Klasifikace automobilových motorů.

Na motory instalované ve vozidlech jsou kladeny určité požadavky, které závisí jak na podmínkách úplné autonomie těchto vozidel, tak na jejich konkrétním účelu (typu vozidla). V každém případě musí mít motor automobilu minimální rozměry a hmotnost s dostatečným výkonem a vysokou účinností a také neohrožovat bezpečnost lidí a životního prostředí.

Jak již bylo zmíněno v předchozím článku, nejběžnějším typem motoru v automobilech jsou tepelné motory, které přeměňují tepelnou energii ze spalování paliva na mechanickou energii pohybu. Použití jiných typů motorů, schopných využívat k provozu jiné druhy energie, je omezeno řadou důvodů, z nichž nejpádnější je technologický.

Tepelná energie je dostupná, lze ji snadno čerpat z jakéhokoli vysoce kalorického paliva, ale hlavně lze tepelnou energii ve formě paliva uložit v dostatečném množství na cestu. Auto je totiž autonomní dopravní prostředek, a pokud je například „přivázáno“ dráty k prostornému zdroji elektřiny, ztratí svou autonomii.
Je také obtížné zásobit se jinými druhy energie pro silnici, jako je energie stlačeného plynu, proudění kapalin, slunečního záření atd.
Využití jaderné energie v automobilových motorech na současné úrovni rozvoje vědy a techniky by bylo příliš drahé a v podmínkách masového využití nebezpečné.
Hlavní překážkou využití jiných druhů energie namísto tepelné energie v motorech automobilů je proto nedostatek prostorných zařízení pro ukládání energie, která by byla schopna udržet chod motoru po dlouhou dobu.

Všechny tepelné motory jsou rozděleny do dvou typů podle způsobu dodávání tepla do pracovní tekutiny:

• spalovací motory (ICE);
• tepelné motory s externím přívodem tepla.

V moderních automobilech používá drtivá většina motorů první typ, který se vyznačuje tím, že teplo je do plynné pracovní kapaliny dodáváno přímo v motoru samotném spalováním směsi paliva a vzdušného kyslíku.
Mezi motory druhého typu, které využívají pracovní kapalinu ohřívanou mimo motor, patří například parní stroje, které se v současnosti z řady důvodů téměř nepoužívají:

• vysoká měrná spotřeba kovu na jednotku získané mechanické energie;
• nízká účinnost;
• poměrně dlouhá příprava na práci atp.

Řada technologických důvodů omezuje použití plynových turbín jako automobilových motorů, které se dělí na spalovací turbíny a spalovací turbíny.
Stirlingův motor, který je svým principem činnosti motorem s vnějším spalováním, se v masové automobilové výrobě také neprosadil.

Tepelné motory jsou na základě své konstrukce rozděleny do následujících typů:

• píst;
• rotační píst;
• plynová turbína;
• reaktivní.

Nejpoužívanějšími motory v automobilech jsou pístové spalovací motory, které jsou zase klasifikovány podle následujících charakteristik:

Způsobem zapálení pracovní tekutiny:

• s jiskrovým (nuceným) zapalováním;
• s kompresním zapalováním (samovznícení).

První typ zahrnuje motory, které používají speciální systém pro zapalování pracovní kapaliny (zapalovací systém). Patří mezi ně například karburátorové, vstřikovací a plynové motory.
Do druhého typu patří vznětové motory, u kterých se palivo samovolně vznítí vlivem silného zahřátí při vysokém kompresním poměru.

Podle typu použitého paliva:

• provoz na kapalné palivo (benzín, nafta, petrolej);
• na plynné palivo.

Způsobem tvorby směsi:

• s vnější tvorbou směsi;
• s vnitřní tvorbou směsi.

Mezi motory s vnější tvorbou směsi (tedy míšení paliva s kyslíkem ze vzduchu mimo válec) patří karburátorové motory a motory s centrálním a distribuovaným vstřikováním benzínu a mezi motory s vnitřní tvorbou směsi patří dieselové a přímovstřikové motory, u kterých palivo a vzduch vstupují do válce odděleně a následně se mísí a tvoří pracovní směs.

Ohledně regulace výkonu:

• kvantitativní regulace;
• regulace kvality.

Při kvantitativní regulaci se výkon motoru mění v důsledku změny celkového množství směsi paliva a vzduchu dodávané do válce.
Při kvalitní regulaci se výkon mění o množství paliva vstřikovaného do válce, přičemž množství přiváděného vzduchu zůstává konstantní.

