Hlavní fáze provozu benzínového motoru – od příjmu paliva po výrobu energie

Spalovací motor způsobuje, že se vesmírem pohybuje hromada železa a plastu. Ale jak a díky čemu to spalovací motor dělá?

Spalovací motor, zkráceně ICE, je „srdcem“ většiny moderních automobilů. A to nejen auta, ale i motocykly, lodě, dieselové lokomotivy, letadla a dokonce i zmenšené modely vozidel.

• Co je ICE
• Jak vznikl spalovací motor
• ICE zařízení
• druhy
• 5 zajímavých faktů

Co je ICE

ICE je stále hlavním typem automobilového motoru, tepelného motoru, který přeměňuje chemickou energii paliva na mechanickou práci. Spalováním paliva ve vnitřních komorách uvolňuje spalovací motor energii a následně ji převádí na rotační pohyb. To zase roztáčí kola nebo nože.

Spalovací motory se obvykle dělí do několika hlavních typů:

• Pístový spalovací motor;
• Spalovací motor s rotačním pístem:
• Spalovací motor s plynovou turbínou.

Hlavním typem spalovacího motoru je klasický pístový motor, proto si o něm povíme hlavně dále.

Jak vznikl spalovací motor

Spalovací motor je starý jako svět. Historie vzniku tohoto stroje je úzce spjata s parními motory, tedy motory s vnějším spalováním.

Parní stroje používané v 1. století byly objemné a slabé, s extrémně nízkou účinností. Teplo ze spalování paliva v nich bylo využito k ohřevu kapaliny, která se zase změnila v páru a pracovala. Zní to dobře, ale co ve skutečnosti? Ve skutečnosti se praktická účinnost, tj. účinnost přeměny energie, obvykle pohybovala od 8 do XNUMX %. Už tehdy bylo jasné, že systém potřebuje vylepšit. Proč spalovat palivo mimo motor Není lepší to udělat přímo v něm?

Pokusy o vytvoření spalovacích motorů začaly mnohem dříve, než si dokážete představit – již v 1678. století. V roce XNUMX vytvořil holandský matematik Christiaan Huygens primitivní spalovací motor, poháněný. střelným prachem. Myšlenka byla rozvinuta: experimentátoři v různých zemích šli podobnou cestou, ale ne všichni se dostali do historie.

S jistotou je známo, že v roce 1794 si Robert Street nechal patentovat spalovací motor využívající kapalné palivo. První funkční prototyp byl postaven. V roce 1807 vyvinul Francouz Nicéphore Niepce spalovací motor s pevným skupenstvím běžící na pyreoloforový prášek. Napoleon Bonaparte se s prototypem osobně seznámil. Ve stejném roce vytvořil Francois Isaac de Rivaz pístový spalovací motor na vodíkový plyn – tento motor dostal pístovou skupinu a zážehové zapalování.

První automobilový spalovací motor v obvyklém smyslu vytvořil v roce 1885 Karl Benz – motor byl použit v Benz Patent-Motorwagen.

Na vývoji spalovacího motoru se podílelo mnoho vynálezců, ale prvním komerčně úspěšným projektem byl francouzský vynálezce z Belgie Jean Etienne Lenoir. Do roku 1864 prodal přes 1 svých motorů a vydělal na tom slušné peníze.

První automobilový spalovací motor v obvyklém smyslu vytvořil v roce 1885 Karl Benz – motor byl použit v Benz Patent-Motorwagen.

Konstrukce pístového spalovacího motoru

Tradiční pístový spalovací motor je extrémně složitý systém. Klasický spalovací motor však tolik základních dílů nemá. Bez těchto prvků není provoz spalovacího motoru možný:

• blok válců – mechanický základ motoru;
• hlavy válců;
• písty;
• spojovací tyče;
• klikový hřídel;
• vačkový hřídel s vačkami;
• sací a výfukové ventily;
• zapalovací svíčky*.

* – ve skutečnosti je podrobností mnohem více, ale není možné o každém z nich mluvit v krátkém článku.

