TeploUčivo fyziky 8. ročník

Téma: Tepelné stroje

Spalovací motory

Zpracoval: Mgr. Oldřich Keltner

Použitá literatura :

Fragment 2000 : Velká encyklopedie vědy

A.Míček,R.Kroupa : Fyzika 8/ Tvořivá škola Brno

Obrázky : http://www.google.cz/

Wikipedia.cz

Šablona V/2; Autorem materiálu a všech jeho částí je Mgr. Oldřich Keltner

Spalovací motory

U spalovacího motoru je pracovní

látkou plyn, vznikající hořením

paliva uvnitř motoru.

Plynová turbínaPrincip činnosti

- tepelný stroj

- mění tepelnou energii plynů

na mechanickou práci

- pracovní látkou jsou ohřáté plyny nebo spaliny, vznikající v jiných strojích přivedené do plynové turbíny

- plyny při průchodu turbínou odevzdají jejím lopatkám svou kinetickou energii.

Plynová

turbínaPlynová turbína se spojuje s kompresorem

a spalovací komorou.

Do rotačního kompresoru se nasává

z okolí vzduch, stlačuje se, předehřívá

a promíchává ve spalovací komoře

s plynule vstřikovaným palivem.

Ve spalovací komoře palivo shoří a vzniklý

horký plyn proudí spolu s přebytečným

vzduchem velkou rychlostí na lopatky

turbínových kol. Kompresor je poháněn

turbínou.

Používá se k pohonu elektrických

generátorů, lodí.

Je také součástí raketových a proudových

motorů.

Výhodou je, že nepotřebuje parní kotel, je

méně rozměrná a lehčí než parní turbína.

Nevýhodou je větší spotřeba paliva.

Účinnost turbíny je od 22 % do 37 %.

Čtyřdobý zážehový motor-

historie

První čtyřdobý spalovací motor, který

využíval benzín, sestrojil v roce 1876

německý inženýr Nicolaus Otto

Výhody proti parnímu stroji :

menší, lehčí a postupem času i tišší,

čistší a především účinnější

Vynález spalovacího motoru dal impuls

odbytu a zpracování ropy.

V prvních deseti letech jeho existence

se ho prodalo deset tisíc kusů.

1.výfukové potrubí

2.spalovací komora

3.vačkový hřídel

4.vahadlo

5.píst

6.ventil

7.zapalovací svíčka

8.karburátor

9.hlava válce

10.blok

11.rozvodový řemen

12.alternátor

13.vodní čerpadlo

14.ojnice

15.klikový hřídel

16.skříň motoru

Čtyřdobý zážehový motor

Popis zážehového motoru

Zážehový motor

• je spalovací motor

• směs paliva a vzduchu je ve

válci zapálena (zažehnuta)

elektrickou jiskrou, kterou

obvykle vytvoří zapalovací

svíčka

• palivo - benzín

• pracovní cyklus – 4 doby

sání

komprese

expanze

výfuk

Pracovní fáze zážehového

motoru

• Sání – píst se pohybuje směrem do dolní úvrati (DÚ), přes sací ventil je nasávána pohonná směs.

• Komprese – píst se pohybuje směrem do horní úvrati (HÚ). Oba ventily jsou uzavřené. Nasátá směs zmenšuje svůj objem, zvětšuje tlak a teplotu. Těsně před horní úvratí je směs zapálena elektrickou jiskrou

• Expanze – oba ventily jsou uzavřené. Směs paliva a vzduchu zapálená elektrickou jiskrou shoří. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů. Ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci.

• Výfuk – píst se pohybuje směrem do HÚ. Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí.

Chod čtyřdobého zážehového motoru

Jejich účinnost se pohybuje od 20 % do 33 %.

Se čtyřdobými zážehovými motory se setkáme převážně v osobních automobilech.

