F - Tepelné motory VARIACE

Transkript

1 Autor: Mgr. Jaromír JUŘEK Kopírování a jakékoliv další využití výukového materiálu je povoleno pouze s uvedením odkazu na VARIACE Tento dokument byl kompletně vytvořen, sestaven a vytištěn v programu dosystem - EduBase. Více informací o programu naleznete na

2 ± Tepelné motory Tepelné motory Tepelný motor je zařízení, kterým se mění tepelná energie plynu nebo páry v energii mechanickou. Podle způsobu této přeměny dělíme tepelné motory na parní a spalovací. Dále dělíme tepelné motory podle konstrukce na pístové stroje, turbíny a reaktivní motory. U parních motorů se získává tepelná energie (pára) spalováním paliva (uhlí, topné oleje, plyn, aj.) v kotlích oddělených od vlastního stroje. Typickým strojem, patřícím do této kategorie, je parní stroj. Parní stroj Parní stroj zkonstruoval roku 784 James Watt. Jeho uvedení do provozu odstartovalo průmyslovou revoluci. Účinnost parního stroje je asi 0-20 %, u parních lokomotiv asi 6-8 %. Parní turbína Zatímco v parním stroji se využívá jen tlaku páry, v turbínách se kromě tlaku využívá i kinetické energie páry. Parní turbínu vynalezl Sir Charles Parsons v roce 884. Postupně byla zdokonalována a spolu se spalovacím motorem ve dvacátém století postupně nahradila parní stroj, který předčí účinností. Jedná se o točivý tepelný stroj, přeměňující kinetickou energii a tepelnou energii proudící páry na mechanický rotační pohyb přenášený na osu resp. hřídel stroje. Skládá se z jednoho, nebo několika postupně se zvětšujících lopatkových kol. Lopatková kola, která jsou součástí statoru stroje, se nazývají rozváděcí. Ta, která jsou spojena s rotující osou (resp. jsou umístěna na hřídeli) stroje, se nazývají oběžná a spolu s osou tvoří rotor. Pro zvýšení účinnosti bývají obvykle velké parní turbíny rozděleny na několik dílů - vysokotlaký a nízkotlaký, případně i středotlaké stupně. Mezi nimi může být i regenerátor páry, který znovu ohřeje expanzí zchladlou páru, čímž zvětší (za cenu dodání relativně malé energie) její objem. Parní turbína je využívána především v energetice pro pohon alternátorů (tepelná elektrárna, jaderná elektrárna), se kterým bývá mechanicky spojena společným hřídelem. Parní turbína se ale užívá i jako lodní pohon (parník, bitevní loď, jaderná ponorka). Tepelná účinnost parních turbín dosahuje až 35 % :54:28 z5

3 Spalovací motory Spalovací motory jsou pístové (zážehové a vznětové) a spalovací turbíny. Zážehový motor je spalovací motor, u něhož je směs paliva a vzduchu ve válci zapálena (zažehnuta) elektrickou jiskrou, kterou obvykle vytvoří zapalovací svíčka. Tím se liší od vznětového motoru, kde dochází k samovznícení vstříknutého paliva díky teplotě stlačeného vzduchu. Pracují s nižším kompresním tlakem, nejvyšší točivý moment a výkon leží ve vyšších otáčkách, jejich chod je tichý a pravidelný. Pro správnou funkci zážehových spalovacích motorů je důležitá odolnost paliva proti samovznícení, kterou udává oktanové číslo. Oproti vznětovému motoru má však nižší účinnost. Zážehový motor čtyřdobý Čtyřdobý spalovací motor také nazýván čtyřtaktní motor nebo zkráceně jen čtyřtakt je pístový motor pracující na čtyřech pohybech pístu. První čtyřdobý spalovací motor, který využíval benzín, sestrojil v roce 876 německý inženýr Nicolaus Otto. Ve srovnání, v té době s dominujícím parním strojem, byl menší, lehčí a postupem času i tišší, čistší a především účinnější, byť dosažení spolehlivosti parního stroje trvalo mnoho dalších desítek let. Vynález spalovacího motoru dal impuls odbytu a zpracování ropy. V prvních deseti letech jeho existence se ho prodalo deset tisíc kusů. Pracovní fáze čtyřdobého motoru :54:28 2z5

