TEPELNÉ MOTORY (první část) A) Výklad: Tepelné motory: Tepelné motory jsou hnací stroje, které přeměňují část vnitřní energie paliva uvolněné hořením na energii pohybovou (tj. mechanickou). Obecný princip tepelného motoru: Vnitřní energie se předá pracovní látce (např. plynu nebo vodní páře) tepelnou výměnou. Nastává expanze (zvyšování objemu) pracovní látka koná práci proti vnějším silám a uvádí do pohybu pracovní stroje (např. pilu, brusku, vrtačku, soustruh,) nebo pracovní prostředky tepelný motor pracuje tzv. cyklicky během cyklu po expanzi pracovní látky následuje její komprese (zmenšování objemu). Reálné tepelné motory pracují cyklicky v tom smyslu, že po expanzi se pracovní látka z motoru vypustí (např. shořelá pohonná směs u vznětového motoru) a stlačuje se nová dávka pracovní látky. 1
Účinnost tepelného motoru: Libovolný tepelný motor se bez ohledu na svou konstrukci skládá: z pracovní látky (vodní pára, plyn), ohřívače tj. těleso (o teplotě T1) od něhož pracovní látka přijme během jednoho cyklu teplo Q1 chladiče tj. těleso (o teplotě T2), kterému pracovní látka teplo Q2 předá. (např. okolní prostředí) V roce 1824 francouzský fyzik S. Carnot dokázal, že pro účinnost tepelného motoru pracujícího s ohřívačem o teplotě T1 a chladičem o teplotě T2, platí: max= T 1 T 2 T =1 2 T1 T1 U parních motorů je T1 teplota páry do motoru vstupující, u spalovacích motorů je to teplota plynů vzniklých spalováním paliva. T2 je teplota vycházející páry resp. výfukových plynů. Uvedený vztah definuje horní hranici účinnosti max tepelných motorů. Podle něj je účinnost tepelného motoru tím vyšší, čím vyšší je teplota ohřívače a čím nižší je teplota chladiče. Skutečná účinnost je ovlivňována různými ztrátami a je tedy podstatně menší než účinnost maximální ( max ). 2
Tepelné motory se dělí na: 1. parní motory (např. parní stroj, parní turbína) - pracovní látkou je vodní pára, která se získává v parním kotli mimo vlastní motor. 2. spalovací motory (např. plynová turbína, zážehový motor, vznětový motor, proudový motor a raketový motor) - pracovní látkou je plyn, vznikající hořením paliva uvnitř motoru. PARNÍ STROJ má dnes již historický význam jako první tepelný motor vhodný pro využití v průmyslu a dopravě. První parní stroj vhodný pro provoz strojů uvedl do chodu v roce 1769 James Watt (1736-1819), čímž položil základy dalšímu prudkému rozvoji techniky. Poslední parní stroje se v praxi využívaly v 60. letech 20. století jako parní lokomotivy na železnici. Jeho princip spočíval v tom, že vodní pára získaná v parním kotli se přiváděla střídavě na levou a pravou stranu pracovního válce a uváděla do pohybu píst. 3
Stirlingův parní stroj: Model Stirlingova stroje, kterému je dodávána energie prostřednictvím hořící svíčky (vpravo dole). Voda je teplem svíčky ohřívána a mění se v páru, která pohání kolo stroje. 4
PARNÍ A PLYNOVÁ TURBÍNA Princip vícestupňové parní turbíny je znázorněn na obrázku. Vodní pára (1) o vysoké teplotě a tlaku je přiváděna na rozváděcí kola (2), která regulují a usměrňují pohyb vodní páry (brání vzniku vírů, ). Vodní pára pak pohání oběžná kola (3) a dochází k přeměně vnitřní energie proudící vodní páry na energii mechanickou. Ochlazená vodní pára pak vystupuje výfukovým otvorem (4). Princip plynových turbín je obdobný, pouze se místo vodní páry využívá plyn, který vzniká spalováním paliva (např. zemní plyn). Používají se (stejně jako parní) v elektrárnách k výrobě el. energie. Jejich výhodou je, že mohou být uvedeny do chodu rychleji a reagovat tak pružněji např. na zvýšení spotřeby elektrické energie, Rozváděcí kola jsou u některých typů turbín nahrazena tryskami. 5
PÍSTOVÉ SPALOVACÍ MOTORY ve spalovacích motorech se přeměňuje při hoření paliva část vnitřní energie paliva na pohybovou energii pístu. Přednost spalovacích motorů spalování paliva přímo v pracovním válci Podle způsobu zapalování pohonné směsi se rozlišují motory zážehové a vznětové. Zážehový motor Pracovní látkou zážehového motoru je směs benzínových par a vzduchu. Dělí se na: 1. čtyřdobé zážehové motory, 2. dvoudobé zážehové motory. Čtyřdobý zážehový motor V automobilech se dnes nejčastěji používá zážehový čtyřdobý motor. Jako palivo se v něm používá směs benzinu a vzduchu. Motor pracuje ve čtyřech dobách, které se stále opakují, nazývají se pracovní cyklus motoru. Motor koná práci jen ve třetí době. Ůčinnost čtyřdobého motoru je asi 30%. 6
Doby pracovního cyklu: 1. SÁNÍ píst jde dolů, nad ním vzniká podtlak. Proto otevřeným sací ventilem vniká do válce chladná palivová směs. 2. STLAČOVÁNÍ píst jde nahoru a stlačuje směs, oba ventily jsou přitom uzavřené. Tím se zvýší tlak směsí i teplota. Ve vhodném okamžiku, kdy se píst blíží své horní poloze, zapálí se stlačená palivová směs elektrickou jiskrou. 3. ROZPÍNÁNÍ zapálená směs hoří, zvyšuje se tlak vznikajícího plynu i teplota (asi 2000 C). Oba ventily jsou uzavřené. Vytvořený plyn se prudce rozpíná a tlačí píst dolů. Plyn (pracovní látka) koná práci a jeho vnitřní energie se zmenší, plyn se ochlazuje. Část vnitřní energie plynu se 7
přemění na pohybovou energii pístu. 4. VÝFUK píst jde nahoru, výfukový ventil se otevře a sací ventil zůstává uzavřen. Spálené plyny jsou pohybem pístu vytlačeny výfukovým ventilem z válce. 8
Dvoudobý zážehový motor Jednodušším motorem je zážehový dvoudobý motor, který nemá sací a výfukový ventil. Ůčinnost je asi jen 20%. Dvoudobé motory se dnes používají většinou u malých motocyklů, travních sekaček apod. Pracovní cyklus 1. SÁNÍ A STLAČOVÁNÍ píst jde nahoru, palivová směs se nasává do prostoru pod pístem. Současně probíhá stlačování směsi, která je nad pístem. Na konci stlačování je směs nad pístem zapálena elektrickou jiskrou. 2. ROZPÍNÁNÍ A VÝFUK nad pístem se rozpínají plyny vzniklé shořením palivové směsi a tlačí píst dolů. Současně se přepouští kanálem nová palivová směs z prostoru pod pístem do válce nad píst. Nová směs přitom pomáhá vytlačit plyny vzniklé předchozím spálením výfukovým otvorem. 9
Dvoudobé motory jsou ekologicky nešetrné! V důsledku nedokonalého spalování pohonné směsi, která obsahuje i olej, uniká výfukem do ovzduší mnohem více škodlivých látek než u čtyřdobých motorů. Spotřeba palivové směsi je větší, protože výfukové plyny jsou vytlačovány novou směsí a přitom jich část unikne do výfuku bez užitku. 10