Konstrukce motorů a jejich význam

Základní škola a Mateřská škola Nová Bystřice, Hradecká 390,384 33, Nová Bystřice Absolventská práce Konstrukce motorů a jejich význam Zpracoval: Ondřej Brus, žák 9. A Vedoucí práce: Mgr. Jan Loula Školní rok: 2013/2014

Prohlášení autora Prohlašuji, že předložená absolventská práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Veškerá literatura a další zdroje, z nichž jsem při zpracování čerpal, jsou uvedeny v seznamu použité literatury V Nové Bystřici dne : 30.3 2014 Jméno autora: Ondřej Brus

Poděkování Chtěl bych poděkovat panu učitelovi Janu Loulovi za odborné vedení, za pomoc a rady při zpracování této práce.

Anotace Tato práce s názvem Konstrukce motorů a jejich význam byla zpracována jako absolventská práce při ukončení základního vzdělání na ZŠ a MŠ Nová Bystřice. Práce je zaměřena na významné vynálezce motorů, na konstrukci samotného motoru a na jednotlivé druhy motorů.

Obsah strana Úvod... 5 Karl Fridrich Michael Benz... 6 Rudolf Christial Karl Diesel... 8 Zážehový motor... 10 Vznětový motor... 10 Čtyřdobý spalovací motor... 12 Dvoudobý spalovací motor... 15 Wankelův motor... 17 Automobilové spalovací motory... 18 Elektromotor... 19 Elektromotor v automobilu... 20 Závěr... 22 Seznam literatury

Úvod Vybral jsem si téma konstrukce motorů a jejich význam, protože mě zajímají motorky a auta a chtěl jsem se více dozvědět, jak fungují motory, které je pohánějí. Touto prací chci ukázat, jak vlastně motor funguje, jaké jsou druhy motorů, z čeho se motory skládají a na jaké jezdí palivo. Ve své práci jsem postupoval tak, že jsem si nejprve napsal životopisy významných vynálezců motorů. Potom jsem si nastudoval z literatury a z internetu vše o motorech a poté jsem popisoval jednotlivé druhy motorů. V závěru jsem přidal obrázky jednotlivých druhů motorů a popsal všechny jejich funkce. 5

1. Karl Fridrich Michael Benz Narodil se 25. listopadu 1844 v Karslruhe. Působil jako německý konstruktér, který vyrobil jako první na světě benzínový motor. Karl Benz v mladém věku pracoval jako mechanik a zároveň studoval. V roce 1871 založil se svým společníkem svou první firmu, která byla zaměřena na výrobu materiálů pro stavbu strojů a zařízení. Jeho však zajímaly motory, a proto se pustil do stavby čtyřdobého motoru a doufal, že se mu podaří zdokonalit tehdejší konstrukci spalovacího motoru. Toto přání se mu splnilo, a proto dostává roku 1879 svůj první patent na výrobu spalovacího motoru. O několik let později zakládá firmu Benz a Cie na výrobu průmyslových motorů. Z této firmy později vzniká současná firma Mercedes-Benz. Karl Benz se začal zabývat myšlenkou, jak vyrobit automobil využitelný v běžném životě. O to samé se již pokoušela spousta jiných konstruktérů před ním, ale nikdo nikdy nebyl příliš úspěšný. Benz tedy začal s návrhem čtyřdobého motoru podle Ottova patentu, který měl 958 cm3 a podvozek tříkolového vozu. V automobilu mělo být elektronické zapalování, diferenciál a vodní chlazení. Svůj automobil mohl světu poprvé předvést roku 1885. O chvíli později 29. ledna 1886 na něj dostává patent a hned v květnu začíná s prodejem svého automobilu pod názvem Benz Velo. Spolehlivosti jeho automobilu nikdo nevěřil, a proto se jeho žena Bertha Benzová rozhodla podniknout 100 km cestu, aby spolehlivost jeho vozu dokázala. Za pár let od tohoto počinu se automobil Benz Velo začíná vyrábět v hromadné výrobě. 6

