Spalovací motor

Spalovací motor
	Schéma čtyřdobého zážehového motoru
Princip	Přeměna chemické energie paliva na mechanickou práci pomocí vnitřního spalování
Typ	Tepelný stroj
Vynálezce	Různí (klíčoví: Nicolaus Otto, Karl Benz, Rudolf Diesel)
Datum vynálezu	Konec 19. století (moderní podoba)
Využití	Automobily, nákladní automobily, lodě, letadla, generátory, stavební a zemědělské stroje

Rozbalit box

Obsah boxu

Spalovací motor je typ tepelného stroje, který přeměňuje chemickou energii obsaženou v palivu na mechanickou práci. Klíčovým principem je, že spalování směsi paliva a okysličovadla (obvykle vzduchu) probíhá přímo uvnitř pracovního prostoru motoru, nejčastěji ve válci. Tlak vzniklý hořením plynů působí na píst, který následně vykonává mechanickou práci.

Spalovací motory se staly dominantní pohonnou jednotkou během 20. století a zásadně ovlivnily průmysl, dopravu a celou moderní společnost. Přestože v 21. století čelí silné konkurenci v podobě elektrických pohonů, zejména v osobní dopravě, zůstávají nepostradatelné v mnoha odvětvích, jako je nákladní, lodní a letecká doprava.

⏳ Historie

Ačkoliv je moderní spalovací motor spojen především s koncem 19. století, jeho kořeny sahají mnohem hlouběji. První teoretické koncepty se objevily již v 17. století, kdy nizozemský fyzik Christiaan Huygens experimentoval s pístovým strojem poháněným explozí střelného prachu. Tyto rané pokusy však byly nepraktické a neefektivní. Průlom přišel až s dostupností kapalných a plynných paliv.

Za prvního vynálezce funkčního spalovacího motoru je často považován Nicéphore Niépce, který si v roce 1807 nechal patentovat Pyréolophore, motor pohánějící loď na řece Saône spalováním uhelného prachu. V následujících dekádách experimentovala řada vynálezců, například Samuel Brown nebo Étienne Lenoir, jehož motor z roku 1860 byl prvním komerčně úspěšným spalovacím motorem. Byl to však motor s nízkou účinností, který spaloval plyn bez předchozí komprese.

Klíčový zlom nastal v roce 1876, kdy německý inženýr Nicolaus Otto zkonstruoval první úspěšný čtyřdobý motor. Tento princip, známý jako Ottův cyklus, výrazně zvýšil účinnost a stal se základem pro drtivou většinu moderních benzínových motorů. V roce 1885 pak Karl Benz použil lehký čtyřdobý motor k pohonu prvního prakticky využitelného automobilu. Další revoluci přinesl v roce 1892 Rudolf Diesel, který si nechal patentovat vznětový motor, jenž ke vznícení paliva nepotřebuje zapalovací svíčku, ale využívá vysoké teploty stlačeného vzduchu. Tento motor, známý jako Dieselův motor, se díky své vysoké účinnosti a točivému momentu prosadil zejména v nákladní dopravě a průmyslu.

⚙️ Princip fungování

Základním principem všech pístových spalovacích motorů je využití tlaku rychle se rozpínajících plynů, které vznikají při hoření paliva. Toto hoření probíhá v uzavřeném prostoru válce a vzniklý tlak působí na pohyblivý píst. Pohyb pístu je následně pomocí ojnice a klikové hřídele převeden na rotační pohyb, který lze využít k pohonu kol vozidla, lodního šroubu nebo generátoru. Cyklus, ve kterém motor pracuje, se liší podle jeho konstrukce.

Čtyřdobý zážehový motor (Ottův cyklus)

Nejrozšířenějším typem je čtyřdobý zážehový motor, který pracuje ve čtyřech fázích (dobách) během dvou otáček klikové hřídele:

1. Sání: Píst se pohybuje dolů, sací ventil je otevřený. Do válce je nasávána směs paliva a vzduchu.
2. Komprese (stlačení): Oba ventily jsou zavřené. Píst se pohybuje nahoru a stlačuje směs, čímž se zvyšuje její teplota a tlak.
3. Expanze (výbuch): Těsně před dosažením horní úvratě pístu přeskočí jiskra na zapalovací svíčce. Ta zapálí stlačenou směs, která explozivně shoří. Vzniklý vysoký tlak plynů tlačí píst prudce dolů. V této fázi motor koná práci.
4. Výfuk: Píst se pohybuje opět nahoru, výfukový ventil je otevřený. Píst vytlačuje zplodiny hoření z válce do výfukového potrubí.

