Táto práca je venovaná spaľovacím motorom. Jej cieľom je aspoň z časti predstaviť svet piestových spaľovacích motorov a ich základného príslušenstva V jednotlivých bodoch je spracované rozdelenie spaľovacích motorov a ich súčastí. Tak isto tu nájdete princíp fungovania dvojtaktných, štvortaktných, zážihových či vznetových motorov. Túto tému som si zvolil preto, lebo vo voľnom čase sa rád venujem spaľovacím motorom, prípadne ich opravám.
Ďalším dôvodom je, že nie všetci
študenti tejto školy si vo štvrtom ročníku zvolia fyziku ako maturitný predmet a preto sú ukrátený o toto učivo.
Verím že Vás moja
práca zaujme a určitým spôsobom obohatí o nové poznatky.
1. zážihové – nasáva sa do nich zápalná zmes tvorená palivom a vzduchom, ktorá sa po stlačení zapáli prostredníctvom elektrickej iskri a rýchle zhorí. Takéto motory nazývame podľa spôsobu prípravy zmesi karburačnými ( palivo sa mieša so vzduchom v karburátore ) Pri niektorých moderných zážihových motoroch sa palivo (benzín) vstrekuje špeciálnym zariadením do nasávacieho potrubia alebo priamo do valcov.
Môžu byť :
a) dvojtaktné
b) štvortaktné
2. vznetové – v týchto motoroch sa zapaľuje palivo spravidla kompresným teplom, nasávajú do valcov čistý vzduch, ktorý sa stlačením zohreje na teplotu potrebnú na zapálenie paliva. Pred ukončením kompresného zdvihu sa do veľmi zohriateho vzduch vstrekne priamo jemne rozprášené palivo (nafta). Vytvorí sa tak zápalná zmes, ktorá sa vznieti spravidla do kompresného tepla. Ich pracovný cyklus je väčšinou štvortaktný.
3. Stavba piestového spaľovacieho motora
jednotlivé časti spaľovacieho motora sa
delia na tri základné skupiny:
1) skupina nepohyblivých častí motora – tvoria základ motora patrí sem: kľuková skriňa, blok valcov, veká , kryty
2) skupina pohyblivých častí motora – zabezpečujú činnosť
motora a skladá sa z dvoch skupín:
a) kľukový mechanizmus – piest krúžkami, piestny čap, ojnica, kľukový hriadeľ so
zotrvačníkom
b) rozvodový mechanizmus – ventily, vahadlá, zdvíhacie tyčky, zdvíhadlá, rozvodové hriadele, rozvodové
kolesá, rozvodové reťaze
3) Skupina príslušenstva motora – delí sa na štyri podskupiny:
a)
prívod paliva, príprava zápalnej zmesi, odvod spalín
b) mazací okruh
c) chladiaci
okruh
d) elektrické príslušenstvo motora
3.1 Časti kľukového mechanizmu
Piest
Piest je duté valcovité teleso hore uzavreté dnom, asi v strede jeho dĺžky sú
vytvorené náliatky pre uloženie čapu, ktorým je piest spojený s ojnicou. Na povrchu má drážky pre piestne krúžky (tesniace a stieracie).
Piesty sa najčastejšie vyrábajú z ľahkých zliatin aby boli zotrvačné sily čo najmenšie. Keďže sa pôsobením tepla tieto materiály
rozťahujú, sú piesty v hornej časti menšieho priemeru – po zahriatí na prevádzkovú teplotu je to v poriadku.
Piesty sú najnamáhanejšie
súčiastky motora, pretože prenášajú veľké sily pri vysokých teplotách rýchlostiach. Preto sa im pri ich konštrukcii venuje veľká
pozornosť. Takú istú starostlivosť im treba venovať aj pri prevádzke.
Piestne krúžky
Sú to liatinové
prstence rozrezané v jednom mieste. Toto miesto nazývame zámkom. Majú povrchovú úpravu, ktorou vieme docieliť ich väčšiu odolnosť a
životnosť. Rozdeľujeme ich na
a) tesniace – pomocou mazacieho oleja utesňujú piest vo valci
b)
stieranie – stierajú mazací olej zo stien valca
Piestny čap
Otáčavo spája ojnicu a piest. Proti
vysunutiu piesta z oka ojnice a uloženia v pieste je zvyčajne poistené segerkou – provou
poistkou
Ojnica
Spája piest s kľukovým hriadeľom. Prenáša oscilačný pohyb piesta na otáčavý pohyb
kľukového hriadeľa. Horný koniec vytvára oko pre piestny čap, dolná časť je delená a spojená skrutkami. Ložisko v hlave ojnice sa nazýva
ojničné ložisko je prevažne klzné a tvorené z dvoch častí ( šálok ) maže sa tlakovým olejom z kľukového
hriadeľa.