Podle povahy a sledu termodynamických procesů ve válcích motoru:

Uspořádáním válců v bloku:

• jedna řada;
• jedna řada se sklonem;
• naproti;
• křížový tvar;
• hvězdicovitý;
• ve tvaru V;
• ve tvaru VR;
• ve tvaru W;
• Ve tvaru U (dvojitá řada).

Termodynamické procesy probíhající v tepelných motorech a také způsoby zvýšení jejich účinnosti (COP) jsou diskutovány v článcích v sekci „Základy hydrauliky a tepelné techniky“. Najdete zde také informace o historii vynálezu tepelných motorů používaných v automobilech.

Motory osobních automobilů se dělí: 1. Podle druhu použitého paliva – benzín, nafta. 2. Podle způsobu tvorby hořlavé směsi – vnější (karburátor) a vnitřní pro vznětový spalovací motor. 3. Podle způsobu zážehu buď jiskra nebo komprese. 4. Podle počtu a umístění válců se dělí na řadové, vodorovné (protilehlé), svislé a ve tvaru V.

Motory osobních automobilů jsou klasifikovány:
1. Podle druhu použitého paliva – benzín, nafta.
2. Podle způsobu tvorby hořlavé směsi – vnější (karburátor) a vnitřní pro vznětový spalovací motor.
3. Podle způsobu zážehu buď jiskra nebo komprese.
4. Podle počtu a umístění válců se dělí na řadové, vodorovné (protilehlé), svislé a ve tvaru V.

Benzínové motory je třída spalovacích motorů, ve kterých jsou válce předem stlačené směsi vzduch-palivo zapalovány elektrickou jiskrou. Řízení výkonu u benzínového motoru je dosaženo regulací průtoku vzduchu přes škrticí klapku.

Karburátorové a vstřikovací motory
Podle způsobu tvorby směsi se benzínové motory dělí na karburátorové, vstřikovací a přímé vstřikování.
Proces přípravy hořlavé směsi v karburátorových motorech probíhá v karburátoru – speciálním zařízení, ve kterém se vlivem aerodynamických sil mísí palivo s proudem vzduchu Pracovním tělesem je deska namontovaná na rotační ose, umístěná v potrubí ve kterém proudí řízené médium.
U vstřikovacích motorů je palivo vstřikováno do proudu vzduchu speciálními tryskami, do kterých je palivo přiváděno pod tlakem a dávkování provádí elektronická řídicí jednotka – dodáním proudového impulsu, který trysku otevře.
K přechodu od klasických karburátorových motorů ke vstřikovacím ventilům došlo především z důvodu zvyšujících se požadavků na čistotu výfukových plynů (výfukové plyny) a instalací moderních konvertorů výfukových plynů (katalyzátorů). Povinným prvkem takového systému řízení je Lambda sonda (kyslíkový senzor). Díky kyslíkovému senzoru udržuje řídicí systém neustále analyzující obsah kyslíku ve výfukových plynech přesný poměr kyslíku, podoxidovaných produktů spalování paliva a oxidů dusíku, které dokáže katalyzátor neutralizovat.

Systém přímého vstřikování
Nejmodernějším systémem vstřikování paliva pro benzínové motory je systém přímého vstřikování paliva, který je založen na vstřikování paliva přímo do spalovacího prostoru motoru.
Použití tohoto systému umožňuje dosáhnout až 15% úspory paliva a také snížit emise škodlivých látek z výfukových plynů.
Návrh systému přímého vstřikování paliva je uvažován na příkladu systému instalovaného na motorech FSI (Fuel Stratified Injection). Systém je dalším vývojem integrovaného systému vstřikování a zapalování Motronic.

Konstrukce systému přímého vstřikování:
• vysokotlaké palivové čerpadlo;
• regulátor tlaku paliva;
• palivová kolejnice;
• pojistný ventil;
• snímač vysokého tlaku;
• vstřikovací trysky;
• řídicí jednotka motoru;
• vstupní senzory.

Palivové čerpadlo vysoký tlak dodává palivo do vstřikovacích trysek při vysokých tlacích (3-11 MPa) v souladu s potřebami motoru. Konstrukce čerpadla je založena na jednom nebo více pístech. Čerpadlo je poháněno sacím vačkovým hřídelem motoru.