Motor: čtyřdobý, zážehový,

kapalinou chlazený, řadový

čtyřválec OHV

Čtyřdobý vznětový motor-

historie• vynalezen Rudolfem

Dieselem

• zdokonalen Charlesem

Ketteringem

Stacionární diesel

MAN z roku 1906,

výkon 12 HP

Vznětový motor• běžně nazývaný dieselový motor, naftový

motor, Dieselův motor či zkráceně jen

diesel

• je nejvýznamnějším dnes používaným

druhem spalovacího motoru

• chemická energie vázaná v palivu se mění

na mechanickou energii ve formě otáčivého

pohybu hnacího hřídele stroje.

• provedení vznětového motoru

čtyřdobý spalovací motor

dvoudobý spalovací motor

(například lodní motory)

Palivo je do něj dopravováno odděleně od

vzduchu vysokotlakým čerpadlem a

vysokotlakým potrubím.

Výfukové

ventily Palivový

vstřik

Kliková

skříň

Píst

Olej

Přívod

vzduchu

Moderní

provedení

vznětového

motoru

Pracovní fáze vznětového motoru

• Sání – píst se pohybuje směrem do dolní úvrati (DÚ), přes sací ventil je nasáván vzduch.

• Komprese – píst se pohybuje směrem do horní úvrati (HÚ). Oba ventily jsou uzavřené. Nasátý vzduch zmenšuje svůj objem, zvětšuje tlak a teplotu. Těsně před horní úvratí je do válce vstříknuto palivo.

• Expanze – oba ventily jsou uzavřené. Směs paliva a vzduchu zapálená samovznícením shoří. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů. Ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci.

• Výfuk – píst se pohybuje směrem do horní úvrati. Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí.

Dieselův motor• Vznětové motory se nejčastěji montují do

nákladních automobilů, zemních strojů,

některých lokomotiv a lodí.

• Jejich účinnost se pohybuje od 30 % do 42 %.

• Vznětové motory mají při stejném výkonu větší

hmotnost než zážehové.

Vznětový čtyřdobý motor

(Dieselův motor)

• má obdobnou konstrukci jako zážehový

čtyřdobý motor

• nepotřebuje však elektrické zapalování

směsi

• účinnost tohoto motoru je asi 40%.Pracovní cyklus motoru

Palivo: nafta

Dvoudobý spalovací motor• Dvoudobý spalovací motor je pístový spalovací motor, jehož pracovní

cyklus proběhne za jednu otáčku klikové hřídele. Na rozdíl od čtyřdobého spalovacího motoru obstarávají přívod zápalné směsi místo ventilů píst a kanály. Píst při svém pohybu otevírá a zavírá kanály. U novějších motorů ovládá sání pod píst šoupátkový rozvod nebo klapky.

• Mazání u zážehového dvoudobého motoru je prováděno olejem rozpuštěným v palivu. Tlakové oběhové mazání, používané u čtyřdobých motorů, nelze použít, protože na pracovním cyklu se podílí i dolní plocha pístu.

• Proti čtyřdobým motorům jsou díky jednodušší konstrukci lehčí a obvykle mají při stejných otáčkách vyšší měrný výkon (daný dvojnásobným počtem pracovních cyklů na jednu otáčku), ale nižší účinnost danou tím, že komprese a/nebo expanze musejí být zkráceny, aby mohla proběhnout výměna paliva a výfukových plynů v pracovním prostoru. Proto velmi záleží na tvaru, délce a průměru výfuku, který velmi ovlivňuje vyplachování spalovacího prostoru čistou směsí.

• V současné době jsou ale na ústupu právě pro svou nižší účinnost a hlavně pro znečištění, způsobené příměsí nespáleného paliva ve spalinách (v závislosti na kvalitě vyplachování spalovacího prostoru) a spalováním oleje obsaženého v palivu.

