Vznětový motor

Rozbalit box

Obsah boxu

Vznětový motor, často označovaný jako dieselový motor nebo jen diesel, je typ pístového spalovacího motoru s vnitřním spalováním. Na rozdíl od zážehového motoru zde není palivová směs zapalována zapalovací svíčkou, ale dochází k jejímu samovznícení v důsledku vysoké teploty vzduchu stlačeného v válci. Motor vynalezl v Německu na konci 19. století Rudolf Diesel a je pojmenován po něm.

Díky své vysoké tepelné účinnosti a vysokému točivému momentu již v nízkých otáčkách se vznětové motory masivně rozšířily zejména v nákladní dopravě, lodní dopravě, železnici a u pracovních strojů. V druhé polovině 20. století se staly velmi populárními i v osobních automobilech, především v Evropě. Jejich budoucnost je však v současnosti předmětem diskuzí kvůli přísnějším emisním normám, které se zaměřují na emise oxidů dusíku (NOx) a pevných částic.

📜 Historie

Historie vznětového motoru je neoddělitelně spjata s jeho vynálezcem, německým inženýrem Rudolfem Dieselem.

🏛️ Vynález a první prototypy

Rudolf Diesel se inspiroval snahou o vytvoření motoru s vyšší účinností, než jakou nabízel tehdejší zážehový motor (vyvinutý Nicolausem Ottem) a parní stroj. Teoreticky vycházel z Carnotova cyklu, který popisuje ideální tepelný stroj s maximální možnou účinností. Dne 23. února 1892 získal Diesel v Německu patent na „nový racionální tepelný motor“.

První funkční prototyp byl postaven v roce 1897 ve strojírnách v Augsburgu (dnešní MAN). Tento motor měl jeden válec, dosahoval výkonu asi 20 koní (15 kW) a měl ohromující účinnost 26,2 %, což výrazně překonávalo tehdejší parní stroje (účinnost kolem 10 %) i zážehové motory. První motory byly velké, těžké a běžely na arašídový olej, což odpovídalo Dieselově původní vizi motoru pro malé podnikatele a farmáře.

🚢 Rozšíření v průmyslu a dopravě

Na počátku 20. století si vznětové motory rychle našly uplatnění tam, kde byly klíčové nízké provozní náklady a spolehlivost.

Lodní doprava: První loď poháněná vznětovým motorem, ruský tanker Vandal, byla spuštěna na vodu v roce 1903. Vznětové motory brzy nahradily parní stroje u většiny obchodních i válečných lodí a ponorek.
Železnice: První lokomotivy s dieselovým pohonem se objevily ve 20. letech 20. století. Po druhé světové válce začaly dieselové lokomotivy masivně nahrazovat parní lokomotivy po celém světě.
Stacionární motory: Byly využívány k pohonu generátorů v elektrárnách, čerpadel a dalších průmyslových zařízení.

🚗 Vstup do osobních automobilů

První osobní automobil se vznětovým motorem, Mercedes-Benz 260 D, byl představen v roce 1936. Masové rozšíření v tomto segmentu však nastalo až po druhé světové válce, zejména od 70. let v reakci na ropné šoky. Evropští výrobci, jako Peugeot, Volkswagen a Mercedes-Benz, se stali průkopníky v této oblasti.

Klíčovými inovacemi, které umožnily masové nasazení v osobních vozech, byly:

Přeplňování turbodmychadlem: Zvýšilo výkon a snížilo tzv. „turbo díru“.
Přímé vstřikování paliva: Zlepšilo účinnost a snížilo spotřebu.
Systém Common Rail: Vyvinutý v 90. letech, umožnil přesnější dávkování paliva pod vysokým tlakem, což vedlo k tiššímu chodu, vyššímu výkonu a nižším emisím.

⚙️ Princip funkce

Základním principem vznětového motoru je samovznícení paliva vstříknutého do horkého stlačeného vzduchu. Motor pracuje na základě termodynamického cyklu známého jako Dieselův cyklus.

