Motor – srdce nejen auta
Nejobvyklejší druhy motorů vytvářejí rotační pohyb, ale existují i motory lineární nebo oscilační. Motory bývají obvykle součástí a pohonnou jednotkou komplexnějších strojů, například automobilů.
Rotační motor patřil mezi druhy hvězdicového motoru, jehož kliková hřídel byla pevně uchycena do draku letounu a skříň s válci, spojená s vrtulí, rotovala.
Největší předností takového uspořádání bylo, že se celý motor choval jako setrvačník, a tím „uhlazoval“ svůj chod a snižoval vibrace. Vibrace představovaly v té době závažný problém u všech leteckých motorů a pro jejich snížení se k motorům musely přidávat těžké setrvačníky. Protože se rotační motory obešly bez těchto setrvačníků, byly lehčí než motory se stejným výkonem s nerotujícími válci (tj. hlavně řadové motory).
Rotační motory se ojediněle používaly i pro pohon motocyklů a automobilů. Například u německých závodních motocyklů Megola, vyráběných mezi lety 1921 a 1925, se montovaly do předního kola.
Termínem rotační motor je někdy označován i Wankelův motor, užívaný v některých automobilech, motocyklech i letadlech. Označuje se tak proto, že u něj ke stlačování směsi slouží rotační píst a první modely se vyznačovaly tím, že měly rotující komoru.
Historie motorů
Tepelný motor převádí tepelnou energii získanou z paliva na mechanickou práci. Motory se dělí podle spalování na dvě historické éry. Nejdříve byly motory s vnějším spalováním, kde k zahřívání látky docházelo mimo pracovní válec a jako palivo bylo možné použít cokoliv s dostatečnou výhřevností. V této etapě figuroval parní stroj , který rychle našel použití v dopravě i průmyslu. Jednoduše řečeno parní stroj využíval vodu, která byla nepřímým ohřevem převedena na tlakovou páru a ta následně působila na píst. Za zmínku také stojí Stirlingův motor (1816), kde vodu nahrazoval plyn. Motor obsahuje dva spojené válce, přičemž jeden je pracovní s těsnícím pístem a druhý s pístem volným „přesouvající“ teplý a studený vzduch. Použití bylo spíše pokusné a nijak zvlášť se neuchytil. Oba uvedené motory si není těžké vyrobit doma.
Stirlingův motor
Robert Stirling (1790-1878) si svůj motor nechal patentovat dne 27. 9. 1816. Na jeho motoru máme jasný důkaz, že si Stirling plně uvědomoval všechny podmínky, které jsou nezbytné k efektivní přeměně tepla v mechanickou práci, poněvadž v té době nebyla teorie o spalovacích motorech. V roce 1818 sestrojil svůj velký motor s výkonem 2 hp, aby přečerpával vodu z kamenolomu v Ayrshire ve Skotsku a v letech 1827 a 1840 obdržel Robert Stirling ještě dva patenty (č. 5456 a 8652) na zdokonalené varianty svého stroje. Robert Stirling se teplovzdušným motorům, jak se jim tehdy říkalo, věnoval prakticky celý svůj život.
V průběhu 19. století a na počátku 20. století se začali objevovat nejrůznější použití Stirlingova motoru. Čerpaly vodu pro skot a dobytek na vyschlém západě USA, v dolech, na železnicích a dodávaly vodu bezpočtu sídlům a statkům. Malé Stirlingovy motory poháněly zubařské vrtačky, domácí ventilátory, šicí stroje atd.. Velké typy byly používány k pohonu navijáků a v mnoha dalších průmyslových aplikacích. Používala se kapalná, pevná i plynná paliva. Většina z těchto motorů byla vyvinuta švédským vynálezcem Johnem Ericssonem, jehož nejznámějším projektem byla pancéřová bitevní loď Monitor z doby občanské války v USA. Ericsson zkonstruoval mnoho motorů založených na Stirlingově principu pro obchod
, průmysl a zemědělství. Byl si vědom výhod Stirlingova motoru a svými dokonalými konstrukcemi předběhl svou dobu. Postavil například Stirlingův motor poháněný pouze sluneční energií, což v té době bylo zcela ojedinělé. Stirlingův motor byl v 19. století limitován hlavně metalurgickými možnostmi své doby. Právě proto a z důvodu vyšší hmotnosti byl nakonec vypuzen nově vyvinutými spalovacími motory a elektromotory. Stirlingův motor byly téměř zapomenutý až do 20. let minulého století.