Motor má tři druhy pracovních kanálů

A. sací

B. výfukový

C. přepouštěcí

Princip činnosti:

Píst se pohybuje z DÚ do HÚ (obr. 1-1)

Činnost v klikové skříni (pod pístem)

Po uzavření přepouštěcího kanálu horní hranou

pístu se v utěsněné klikové skříni zvětšuje objem

a vzniká v ní podtlak asi 20 kPa až 40 kPa. Po

uvolnění sacího kanálu dolní hranou pístu, začne

skutečné nasávání směsi (obvykle výbušná

směs+mazací olej) do klikové skříně.

Činnost ve spalovacím prostoru (nad pístem)

Po uzavření výfukového kanálu začíná stlačování

zápalné směsi ve válci nad pístem. Krátce před

HU přeskočí na svíčce jiskra a zažehne zápalnou

směs.

Píst se pohybuje z HÚ do DÚ (obr. 1-2)

Činnost ve spalovacím prostoru

V důsledku hoření směsi rychle vzroste teplota a

tím i tlak. Vzniklé plyny se rozpínají a tlačí na píst

z HÚ do DÚ. Energie horkých plynů se tak

převádí na mechanickou práci.

Činnost v klikové skříni

Píst uzavře sací kanál a směs uzavřená v klikové

skříni se začne stlačovat. V klikové skříni bude

přetlak 30 kPa až 60 kPa.

Výměna náplně (činnost pod i nad pístem) (obr.

1-3)

Nejprve horní hrana pístu otevře výfukový kanál.

Spaliny prudce unikají do výfukového potrubí a

tlak nad pístem prudce poklesne. Krátce nato

píst svojí horní hranou otevře přepouštěcí kanál

a zápalná směs vlivem přetlaku v klikové skříni

začne proudit do pracovního prostoru. Před

sebou vytlačuje spaliny do výf. kanálu a tím

dochází k vyplachování válce. Tento děj končí po

uzavření přepouštěcího a následně i výfukového

kanálu. Pak nad pístem následuje komprese.

Popis dvoudobého motoruChod dvoudobého motoru

Tato konstrukce motoru byla odvozena od

parního stroje a je historicky starší než čtyřdobý

motor.

Výhody proti čtyřdobému motoru: jednoduchá

konstrukce, méně pohyblivých částí, vysoký

objemový výkon a nižší výrobní náklady.

Dvoudobé se používají nejčastěji v motocyklech

a různých přenosných strojích, např.

motorových pilách.

Dvoudobé motory jsou

jednodušší, ale mají menší

účinnost než čtyřdobé, neboť

výfukem odchází část

nespálené směsi.

Pracovní fáze dvoudobého

zážehového motoru• sání a komprese – Píst se pohybuje od dolní úvratě směrem

k horní úvrati. V klikové skříni vzniká podtlak a tím se nasaje do klikové skříně zápalná směs. Během pohybu pístu nahoru se uzavírá výfukový a přepouštěcí kanál. Směs v prostoru nad pístem (byla připravena dříve během druhé fáze) se stlačuje, nastává komprese a pod pístem probíhá důsledkem podtlaku sání.

• expanze a výfuk – Těsně před horní úvratí přeskočí jiskra, nastává zážeh a expanze. Expanzí je píst tlačen z horní úvratě do úvratě dolní. Spodní hrana pístu uzavírá sací kanál. Směs v klikové skříni se pohybem pístu stlačuje. Při dalším pohybu pístu otevírá pravá horní hrana pístu výfukový kanál a vzápětí na to otevírá horní hrana pístu i přepouštěcí kanál a stlačená směs začne vytlačovat zbytky zplodin a dostává se do prostoru nad píst.

Dvoudobý motor

Průřez dvoudobým, přeplňovaným, zážehovým motorem typu boxer s

protiběžnými písty a společným spalovacím prostorem

Benzinový zážehový dvoudobý,

vzduchem chlazený ze šikmým válcem

skloněným vpřed

počet válců 1

Reaktivní motory• Reaktivní motory využívají sílu reakce

při úniku horkých plynů tryskou.