Karl Benz umírá 4. dubna 1929 v Ladenburgu, za svůj život vynalezl nejenom automobil, ale řadu jiných vynálezů. V roce 1934 byl dokonce uveden za své zásluhy do Automobilové síně slávy. 7

2. Rudolf Christian Karl Diesel Narodil se 18. března 1858 v Paříži. Byl to německý vynálezce, který se proslavil především díky svému motoru. Rudolf Diesel vyrůstal v Paříži pouze 12 let, protože v roce 1870 byla jeho rodina donucena odejít do Anglie, z důvodu začátku pruskofrancouzské války. Několik let pobýval v Londýně, odkud byl poté poslán do Augsburgu, což bylo rodné město jeho otce. Zde dostudoval studium na průmyslové škole a inženýrský diplom získal na technice v Mnichově. Protože to byl schopný student, byl představen Carlovi von Lindemu, který se specializoval na projektování a produkci chladících zařízení. Diesel byl velmi schopný a chytrý, v roce 1880 začal pracovat v Lindeho pařížské firmě, kde měl následující úkol, a to zdokonalení spalovacího motoru při využití Carnotova cyklu. Tomuto úkolu věnoval mnoho času, prováděl pokusy s amoniakem jako palivem. Roku 1890 se stal inženýrem u Lindeho firmy v Berlíně. V dalších letech se snažil více vylepšit spalovací motor a výsledkem bylo, že dostal patent v roce 1892. Po neúspěšných pokusech se spalovacím motorem na uhelný prach začal vyrábět stále lepší motory. A v roce 1897 zkonstruoval spalovací pístový motor se samočinným zážehem, vyvolaným stlačením vzduchu. Tento typ spalovacího motoru pracoval na tekuté těžké palivo. K zážehu docházelo po jeho vytrysknutí do spalovací komory v důsledku stlačení. V tomtéž roce se mu podařilo využít tepelnou energii motoru na 26%, což bylo dvakrát účinnější než tehdejší parní stroj. Po dalších drobných úpravách byl jeho motor později Dieselův motor vyznamenán roku 1900 na světové výstavě v Paříži Velkou cenou. Diesel uzavírá smlouvu s kodaňskými loděnicemi, aby zkonstruoval motory pro jejich loď a o 11 let později je na vodu spuštěna loď Seelandia se dvěma osmiválcovými čtyřtaktními Dieslovými motory, které sloužily až do roku 1942. Vysoké přednosti tohoto motoru a nafty jako paliva se postupně rozšířily v průmyslu a dopravě, motor se začal používat po celém světě. 8

Poslední léta svého života věnoval Diesel konstrukci motorů pro mořeplavbu. Zemřel 30. září roku 1913 za nevyjasněných okolností při plavbě na lodi Dresden. Spekuluje se, že spáchal sebevraždu skokem do vody. 9

Zážehový motor Zážehový motor je druh motoru, který funguje na principu, kdy je směs vzduchu a paliva zapálena elektrickou jiskrou, kterou vytvoří zapalovací svíčka. Jedná se o nejrozšířenější a nejužívanější motor na světě, využívá se nejen v dopravě, ale i v jiných odvětví. Jeho účinnost se pohybuje okolo 30%. Některé motocykly a menší stroje jsou poháněny dvoudobým zážehovým motorem z důvodu konstrukční jednoduchosti, nemá sací a výfukové ventily a je mazán přímo palivem vháněným do motoru smíchaným s olejem. U toho druhu motoru se v drtivé většině jako palivo používá benzín. Po úpravě je možné používat alternativní paliva - zemní plyn, LPG, CNG. Výhodou těchto paliv je ekologičtější provoz (velmi nízký obsah škodlivých látek ve výfukových plynech) a vzhledem k nižší ceně těchto paliv, výrazně nižší provozní náklady. Zážehový motor je v porovnání zejména se vznětovými motory tišší a pravidelnější. Pro správnou funkci zážehového motoru je důležité, aby byla velká odolnost paliva proti samovznícení, což udává takzvané oktanové číslo. Vznětový motor Rozdíl mezi zážehovým a vznětovým motorem je ve způsobu zapálení paliva. U vznětového motoru je palivo vstřikováno pod vysokým tlakem do stlačeného vzduchu ve spalovacím prostoru. Po vstříknutí dojde k samovznícení paliva. 10