V roce 1938 N.V. Phillips z Holandska, projevil zájem o tento typ motoru, když začal s vývojem malého Stirlingova motoru s výkonem 200W. Philips, přední výrobce dobře známých stolních radiopřijímačů, používal tento motor jako kompaktní tichý zdroj energie, který na rozdíl od zážehových motorů nepoužívá zapalovací svíčky, a tudíž nevytváří interferenci radiových vln. Při hledání možností, jak zvýšit měrný výkon a účinnost zjistil, že plyny s nižší molekulovou hmotností, jako helium či vodík, jsou výhodnější než vzduch.
Rychlý rozvoj technologie výroby materiálů, který nastal v padesátých letech minulého století, otevřel nové perspektivy i pro Stirlingův motor.
Doporučení: Podlahové mycí stroje/automaty dělají černou práci za vás. Jsou spolehlivým partnerem pro úklid.
Jak funguje motor?
Základní princip fungování motoru spočívá v přeměně mechanické energie na energii pohybovou.
Parní stroj
Starý parní stroj využívá vody, která se při teplotě varu vypařuje. Horká pára pak jde z kotle přes regulátor do šoupátkové komory, kde je rozdělována do válce. Ve válci svým tlakem způsobí pohyb pístu, který je přenášen přes pístní tyč, křižák a ojnici na kliku. Klika motoru poté otáčí kolem.
Spalovací motory
Spalovací motory se dělí na dva druhy, a to na vznětové a zážehové motory. Oba fungují prakticky stejně. Do spalovací komory je pod píst vstřikováno palivo. Když se píst posune dolů, palivo je vytlačeno nad píst. Poté píst pohybem nahoru stlačí látku a ta exploduje (pak jde píst dolů, splodiny po explozi jsou odváděny pryč do výfuku a palivo je zase vytlačováno nad píst). V čem jsou tedy tyto motory odlišné? Zážehový motor, jak už název napovídá, potřebu něco, čím palivo zažehne – používá se jiskra motorové svíčky. U vznětového motoru se palivo vznítí samo.
Raketové motory
Raketový motor patří mezi reaktivních pohony. Princip raketového motoru vystihuje zákon akce a reakce, kdy je pohyb rakety reakcí na plyny odcházející z raketového motoru opačným směrem. To je také zákon o zachování hybnosti. Při spalování pohonných látek vznikají plyny, které unikají velkou rychlostí. Jsou stejně rychlé jako raketa, která se pohybuje opačným směrem.
Elektromotory
Většina elektromotorů pracuje na elektromagnetickém principu, ale jsou i motory fungující na jiných elektromechanických jevech jako jsou například elektrostatické síly, piezoelektrický efekt či tepelné účinky průchodu elektrického proudu. Základním principem, na němž jsou elektromagnetické motory založeny, je vzájemné silové působení elektromagnetických polí vytvářených elektrickými obvody, kterými protéká elektrický proud.
Jak funguje hybridní pohon?
V nejvíce případech slovo hybridní pohon představuje kombinaci spalovacího motoru a elektrické trakce jako u elektromobilu. Nejčastěji je používán v silniční a železniční dopravě.
Auto, které má hybridní pohon, využívá více než jeden zdroj energie. Hybridní pohony využívají výhod jednotlivých pohonů při různých pracovních stavech vozidla.
Mezi hybridní pohony patří odzkoušený sériový hybridní pohon - kombinace spalovacího motoru s elektromotorem a akumulátorem. Tento sériový pohon je při jízdě na krátké vzdálenosti(jízda po městě aj.) poháněn stejnosměrným točivým strojem. Stroj se napájí jako elektromotor elektrickou energií z akumulátoru. V automobilu jsou dvě spojky, jedna spojuje elektromotor se spalovacím motorem a druhá elektromotor s převodovkou. Při jízdě na elektrickou energii je první spojka, která připojuje spalovací motor rozpojená. Při jízdě na delší vzdálenost např. z města do města, při potřebě větší akcelerace nebo při plném zatížení zajišťuje pohon spalovací motor. Pokud se vozidlo pohybuje silou spalovacího motoru, tak se výkon přenáší prostřednictvím první spojky a druhé spojky na převodovku. Stejnosměrný elektrický točivý stroj v této chvíli mění svojí funkci a pracuje jako generátor stejnosměrného proudu. Takto získaná elektrická energie je přivedena do akumulátoru. V okamžiku brždění se rozpojí první spojka, tím je odpojen spalovací motor a generátor, vytváří elektrickou energii pro dobíjení akumulátoru ze setrvační energie vozidla.