Kľukový hriadeľ
Je to časť motora na konci ktorého sa už prejavuje výsledok spaľovacieho
procesu motora otáčavým pohybom. Na jednom konci je namontovaný zotrvačník v ktorom sa nachádza spojková lamela a prítlačný tanier. Tento
smeruje na prírubu na prevodovku Je uložený v hlavných ložiskách, ktoré sú umiestnené v bloku motora. Pod každým ložiskom je dierka pre
tlakové mazanie. Na kľukový hriadeľ je priskrutkovaná hlavná remenica ktorá pomocou klinového remena poháňa alternátor, ventilátor a
vodnú pumpu.
3.2 Časti rozvodového mechanizmu
Usmerňujú napĺňanie motora spaľovacou zmesou a vypúšťanie
spalín do výfuku a von do ovzdušia.
Rozvodové kolesá – sú uložené v prednej časti kľukovej skrine, bloku motora alebo v prednom veku motora tzv. prsiach. Sprostredkujú pohon rozvodového hriadeľa od kľukového hriadeľa.
Rozvodový hriadeľ ( vačka ) – je súčasť motora od ktorého závisí jeho chod. Na povrchu sú čapy pre uloženie ložiska v bloku motora a tzv. vačky. Vačky sú telesá palcovitého tvaru, ktoré kĺzavým pohybom dvíhajú zdvíhadlá ktoré následne otvárajú a zatvárajú ventily.
Zdvíhadlá – prenášajú pohyb z vačiek priamo na ventily, prípadne prostredníctvom vahadiel.
Ventilové pružiny – zabezpečujú vratný pohyb ventilov a správne dosadanie do ich sediel
Ventily – uzatvárajú spaľovací priestor. Pretože sú vystavené veľkým teplotám sú vykované z akostných materiálov prípadne z titanu. Tesniaca kužeľová plocha presne dosadá do sediel , ktoré sú za horúca lisované do hlavy valca.
Keďže sa ďalej stretneme s niekoľkými novými pojmami, musíme si najprv vysvetliť najprv ich význam.
Vŕtanie valca – je to priemer otvoru valca
motora a uvádza sa v milimetroch (mm)
Zdvih piesta – je to dráha piesta medzi jeho horným a dolným
úvratom.
Horný (dolný) úvrat – je poloha piesta najviac ( najmenej ) vzdialeného od osi kľukového
hriadeľa.
Kompresný priestor – je priestor, nad piestom v hornom úvrate piesta, do ktorého sa stlačí zápalná zmes alebo
vzduch. (uvádza sa v cm3).
Pracovný priestor – je priestor nad piestom v dolnom úvrate, ktorý sa rovná súčtu obsahu valca
a kompresného priestoru. (uvádza sa v cm3)
Kompresný pomer – je pomer objemov zápalnej zmesi pred stlačením a po
stlačení (vyjadruje stupeň stlačenia )
Zápalná zmes – je zmes jemne rozpŕchnutého paliva, jeho pár a
vzduchu.
4. Štvortaktný zážihový motor
Celý pracovný cyklus prebehne počas štyroch zdvihov piesta a dvoch
otáčkach kľukového hriadeľa. Pracovný cyklus týchto motorov je nasledovný: 1. Nasávanie
2. Stláčanie (kompresia)
3. Expanzia ( výbuch )
4. Výfuk
4.1 Pracovný cyklus
štvortaktného zážihového motora
Nasávací zdvih:
Na začiatku nasávania je piest v hornom úvrate a
pohybuje sa pomocou zotrvačníka motora do dolného úvratu. Nasávací ventil je otvorený kým výfukový je uzavretý. Pohybom piesta smerom dole
vzniká podtlak a z okolitej atmosféry sa nasáva vzduch ktorý prechádza karburátorom a zmiešava sa s benzínom čím vytvára zápalnú zmes.
Táto zmes prúdi do priestoru valca cez nasávací ventil priamo nad piest.
Kompresný zdvih:
Ako náhle dosiahne piest
dolnú úvrat, nasávací ventil sa zavrie a spolu s výfukovým ventilom ostávajú zatvorené. Z dolnej úvrate sa piest pohybuje smerom hore,
zmenšuje pracovný priestor valca a tak stláča nasatú zmes až na konečný kompresný tlak. Približne na konci kompresného zdvihu sa stlačená
zmes zapáli elektrickou iskrou zo sviečky, ktorá je umiestnená v hlave valca a jej elektródy zasahujú do spaľovacieho priestoru.