Popis práce vznětového motoru: Motor nasaje samotný vzduch. Poté se nasátý vzduch ve válci stlačí na přibližně 5% svého objemu. Díky velkému stlačení vzduchu dojde k zahřátí na 800 C a po vstříknutí paliva se směs samovznítí. Potom díky hoření paliva prudce vzroste teplota a píst je stlačován směrem dolů. V poslední fázi se píst stlačí nahoru, dochází k otevření výfukového ventilu a zplodiny se vyfouknou do okolí. Výhodou vznětového motoru je vyšší kroutící moment při nízkých otáčkách, z tohoto důvodu vznětový motor nachází uplatnění u dopravních strojů, lodí, lokomotiv a zemědělských strojů. V současnosti roste jeho význam u osobních automobilů. Další výhodou je nižší spotřeba pohonných hmot a vyšší životnost v porovnání se zážehovým motorem. Nevýhodou dieselových motorů je vyšší konstrukční hmotnost, a vyšší obsah škodlivých látek ve výfukových plynech. 11

Čtyřdobý spalovací motor Čtyřdobý spalovací motor je motor, který pracuje na čtyři fáze neboli čtyři doby. První takovýto motor, který pracoval na benzín vynalezl roku 1876 německý inženýr Nicolaus Otto. Ve srovnání s tehdejším parním strojem byl menší, lehčí, později i tišší a hlavně byl účinnější. Než ale dosáhl spolehlivosti úrovně parního stroje, trvalo to ještě několik desítek let. Rozlišujeme zážehové čtyřdobé spalovací motory a vznětové čtyřdobé spalovací motory. První fáze je sání. Do motoru se nasává hořlavá směs paliva a vzduchu otevřeným sacím ventilem. Druhou fází je komprese. V době komprese se sací ventil uzavře, píst stoupne nahoru a směs paliva a vzduchu se stlačí až na jednu osminu svého objemu. Třetí fází je expanze. Těsně před dosažením horní úvrati pístu se směs zapálí a dochází k výbuchu. Čtvrtou fází je výfuk. Vzniklé teplo z výbuchu stlačí píst dolů a při další otáčce pístu nahoru se otevře výfukový ventil a dochází k vyfouknutí plynů. Práce motoru se dělí na jednotlivé pracovní doby: Sání píst se pohybuje z horní do dolní úvrati a sacím ventilem se nasaje směs vzduchu a paliva. 12

Komprese píst je v pohybu směrem nahoru, oba ventily se uzavřou, vzroste teplota a tlak směsi a přes elektrickou svíčku se směs zapálí. U vznětového motoru dochází k samovznícení vstřikem paliva do stlačeného vzduchu ve spalovacím prostoru. Expanze oba ventily jsou stále uzavřené, zapálená směs hoří a vlivem tlaku se píst pohybuje z horní do dolní úvrati. Výfuk píst se pohybuje z dolní do horní úvrati, otevírá se výfukový ventil a zplodiny jsou vyfouknuty ven z motoru. Animační ukázka: http://www.youtube.com/watch?v=x9ys2xdpjsu 13

Čtyřdobé spalovací motory dále dělíme podle typu rozvodu motoru: V minulosti se používal rozvod s postranními ventily označený SV. Výhodou byla konstrukční jednoduchost, nevýhodou nedokonalé plnění spalovacího prostoru, to znamená menší výkon. U dnešních moderních motorů se tento systém nepoužívá. V součastné době se používají systémy ventilů s označením OHV nebo OHC. Systém OHV vysuté ventily v hlavě válců ovládané přes zdvihátka vačkovým hřídelem, který je umístěn v bloku motoru. Systém OHC vysuté ventily v hlavě válců ovládané vačkovým hřídelem, který je umístěn přímo v hlavě válců nad ventily. Tento systém umožňuje rychlejší ovládání ventilů, umožňuje více ventilů ve válci motoru. Dříve se používaly dva ventily - sací a výfukový, dnes se většinou používají čtyři ventily na válec, dva sací a dva výfukové. Toto konstrukční řešení umožňuje rychlejší sání a výfuk, tím se zvýší výkon motoru a sníží škodlivé látky ve výfukových plynech. K pohonu vačkového hřídele se používá ozubený řemen nebo rozvodový řetěz. 14

