Dieselový motor

Rozbalit box

Obsah boxu

Dieselový motor (často označovaný také jako vznětový motor) je typ pístového spalovacího motoru, který k zapálení paliva využívá teplo generované prudkým stlačením vzduchu v válci. Tím se liší od zážehového motoru, který k zapálení směsi paliva a vzduchu používá zapalovací svíčku. Motor je pojmenován po svém vynálezci, německém inženýrovi Rudolfu Dieselovi, který si jej nechal patentovat v roce 1892.

Díky své vysoké účinnosti a vysokému točivému momentu při nízkých otáčkách se dieselové motory staly dominantním pohonem v nákladní dopravě, železnici, lodní dopravě, u zemědělských a stavebních strojů a také u stacionárních generátorů. V menší míře se uplatnily i v osobních automobilech.

📜 Historie

Historie vznětového motoru je neoddělitelně spjata s jeho tvůrcem, Rudolfem Dieselem.

🏛️ Vynález a první prototypy

Rudolf Diesel, německý inženýr a vynálezce, se narodil v Paříži v roce 1858. Během studií na Technické univerzitě v Mnichově ho fascinovaly zákony termodynamiky, zejména práce Sadiho Carnota o teoretické maximální účinnosti tepelných strojů. Diesel si uvědomil, že tehdejší parní stroje a první zážehové motory měly velmi nízkou účinnost, přičemž většina energie paliva se ztrácela ve formě tepla.

Jeho cílem bylo vytvořit motor s výrazně vyšší účinností. Teoretickým základem se stala myšlenka stlačit vzduch ve válci na tak vysoký tlak (a tím i teplotu), aby se do něj vstříknuté palivo samo vznítilo. Tím by se eliminovala potřeba vnějšího zápalného systému a dosáhlo by se efektivnějšího prohoření paliva.

Dne 23. února 1893 získal Diesel v Berlíně klíčový patent DRP 67207 na „Pracovní postup a způsob provedení pro spalovací stroje“. První pokusy s prototypem v továrně MAN v Augsburgu v červenci 1893 téměř skončily katastrofou, když motor explodoval. Diesel a jeho tým však pokračovali ve vývoji a po několika letech úprav a vylepšení byl v roce 1897 představen první plně funkční a spolehlivý prototyp. Tento jednoválcový motor měl výkon 13 kW (18 koní) a dosahoval na tu dobu nevídané tepelné účinnosti 26,2 %, což bylo zhruba dvojnásobek oproti tehdejším parním strojům.

🚢 Rozšíření a využití

Nový motor si rychle našel uplatnění. Jeho robustnost, účinnost a schopnost spalovat levnější, těžší paliva (původně se experimentovalo i s uhelným prachem) ho předurčovaly pro průmyslové a dopravní využití.

• Lodní doprava: První lodí poháněnou dieselovým motorem byla v roce 1903 ruská loď Vandal. V roce 1912 byla spuštěna na vodu dánská loď MS Selandia, první zaoceánská loď s dieselovým pohonem, která odstartovala revoluci v námořní dopravě.
• Železnice: První diesel-elektrická lokomotiva byla uvedena do provozu ve Švýcarsku v roce 1912. Během 20. a 30. let 20. století začaly dieselové lokomotivy postupně nahrazovat parní stroje díky nižším provozním nákladům a větší flexibilitě.
• Silniční doprava: První nákladní automobil s dieselovým motorem představily firmy MAN a Benz & Cie. v roce 1924. V osobních automobilech se dieselové motory začaly masověji objevovat až po druhé světové válce, přičemž průkopníkem byl Mercedes-Benz s modelem 260 D v roce 1936.

⚙️ Princip fungování

Základem práce většiny moderních dieselových motorů je čtyřdobý pracovní cyklus. Každý cyklus se skládá ze čtyř fází (dob), které proběhnou během dvou otáček klikové hřídele.

