaľovacie vznetové a zážihové, parné motory…)
- rotačné (parné a vodné turbíny, väčšina elektromotorov)
- reaktívne (prúdové a raketové motory)

2.1 Piestové motory
2.1.1 Parné stoje
Tlaková sila pary stále vyrába veľkú časť energie, ktorú dnes používame. Aj keď zdrojom tepla, ktoré mení vodu na paru točiacimi sa turbínami napojenými na elektrické generátory, sú najmodernejšie jadrové reaktory.
Prvý parný stroj bol vynájdený v 1. storočí nášho letopočtu gréckym konštruktérom Herom z Alexandrie. Dutú guľu pripevnil na dve trubky , ktorými do nej išla para z malého kotla. Para guľu naplnila a unikla cez rúrky po stranách. Takáto sila prúdiacej pary spôsobila, že sa guľa začala otáčať. Aj keď bol tento objav veľmi pozoruhodný, z tejto konštrukcie nevyplývala žiadna možnosť rozumného využitia.

Prvý praktický parný stroj bol vynájdený v roku 1698 anglickým inžinierom Thomasom Saveryom. Para bola prudko ochladzovaná v uzavretej komore, kým neskondenzovala na malé množstvo vody. Veľký úbytok objemu tak vytváral podtlak, ktorý bol využívaný k odsávaniu vody z uhoľných dolov.  V parnom stroji, ktorý zostrojil Angličan Thomas Newcomen okolo roku 1710, vytlačovala para piest vo valci. Potom bol valec ochladený tak, aby para skondenzovala a piest zišiel naspäť dole. Kondenzáciou pary sa zmenšoval tlak vo valci, tak, že piest bol stlačený dole pôsobením atmosferického tlaku. Preto Newcomen predstavil svoj parný stroj ako „atmosferický“. Bol využívaný k poháňaniu dolných čerpadiel. Hoci bol tento systém podstatne výkonnejší než systém Saveryov, bol dosť pomalý a neúčinný. Bolo to tak preto, lebo valec sa po ochladení musel znovu rozohriať, aby vzniklo dostatočné množstvo pary, ktorá by piest znovu vytlačila. Ináč by totiž skondenzovala okamžite.

Zmienený problém vyriešil škótsky inžinier James Watt. V jeho motore vynájdenom v roku 1769 bola para prepúšťaná ku kondenzácii do samotnej komory. Tým, že valec nebol striedavo zohrievaný a ochladzovaný, tepelné straty boli relatívne malé. Wattov motor bol tiež rýchlejší, pretože do valca bolo možné púšťať viac pary hneď, akonáhle sa piest vrátil do svojej pôvodnej polohy.  Toto a mnohé ďalšie zlepšenia umožnili, že Wattove motory mali širokú možnosť využitia.

Vo viktoriánskej dobe spôsobili výkonné parné lokomotívy revolúciu v suchozemskom cestovaní. Parné motory taktiež poháňali stroje na tlač novín, na pradenie a tkanie látok, aj pračky v „parných práčovniach“. Parné stroje poháňali lunaparky, niektorí farmári používali parnú energiu pri oraní pôdy. Upratovacie firmy boli vybavené parnými vysávačmi, v špičkových holičských salónoch v mestách dokonca existovali aj parou poháňané masážne kefy k masírovaniu kože na hlave.

Väčšina ranných parných strojov bola založená na posuvnom pohybe piestu vo valcoch. Tento pohyb sa potom mohol prevádzať mechanicky na pohyb točivý. Obežné kolesá parnej turbíny sa otáčajú priamo silovým pôsobením pary. Začiatom 19.storočia niektorý vynálezci  experimentovali s parnými turbínami. Tie však v roku 1884 neboli dostatočne funkčné a výkonné. Prvú skutočne funkčnú turbínu vynašiel anglický inžinier Charles Parsons. Po niekoľkých rokoch vylepšovania sa jeho turbíny využívali k pohonu lodí a generátorov.

Premena energie: Parné motory a turbíny menia teplo na mechanickú energiu. V oboch prípadoch je teplom, ktoré získavame spaľovaním paliva, privedená voda do varu, čim sa vytvorí para s 1600 krát väčším objemom. V piestových motoroch sa para rozťahuje vo valci a tým vytlačuje piest. V parných turbínach točí para vejárovitými rotormi. V obidvoch prípadoch stráca rozžínajúca para svoju tepelnú energiu.

Parné motory a turbíny sú príklady vnútorne spaľovacieho motora, lebo teplo sa získava mimo pracovnej časti stroja, obvykle spaľovaním paliva. Para sa vyrába v kotloch vyhrievaných naftou alebo uhlím. V jadrových elektrárňach sa uvoľňuje teplo pri jadrovej reakcii.