Principy činnosti spalovacích motorů

Na podobném principu fungují všechny klasické spalovací motory. Během jejich provozu se energie blesku paliva, tedy tepelná energie, přeměňuje na mechanickou energii. Obvykle se to děje takto:

1. Když se píst ve válci pohybuje dolů, otevře se sací ventil. Směs vzduchu a paliva vstupuje do válce.
2. Píst se zvedne a výfukový ventil se uzavře. Píst stlačuje směs vzduchu a paliva a dosahuje horní úvrati.
3. Na zapalovací svíčce se objeví jiskra, směs vzduchu a paliva okamžitě hoří a uvolňuje velké množství plynů. Pod jejich působením se píst řítí dolů.
4. Výfukový ventil se otevře a výfukové plyny jsou vytlačovány do výfukového potrubí.

Čtyřtaktní motor

U čtyřdobého motoru probíhají čtyři nepřetržité sekvenční fáze:

1. Sání (naplnění válce směsí).
2. Komprese.
3. Výkonový zdvih nebo spalování.
4. Vypouštění výfukových plynů.

Dvoutaktní motor

Existují ale i jiné motory – dvoutaktní. Fungují trochu jinak a obvykle se používají na motocyklech a benzínovém nářadí, jako jsou řetězové pily. Co se v nich děje?

1. Když se píst pohybuje zdola nahoru, palivo vstupuje do spalovací komory. Směs vzduchu a paliva stlačená pístem je zapálena jiskrou.
2. Směs se vznítí a píst se řítí dolů. Otevře se přístup k výfukovému potrubí a produkty spalování vystupují z válce.

Rozdíl je v tom, že existují pouze dva zdvihy: v prvním nastávají současně sání a komprese a ve druhém se píst snižuje a spaliny se uvolňují z potrubí.

Jaké další spalovací motory existují?

Kromě pístových spalovacích motorů vzniklo mnoho dalších typů spalovacích motorů – rotační, plynové turbíny, proudové, proudové a bezpočet jejich modifikací. v čem se liší?

• Spalovací motory s plynovou turbínou

Jestliže u tradičních pístových spalovacích motorů je práce expanze plynných spalin přeměněna na rotační pohyb klikového hřídele, pak u motorů s plynovou turbínou je práce expanze spalin vnímána lopatkami rotoru a u proudových motorů reakční tlak který nastává, když se používají spaliny vytékající z trysky. Všechny tyto typy spalovacích motorů mají jedno společné – při provozu v sobě spalují palivo.

Extrémně neobvyklé motory, které lze najít i na sériových autech. První rotační pístový motor vytvořil německý inženýr Felix Wankel v roce 1957. Tento spalovací motor je vzhledově zcela odlišný od jakéhokoli tradičního pístového motoru.

Wankelův motor se skládá ze skříně, spalovací komory, sacích a výfukových kanálů, pevného převodu, ozubeného kola, rotoru, hřídele a zapalovací svíčky. Rotor na excentrickém hřídeli je poháněn silou tlaku plynu vznikajícího při spalování směsi vzduch-palivo. Otáčí se vzhledem ke statoru prostřednictvím ozubených kol. Když rotor provádí excentrické kruhové pohyby, jeho hrany se dostanou do kontaktu s vnitřním povrchem spalovací komory. Vzniknou tak tři izolované komory, ve kterých se střídavě spaluje palivo. Rotující rotor přenáší točivý moment na převodovku.

Lidstvo vytvořilo mnoho neuvěřitelných a skutečně jedinečných motorů. Zde je 10 nejpokročilejších:

5 zajímavostí o spalovacích motorech

Spalovací motor může běžet na alternativní paliva

Moderní spalovací motory se obvykle dělí na dva hlavní typy podle použitého paliva – benzín a naftu. Samotná historie vzniku spalovacích motorů však hovoří jasně: v takových motorech lze spalovat mnoho druhů paliv – od různých plynů po nejrůznější rozpouštědla a alkoholy. Hlavní je je odpařit a smíchat vzduch ve správném poměru.

Nejběžnější alternativou k benzínu a naftě jsou propan-butan a metan, ale můžete použít i „výbušnou směs“ vodíku a kyslíku. A to není vše: téměř každé moderní auto se spalovacím motorem může jezdit na směs benzinu a etanolu nebo na čistý etanol, tedy líh vyrobený ekologicky. Benzínové auto bude také jezdit na různá rozpouštědla. Například spalovací motor můžete nastartovat pomocí běžného rozpouštědla z železářství – tato kapalina se obvykle používá k čištění palivového systému.