Expanzný zdvih:
Stlačená zmes veľmi rýchlo zhorí. Toto horenie je až také rýchle že sa podobá výbuchu. Spaľovaním vznikajú
horúce plyny s teplotou až 300˚C a tlakom 30 – 40 kp/cm2. Rozpínajúce sa plyny tlačia piest do dolnej úvrate. Pri expanznom zdvihu tlak
plynov pri pohybe piesta so dolnej úvrate postupne klesá a plyny sa ochladzujú o odkryté steny valca. Počas expanzie sú obidva ventily
zatvorené.
Výfukový zdvih:
Pred koncom expanzného zdvihu sa začne otvárať výfukový ventil. Spálené plyny unikajú
do výfukového potrubia, kde sa stlmia a sú vyvedené do ovzdušia. Piest pohybom z dolnej do hornej úvrate pomáha vytlačiť zvyšok spálených
plynov. Keď dosiahne piest hornú úvrať, výfukový ventil sa zavrie a nasávací sa naopak otvorí.
Tento typ spaľovacích motorov je v
súčasnej dobe asi najpoužívanejším. Má mnoho výhod oproti dvojtaktnému motoru a dnes jednoznačne kraľuje.
– nižšia spotreba paliva
– ekologickejšia prevádzka
– kladnejší chod
– dostatočný výkon už pri nízkych otáčkach
–
dokonalejší systém mazania a tým pádom aj lepšie chladenie motora
( prečerpávaný olej chladí súčiastky motora.)
5.
Dvojtaktný zážihový motor
V dvojtaktných motoroch prebieha pracovný cyklus ( nasávanie, stláčanie, výbuch, výfuk )
počas dvoch zdvihov piesta a jednej otáčky kľukového hriadeľa. Z toho vyplýva, že pri takom istom počte otáčok kľukového hriadeľa ako
pri štvortaktnom motore má dvojtaktný motor dvojnásobný počet pracovných zdvihov. Na rozdiel od štvortaktných motorov kde celý pracovný
cyklus prebieha nad piestom, dvojtaktný agregát využíva aj priestor kľukovej skrine. Preto ak má motor viac valcov, kľuková skriňa musí byť
rozdelená na toľko komôr, koľko je valcov. Treba povedať, že dvojtaktný motor je jednoduchší ako štvortaktný, pretože nemá vačkovú
hriadeľ, rozvody a ventily. Vstupné a výstupné otvory ( kanály ) pre zmes sú priamo v plášti valca v úrovni dolnej úvrati piesta, ktorý ich
pri svojom oscilačnom pohybe otvára a zatvára. Takéto motory sa nazývajú aj piestorozvodné motory. Najjednoduchším dvojtaktným motorom je
dvojtaktný trojkanálový s priečnym vyplachovaním valca s deflektorom.
a) nasávací kanál
b) výfukový
kanál
c) prepúšťací ( vyplachovací ) kanál
5.1 Pracovný cyklus dvojtaktného zážihového motora
1. Nasávanie a stláčanie zápalnej zmesi
Zápalná zmes sa nasáva do kľukovej skrine, odkiaľ je
vytláčaná pohybom piesta do dolnej úvrate cez prepúšťací kanál do valca motora. Jej prúdenie usmerňuje deflektor na dne piesta smerom ku
hlave valca. Prúd zápalnej zmesi vytláča pred sebou plynné spaliny ktoré ostali vo valci z prechádzajúceho zdvihu. (tu dochádza k miešaniu
čerstvej zmesi so spalinami, v tomto bode sú štvortaktné motory dokonalé a majú oveľa nižšie emisie). Piest sa pohybuje z dolného úvratu do
horného, pričom stláča zápalnú zmes. (Týmto pohybom vzniká v kľukovej skrini podtlak a v okamihu keď dolná hrana piesta otvorí nasávací
otvor, vnikne do kľukovej skrine čerstvá zmes. Skriňa sa naďalej napĺňa čerstvou zápalnou zmesou aj vtedy keď sa už piest vracia do dolnej
úvrate, pokiaľ svojou spodnou hranou opäť nezatvorí nasávací otvor v stene valca.) Stlačená zápalná zmes sa zapáli elektrickou iskrou
zapaľovacej sviečky zaskrutkovanej v hlave valca.
2. Expanzia a výfuk, vyplachovanie a plnenie valca
Keď sa zmes nad
piestom pri jeho pohybe do hornej úvrate a z hornej do dolnej úvrate zapáli, nastáva expanzia a rozpínajúce sa plyny tlačia na piest ktorý
posúvajú do dolnej úvrate. Pri svojom pohybe zatvorí piest svojím dolným okrajom nasávací otvor ktorý ústi do kľukovej skrine, v ktorej sa
začne od tohto okamihu zmes stláčať. Pri pohybe nadol najprv piest otvorí výfukový kanál, ktorým spaliny rýchle unikajú z valca.