2.1.2 Spaľovacie motory
Najznámejším rozdelením spaľovacích piestových motorov je rozdelenie na:
-vznetové -štvordobé
-zážihové   -dvojdobé
-štvordobé  -s posuvným piestom
-s krúživým piestom (Wankel)
 
V praxi sú za najúčinnejšie pokladané vznetové motory. Najmenej účinné sú motory dvojdobé, pretože tu dochádza k nedokonalému plneniu a vyprázdňovaniu pracovného priestoru, čo sa negatívne odrazí na kvalite spaľovanej zmesi. Navyše je do benzínu nutné pridávať olej na mazanie klzných častí a ložísk, ktorý zvyšuje dymivosť dvojdobých motorov.
Progresívnym riešením je ešte aj dnes motor s krúživým piestom, nazvaný podľa jeho objaviteľa Felixa Wankela – Wankelov motor. Účinnosť je tu zvýšená použitím len minimálneho počtu rotujúcich súčiastok a absenciou súčiastok vykonávajúcich posuvný vratný pohyb.

Účinnosť bežného komerčného spaľovacieho motora nepresiahne 40%. Spaľovací motor je napríklad oproti 99,9%-nému transformátoru veľmi „neohrabaným“ strojom. V bežnom živote sa so spaľovacími motormi stretávame veľmi často aj napriek ich malej účinnosti, pretože účinnejšie pohony sú zatiaľ z ekonomických a technických dôvodov len v rovine testovacej. V rovnako veľkej miere sa budeme stretávať so spaľovacími motormi pravdepodobne až do vyčerpania svetových zásob ropy a zemného plynu a tak je dobré vedieť, čo všetko vplýva na ich účinnosť a teda na ich efektívne využitie. V ďalších statiach rozdelíme spaľovacie motory podľa spôsobu ich práce do hlavných skupín a bližšie popíšeme.

2.1.3 Benzínový dvojdobý motor („dvojtakt“)
Pracuje v dvoch fázach:   1.explózia + nasávanie + výfuk
2.stláčanie
Zmes paliva so vzduchom sa vo valci zapáli vplyvom elektrickej iskry zapaľovacej sviečky. Zápalná zmes sa vytvára v splyňovači (karburátore), ktorý riadi samočinne jej zloženie, odtiaľ sa dostáva hotová do valca.
Problém pri dvojdobom motore predstavuje neefektívne využitie paliva. Nasávané palivo nie je oddelené od výfukových plynov, musí ich dokonale z pracovného priestoru vytlačiť a okrem toho je nutné do paliva primiešavať olej na mazanie klzných častí a ložísk, pretože v tomto motore absentuje olejová vaňa. Je dôležité správne prúdenie nasávanej zmesi nad piestom. V tejto oblasti bol najväčší pokrok dosiahnutý počas 2. sv. vojny, vynájdením vírivého vyplachovania, ktoré nahradilo dovtedy používané priečne vyplachovanie. Prestali byť vyrábané piesty s deflektorom usmerňujúcim prúd zmesi, čím sa hmotnosť piesta podstatne znížila, čo prispelo k menším rozmerom a hmotnostiam kľukového hriadeľa a teda k zvýšeniu účinnosti.
Ďalším vynálezom konca 70.rokov – elektronickým zapaľovaním sa zvýšila účinnosť v širokom spektre pracovných podmienok. Elektronické zapaľovanie je schopné meniť čas predzápalu v závislosti od mnohých faktorov, ako sú teplota motora, zaťaženie, otáčky a rôzne iné.
V 80.rokoch začali motoristi pridávať do benzínu dvojtaktných motorov syntetické a polosyntetické vysoko-odolné a ekologické mazivá, ktoré si zachovávali požadovanú viskozitu v širokom rozsahu pracovných teplôt, šetrili motor, uľahčovali studené štarty, znižovali trenie a teda zvyšovali účinnosť.

2.1.4 Benzínový štvordobý motor ( „štvortakt“)
Pracuje v 4 fázach:  
1. Nasávanie
2. stláčanie (kompresia)
3. výbuch(explózia)
4.výfuk
 Zmes paliva so vzduchom sa vo valci zapáli vplyvom elektrickej iskry zapaľovacej sviečky. Zápalná zmes sa vytvára v splyňovači (karburátore), ktorý riadi samočinne jej zloženie, odtiaľ sa dostáva hotová do valca.
Štvordobý zážihový motor bol pôvodne vyrobený na plyn. Zapaľovanie bolo riešené najprv žhaviacimi tyčinkami, až neskôr získala svetoznáma firma BOSCH patent na vysokonapäťové zapaľovanie „Magneto“ a s ním súvisiacu zapaľovaciu sviečku. Zapaľovacia sviečka prešla dlhodobým vývojom a dnes sa často používajú mnohoelektródové sviečky s kĺzavou alebo kombinovanou iskrou, ktorá v kombinácii s vysokooktánovým benzínom a vysokým kompresným pomerom zaručuje vysokú efektivitu spaľovania.

