Spaľovacie motory: Ich rozdelenie a princíp práce

Spaľovacie motory sú tepelné stroje, ktoré vytvárajú tepelnú energiu spaľovaním paliva. Túto tepelnú energiu premieňajú spaľovacie motory na mechanickú prácu alebo reakčný účinok. Pod pojmom spaľovacie motory si väčšina ľudí predstaví klasické piestové spaľovacie motory, čo je však nesprávne, pretože spaľovací motor nemusí byť vždy len piestový.

V tomto článku si teda povieme niečo o spaľovacích motoroch v širšom zmysle, pričom sa zameriame na ich výhody, nevýhody, ale tiež aj na ich rozdelenie a princíp práce. Najskôr si však vysvetlíme dva pojmy, a to mechanickú prácu motora a reakčný účinok motora.

Mechanická práca motora:

Mechanická práca vzniká pri piestovom spaľovacom motore zapálením pracovnej látky, ktorá tak zvýši svoju teplotu a tým aj tlak, čím pôsobí na piesty motora. Tlak pôsobí na piesty a posúva ich smerom dole, čím sa premieňa ich priamočiary vratný pohyb na otáčavý pohyb kľukového hriadeľa.

Reakčný účinok motora:

Reakčný účinok vzniká pri spaľovaní pracovnej látky (paliva a okysličovadla), čím vznikajú spaliny, ktoré opúšťajú spaľovaciu komoru cez výtokovú dýzu motora veľmi vysokou rýchlosťou. Tým, že spaliny opúšťajú motor, vytvárajú silu na základe zákona akcie a reakcie a teda na základe zákona zachovania hybnosti Newtonovho 3. zákona - teleso sa pohybuje opačným smerom ako je smer výtoku spalín.

Jednoducho povedané, stroj, ku ktorému je tento motor pripevnený, je poháňaný opačným smerom, akým spaliny opúšťajú výtokovú dýzu motora. Účinok spalín opúšťajúcich výtokovú dýzu motora sa nazýva ťah motora a je priamo úmerný súčinu hmotnosti spalín a ich výtokovej rýchlosti.

Spaľovacie motory môžu pracovať:

• s palivami, ktoré sú pevné, kvapalné alebo plynné

• v prostredí, v ktorom pracujú, je najčastejšie vzdušný kyslík alebo látka uvoľnujúca kyslík v priebehu horenia

• spaľovanie môže prebiehať vnútri (vnútorné spaľovanie) alebo aj mimo motora (vonkajšie spaľovanie)

• pohyblivá časť motora, na ktorú tlačí pracovný plyn, sa môže pohybovať rôznym smerom

• pracovný plyn môže byť samostatný, no môže obsahovať aj spaliny

• pracovný plyn sa priebežne vymieňa, no môže byť aj neustále uzavretý v motore

Rozdelenie spaľovacích motorov:

Keďže existuje nespočetne veľké množstvo rôznych typov spaľovacích motorov, ktoré sú odlišne skonštruované a taktiež pracujú podľa odlišných kritérií, je potrebné ich rozdeliť do niekoľkých bodov. Všetky tieto body sú však od seba nezávislé a tak sa v tomto prípade nedá vytvoriť jednoduchá stromová štruktúra. My sme si však pre teba pripravili len základné rozdelenie, pretože každý typ spaľovacieho motora sa rozdeľuje ešte do ďalších a ďalších podskupín, o ktorých by sme mohli písať niekoľko dní.

Podľa miesta, kde k spaľovaniu dochádza:

• motory s vnútorným spaľovaním (napríklad zážihový, vznetový, Wankelov motor a spaľovacia turbína)

• motory s vonkajším spaľovaním, pri ktorých je však potrebné rozlíšiť, či sa energia do pracovného priestoru dostáva prívodom pracovných plynov (napríklad plynová turbína) alebo prestupom tepla prostredníctvom ohrievača pracovnej látky (napríklad Stirlingov motor)

Podľa pracovného cyklu:

• motory s prerušovaným pracovným cyklom (dvojtaktný a štvortaktný motor)

• motory s kontinuálnym pracovným cyklom (napríklad spaľovacia turbína)

Podľa pracovného princípu:

• piestové spaľovacie motory, a to presnejšie motory s priamočiarym vratným pohybom piesta (väčšina piestových spaľovacích motorov) a motory s krúživým pohybom piesta (Wankelov motor)

• reaktívne motory (raketové, alebo prúdové motory)

• lopatkové motory (turbíny)

Podľa spôsobu vyvolania spaľovania:

• zážihové motory (spaľovanie sa vyvolá pomocou iskry zo zapaľovacej sviečky)

• vznetové motory (spaľovanie sa vyvolá vysokou teplotou a stlačením pracovnej zmesi)

• žiarové motory (obsahuje žiarovú komôrku umiestnenú tak, aby mohla byť ohrievaná vonkajším zdrojom tepla)

• motory s kombinovaným zapaľovaním

Spaľovacie motory sa ďalej rozdeľujú:

Podľa druhu spaľovaného paliva na:

• plynové (spaľujúce plynné palivá, napríklad CNG a teda zemný plyn)

• kvapalné (spaľujúce benzín, naftu či iné látky)

• pevné (práškové uhlie)

• rôznopalivové (môžu prejsť na spaľovanie niekoľkých typov paliva)

• dvojpalivové (spaľujú viac druhov paliva súčasne)

Ako palivo pre spaľovací motor sa najčastejšie používa:

• benzín

• nafta

• skvapalnený ropný plyn (LPG)

• stlačený zemný plyn (CNG)

• alkoholy (metanol, etanol)

• kvapalný vodík

• kerozín

• a ďalšie

Okrem paliva je však nevyhnutnou zložkou zmesi pre všetky spaľovacie motory vzduch alebo okysličovadlo, pretože obsahuje kyslík nevyhnutný k spaľovaniu.

Podľa miesta prípravy zmesi:

• tvorba zmesi prebieha v pracovnom priestore (priame vstrekovanie paliva, napríklad Common-rail)

• tvorba zmesi prebieha mimo pracovného priestoru (karburátor, SPI, MPI)

Podľa spôsobu prípravy zmesi:

• motory so vstrekovaním paliva

• motory s karburátorovým spôsobom prípravy zmesi

Podľa spôsobu dopravy vzduchu:

• motory s atmosférickým plnením valcov (nasávanie zabezpečuje podtlak vyvolaný pohybom piesta vo valci)

• preplňované motory (valec je napĺňaný pod väčším tlakom ako má okolitá atmosféra)

Výhody spaľovacích motorov:

• rýchle uvedenie do prevádzky

• je možné skonštruovať ich pre spaľovanie rôznych palív, ale aj v rôznych veľkostiach a pre rôzne účely

• motory s kvapalnými palivami umožňujú dosahovať veľmi nízku spotrebu paliva

• piestové spaľovacie motory dosahujú vysokú účinnosť premeny energie

Nevýhody spaľovacích motorov:

• nepriaznivý vplyv na životné prostredie a zdravie ľudí a iných organizmov

• piestové spaľovacie motory majú nevýhodný priebeh výkonových charakteristík

• obmedzená životnosť

• pre svoj štart vyžadujú cudzí zdroj energie (s výnimkou raketových motorov)