• Rozlišujeme motory proudové

a raketové.

• První práce z této oblasti publikoval

v roce 1903 Konstantin Eduardovič

Ciolkovskij, další rozvoj nastal

s druhou světovou válkou, kdy se

rakety používaly jako zbraně (např.

německá V1 nebo V2).

• Dalším vývojem raket a reaktivních

motorů se zabýval R. H. Goddard,

Hermann Oberth a Sergej Pavlovič

Koroljov.

Replika V2 - první úspěšné rakety -

v muzeu v Peenemünde

Otcové vývoje raket a reaktivních motorů

Konstantin

Eduardovič

Ciolkovskij

Hermann Oberth Robert H. Goddard

Sergej

Pavlovič

Koroljov

Raketové motory• Raketové motory na kapalné palivo nesou s sebou nádrže s tekutým

palivem a okysličovadlem.

• Jako paliva se používají např. naftové produkty, vodík atd.

Okysličovadlem je např. tekutý kyslík, fluór, kyselina dusičná a jiné látky

bohaté na kyslík.

• U velkých raketových motorů shoří ve spalovací komoře za 1s kapalné

pohonné látky o hmotnosti až 2700 kg.

• Používají se k uvádění družic, kosmických sond a kosmických lodí

na příslušnou trajektorii.

• Raketové motory na pevné palivo se skládají ze spalovací komory,

uvnitř které hoří pevné pohonné hmoty. Tyto motory jsou konstrukčně

jednoduché a provozně spolehlivé. Umožňují neustálou připravenost ke

startu. Nedovolují však vícenásobný start.

• Raketové motory mají také význam pro vojenské účely.

• Dosahují účinnosti kolem 50 %.

Řez raketou

V2 1. Bojová hlavice

2. gyroskopický naváděcí systém

3. radiový přijímač navádění

4. palivo (směs alkoholu s vodou)

5. trup rakety

6. okysličovadlo (kapalný kyslík)

7. nádrž peroxidu vodíku

8. Nádrže stlačeného dusíku

9. Vyvíječ páry (z peroxidu)

10. Palivové čerpadlo

11. Přívod paliva a okysličovadla

12. Rám motoru

13. spalovací komora motoru

14. stabilizační křídla

15. přívod paliva pro chlazení trysky

motoru

16. řídící klapky (směr spalin)

17. řídící křidélka

Celkem bylo v

průběhu 2. světové

války vyrobeno přes

6000 raket V-2, z

nichž téměř 3172

bylo odpáleno na

nepřátelské cíle. Mezi

nejčastější cíle raket

V-2 patřil Londýn,

proti němuž bylo

vypáleno 1358 raket

a dále belgické

Antverpy, na něž bylo

vypáleno 1610 raket.

Raketový motor

Současné raketové motory

Proudové motory• Proudové motory patří mezi motory,

u nichž je k přeměně energie plynu

v mechanickou energii využit třetí

pohybový zákon (akce a reakce).

• Spalováním paliva vznikají plyny, které

unikají tryskou do okolí. Síla, která

vypuzuje plyny z motoru, je akce.

Reakce působí na samotný motor a tím

uvádí do pohybu např. letadlo.

• K tomu, aby se letadlo dalo do pohybu je

nutné použít turbokompresor, který vhání

vzduch do osy motoru.

• Reaktivní motory využívají při spalování

paliva jako okysličovadlo kyslík

z ovzduší.

• Mohou se proto pohybovat pouze

v zemské atmosféře.

Letecký turbínový motor

1 – nasávání vzduchu, 2 – nízkotlakový kompresor, 3 – vysokotlakový

kompresor, 4 – spalování, 5 – spaliny, 6 – vysokoteplotní část, 7 – vysokotlaková

turbína a nízkotlakové turbíny, 8 – spalovací komora, 9 – nízkoteplotní část, 10 –

vstup vzduchu

K prostudování

Učebnice F8 str.61 - 67