Zásobenie spaľovacieho priestoru čerstvou zmesou je menej problematické ako u dvojdobého motora, aj v tejto oblasti však boli urobené mnohé progresívne kroky. Prvé ovládania ventilov OHV boli nahradené ľahším rozvodom OHC, neskôr bola reťaz rozvodu OHC nahradená zubovým klinovým remeňom a dnes sú ventily ovládané elektronicky, v závislosti od pracovných podmienok motora. Okrem toho dnes už na jeden valec nepripadajú len dva ventily, (sací + výfukový) ale štyri a niekedy až šesť ventilov, ktoré zlepšujú a urýchľujú vyplachovanie. Zapaľovanie bolo sprvu pevne nastavené na určitú hodnotu predzápalu, neskôr ovládané podtlakom z hrdla karburátora v závislosti od zaťaženia a dnes je elektronické, s množstvom senzorov a bez akejkoľvek mechanickej regulácie.

2.1.5 Naftový motor
Pracuje v 4 fázach:   1. Nasávanie
2. stláčanie (kompresia)
3. výbuch(explózia)
4.výfuk

Zmes paliva so vzduchom sa zapáli vo valci vplyvom tlaku a teploty, tesne pred hornou úvraťou, dávkovanie paliva je priame do valca - vstrekovacou tryskou riadenou vstrekovacím čerpadlom. Vznetové motory patria k najspoľahlivejším a najodolnejším spaľovacím piestovým motorom. Už v svojom základnom vyhotovení majú vyššiu účinnosť ako vznetové motory (okrem Wankela). Často sú však kombinované s lopatkovým motorom – turbínou poháňanou spalinami. Táto turbína ženie dúchadlo, ktoré následne zvyšuje tlak vzduchu nasávania motora, čo vedie k ľahšiemu zapáleniu zmesi a vyššej efektivite. Dnes sa tiež často aplikuje elektronické riadenie ventilov.
 
2.1.6 Motor s krúživým piestom (Wankel)
Všetky štyri doby, ako ich poznáme z klasického motoru, prebiehajú za jednu otáčku krúživého piestu, ktorý má tvar trojbokého sférického hranola (prierez približne sférického trojuholníka). Krúživý trojboký piest a hriadeľ s výstredníkom sa otáčajú okolo svojich osí, ale súčasne piest krúži v skrini po obežnej dráhe danej dráhou stredu excentra hriadeľa. Skriňa má vnútri valcovú plochu tvaru epitrochoidy. Piest je neustále pritláčaný svojimi bokmi k stenám skrine. Utesnenie krúživého piestu je vyriešené kovovými tesniacimi lištami. Namiesto piestnych krúžkov má krúživý piest zaoblené lišty. Olej mažúci prevod zároveň chladí vnútorné steny piestu, kam sa privádza dutým hriadeľom. Motor musí mať chladič oleja. Ventily odpadajú. Ostatné časti, ako napríklad karburátor, sú zhodné s bežnými zážihovými motormi. Motor nemá časti vykonávajúci vratný pohyb, preto pracuje kľudne, nehlučne a efektívne.
Jeho účinnosť však môže klesnúť v dôsledku opotrebenia tesniacich častí, planžiet. Tieto boli najskôr kovové, v Japonsku vyrábané keramické. Motor má veľmi nerovnomerne tepelne namáhanú skriňu, čo ešte zvyšuje problémy s utesnením v rôznych rozsahoch teplôt. Tento motor sa používa len zriedka a môžeme povedať, že jeho zlatý vek zrejme ešte len príde, ak ho nepredbehnú alternatívne elektrické alebo iné pohony.

3.1 Reaktívne motory
3.1.1 Prúdové motory
Prúdové motory sú typom spaľovacieho motora. Používali sa na pohon motorových člnov a áut pri pokusoch o prekonanie svetových rýchlostných rekordov. Najznámejšie sú však letecké motory. Ťah sa v nich vytvára urýchľovaním veľkého množstva vzduchu prechádzajúceho motorom. Spaľovaním paliva v spaľovacej komore vznikajú horúce rozpínajúce sa výfukové plyny, ktoré unikajú na konci motora. Niektoré prúdové motory poháňajú aj vrtule, iné – turboventilátory – získavajú väčšinu výkonu tak, že prúd studeného vzduchu „obteká“ okolo motora a ženie sa von.
Prúdový motor vytvára ťah – silu, ktorá ženie motor dopredu. Horúce rozpínajúce sa plyny sa ženú z motora. Táto akčná sila vyvoláva rovnako veľkú, ale opačnú reakciu výfukových plynov na motor. Reakcia nazývaná ťah ženie dopredu motor a k nemu pripojené lietadlo (tak ako keď vzduch uniká z nafúknutého balóna a ženie ho vzduchom).