U hybridního pohonu lze využívat výhody jednotlivých pohonů. U elektropohonu nízkou hlučnost, žádné výfukové splodiny a vysokou účinnost elektromotoru. U pohonu spalovacím motorem velký dojezd vozidla, v střední a vyšší oblasti otáček vysoký točivý moment a možnost jízdy vysokou rychlostí. Mezi největší výhodu tohoto kombinovaného pohonu patří možnost použití jednotlivých pohonů v oblasti nejvyšší účinnosti, čímž se zajišťuje snížení spotřeby energie. Nevýhodou pohonu jsou vysoké pořizovací náklady, zvýšení hmotnosti vozidla o hmotnost akumulátoru a zmenšení úložných prostor v vozidle.
Lexus LS 600h – tento vůz patří mezi nejluxusnější vozy s hybridním pohonem na trhu. Jeho spalovací motor 5,0 l V8 je doplněn výkonným elektromotorem, které dohromady poskytují jízdní komfort hodný nejvyšší třídy. Se svojí spotřebou se jistě neřadí k ekologicky nejšetrnějším hybridním vozům, ale ve své třídě zcela určitě. Tomu samozřejmě odpovídá i další vybavení a cena. Tato vyspělá kombinace pohonů dodá vozu LS 600h špičkový kombinovaný výkon, který dosahuje více než 455 koní.
Doporučení: TIP: Číná nabízí velké možnosti pro podnikatale, nabízíme konzultace a poradenství Čína.
Raketové motory
Hoření paliva probíhá ve spalovací komoře, která je pro raketu základ. Při hoření pohonného paliva se uvolňují žhavé plyny, které jsou pak pod silou tlaku vytlačovány do okolního prostoru skrze expanzní tryskou. To má za následek odlehčení rakety o hmotnost paliva, které bylo spáleno.
Raketa patří mezi tělesa, která mění svoji hmotnost a pokud bude stále lehčí a lehčí, bude unášena stejnou tahovou sílou a její rychlost se bude stále zvyšovat. Konečný účinek je tím větší, čím větší část počáteční hmotnosti rakety připadá na pohonné látky. Existuje rovnice, podle níž se dá spočítat, jak se raketa bude pohybovat. Tuto rovnici nazýváme Ciolkovského rovnice. Dá se podle ní zjistit konečná rychlost rakety.
Ciolkovskij pochopil, že čím vyšší energii uvolňujeme ve spalovací komoře, čím víc pohonných látek raketa nese a čím víc je raketa lehčí, tím vyšší bude dosažená rychlost.
Ještě před tím, než raketa odstartuje, tvoří její palivo kolem 90% její hmotnosti. Pokud si to nedovedete představit, můžete si to přirovnat k slepičímu vejci, kde konstrukce představuje skořápku a palivo představuje bílek a žloutek.
Je zřejmé, že konstrukční úpravy mají své meze, právě tak jako energie chemických procesů. Ciolkovskij dospěl k názoru, že prázdné palivové nádrže jsou nepotřebné a zbytečně tíží raketu. Proto také navrhl vícestupňovou raketu, která může prázdné, nepotřebné a zbytečně těžké palivové nádrže odpojit.
Když raketa startuje, je poháněna nejmohutnějším stupněm, který se po vyhoření paliva oddělí od ostatních stupňů. V další fázi letu je raketa podstatněji lehčí a pracuje motor druhého, popřípadě pak třetího stupně. Jen tak lze dosáhnout rychlosti, která je nutná pro dosažení oběžné dráhy kolem naší Země.
Doporučení:
Budoucnost motorů
Ropa bývá častým důvodem sporů mezi státy. Proto se odborníci snaží najít nová řešení. Možností je hodně, ale každá možnost má svoji kladnou i zápornou stránku.
Jednou z variant je pohon na bionaftu. Bionafta je chemicky připravený produkt z řepky olejné, dokonce má při hoření proti klasické naftě přednosti, projevující se například v menším množství škodlivin ve výfuku. Bionafta však problém řeší jenom částečně, protože pěstování monokultur na obrovských polích je možné jenom v odlehlých částech světa.
Další možností se jeví elektromotor. Skoro stejně starý jako automobil se spalovacím motorem je elektromobil. Jeho vývoj, ale dodnes nepokročil a zatím není schopen nahradit značně komfortnější automobilovou klasiku reprezentovanou spalovacím motorem. Těžké akumulátory se dobíjejí dlouhé hodiny a akční rádius přesahující jen mimořádně vzdálenost 100 km je naprosto nedostačující. Elektrická energie se sice dá získávat bez škodlivých emisí z takových zdrojů, jako jsou slunce, vítr nebo voda, ale také sluneční elektrárny nebo větrná pole se realizují jenom s obtížemi.