Dvoudobý spalovací motor Dvoudobý spalovací motor je druh motoru, jehož cyklus proběhne za jednu otáčku klikové hřídele. Od čtyřdobého spalovacího motoru se liší tím, že pracuje na dvě doby a přívod paliva místo ventilů obstarává píst a kanály. Popis pracovního postupu dvoudobého spalovacího motoru První pracovní doba Píst při svém pohybu nahoru stlačuje směs paliva a vzduchu ve spalovacím prostoru nad pístem motoru a zároveň přes otevřený sací kanál nasaje do klikové skříně motoru směs vzduchu a paliva. Druhá pracovní doba Těsně před horní úvratí dojde k zapálení směsi paliva se vzduchem elektrickou jiskrou, píst se pohybuje směrem dolů, stlačuje nasátou směs paliva se vzduchem v klikové skříni motoru, otvírá výfukový kanál a zároveň přes otevřený přepouštěcí kanál vytlačuje směs paliva se vzduchem z klikové skříně do spalovacího prostoru nad pístem motoru. Na rozdíl od čtyřdobých motorů jsou dvoudobé motory díky jednoduší konstrukci lehčí, a také mají při stejných otáčkách větší měrný výkon. Nevýhodou je nižší účinnost, což je dáno tím, že komprese a expanze musejí být zkráceny, aby mohla proběhnout výměna paliva a výfukových plynů v pracovním prostoru. Podstatnou nevýhodou je vyšší spotřeba paliva oproti čtyřdobému motoru a vysoký obsah škodlivých látek ve výfukových plynech. Vysoký obsah škodlivých látek ve výfukových 15

plynech je dán způsobem mazání dvoudobého motoru. Motor je mazán směsí benzínu a motorového oleje. Dvoudobý motor se v součastné době nachází uplatnění v motocyklech, ale hlavně v různých pracovních strojích jako jsou motorové pily, sekačky atd. Animační ukázka: http://www.youtube.com/watch?v=_sqxrfjcc5u 16

Wankelův motor Vynalezl ho Felix Wankel v roce 1950. Je to druh spalovacího motoru s rotačním pístem. Uprostřed Wankelova motoru je rotační píst, který se pohybuje ve své komoře přepínající v průřezu dvě spojené množiny. Specifický je tím, že dokáže za jedno otočení pístu všechny čtyři takty. Píst dělá dvojí pohyb, jednak se pohybuje po své excentrické dráze a současně se otáčí kolem své osy. Tím postupně vytváří prostor pro sání, stlačení, výbuch a výfuk a jsou od sebe oddělené po celou dobu chodu. Motor pro svůj pohyb používá vnitřní soustavu ozubení. Ozubení přesně zapadá do převodu připevněného ke komoře a tento ozubený převod určuje dráhu i směr pohybu motoru v komoře. Za každé čtvrt otáčky vykoná motor jeden takt z minima na maximum. Rotující píst se tak vůbec nezastaví a neustále vykonává práci. V jedné komoře dochází k výbuchu, v druhé vrcholí sání, v další komoře komprese a v té poslední výbuch. Výhody: - hladkost chodu - jednoduchá konstrukce - nízká váha Nevýhody: - velká spotřeba oleje a paliva Na první pohled se zdá Wankelův motor jako geniální, ale má i svoje nevýhody. Hlavním problémem je nižší efektivnost provozu, a za to může nižší termodynamická účinnost zapříčiněná tvarem motoru, ve kterém je hoření směsi složitější než v klasickém válcovém motoru. 17