4 . Sání píst se pohybuje směrem do dolní úvrati (DÚ), přes sací ventil je nasávána pohonná směs. 2. 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 3. 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. 4. Výfuk píst se pohybuje směrem do HÚ. Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí. Zážehový čtyřdobý motor se využívá převážně v osobních automobilech. Zážehový motor dvojdobý 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 anebo 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 olejem v palivu. Pracovní fáze dvojdobého motoru :54:28 3z5

5 . 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. 2. 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. Vznětový motor Vznětový motor, běžně také nazývaný dieselový motor, naftový motor, Dieselův motor či zkráceně jen diesel, je nejvýznamnějším dnes používaným druhem spalovacího motoru. Jedná se o motor, kde se chemická energie vázaná v palivu mění na mechanickou energii ve formě otáčivého pohybu hnacího hřídele stroje. Byl vynalezen Rudolfem Dieselem a zdokonalen Charlesem Ketteringem. Vznětový motor pracuje obvykle jako čtyřdobý spalovací motor nebo jako dvoudobý spalovací motor (například lodní motory). Na rozdíl od zážehových motorů je do něj palivo dopravováno odděleně od vzduchu. Palivo je do spalovacího prostoru motoru dopravováno speciálním vysokotlakým čerpadlem a vysokotlakým potrubím. Jak funguje vznětový motor Do spalovacího prostoru se nejprve nasává vzduch (sání) při tlaku 0,08-0,085 MPa. Po uzavření sacího ventilu se nasátý vzduch stlačuje (komprimuje), píst se pohybuje směrem k horní úvrati, jeho teplota roste na C a tlak stoupá na cca 3 až 4 MPa. Před horní úvratí je tryskou do válce vstříknuta čerpadlem pod tlakem (0-20 MPa) přesně odměřená dávka paliva (obvykle nafta, či stlačený zemní plyn), která je jemně rozprášena. Palivo začne hořet samovznícením ve vzduchu ohřátém kompresí. Tlak ve spalovací prostoru stoupne na 5-8 MPa, teplota dosáhne C. Ve fázi expanze je pak vzniklý tlak převeden na mechanickou práci, (adiabatický děj). V poslední fázi (výfuk) se otevírá výfukový ventil a spaliny jsou vytlačeny do výfuku, (izobarický děj). Palivo se může vstřikovat do válce (přímý vstřik), ale z důvodu tvrdého chodu se u menších motorů často vstřikuje do předkomůrky (komůrkové motory). Tím se utlumí rázy a někdy zlepší spalování, ale ztráty prouděním plynů a zvětšením spalovacího prostoru snižují termodynamickou účinnost motoru. Vznětové motory pohánějí dopravní stroje (plavidla, lokomotivy, automobily, zemědělské stroje). V posledních letech roste jejich význam u osobních automobilů. Svého času sloužily i v letecké dopravě. Vznětové motory se využívají pro pohon strojů, které nemají pevný přívod elektrického proudu, případně jako pohon elektrických generátorů (diesel agregáty). Velký význam mají u speciálních stavebních a zemědělských strojů a u vojenských :54:28 4z5

6 mobilních mechanismů. Velké (lodní či lokomotivní) motory bývají konstruovány jako víceválcové s uspořádáním do V, a bývají pomaluběžné. Vznětový dvojdobý motor se kdysi používal jako lodní pohon v ponorkách. V Československu byl užíván u těžkých nákladních lokomotiv 78, dovezených ze SSSR, které ČSD hojně používaly ještě v 80. letech 20. století. Vlastní motor měl speciální systém bočních ventilů, výfuk, sání a komprese zde probíhaly naráz v jednom taktu za použití souproudého výplachu válců stlačeným vzduchem z turbodmychadla. Motory byly mimořádně hlučné, vyznačovaly se velkou kouřivostí a značnými vibracemi celého zařízení (kromě vlastní lokomotivy se značně otřásalo vše co se nacházelo v blízkém okolí tohoto těžkého stroje, hluk z trati bývalo slyšet na kilometry daleko). Dvoudobým vznětovým motorem byly také vybavovány některé druhy nákladních automobilů. Dnes se používá u velkých lodí, jako je např. Emma Maersk. Dieselové motory nemají katalyzátor a jejich výfukové plyny obsahují množství malých prachových částic vznikajících nedokonalým spalováním nafty. Proto jsou významným zdrojem znečištění ovzduší :54:28 5z5

7 Obsah Tepelné motory :54:28