💨 Čtyřdobý cyklus

Většina moderních vznětových motorů je čtyřdobá. Pracovní cyklus se skládá ze čtyř fází (dob):

1. Sání: Píst se pohybuje z horní úvrati do dolní úvrati. Sací ventil je otevřený a do válce je nasáván pouze čistý vzduch. 2. Komprese (Stlačení): Oba ventily (sací i výfukový) jsou uzavřeny. Píst se pohybuje nahoru a stlačuje vzduch ve válci. Kompresní poměr u vznětových motorů je vysoký (obvykle 15:1 až 25:1). Tímto stlačením se vzduch zahřeje na vysokou teplotu, typicky 700–900 °C. 3. Expanze (Pracovní zdvih): Krátce před dosažením horní úvrati pístu je do horkého stlačeného vzduchu vstříknuta přesně odměřená dávka paliva (motorová nafta) pomocí vstřikovače. Palivo se okamžitě vznítí a shoří. Rychlý nárůst tlaku a teploty plynů tlačí píst dolů. Během tohoto zdvihu motor koná práci. 4. Výfuk: Výfukový ventil se otevírá, píst se pohybuje nahoru a vytlačuje výfukové plyny z válce do výfukového potrubí.

Po dokončení čtvrté doby se cyklus opakuje.

🔥 Rozdíl oproti zážehovému motoru

Způsob zapálení: Vznětový motor využívá kompresní teplo, zatímco zážehový motor používá zapalovací svíčku k zapálení směsi vzduchu a paliva.
Příprava směsi: U zážehového motoru se směs vzduchu a paliva tvoří obvykle již v sacím potrubí. U vznětového motoru se palivo vstřikuje až přímo do válce na konci kompresního zdvihu.
Regulace výkonu: Výkon zážehového motoru se reguluje množstvím nasávané směsi (pomocí škrticí klapky). Výkon vznětového motoru se reguluje pouze množstvím vstřikovaného paliva; motor pracuje vždy s přebytkem vzduchu.

🔧 Konstrukce a hlavní části

Konstrukce vznětového motoru musí být robustnější než u zážehového motoru, aby odolala výrazně vyšším tlakům a teplotám během spalování.

Blok motoru a hlava válců: Jsou vyrobeny z odolných materiálů, jako je litina nebo slitiny hliníku, a mají silnější stěny.
Písty, ojnice a kliková hřídel: Tyto komponenty jsou zesílené, aby zvládly vysoké tlaky. Písty mají často speciálně tvarované dno (tzv. spalovací komůrku) pro optimální promíchání paliva se vzduchem.
Vstřikovací systém: Je klíčovou a nejsložitější částí motoru. Skládá se z:

   *Vysokotlakého čerpadla: Generuje tlak paliva v řádu stovek až tisíců barů.
   *Vstřikovačů: Rozprašují palivo na jemnou mlhu, což umožňuje rychlé a efektivní hoření. Moderní piezoelektrické vstřikovače dokáží provést několik vstřiků během jednoho cyklu pro tišší chod a nižší emise.
   *Systém Common Rail: Moderní systém, kde čerpadlo udržuje konstantně vysoký tlak v zásobníku (railu), ze kterého jsou napájeny všechny vstřikovače. To umožňuje velmi přesné a flexibilní řízení vstřikování.

Přeplňování: Téměř všechny moderní vznětové motory jsou vybaveny turbodmychadlem. To využívá energii výfukových plynů k pohonu turbíny, která stlačuje vzduch vstupující do motoru. Více vzduchu umožňuje spálit více paliva, což vede k výraznému nárůstu výkonu a točivého momentu.
Žhavicí svíčky: Jsou malé elektrické topné články umístěné v hlavě válců. Jejich úkolem je předehřát spalovací prostor před studeným startem, aby se usnadnilo první vznícení paliva.

⚖️ Výhody a nevýhody

👍 Výhody

Vysoká účinnost a nízká spotřeba: Vznětové motory mají vyšší tepelnou účinnost (až přes 50 % u velkých lodních motorů) než zážehové motory, což se projevuje nižší spotřebou paliva.
Vysoký točivý moment: Poskytují vysoký točivý moment již při nízkých otáčkách, což je ideální pro těžká vozidla a tažení přívěsů.
Dlouhá životnost: Robustní konstrukce obvykle zajišťuje delší životnost motoru.
Bezpečnost paliva: Motorová nafta je méně těkavá a hořlavá než benzín.