Spalovací motor přežije ve vesmíru i pod vodou (pokud se budete opravdu hodně snažit)

Spalovací motor lze vyrobit tak, aby fungoval i ve vesmíru. Vše, co je potřeba, je poskytnout kyslík pro vytvoření směsi vzduchu a paliva. Pokud je tato jednoduchá podmínka splněna, může se spalovací motor nastartovat a pracovat i pod vodou. Nic pro něj není nemožné.

ICE je opravdu špatný

Benzinový spalovací motor přes veškerou svou vyrobitelnost a složitost z hlediska účinnosti nezaostává za parním strojem. Účinnost těchto jednotek ponechává mnoho přání. Účinnost se pohybuje v průměru v rozmezí od 20 do 25 %.

Jinými slovy, při spálení běžných 10 litrů benzínu mají užitečný efekt jen asi tři litry. Veškeré ostatní palivo se spotřebuje na tepelné a mechanické ztráty. Z tohoto pohledu jsou dieselové motory mnohem chladnější: jejich účinnost dosahuje 40 %. Ale jejich věk už pominul.

Opuštění spalovacích motorů je nevyhnutelné

Jeden z důvodů chystaného opuštění spalovacích motorů jsme již odhalili – nízkou účinnost. Je tu ale ještě jeden důležitý bod – dopad na životní prostředí. Vzhledem k tomu, že téměř všechny spalovací motory běží na neobnovitelné zdroje (benzín, nafta, naftový plyn), je životně důležité je opustit.

Světové zásoby ropy podle odborníků dosahují 1,726 bilionu barelů, což při současné úrovni spotřeby vydrží o něco více než 50 let. Ropa se používá k výrobě více než jen paliva. Je základem syntetických kaučuků, plastů, potravin, tkanin, šamponů a dokonce i aspirinu. Vše, bez čeho je lidský život prakticky nemožný.

Globální automobilky již oznámily bezprostřední opuštění spalovacích motorů. Do roku 2035 bude ve všech ekonomicky vyspělých zemích zákonem zakázán prodej nových aut s uhlovodíkovým motorem. (Foto: Shutterstock)

I přes vícestupňové čištění zplodin spalování vypouštějí spalovací motory do ovzduší enormní množství škodlivých látek. Spalovací motory při provozu vypouštějí uhlovodíkové sloučeniny, oxid uhelnatý (oxid uhelnatý), oxid dusnatý a oxid dusičitý, oxid siřičitý a saze. Spalovací motory ročně vypustí do životního prostředí asi 60 milionů tun oxidů síry a přibližně 200 milionů tun sazí. Množství oxidů dusíku, sloučenin olova a uhlovodíků vypouštěných do atmosféry dosahuje milionů tun. Tohle zabíjí Zemi.

ICE bude relevantní po desetiletí

Globální automobilky již oznámily bezprostřední opuštění spalovacích motorů. Zejména Mercedes-Benz a Audi to udělali. Do roku 2035 bude ve všech ekonomicky vyspělých zemích zákonem zakázán prodej nových aut s uhlovodíkovým motorem. A za 23 let už v Evropě nebude možné jezdit s běžným autem s normálním spalovacím motorem.

V řadě zemí, například v sousedním Norsku, k selhání dojde ještě dříve – obyvatelstvo této země se před pár lety rozhodlo pro elektromobily. V roce 2025 by měly začít platit nové evropské ekologické normy Euro-7, které spalovací motor vlastně pohřbí.

Věk vznětových motorů již v Evropě pominul – v roce 2021 byly na trhu EU v prodeji podřadnější než elektrické modely. To ale vůbec neznamená, že spalovací motory v dohledné době zaniknou. V rozvojových zemích je opuštění spalovacích motorů stále v zásadě nemožné. Uhlovodíkové motory se tam budou používat minimálně několik desetiletí. Včetně přenosných generátorů, všech druhů nářadí a na vozidlech. ICE budou nadále široce používány v letadlech a lodích, alespoň jako součást hybridních elektráren.