1. Sání: Píst se pohybuje z horní úvratě (nejvyšší poloha) do dolní úvratě (nejnižší poloha). Sací ventil je otevřený a do válce je nasáván čistý vzduch. 2. Stlačení (Komprese): Sací i výfukový ventil jsou uzavřeny. Píst se pohybuje nahoru a stlačuje vzduch ve válci. Kompresní poměr u dieselových motorů je velmi vysoký (typicky 15:1 až 22:1). Tímto prudkým stlačením se vzduch zahřeje na vysokou teplotu, obvykle 700–900 °C. 3. Expanze (Pracovní zdvih): Krátce před dosažením horní úvratě pístu vstříkne vstřikovač do tohoto horkého stlačeného vzduchu jemně rozprášenou dávku motorové nafty. Palivo se okamžitě samovolně vznítí a shoří. Rychlý nárůst tlaku plynů vzniklých hořením tlačí píst dolů. Během této fáze motor koná práci. 4. Výfuk: Píst se opět pohybuje nahoru, výfukový ventil se otevírá a píst vytlačuje zplodiny hoření z válce do výfukového potrubí.

Tento cyklus se neustále opakuje. Existují i dvojdobé vznětové motory, které vykonají celý pracovní cyklus během jediné otáčky klikové hřídele. Ty se používají především u velkých lodních motorů nebo u některých starších lokomotiv.

🔧 Konstrukce a hlavní části

Konstrukce dieselového motoru musí být výrazně robustnější než u motoru zážehového, aby odolala vysokým tlakům vznikajícím při kompresi a hoření.

• Blok motoru a hlava válců: Tvoří základní kostru motoru. Jsou obvykle vyrobeny z litiny nebo slitin hliníku.
• Písty, ojnice a kliková hřídel: Tyto komponenty převádějí přímočarý pohyb pístů na rotační pohyb klikové hřídele. Musí být dimenzovány na vysoké mechanické namáhání.
• Ventilový rozvod: Skládá se z vačkové hřídele a ventilů (sacích a výfukových), které řídí výměnu plynů ve válci.
• Palivová soustava: Je klíčovou a nejsložitější částí dieselového motoru. Zahrnuje:

   *   Vstřikovací čerpadlo: Vytváří extrémně vysoký tlak paliva (až přes 2000 barů).
   *   Vstřikovače: Dávkují a rozprašují palivo pod vysokým tlakem přímo do spalovacího prostoru. Moderní systémy, jako je Common rail, používají společný tlakový zásobník pro všechny vstřikovače, což umožňuje přesnější a vícenásobné vstřiky během jednoho cyklu.

• Přeplňování: Většina moderních dieselových motorů je vybavena turbodmychadlem, které využívá energii výfukových plynů k pohonu dmychadla stlačujícího nasávaný vzduch. Tím se do válce dostane více kyslíku, což umožňuje spálit více paliva a dosáhnout vyššího výkonu a točivého momentu.

➕ Výhody a nevýhody

Výhody

• Vysoká tepelná účinnost: Díky vysokému kompresnímu poměru má dieselový motor vyšší účinnost (typicky 40–50 %, u velkých lodních motorů i přes 50 %) než zážehový motor, což se projevuje nižší spotřebou paliva.
• Vysoký točivý moment: Poskytuje vysoký točivý moment již při nízkých otáčkách, což je ideální pro pohon těžkých vozidel a strojů.
• Dlouhá životnost a spolehlivost: Robustní konstrukce zajišťuje vysokou odolnost a dlouhou životnost motoru.
• Bezpečnost paliva: Motorová nafta je méně těkavá a hořlavá než benzín, což snižuje riziko požáru.

Nevýhody

• Vyšší hmotnost a výrobní náklady: Robustní konstrukce znamená vyšší hmotnost a cenu motoru.
• Vyšší emise pevných částic a oxidů dusíku: Při spalování nafty vzniká více sazí (pevných částic) a oxidů dusíku (NOx) než u zážehových motorů. To vyžaduje složité systémy pro čištění výfukových plynů.
• Hlučnost a vibrace: Vyšší kompresní tlaky a prudší průběh spalování způsobují charakteristický tvrdší a hlučnější chod.
• Nižší maximální otáčky: Těžší pohyblivé části a delší doba prohoření paliva omezují maximální dosažitelné otáčky motoru.
• Citlivost na kvalitu paliva a nízké teploty: V zimě může v naftě docházet k vylučování parafínů, které mohou ucpat palivový filtr.