Wankelův motor poprvé v sériové výrobě použila německá automobilka NSU na konci 60. let dvacátého století. V současnosti ho vyrábí Japonská automobilka Mazda, která ho používá v autě Mazda RX8 a v závodních automobilech. Automobilové spalovací motory Protože automobilové motory mají nepříznivý vliv na životní prostředí, v posledních několika letech je snaha snižovat emise, což znamená, že je péče věnována čistotě výfukových plynů. Moderní automobilové motory jsou vybaveny celou řadou systémů, které snižují obsah škodlivých látek ve výfukových plynech. Například: katalyzátory na výfukových systémech, zpětná recirkulace části výfukových plynů zpět do nasávaného vzduchu do spalovacího prostoru, používání filtrů pevných částic na výfukových systémech u vznětových motorů. Dříve zážehové motory v automobilech používaly karburátor, ale od začátku 90. let 20. století se používá elektronicky řízené vstřikování benzínu do sacího potrubí v prostoru před sacím ventilem. U nejmodernějších zážehových motorů se používá přímé vysokotlaké vstřikování benzínu do spalovacího prostoru motoru. Další možností snižování škodlivých látek ve výfukových plynech je snižování zdvihového objemu motoru. Nevýhodou motoru s nízkým zdvihovým objemem je menší výkon, proto se využívá přeplňování turbodmychadlem. Přeplňování umožňuje dodat více vzduchu do spalovacího prostoru motoru, díky tomu dochází k dokonalejšímu spálení paliva. Přeplňovaný motor má větší výkon a menší obsah škodlivých látek ve výfukových plynech. 18

Dnešní automobilové motory mají minimální spotřebu oleje a nejnovějších technologie umožňují výrazně snížit spotřebu paliva a tím i snížit škodlivé látky ve výfukových plynech. Elektromotor Elektromotor je stroj, který přeměňuje elektrickou energii na mechanickou práci a naopak. V elektromotoru je cívka, která se otočí nanejvýš o 180. K tomu, abychom mohli cívkou otáčet stále, potřebujeme komutátor, který změní v nesouhlasných pólech magnetického pole a cívky směr proudu. V tom okamžiku, když jsou nesouhlasné póly magnetu a cívky proti sobě, tak se obou kartáčků dotkne izolující vrstva mezi poloprstenci. Jakmile se cívka setrvačností ještě pootočí, začnou se poloprstence komutátoru dotýkat kartáčku s opačným pólem než před tím a tím se v cívce změní stávající proud na opačný. Tím se vymění magnetické póly cívky a jsou proti sobě souhlasné póly cívky a magnetu ty se navzájem odpuzují, a proto se cívka otočí dále o 180. Směr proudu v cívce se po každém jejím otočení mění, tím se cívka stále otáčí, pokud jí prochází proud. V těchto motorech se používá místo běžného magnetu elektromagnet, ten tvoří nepohyblivou část motoru, která se nazývá stator. Otáčivá část motoru se skládá z cívek navinutých na jádrech, tato část se nazývá rotor. 19

Elektromotor nachází uplatnění v celé řadě odvětví. Používá se k pohonu různých strojů a zařízení, k pohonu vlaků, tramvají, trolejbusů a v poslední době je snaha o využití k pohonu automobilů. Elektromotor v automobilu Elektromobil je automobil, který je poháněn elektromotorem a jako zdroj energie využívá akumulátor, který se musí před každou jízdou nabít a na jeho kapacitě závisí vzdálenost, kterou elektromobil ujede. První elektromobil na světě byl vynalezen a zkonstruován už v roce 1835 holandským profesorem Sibrandusem Stratinghem, ale rychlost přes 100 km s elektromobilem byla překonána až v roce 1899. Dokonce na počátku 20. století jezdilo více elektromobilů než automobilů se spalovacím motorem, protože poskytovaly komfort a velmi snadné ovládání a klasické automobily se musely startovat klikou, což bylo 20