Regulace tlaku paliva zajišťuje dávkovaný přívod paliva čerpadlem v souladu se vstřikem trysky. Nachází se ve vysokotlakém palivovém čerpadle.

Palivová kolej rozděluje palivo mezi vstřikovací trysky a zabraňuje pulzování paliva v okruhu.

Bezpečnostní ventil je instalován na rozdělovači paliva a chrání prvky vstřikovacího systému před extrémními tlaky, které vznikají při tepelné roztažnosti paliva.

Senzor vysokého tlaku slouží k měření tlaku v rozdělovači paliva. V souladu se signály snímačů může řídicí jednotka motoru měnit tlak v rozdělovači paliva.

vstřikovací tryska zajišťuje atomizaci paliva za vzniku určitého typu směsi paliva a vzduchu.

Řídicí jednotka motoru spolu se vstupními snímači tvoří řídicí systém motoru.

V důsledku provozu systém přímého vstřikování poskytuje:

tvorba směsi vrstva po vrstvě — používá se, když motor běží při nízkých a středních otáčkách a zatížení. Škrtící klapka je téměř úplně otevřená, sací klapky jsou zavřené. Vzduch za vzniku vzduchového víru vstupuje vysokou rychlostí do spalovacích komor. Palivo je vstřikováno do oblasti zapalovací svíčky na konci kompresního zdvihu. Krátce před zapálením se v oblasti zapalovací svíčky vytvoří směs paliva a vzduchu s poměrem přebytečného vzduchu 1,5 až 3. Směs se vznítí a kolem ní zůstane spousta čistého vzduchu, který působí jako tepelný izolant .

tvorba stechiometrické homogenní směsi — používá se při vysokých otáčkách motoru a velkém zatížení. Sací klapky jsou otevřené, škrticí klapka se otevírá v souladu s polohou plynového pedálu. Vstřikování paliva probíhá během sacího zdvihu, což přispívá k vytvoření homogenní směsi. Součinitel přebytku vzduchu je 1. Při zapálení směs účinně hoří v celém objemu spalovací komory.

tvorba homogenní směsi — motor pracuje ve středních režimech. Škrtící klapka je maximálně otevřená, sací klapky zavřené. To vytváří intenzivní pohyb vzduchu ve válcích. Palivo se vstřikuje během sacího zdvihu. Součinitel přebytečného vzduchu se udržuje na hodnotě 1,5.

Čtyřdobé a dvoudobé motory
Podle způsobu pracovního cyklu se motory dělí na čtyřdobé a dvoudobé.
Dvoudobé motory mají nižší účinnost, ale větší výkon na jednotku objemu. Proto se používají tam, kde je velmi důležitá malá velikost a není důležitá spotřeba paliva, například u motocyklů.
Čtyřtaktní motory jsou instalovány na většině vozidel. Nejen benzinové, ale i naftové motory mohou být čtyřtaktní nebo dvoutaktní. Dvoudobé dieselové motory se používají především na velkých lodích (méně často na dieselových lokomotivách a nákladních automobilech) a nemají mnoho nevýhod benzínových dvoudobých motorů.

Benzínové motory jsou také klasifikovány podle počtu válců – jednoválcové, dvouválcové a víceválcové; podle uspořádání válců – motory se svislým nebo šikmým uspořádáním válců v jedné řadě („řadový“ motor), tvaru V s válci uspořádanými pod úhlem, tvaru W, s použitím 4 řad umístěných válců pod úhlem s 1 klikovým hřídelem; metodou chlazení – pro motory s kapalinovým nebo vzduchovým chlazením; podle typu mazání – smíšený typ (olej se mísí s palivovou směsí) a samostatný typ (olej je v klikové skříni); podle druhu použitého paliva – benzín a vícepalivové; podle kompresního poměru – motory s vysokou (E=12. 18) a nízkou (E=4. 9) kompresí; metodou plnění válce čerstvou náplní: atmosférické (atmosférické) motory, u kterých se nasávání vzduchu nebo hořlavé směsi provádí vlivem podtlaku ve válci při sacím zdvihu pístu; přeplňované motory, u kterých je vzduch nebo hořlavá směs přiváděna do pracovního válce pod tlakem vytvářeným turbodmychadlem za účelem zvýšení náplně vzduchu a získání zvýšeného výkonu a účinnosti motoru; podle rychlosti otáčení: nízká rychlost, vysoká rychlost, vysoká rychlost; podle účelu – stacionární, auto-traktor, loď, dieselová lokomotiva, letectví atd.