🌍 Využití

Dieselové motory pohánějí širokou škálu dopravních prostředků a strojů:

• Nákladní automobily a autobusy: Téměř veškerá těžká silniční doprava spoléhá na dieselové motory.
• Lokomotivy: Většina lokomotiv na neelektrifikovaných tratích je diesel-elektrických.
• Lodě: Od malých rybářských člunů po obří kontejnerové lodě a tankery, kde se používají masivní nízkootáčkové dvoudobé motory.
• Zemědělské a stavební stroje: Traktory, kombajny, bagry a další těžká technika.
• Stacionární agregáty: Záložní zdroje elektrické energie pro nemocnice, datová centra a průmyslové podniky.
• Osobní automobily: Zejména v Evropě byly dieselové motory populární pro svou nízkou spotřebu, ale jejich podíl klesá kvůli přísnějším emisním normám a aféře Dieselgate.

🌱 Ekologické aspekty a emise

Přestože je dieselový motor úsporný z hlediska spotřeby paliva (a tedy i produkce oxidu uhličitého, CO₂), jeho provoz produkuje jiné škodlivé emise, především:

• Oxidy dusíku (NOx): Vznikají při vysokých teplotách a tlacích ve spalovacím prostoru reakcí dusíku a kyslíku ze vzduchu. Přispívají ke vzniku kyselých dešťů a smogu.
• Pevné částice (PM): Jsou to mikroskopické částečky sazí, které vznikají nedokonalým spalováním paliva. Jsou klasifikovány jako karcinogen a mají negativní dopad na dýchací ústrojí.

Pro snížení těchto emisí jsou moderní dieselové motory vybaveny pokročilými technologiemi:

• Recirkulace výfukových plynů (EGR): Část výfukových plynů se vrací zpět do sání, což snižuje teplotu hoření a tím i produkci NOx.
• Filtr pevných částic (DPF/FAP): Keramický filtr ve výfukovém systému, který zachytává saze. Ty jsou periodicky spalovány při procesu zvaném regenerace.
• Selektivní katalytická redukce (SCR): Do výfukových plynů se vstřikuje roztok močoviny (známý pod obchodním názvem AdBlue). V katalyzátoru pak dochází k chemické reakci, která přeměňuje škodlivé NOx na neškodný dusík a vodní páru.

V roce 2015 otřásl automobilovým průmyslem skandál známý jako Dieselgate, kdy bylo zjištěno, že koncern Volkswagen a další výrobci používali software, který dokázal rozpoznat testování v laboratoři a dočasně snížit emise. V reálném provozu však vozy produkovaly mnohonásobně více NOx, než povolují normy. Tato aféra vedla k masivnímu poklesu důvěry v dieselové motory a k výraznému zpřísnění emisních předpisů.

💡 Pro laiky

Představte si, že máte pumpičku na kolo. Když ucpete její konec prstem a rychle stlačíte píst, všimnete si, že se vzduch uvnitř i konec pumpičky výrazně zahřejí. Dieselový motor dělá přesně to samé, ale s mnohem větší silou.

Ve válci motoru se pístem stlačí nasátý vzduch tak prudce a silně, že se jeho teplota zvýší na několik set stupňů Celsia – je tak horký, že by se od něj vznítil papír. V ten správný okamžik vstříkne tryska do tohoto žhavého vzduchu jemnou mlhu nafty. Nafta se v horkém vzduchu okamžitě sama od sebe vznítí a exploduje, aniž by potřebovala jiskru od svíčky jako v benzínovém motoru. Tato malá, ale silná exploze zatlačí na píst, roztočí motor a pohání tak celé vozidlo. Celý proces se opakuje mnohokrát za sekundu.

Šablona:Aktualizováno