• Jak propláchnout chladicí systém, aniž by se něco rozbilo
• Brzdový třmen: jak funguje a proč je důležitý
• Systém ABS: co to je a jak to funguje?

Činnost spalovacího motoru může být reprezentována formou systematicky se opakujících procesů, které se běžně nazývají pracovní cykly. Pracovní cyklus motoru je série sekvenčních, periodických, opakujících se procesů ve válcích, v jejichž důsledku se tepelná energie paliva přeměňuje na mechanickou práci. V tomto případě lze každý kompletní pracovní cyklus rozdělit na identické (opakující se) části – cykly.

Část pracovního cyklu ukončená při pohybu pístu z jedné úvrati do druhé, tedy během jednoho zdvihu pístu, se nazývá zdvih. Motory, jejichž pracovní cyklus je ukončen čtyřmi zdvihy pístu (dvě otáčky klikového hřídele), se nazývají čtyřdobé.
V hlavě válce, nad spalovací komorou (obr. 1) karburátorového motoru, sání 4 a promoce 6 ventily ovládané mechanismem distribuce plynu, stejně jako zapalovací svíčka 5.

Pracovní cyklus karburátorového čtyřdobého motoru se skládá z po sobě jdoucích zdvihů sání, komprese, expanze a výfuku.

Sací zdvih

V důsledku otáčení klikového hřídele při spouštění motoru (ručně nebo pomocí speciálního zařízení – například kliky nebo elektrického spouštěče) se píst pohybuje z horní úvratě (TDC) do dolní úvratě (BDC). V tomto případě vstupní ventil 4 je otevřený a výfukový ventil 6 Zavřeno.
Protože se objem válce rychle zvětšuje, když se píst pohybuje dolů (směrem k BDC), tlak nad pístem klesá na 0,07. 0,09 MPa, tj. uvnitř válce vzniká vakuum – přebytečné vakuum.
Sací ventil 3 komunikuje se speciálním zařízením – karburátorem, který připravuje hořlavou směs paliva a vzduchu. Vlivem tlakového rozdílu mezi karburátorem a válcem je hořlavá směs nasávána přes otevřený sací ventil do válce motoru.

Pokud motor již běží, pak se hořlavá směs, která vstupuje do válce z karburátoru, mísí se zbytkovými produkty spalování z předchozího cyklu a tvoří pracovní směs. Mícháním se zbytkovými produkty spalování a kontaktem s ohřátými částmi válce se pracovní směs zahřeje na teplotu 75. 125 ˚С.

kompresní zdvih

Jakmile se píst přiblíží k BDC, sací ventil se uzavře. Dále se píst začne pohybovat nahoru (směrem k TDC) a stlačuje směs vzduchu, paliva a zbytkových produktů spalování, které nebyly odstraněny z válce během výfuku. Když se píst pohybuje z BDC do TDC, v důsledku zmenšení objemu válce se zavřenými ventily se zvyšuje tlak a zvyšuje se teplota pracovní směsi (v souladu s Gay-Lussacovým zákonem).
Na konci kompresního zdvihu tlak uvnitř válce stoupne na 0,9…1,5 MPaa teplota směsi dosáhne 270-480 ˚С.
V tomto okamžiku jsou elektrody zapalovací svíčky 5 je přiváděno vysoké napětí, které mezi nimi způsobí jiskrový výboj, v důsledku čehož se pracovní směs vznítí a shoří.
Při spalování paliva se uvolňuje velké množství tepla, díky kterému se teplota plynů (zplodin hoření) zvyšuje na 2200-2500 ˚Сa tlak uvnitř válce dosáhne 3,0…4,5 MPa. Plyny začnou expandovat a pohybují pístem dolů směrem k BDC.

Expanzní zdvih (silový zdvih)

Pod tlakem expandujících plynů se píst pohybuje z TDC do BDC (oba ventily jsou uzavřeny). Během této doby (zdvih) se tepelná energie přeměňuje na užitečnou práci, proto se zdvih pístu při expanzním zdvihu nazývá silový zdvih.
Při pohybu pístu do BDC se objem válce zvětšuje, v důsledku čehož tlak klesá na 0,3…0,4 MPaa teplota plynů klesá na 900…1200 ˚С.