Vznětový motor (Dieselův cyklus)

Vznětový motor se konstrukčně podobá zážehovému, ale jeho princip fungování se liší v klíčovém bodě. Pracuje také ve čtyřech dobách, ale s následujícími rozdíly:

1. Sání: Do válce je nasáván pouze čistý vzduch.
2. Komprese: Vzduch ve válci je stlačován na mnohem vyšší tlak a kompresní poměr než u zážehového motoru. Tím se jeho teplota zvýší na několik set stupňů Celsia.
3. Expanze (vstřik a vznícení): Do horkého stlačeného vzduchu je vstřikovací tryskou vstříknuta dávka paliva (nafty), která se samovolně vznítí. Následuje expanze, která tlačí píst dolů.
4. Výfuk: Stejný jako u zážehového motoru.

Díky vyššímu kompresnímu poměru a způsobu spalování dosahují vznětové motory vyšší termodynamické účinnosti než zážehové motory.

🔧 Klíčové komponenty

Spalovací motor se skládá ze stovek precizně vyrobených dílů. Mezi ty nejdůležitější patří:

Blok motoru: Základní nosná konstrukce motoru, ve které jsou uloženy válce a kliková hřídel. Obvykle je vyroben z litiny nebo slitin hliníku.
Hlava válců: Uzavírá válce z horní strany a obsahuje ventily, často i vačkovou hřídel a zapalovací svíčky nebo vstřikovače.
Válec: Prostor, ve kterém se pohybuje píst.
Píst: Pohyblivá součást, která přenáší energii z expandujících plynů na ojnici. Je opatřen pístními kroužky pro utěsnění spalovacího prostoru.
Ojnice: Spojuje píst s klikovou hřídelí.
Kliková hřídel: Přeměňuje přímočarý vratný pohyb pístů na rotační pohyb.
Ventilový rozvod: Systém tvořený ventily, vačkovou hřídelí a dalšími součástmi, který řídí přívod palivové směsi do válců a odvod spalin.
Zapalovací svíčka: U zážehových motorů vytváří elektrickou jiskru pro zapálení směsi.
Systém vstřikování paliva: Dávkuje palivo do motoru, buď do sání, nebo přímo do válců (přímé vstřikování).

⛽ Paliva a emise

Spalovací motory mohou být konstruovány pro širokou škálu paliv. Nejběžnějšími jsou fosilní paliva získávaná z ropy, jako je benzín a motorová nafta. Alternativními palivy jsou zkapalněný ropný plyn (LPG), stlačený zemní plyn (CNG) nebo biopaliva (např. bioethanol).

Spalování uhlovodíkových paliv je však nevyhnutelně spojeno s produkcí emisí. Mezi hlavní znečišťující látky patří:

Oxid uhličitý (CO₂): Skleníkový plyn, který přispívá ke globálnímu oteplování. Jeho produkce je přímo úměrná spotřebě paliva.
Oxidy dusíku (NOx): Vznikají při vysokých teplotách a tlacích ve válcích. Přispívají ke vzniku kyselých dešťů a smogu.
Oxid uhelnatý (CO): Jedovatý plyn vznikající při nedokonalém spalování.
Pevné částice (saze): Mikroskopické částice uhlíku, typické zejména pro vznětové motory, které mají prokazatelně negativní dopad na lidské zdraví.
Nespálené uhlovodíky (HC): Zbytky paliva, které neprošly spalovacím procesem.

Pro snížení těchto emisí jsou moderní vozidla vybavena řadou systémů, jako je katalyzátor, který chemicky přeměňuje škodlivé plyny na méně škodlivé, a filtr pevných částic (DPF), který zachytává saze u vznětových motorů.

📊 Typy a konfigurace

Spalovací motory existují v mnoha různých provedeních, která se liší počtem a uspořádáním válců, způsobem chlazení nebo pracovním cyklem.

Podle uspořádání válců:
- Řadový motor: Válce jsou uspořádány v jedné řadě. Běžné jsou tříválce, čtyřválce (nejčastější v osobních autech) a šestiválce.
- Vidlicový motor (V-motor): Válce jsou uspořádány ve dvou řadách svírajících určitý úhel (např. V6, V8, V12). Toto uspořádání je kratší a kompaktnější.
- Plochý motor (boxer): Válce jsou uspořádány naproti sobě v jedné rovině (úhel 180°). Toto řešení se vyznačuje nízkým těžištěm a používají ho například značky Subaru a Porsche.
- Wankelův motor: Motor s rotačním pístem, který nemá válce v klasickém smyslu. Je kompaktní a lehký, ale má vyšší spotřebu a emise. Proslavila ho automobilka Mazda.
Podle pracovního cyklu:
- Dvoudobý motor: Pracovní cyklus proběhne během jedné otáčky klikové hřídele. Jsou jednodušší, lehčí a výkonnější v poměru k objemu, ale méně účinné a produkují více emisí. Používají se v motocyklech, motorových pilách či sekačkách na trávu.
- Čtyřdobý motor: Dominantní typ v automobilovém průmyslu.
Podle chlazení:
- Vzduchem chlazené: Chlazení je zajištěno prouděním vzduchu kolem žebrovaných válců. Jednodušší, ale méně účinné.
- Kapalinou chlazené: Teplo je odváděno chladicí kapalinou, která cirkuluje mezi motorem a chladičem. Toto řešení umožňuje lepší kontrolu nad pracovní teplotou motoru.