👎 Nevýhody

Vyšší emise NOx a pevných částic: Spalování za vysokých teplot a tlaků produkuje více oxidů dusíku (NOx) a nedokonalé spalování vede k tvorbě sazí (pevných částic). Moderní motory vyžadují složité systémy pro čištění výfukových plynů.
Vyšší výrobní náklady: Složitější a robustnější konstrukce znamená vyšší cenu motoru i celého vozidla.
Hlučnost a vibrace: Chod motoru je typicky hrubší a hlučnější kvůli prudkému nárůstu tlaku při vznícení.
Vyšší hmotnost: Robustní konstrukce vede k vyšší hmotnosti motoru.
Citlivost na kvalitu paliva: Vstřikovací systém je citlivý na nečistoty a vodu v palivu.
Problémy při nízkých teplotách: Nafta může v mrazu tuhnout (parafinovat), což ztěžuje startování.

🌍 Vliv na životní prostředí a emise

Vznětové motory byly dlouho vnímány jako ekologičtější varianta kvůli nižší spotřebě a tedy i nižším emisím oxidu uhličitého (CO₂). Pozornost se však později obrátila k dalším škodlivinám, které mají přímý dopad na lidské zdraví.

Oxidy dusíku (NOx): Přispívají ke vzniku kyselých dešťů, smogu a dýchacích potíží.
Pevné částice (PM): Jemné saze mohou pronikat hluboko do plic a způsobovat kardiovaskulární a respirační onemocnění.

Pro snížení těchto emisí se používají moderní technologie:

Filtr pevných částic (DPF): Keramický filtr ve výfukovém systému, který zachytává saze a periodicky je spaluje (regeneruje).
Recirkulace výfukových plynů (EGR): Část výfukových plynů je vedena zpět do sání, což snižuje teplotu hoření a tím i produkci NOx.
Selektivní katalytická redukce (SCR): Do výfukových plynů je vstřikována kapalina AdBlue (roztok močoviny), která v katalyzátoru reaguje s NOx a přeměňuje je na neškodný dusík a vodu.

Skandál Dieselgate v roce 2015 odhalil, že někteří výrobci manipulovali s testy emisí, což vedlo k výraznému poklesu důvěry veřejnosti ve vznětové motory a k zpřísnění emisních norem, jako je Euro 6 a připravovaná Euro 7.

💡 Pro laiky

Představte si vznětový motor jako velmi silnou pumpičku na kolo. 1. Když ucpete konec pumpičky a velmi rychle stlačíte píst, vzduch uvnitř se prudce zahřeje. To je princip, který vznětový motor využívá. 2. Motor nasaje čistý vzduch (jako když natáhnete pumpičku). 3. Poté píst stlačí tento vzduch takovou silou, že se vzduch rozžhaví na teplotu vyšší, než na jaké hoří papír. 4. Do tohoto žhavého vzduchu vstříkne tryska malou kapičku nafty. Ta se okamžitě sama vznítí a exploduje – jako když hodíte kapku vody na rozpálenou pánev. 5. Tato malá exploze zatlačí na píst obrovskou silou a pohání tak kola auta.

- Klíčový rozdíl oproti benzínovému motoru:** Benzínový motor potřebuje jiskru od svíčky, aby zapálil směs paliva a vzduchu. Vznětový motor si "jiskru" vytvoří sám tím, že extrémně stlačí vzduch. Proto je robustnější, úspornější, ale také hlučnější.

🔮 Budoucnost vznětových motorů

Budoucnost vznětových motorů, zejména v osobních automobilech, je nejistá. Mnoho měst v Evropě zavádí nízkoemisní zóny, které omezují vjezd starších dieselových vozidel. Automobilky masivně investují do vývoje elektromobilů a hybridních pohonů.

Přesto se očekává, že vznětové motory zůstanou v dohledné budoucnosti nepostradatelné v oblastech, kde je vyžadován vysoký výkon, velký dojezd a vysoký točivý moment:

Výzkum se zaměřuje na další snižování emisí a na využití alternativních a syntetických paliv, jako je bionafta druhé generace (HVO) nebo tzv. e-paliva, která by mohla být uhlíkově neutrální a prodloužit životnost této technologie v souladu s ekologickými cíli.

Šablona:Aktualizováno