Prepúšťací kanál je ešte zatvorený, pretože valec sa nesmie začať plniť skôr, kým tlak spalín vo valci neklesne natoľko, aby pretlak
zápalnej zmesi v kľukovej skrini bol vyšší a svojím prúdom zabránil vnikaniu spalín do prepúšťacieho kanálu. Pri ďalšom pohybe piesta
do dolnej úvrate otvára piest svojou hornou hranou aj prepúšťací kanál a stlačená zápalná zmes z kľukovej skrine prúdi do valcov,
vytláča pred sebou zvyšky spalín ktoré unikajú výfukovým kanálom. Tým sa valec vyplachuje a znovu plní čerstvou zápalnou zmesou. Valec sa
plní ešte v dobe, keď piest dosiahol dolný úvrat a postupuje do horného úvratu tak dlho, kým horná hrana piesta neuzavrie prepúšťací
kanál. Piest vytláča zápalnú zmes z kľukovej skrine. Tým je valec motora pripravený na opakovanie pracovného cyklu.
Dvojtaktné motory sa využívajú najmä v kosačkách, motorových pílach, niektorých malých motocykloch či mopedoch. Ich výhodou oproti štvortaktným spaľovacím motorom je ich nižšia hmotnosť, vysoké otáčky ( motorové píly ) Treba však povedať, že v dnešnej dobe dvojtaktné motory zaostávajú a pomaly sa strácajú z trhu pretože popularita vzhľadom na výkon, životnosť a neposlednom rade aj ekológiu rastie.
6. Štvortaktný vznetový motor
Tento motor pracuje na podobnom princípe ako štvortaktný zážihový
motor no s tým rozdielom že do valcov sa nasáva čistý vzduch namiesto zápalnej zmesi. Vznetový motor nemá ani karburátor ani elektrické
zapaľovanie. Má však vstrekovacie čerpadlo tlakové potrubie, vstrekovacie dýzy (tisky) a vstrekovací ventil. Vstrekovacie čerpadlo dodá
vstrekovacím ventilom v určitom okamihu pod vysokým tlakom presnú dávku nafty. Keďže na konci kompresného zdvihu ja teplota čistého
nasatého vzduchu 500˚ C – 900˚ C, rozprášená nafta sa rýchlo vznieti. Aby sa tento vzduch ohrial stlačením na takúto teplotu, pracuje
vznetový motor veľkou kompresiou až 1:16.
6.1 Rozdelenie vznetových motorov podľa typu vstrekovania zmesi
a) motory s priamym vstrekovaním – palivo sa vstrekuje do priestoru valca a to nad piest alebo do dutiny v
hlave valca príp. na dne piesta, pričom dutina tvorí podstatnú časť kompresného priestoru.
b) motory s nepriamym vstrekovaním
– palivo sa vstrekuje do špeciálnej komôrky, ktorá je od priestoru valca výrazne oddelená. V komôrke zhorí len časť nafty a
zvyšná nafta sa vháňa do valca kde zhorí
6.2 Pracovný cyklus štvortaktného vznetového motora
Okrem uvedených rozdielov sa pracovný cyklus vznetového motora trochu líši od cyklu zážihového motora.
1. Nasávací zdvih – do valca sa nasáva len čistý vzduch
2. Kompresný zdvih – vzduch sa vo valci stláča obvykle na 1/16 svojho objemu, čím vznikne vo valci tlak 25 – 40 atm. A teplota 500˚ C – 900˚ C
3. Expanzívny zdvih ( pracovný ) – v okolí horného úvratu sa strekne do valca presne odmerané množstvo paliva pod tlakom 80-300 atm. Nafta sa cez trysku rozpráši a následne vznieti.
4. Výfukový zdvih – rovnaký ako pri zážihovom motore
Vznetové motory sú teplotne viac namáhané preto sa vyrábajú z odolnejších materiálov čo sa priamoúmerne odzrkadľuje aj na ich hmotnosti. Preto sa využívajú najmä v nákladných autách, autobusoch, či poľnohospodárskych strojoch.
Neodmysliteľnou súčasťou je mazacia a chladiaca sústava spaľovacích motorov, bez ktorých by spaľovací motor nebol schopný činnosti.