Britský inžinier sir Frank Whittle (1907-1996) vyvinul prúdový motor v 30. rokoch 20. storočia. Jeho turboreaktívny motor sa dodnes používa hlavne vo vojenských lietadlách a modifikácie sa uplatnili aj v turbovrtuľových a turboventilátorových motoroch. V prvom prípade sa sústava rotujúcich lopatiek – turbína – kombinuje s vrtuľou umiestnenou zvyčajne pred motorom. V turbíne sa energia prúdu výfukových plynov využíva na pohon vrtule, ktorá zabezpečuje väčšiu časť ťahu motora. Turbovrtuľové motory sú hospodárne a vhodné pre malé lietadlá na prepravu cestujúcich menšou rýchlosťou. V druhom prípade sa turbína vnútri motora využíva na otáčanie veľkého ventilátora v prednej časti, ktorý nasáva obrovské množstvo vzduchu. Ten obteká okolo horúceho tela motora, vyletuje na konci a vytvára väčšiu časť ťahu. Turboventilátorové motory sú tichšie a výkonnejšie než iné prúdové motory, preto sa používajú vo veľkých dopravných lietadlách.

3.1.2 Raketový motor
Prvé zmienky o využití reaktívneho motora na civilné účely sa objavujú v roku 1943. Ide o dopravné lietadlo De Havilland DH-106 Comet.  Súbežne s týmito vznikali a vyvíjali sa raketové motory. Prvé použitie takéhoto motora sa datuje do roku 1232, keď Číňania používali šípy s raketovým motorom pre boj proti Mongolom. Raketový motorček bola v podstate oválna krabička naplnená strelným prachom, ako je to aj v prípade dnešných ohňostrojov. Vývoj motorov do 20. storočia je charakterizovaný skokovo a vyvíjali sa iba motory na tuhé palivá. Od 20. storočia sa mohutne rozvinul vývoj motorov na kvapalné palivá a nad tuhé palivá sa zanevrelo. Ďalšími typmi reaktívnych motorov sú napríklad: náporové, pulzačné a iónové.

Štartující raketoplán sa po štarte hneď neodlepí od Zeme, čo je dané tým, že ťah raketových motorov premáhá spočiatku hlavne hmotnosť stroja. Keďže sa však nádrže na palivo so stúpaním rakety odľahčujú, môžeme vidieť, ako postupne naberá rýchlosť. Jej rýchlosť sa stále zväčšuje až dosiahne rýchlosť potrebnú na prekonanie zemskej príťažlivosti. Rakety musia mať motory pracujúce aj vo vákuu. Tieto motory sú preto založené na inom princípe ako reaktívne motory lietadiel, ktoré potrebujú atmosferický kyslík. Rakety teda nemajú len zásoby paliva, ale aj zásoby kyslíka väčšinou v tekutej forme, ktorý sa skladuje pri veľmi nízkych teplotách. Zásoby kyslíka účinkujú ako zápalná zmes. Palivo a zápalná zmes sa nazývajú propergoly-raketové palivá. Ak sú pevné, znamená to, že ide o zmes pripravenú už pred použitím, ak sú tekuté, vezie si ich raketa v oddelených zásobníkoch. Moderné rakety majú väčšinou raketové motory na kvapalné palivo, ktoré sa dá lepšie ovládať ako tuhé palivo. Palivom je často letecký benzín. Motory na tuhé palivo sa používajú pri pomocných raketových motoroch, ktoré sa po dosiahnutí potrebnej rýchlosti odhazujú.

4.1 Záver
Myslím si , že vývoj motorov uľahčil ľuďom život v mnohých oblastiach od dopravy až po nahradenie manufaktúrnej výroby parným strojom. V určitej miere určite nášmu svetu aj uškodil, pretože do ovzdušia boli vypúšťané výfukové plyny. V posledných rokoch sa vyvýjajú stále ekologickejšie palivá, aby sa zmiernili dôsledky globálneho otepľovania a je možné, že napríklad už moje deti budú jazdiť na ekologických vozdilách, ktoré budú našu planétu ohrozovať len minimálne . Možno v budúcom storočí sa už budú autá vznášať a terajšie vozidlá budeme vídavať jedine v múzách, na zrazoch nadšencov alebo ako raritu na cestách.