Uvolňovací cyklus

Když se píst přiblíží k BDC, otevře se výfukový ventil 6, v důsledku čehož zplodiny hoření pracovní směsi vyrazí z válce.
S dalším otáčením klikového hřídele se píst začne pohybovat z BDC do TDC. Protlačením výfukových plynů přes otevřený výfukový ventil, výfukový port 7 a výstupní potrubí do okolí. Na konci výfukového zdvihu je tlak ve válci 0,11…0,12 MPaa teplota – 600…900 ˚С.

Když se píst přiblíží TDC, výfukový ventil se uzavře, sací ventil se otevře a začne sací zdvih, což vede k novému pracovnímu cyklu.

Pracovní cyklus čtyřdobého dieselového motoru

Pracovní cyklus dieselového motoru se zásadně liší od cyklu karburátorového motoru v tom, že pracovní směs (směs paliva, vzduchu a zbytků spalování) se připravuje uvnitř válce, protože vzduch je do válce přiváděn odděleně a palivo odděleně přes injektor. Vznětový motor nemá speciální zařízení na zapalování pracovní směsi – vznítí se samovolně v důsledku vysokého stupně komprese.
To znamená, že u vznětového motoru, na rozdíl od motoru s karburátorem, se přes sací ventil nepřivádí hořlavá směs, ale atmosférický vzduch a palivo je na konci kompresního zdvihu vstřikováno tryskou. Ve válci stejně jako u karburátorového motoru zůstávají ve válci zplodiny hoření pracovní směsi, které nebylo možné odstranit proplachováním.
Tvorba směsi (směšování vzduchu, paliva a zbytků spalování) ve vznětovém motoru nastává uvnitř válce, což určuje hlavní rozdíly v sérii zdvihů, které tvoří pracovní cyklus.

Vysoký stupeň komprese vede k tomu, že vzduch vstupující do válce přes sací ventil se mísí se zbytkovými plyny a zahřívá se (v doslovném smyslu slova) na vysoké teploty. A v tuto chvíli se do válce vstřikuje palivo, které se rozhoří a začne hořet.

Pracovní procesy v dieselovém motoru probíhají v následujícím pořadí (obr. 2):

Sací zdvih

Během sacího zdvihu píst 2 přesune z BDC do TDC. V tomto případě vstupní ventil 5 otevřený, výfukový ventil 6 ZAVŘENO. Ve válci 7 vlivem rozdílu tlaku v okolí a ve válci vzniká na konci sacího zdvihu podtlak 0,08. 0,09 MPa, přičemž teplota uvnitř válce nepřekročí 40…70 ˚С.

kompresní zdvih

Během kompresního zdvihu jsou oba ventily uzavřeny. Píst 2 se pohybuje z BDC do TDC a stlačuje směs vzduchu a výfukových plynů. Tlak na konci kompresního zdvihu dosáhne 3…6 MPaa teplota – 450…650 ˚С (překročí teplotu samovznícení paliva).

Když se píst blíží TDC, vstupuje do válce tryskou 3 je vstřikováno rozprášené kapalné palivo. Palivo je dodáváno do vstřikovače (přes vysokotlaké potrubí) palivovým čerpadlem 1 vysoký tlak (HPF). Tryska zajišťuje jemné rozprášení paliva ve stlačeném vzduchu. Rozprášené palivo se samovolně vznítí a hoří. V důsledku spalování dosáhne teplota ve válci 1600…1900 ˚С, tlak – 6…9 MPa.

Expanzní zdvih (silový zdvih)

Na konci kompresního zdvihu, když se blíží TDC, jsou oba ventily uzavřeny. Po vstřiku paliva se pracovní směs samovznítí a shoří, zatímco píst 2 pod tlakem expandujících plynů se rychle pohybuje z TDC do BDC a působí na klikový hřídel přes ojnici a vykonává užitečnou práci.
Palivo, které se nestihne spálit na konci kompresního zdvihu, dohoří na začátku expanzního zdvihu. Na konci pracovního zdvihu se tlak plynu sníží na 0,2…0,4 MPaa teplota klesne na 700…900 ˚С.