Za perspektivní alternativní palivo, které se dá dobře využít v jenom lehce upraveném zážehovém motoru, je zemní plyn. Jeho světové zásoby jsou tak obrovské, že k jejich vyčerpání by mohlo dojít teprve asi za více než 150 let. Aplikace je možná ve stlačené formě nebo jako zkapalněné palivo. Ale také zemní plyn je fosilním palivem, při jehož hoření se uvolňují škodlivé látky, byť v daleko menším množství. Použitím katalyzátoru má však vůz s motorem na zemní plyn šanci splnit kalifornský emisní standard pro automobily s mimořádně nízkými emisemi. Ten je stejný jako u elektromobilu s přihlédnutím na vznik emisí při výrobě elektrického proudu.
Zkušenosti získané provozem automobilů jezdících na zemní plyn slouží k rozvoji perspektivních vozidel s vodíkovým pohonem. Zacházení s vodíkem je ještě problematičtější a má také dokonce ještě větší energetické nároky. Při jeho zkapalňování se musí zchladit na teplotu -253 °C. Pro transport a skladování vodíku můžeme použít jenom jeho kapalnou formu, nicméně i ta je pro tankování hodně náchylná, takže musí být prováděno robotem. Bohužel samotná výroba vodíku je náročná na elektrickou energii, ale je možné vyrábět ho v neomezeném množství. K hlavním přednostem vodíku patří, že jediným produktem jeho hoření je vodní pára. Konvenční spalovací motor na vodíkovou směs představuje jednu z možných variant pohonných jednotek automobilů budoucnosti. Vyznačuje se zejména sníženou produkcí škodlivých emisí a použitím paliva, které patří mezi obnovitelné zdroje energie. Vodík, jako palivo pro spalovací motor, má zcela ojedinělé vlastnosti, které se v praxi projevují jak pozitivně tak i negativně. Mezi pozitivní vlastnosti patří fakt, že se jedná o obnovitelný zdroj energie, který nenarušuje životní prostředí (neprodukuje emise CO, HC, CO2). Zápalná směs vodíku a vzduchu vzniká již od 4% objemového podílu H2 a umožňuje provoz s velmi chudou směsí a zcela potlačuje emise NOx. Vodík má rovněž oproti ostatním palivům vysokou výhřevnost k jednotce hmotnosti. Objemová je díky velmi malé hustotě nižší. Mezi negativní vlastnosti patří problematická antidetonační odolnost, z důvodu nižší hustoty oproti vzduchu problematická homogenizace směsi a vznik tzv. vodíkové křehkosti u běžných konstrukčních materiálů.
Pro stoupající důležitost výkonové elektroniky v automobilech budoucnosti hovoří dvě fakta. Prvním velmi dobře známým faktem nad kterým se zamýšlíme, je použití asynchronního motoru, který svou velikostíí a spolehlivostí předčí výkonově srovnatelné stejnosměrné motory.
Druhým faktem je, že většina hybridních elektrických vozidel a většina hlavních drive konceptů pro budoucí automobily se spoléhá na elektrickou energii, která je skladována ve stejnosměrné formě po určitou dobu. To znamená, že energie musí být přeměněna z jedné formy na jinou několikrát a tím je virtuálně garantována potřeba výkonové elektroniky v automobilovém průmyslu. V současných HEV je elektrická energie generována spalovacím motorem a skladována v baterii. A tak to i zůstane, ať je pohon designován jako paralelní nebo sériový typ hybridu. V budoucnosti bude nejspíš nahrazen spalovací motor palivovými články. V každém případě energie musí být přeměněna během nabíjení, brždění nebo při setrvační jízdě a jízdě s motorem.
Elektrické vozidlo má jeden nebo víc elektromotorů umožňujících pohyb. Pohyb může být poskytován jednak koly nebo vrtulemi vedené rotačními motory, nebo v případě pásových vozidel, lineárními motory.
Důvody, že elektrické motory jsou dobrá volba k pohonu vozidla, jsou jednoznačná: mohou být dobře kontrolovatelné, spalování je efektivní a jsou mechanicky velmi jednoduché. Elektrické motory často dosáhnou 90 % efektivity konverze přes plný rozsah rychlostí a výstupní výkon. Tyto motory mohou poskytovat vysoký točivý moment. Motor je zastaven, na rozdíl od motorů vnitřního spalování, a nepotřebuje, aby rychlosti odpovídaly elektrickým křivkám. Toto odstraní potřebu převodovek a točivý moment convertors. Elektromotory mají také schopnost přeměnit pohybovou energii zpět na elektrickou, pomocí setrvačnosti, což je velká výhoda.
Doporučení: TIP: Posílejte neomezeně SMS zdrama do sítí v ČR. Předpovídat budoucnost spolehlivě nelze, ale otestovat svou inteligenci ano: spolehlivý IQ test