Vznětový motor je pístový spalovací motor, který pracuje na principu vznícení paliva z komprese a vysoké teploty. Dieselové motory používají při svém provozu motorovou naftu (lidově naftu).
První „dieselový motor“ sestrojil Rudolf Diesel počátkem roku 1897 a 28. ledna téhož roku byl úspěšně testován.
Hlavním rozdílem mezi vznětovým motorem a benzinovým motorem je způsob přivádění směsi vzduch-palivo do válce a způsob zapalování. U vznětového motoru je vzduch přiváděn do válce odděleně od paliva a následně stlačován. Díky vysokému kompresnímu poměru (obvykle 20:1) se stlačený vzduch ohřívá na teploty nad 700°C. Když píst stoupá do horní úvrati (konec kompresního zdvihu), palivo pod velmi vysokým tlakem je vstřikováno do spalovací komory v atomizovaném stavu. Poté se palivo smísí se vzduchem, a protože teplota vzduchu je velmi vysoká, dochází ke spalování směsi vzduch-palivo. Během spalování se uvolňuje energie, která pohybuje pístem dolů (silový zdvih). Když teplota vzduchu klesá v důsledku tvorby parafínu, zhoršuje se tekutost motorové nafty. Z tohoto důvodu zhoustne a ucpe palivový filtr. Právě kvůli tomu do ní výrobci motorové nafty v zimě přidávají speciální aditiva, která zvyšují tekutost paliva a zaručují spolehlivé startování až do teploty minus 22°C. Pokud je během chladného počasí (pod -10°C) v nádrži letní palivo, je třeba do něj přidat speciální ředicí přísadu. Při startování motoru za chladného počasí nemusí být teplota stlačeného vzduchu ve válci dostatečná k zapálení paliva. Tento problém pomáhá vyřešit předehřívací systém.

Jak funguje diesel?
První opatření (sací zdvih, píst klesá) – vzduch je nasáván do válce přes otevřený sací ventil.
Druhé opatření (kompresní zdvih, píst jde nahoru) – sací a výfukové ventily jsou uzavřeny, vzduch je objemově stlačen přibližně 17x (od 14:1 do 24:1), tzn. V porovnání s celkovým objemem válce se objem 17x zmenší, vzduch se velmi zahřeje.
Třetí opatření (silový zdvih, píst klesá) – palivo je vstřikováno do spalovacího prostoru tryskou vstřikovače. Během vstřikování se palivo rozpráší na malé částice, které se smíchají se stlačeným vzduchem a vytvoří se samozápalná směs. Energie se uvolňuje během spalování, když se píst začne pohybovat při pracovním zdvihu. Pokračuje vstřikování, což způsobuje udržování konstantního tlaku spalovaného paliva na píst.
Čtvrté opatření (výfukový zdvih, píst jde nahoru) – otevře se výfukový ventil a procházejí jím výfukové plyny.

Vstřikovací systém
Nejmodernějším stupněm ve vývoji benzinových a naftových motorů s přímým vstřikováním paliva je dieselový systém Common Rail. Liší se od tradičních vznětových motorů s nízkým přívodním tlakem paliva v přítomnosti rampy, kde je motorová nafta dodávána pod vysokým tlakem (více než 1000 barů), která je následně distribuována mezi elektrické vstřikovače s elektromagnetickými ventily.
Prototyp systému Common Rail vyvinul koncem 60. let Robert Huber ve Švýcarsku.

Pracovní princip:
Čerpadlo dodává naftu z nádrže přes ohřívač paliva a filtr do vysokotlakého čerpadla. Je poháněn motorem a směřuje vysokotlaké palivo do kolejnice. Aby některé typy systémů správně fungovaly, není nutné neustále udržovat nejvyšší tlak. Rampové trubky jsou zakončeny vstřikovači a jsou stejně dlouhé. Na liště je také umístěn regulátor tlaku, který přes chladič posílá přebytečné palivo zpět do nádrže. Pomocí snímače tlaku v railu může řídicí jednotka motoru získávat informace o tlaku v railu a monitorovat jej.
V současnosti naftové motory systému COMMON RAIL nahrazují tradiční naftové motory. Důvodem je nižší hlučnost, lepší údaje o emisích do životního prostředí a levnější výroba komponentů.