7. Chladiaca sústava:
7.1 Typy chladenia
motorov
Rozdeľujeme ich do dvoch základných skupín.
a) vzduchové – motor chladí len prúdiaci vzduch ktorý vytvára ventilátor poháňaný z kľukového hriadeľa a nápor vetra pri jazde. Na valci sú tzv. rebrá pre lepšie odvádzanie teploty. Toto chladenie nie je dosť efektívne najmä pri pomalej jazde a v súčasnej dobe sa využíva iba pri niektorých typoch motocyklov. Oproti kvapalinovému je však oveľa jednoduchšie.
b) kvapalinové – je to nepriame chladenie, pretože kvapalina (voda) je len sprostredkovacou hmotou na prenos tepla z motora do okolitého vzduchu. Chladiaca kvapalina vypĺňa dvojité hlavy valca ako aj priestor medzi vložkami valcov a blokom motora. Vytvára akýsi kvapalinový plášť.
7.2 Časti kvapalinovej chladiacej
sústavy
– chladič – je to výmenník tepla medzi kvapalinou a vzduchom. Musí mať dostatočný vodný obsah a
dostatočnú plochu chladenia
– ventilátor – používa sa na zvýšenie účinku chladiča
– termostat – je zariadenie na výstupnom potrubí motora, ktoré automaticky reguluje tú najlepšiu prevádzkovú
teplotu motora. Je to v podstate ventil, ktorý na studenom motore uzatvára prietok chladiča dovtedy, kým sa nezohreje. Prvoradou úlohou
termostatu je zabezpečiť čo najrýchlejšie zahriatie motora na prevádzkovú teplotu ( 85˚C – 90˚C )
– vodná pumpa – je to zväčša lopatkové čerpadlo uložené v špeciálnom telese, umiestnené v prednej časti veka motora. Takéto chladenie sa nazýva obehové.
8. Mazacia sústava
Trecie plochy navzájom na sebe pohybujúcich sa strojových súčiastok treba
dostatočne mazať. Keby sa plochy nemazali, nastalo by tzv. suché kovové trenie čo by malo za následok zadrenie motora.
Najbežnejší spôsob
mazania je tlakové mazanie zo skrine. Olej sa zhromažďuje v spodnej časti kľukovej skrine, kde je umiestnené aj čerpadlo, aby bola jeho
nasávacia výška čo najmenšia. Odtiaľ sa potom olej vytláča na jednotlivé mazacie miesta na spodok kľukovej skrine je potrebné umiestniť
chladiace rebrá.
Pri rozjazde vozidla a pri zaradovaní jednotlivých rýchlostných stupňov treba krátkodobé prerušiť spojenie motora s hnacími kolesami vozidla. Toto nám umožňuje spojka, ktorá súčasne vyrovnáva rozdiel v rýchlosti otáčania kľukového hriadeľa a hnacieho hriadeľa prevodovky. Každá spojka má hnaciu časť pevne spojenú s motorom a hnanú časť spojenú s prevodovkou. Obe sú spojené silovým zariadením a možno ich ľubovoľné vypínať. Pri automobiloch a motocykloch sa používajú trecie spojky
a) kužeľové – dnes sa už nepoužívajú ,
úplne ich nahradili kotúčové spojky
b) kotúčové – obsahujú jeden prípadne dva a viac kotúčov
c)
lamelové – majú veľký počet kotúčov a používajú sa na prenos malých krútiacich momentov v motocykloch
Ich hnacia aj hnaná časť má trecie plochy, ktorých trenie sa zvyšuje obložením s vysokým súčiniteľom trenia. Trecie plochy sú ku sebe pritlačené pružinami, čím vzniká trecia sila, ktorá prenáša krútiaci moment z hnacej na hnanú časť
V tejto práci som Vám chcel aspoň z malej časti predstaviť svet oscilačných spaľovacích motorov. Zameral som sa prevažne na staršie typy motorov, ktoré sa však dodnes využívajú v automobiloch motocykloch alebo rôznych iných strojoch. Majú naozaj široko spektrálne využitie. Je pravda, že majú ako všetky veci určité nedostatky hlavne ekologického charakteru, ale v súčasnosti všetci výrobcovia automobilov montujú do týchto agregátov katalyzátory, ktoré filtrujú škodlivé splodiny horenia v spaľovacom priestore.
Nielen samotné motory ale aj palivá a mazacie
oleje spĺňajú najprísnejšie normy európskej únie, čo pokladám za veľký pokrok smerom k ochrane životného prostredia. Svetový odborníci
však tvrdia, že zásoby ropy a ropných produktov pri súčasnej spotrebe vydržia približne 30 rokov čo znamená, že populácia sa bude musieť
zamyslieť, ako nahradiť „čierne zlato“ obnoviteľnými zdrojmi.