⚔️ Konkurence a budoucnost

V roce 2025 se spalovací motor nachází v historickém bodu zlomu. Jeho více než stoletá dominance v osobní dopravě je ohrožena masivním nástupem elektromobility. Stále přísnější emisní normy, jako je Euro 7 v Evropské unii, a politický tlak na dekarbonizaci dopravy nutí výrobce automobilů investovat miliardy do vývoje a výroby bateriových elektrických vozidel (BEV). Prodeje elektromobilů celosvětově rostou a jejich podíl na trhu se neustále zvyšuje.

Přesto se neočekává, že by spalovací motor v blízké budoucnosti zcela zmizel. Zůstává klíčový v oblastech, kde je vysoká energetická hustota kapalných paliv nenahraditelná, jako je dálková nákladní doprava, lodní doprava, letectví a pohon těžkých strojů. Budoucnost spalovacího motoru tak pravděpodobně spočívá v jeho adaptaci na nové podmínky. Intenzivně se zkoumají a vyvíjejí následující technologie:

Hybridní pohon: Kombinace spalovacího motoru a elektromotoru představuje mezistupeň, který snižuje spotřebu a emise zejména v městském provozu.
Syntetická paliva (e-paliva): Paliva vyráběná synteticky s využitím obnovitelné energie (např. ze zeleného vodíku a zachyceného CO₂). Jsou chemicky podobná benzínu nebo naftě a lze je používat v existujících motorech a infrastruktuře. Jejich provoz je považován za uhlíkově neutrální. Hlavní překážkou je zatím vysoká cena a energetická náročnost výroby.
Vodíkový spalovací motor: Upravené spalovací motory, které spalují vodík místo fosilních paliv. Jedinou významnou emisí je vodní pára. Technologie je ve fázi pokročilého vývoje u několika velkých výrobců, zejména pro nákladní vozidla.

⚛️ Pro laiky

Představte si spalovací motor jako malou, extrémně rychlou elektrárnu. Místo spalování uhlí spaluje benzín nebo naftu. Tento proces se neděje ve velkém kotli, ale v malých kovových válcích. V každém válci se pohybuje nahoru a dolů píst, podobně jako když šlapete na pumpičku na kolo.

Fungování si lze přirovnat ke čtyřem krokům: 1. Nádech (Sání): Válec nasaje "vzduch s palivovou mlhou", podobně jako se vy nadechnete. 2. Stlačení (Komprese): Píst vyjede nahoru a tuto směs silně zmáčkne. Tím ji připraví k "výbuchu". 3. Práce (Expanze): Elektrická jiskra (jako z malého zapalovače) směs zapálí. Následuje malá, řízená exploze, která obrovskou silou srazí píst dolů. To je ten moment, kdy motor vytváří sílu pro pohyb auta. 4. Výdech (Výfuk): Píst opět vyjede nahoru a vytlačí spálené plyny (kouř) do výfuku, stejně jako vy vydechnete.

Tento cyklus se v každém válci opakuje tisíckrát za minutu. Všechny písty jsou napojeny na klikovou hřídel, která jejich pohyb "sem a tam" převede na otáčivý pohyb, jenž přes převodovku roztáčí kola.

🌍 Dopad na společnost

Vynález a masové rozšíření spalovacího motoru patří mezi události, které nejzásadněji formovaly moderní svět. Jeho dopad je patrný téměř v každém aspektu lidské činnosti. Umožnil vznik masové osobní mobility, což vedlo k rozvoji předměstí, změně struktury měst a novému pojetí vzdálenosti a cestování.

V oblasti ekonomiky způsobil revoluci v logistice a distribuci zboží. Nákladní automobily, vlaky a kontejnerové lodě poháněné spalovacími motory vytvořily páteř globálního obchodu. V zemědělství nahradily traktory a další stroje lidskou a zvířecí sílu, což vedlo k dramatickému nárůstu produktivity a změnám na venkově.

Na druhou stranu má spalovací motor i své stinné stránky. Jeho závislost na fosilních palivech vytvořila geopolitické napětí související se zdroji ropy. Emise produkované miliardami motorů po celém světě se staly hlavním zdrojem znečištění ovzduší ve městech a významným přispěvatelem ke klimatickým změnám. Právě tyto negativní dopady jsou hlavní hnací silou současného přechodu k alternativním pohonům.

Zdroje