Uvolňovací cyklus

Když se blíží dolní úvratě (BDC), výfukový ventil 6 se otevře a většina výfukových plynů uniká z válce do atmosféry pod vysokým tlakem. Píst se začne pohybovat z BDC do TDC a přes otevřený výfukový ventil vytlačuje výfukové plyny zbývající ve válci do okolí. Na konci zdvihu je tlak plynu ve válci 0,11…0,12 MPaa teplota – 600. 700 ˚С.
Poté se pracovní cyklus opakuje.

Ve čtyřdobém motoru je tedy pouze jeden zdvih – silový zdvih je užitečný z hlediska provádění užitečné práce, další tři jsou pomocné, provádějí se díky kinetické energii setrvačníku připevněného k konec klikového hřídele.

Pracovní cyklus dvoudobého motoru

U dvoudobých spalovacích motorů se pracovní cyklus provádí jednou otáčkou klikového hřídele.
Schéma dvoudobého vznětového motoru je na Obr. 3.
Vzduchová pumpa 3 se čerpá vstupním (proplachovacím) oknem 4 do válce. Na spodní straně válce naproti vstupnímu otvoru je výfukový otvor 7. V hlavě 5 nainstalované vstřikovače bloku válců 6.

První zdvih (obr. 3, a) nastává, když se píst pohybuje z BDC do TDC vlivem kinetické energie setrvačníku motoru. Obě okna jsou otevřená. Nuceně přes vstupní port 4 vzduch vytlačuje zbývající výfukové plyny z válce, které vycházejí výfukovým otvorem 7. Tímto způsobem je válec očištěn od výfukových plynů (proplachování) a naplněn čerstvou náplní.

Nahoru se pohybující píst 8 nejprve zavře vstupní okénko a poté výstupní okénko. Od tohoto okamžiku začíná proces stlačování, na jehož konci tryskou 6 je vstřikováno palivo.
Během první poloviny otáčky klikového hřídele tedy probíhají procesy plnění a komprese a začíná spalování paliva.

Druhý zdvih (obr. 3. b) nastává, když se píst pohybuje z TDC do BDC. V důsledku uvolňování tepla při spalování paliva se zvyšuje teplota a tlak uvnitř válce. Píst se pohybuje dolů a vykonává užitečnou práci.
Jakmile píst otevře výfukový otvor, výfukové plyny pod tlakem začnou unikat do okolí. V okamžiku otevření sacího okna se tlak uvnitř válce sníží natolik, že je možné válec vyčistit vytlačením výfukových plynů čerstvou náplní vzduchu přiváděného do válce čerpadlem. 3.
Tento proces se nazývá proplachování válce. V tomto případě se současně s vytěsňováním výfukových plynů válec plní čerstvou náplní. Poté se všechny procesy opakují ve stejném pořadí.

Pracovní cyklus dvoudobého motoru s karburátorem je podobný jako u dvoudobého dieselového motoru. Rozdíl je v tom, že do válce se nedostane čistý vzduch, ale hořlavá směs a na konci procesu komprese je do válce přes zapalovací svíčku přivedena jiskra, která má za následek vznícení hořlavé směsi.

Jednou z výhod dvoudobého motoru ve srovnání se čtyřdobým motorem je, že každý výkonový zdvih zde nastává během jedné otáčky klikového hřídele, spíše než dvou. Je zřejmé, že snížení počtu cyklů by mělo vést ke zvýšení účinnosti v důsledku poklesu parazitních procesů. A protože u čtyřdobého motoru nastanou ve dvou otáčkách klikového hřídele čtyři zdvihy, z nichž je užitečný pouze silový zdvih (tj. zbývající tři zdvihy jsou parazitní), je přirozené předpokládat, že účinnost čtyřdobého takt motoru by měla být nižší než účinnost čtyřdobého motoru.

Významnou nevýhodou dvoudobých motorů je nízká spotřeba paliva a kratší životnost ve srovnání se čtyřdobými motory. Tato nevýhoda se vysvětluje skutečností, že při proplachování válce (nebo válců) je čerstvá hořlavá směs částečně odstraněna spolu s výfukovými plyny, protože na rozdíl od čtyřdobého motoru dochází k výfuku a nasávání plynů současně.
Tyto nevýhody, stejně jako větší toxicita výfukových plynů, vysvětlují omezené použití dvoudobých motorů v automobilech.