nepraktické a navíc klasické automobily byly příliš hlučné a složité na údržbu. Vše ale změnil vynález elektrického startéru a od té doby se zase více jezdí s automobily se spalovacím motorem. Elektromotor v automobilu poskytne vysoký kroutící moment, a proto nemusí mít takový výkon jako spalovací motor, který poskytne nejvyšší kroutící moment až při několika tisících otáčkách za minutu. Jízda v elektromobilu je tudíž velmi plynulá. Další výhodou elektromotorů je, že neprodukují žádné výfukové plyny a i se započítáním výroby elektrické energie při, níž se musí spalovat uhlí, jsou pořád ekologičtější než klasické spalovací motory. Dále jsou velmi tiché, pohodlné a jednoduché na provoz a běžnou údržbu. Výhody a nevýhody elektromobilu. Jednou z hlavních nevýhod je vysoká cena, velmi malá dojezdová vzdálenost a výrazně delší nabíjení baterie. Můžeme předpokládat, že elektromobily se budou v budoucnu používat, protože dochází ropa a z důvodu ochrany životního prostředí. 21

Závěr Díky této práci jsem se lépe dozvěděl, jak vlastně funguje motor, z čeho se skládá, jaké jsou druhy motorů, kolik má jednotlivý druh motoru taktů a na jaké jezdí palivo. Dále jsem se dozvěděl něco o elektrických motorech a to na jakém principu fungují, jaké jsou druhy elektrických motorů a jaké je jejich využití. Největším dosavadním problémem je, že dochází ropa a lidstvo by postupně mělo začít řešit jiný zdroj pohonných hmot. 22

Seznam literatury Přispěvatelé Wikipedie, Karl Benz [online], Wikipedie: Otevřená encyklopedie, c2014, Datum poslední revize 13. 03. 2014, 11:51 UTC, [citováno 30. 03. 2014] <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=karl_benz&oldid=11299732> http://www.quido.cz/osobnosti/benz.htm Přispěvatelé Wikipedie, Rudolf Diesel [online], Wikipedie: Otevřená encyklopedie, c2013, Datum poslední revize 3. 12. 2013, 10:16 UTC, [citováno 30. 03. 2014] <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=rudolf_diesel&oldid=10991414> http://www.quido.cz/osobnosti/diesel.htm Přispěvatelé Wikipedie, Zážehový motor [online], Wikipedie: Otevřená encyklopedie, c2013, Datum poslední revize 12. 08. 2013, 21:17 UTC, [citováno 30. 03. 2014] <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=z%c3%a1%c5%beehov%c3%bd_motor&oldi d=10636916> http://www.vitejtenazemi.cz/cenia/index.php?p=zazehove_motory&site=doprava Přispěvatelé Wikipedie, Vznětový motor [online], Wikipedie: Otevřená encyklopedie, c2013, Datum poslední revize 16. 06. 2013, 14:02 UTC, [citováno 30. 03. 2014] <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=vzn%c4%9btov%c3%bd_motor&oldid=10420 712> http://www.vitejtenazemi.cz/cenia/index.php?p=vznetove_motory&site=doprava Přispěvatelé Wikipedie, Čtyřdobý spalovací motor [online], Wikipedie: Otevřená encyklopedie, c2014, Datum poslední revize 25. 03. 2014, 17:53 UTC, [citováno 30. 03. 2014] <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=%c4%8cty%c5%99dob%c3%bd_spalovac%c3 %AD_motor&oldid=11336542> řispěvatelé Wikipedie, Dvoudobý spalovací motor [online], Wikipedie: Otevřená encyklopedie, c2014, Datum poslední revize 23. 01. 2014, 09:29 UTC, [citováno 30. 03. 2014] 23

<http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=dvoudob%c3%bd_spalovac%c3%ad_motor&o ldid=11131419> Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Wankelův motor [online]. c2014 [citováno 30. 03. 2014]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=wankel%c5%afv_motor&oldid=11251026> Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Automobilový motor [online]. c2013 [citováno 30. 03. 2014]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=automobilov%c3%bd_motor&oldid=10188673> Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Elektromotor [online]. c2014 [citováno 30. 03. 2014]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=elektromotor&oldid=11110109> Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Elektromobil [online]. c2014 [citováno 30. 03. 2014]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=elektromobil&oldid=11216092> Knihy: Bohumil Ferenc Spalovací motory, karburátory a vstřikování paliva; Computer Press Praha 24