Aleš Lalík Septima A 2003/04
SPALOVACÍ MOTORY
SEMINÁRNÍ PRÁCE FYZIKÁLNÍ SEMINÁŘ
Obsah 1. Úvod 1.1 Historie ...............................................................................................................
3
2. Základní pojmy 2.1 Zdvihový objem válce a zdvihový poměr ................................................................ 2.2 Kompresní poměr ................................................................................................. 2.3 Střední pístová rychlost a otáčky ........................................................................... 2.4 Točivý moment a výkon ........................................................................................ 2.5 Střední indikovaný tlak a střední efektivní tlak ........................................................ 2.6 Spotřeba paliva .................................................................................................... 2.7 Účinnost motoru ................................................................................................... 2.8 Spotřeba vzduchu a stupeň plnění válců .................................................................
5 6 7 7 8 9 10 10
3. Oběhy spalovacích motorů 3.1 Ideální tepelný oběh ………………………………………………………………………….................. 3.2 Skutečný tepelný oběh ……………………………………………………………………....................
12 15
4. Zážehový spalovací motor 4.1 Dvoudobý zážehový motor ...................................................................................... 4.2 Čtyřdobý zážehový motor ....................................................................................... 4.3 Tvorba palivové směsi a spalování ........................................................................... 4.4 Přeplňování zážehových motorů ...............................................................................
17 18 22 23
5. Vznětový spalovací motor 5.1 Čtyřdobý vznětový motor ........................................................................................ 5.2 Tvorba palivové směsi a spalování ........................................................................... 5.3 Přeplňování vznětových motorů ...............................................................................
25 29 29
6. Chlazení spalovacích motorů 6.1 Kapalinové chlazení ................................................................................................ 6.2 Vzduchové chlazení ................................................................................................ 6.3 Olejové chlazení .....................................................................................................
30 30 31
7. Spalovací motory a životní prostředí 7.1 Požadavky na spalovací motor ................................................................................. 7.2 Katalyzátory ...........................................................................................................
32 34
Použitá literatura ..........................................................................................................
36
2
1 Úvod Spalovací motory jsou tepelné stroje umožňující svým vnitřním spalováním přeměnit energii paliva na mechanickou práci. Zažehnutím paliva ve válci motoru dojde k jeho expanzi a svým rozpínáním tlačí píst směrem dolů a koná práci. Píst otáčí klikovou hřídelí, ze které se odebírá mechanická energie pro pohon strojů. Spalovací motory se dělí podle mnoha hledisek, nejčastější podle místa spalování, spalovaného paliva, způsobu zažehnutí paliva, počtu pracovních cyklů a mnoha dalších hledisek. Podle místa spalování se dělí tepelné motory na: motory s vnějším spalováním: spalování paliva probíhá mimo samotný motor, pro přenos energie do motoru se používá jiné médium (např. voda u parního stroje) motory s vnitřním spalováním: spalování paliva probíhá uvnitř motoru, z něj uvolněná energie přímo koná práci Podle paliva se dělí na motory spalující kapalná paliva a motory spalující plynná paliva. Motory na kapalná paliva spalují: ropná lehce odpařitelná paliva: benzin, petrolej ropná těžce odpařitelná paliva: nafta, mazut paliva neropného původu: líh, rostlinné oleje (bionafta) Motory na plynná paliva spalují: propan-butan: používá se u osobních automobilů, menších dopravních prostředků zemní plyn: využití především u větších dopravních prostředků a strojů Rozšířené jsou také motory schopné spalovat kapalné i plynné palivo, s možností plynulého přechodu z jednoho paliva na druhé. Jedná se o častou úpravu dopravních prostředků, kdy z výroby je motor schopen spalovat kapalná paliva a po přestavbě je možné použít také paliva plynná. Podle způsobu zažehnutí směsi paliva ve válci se motory dělí na zážehové: neboli benzínové-směs se zažehne pomocí elektrické zapalovací svíčky vznětové: neboli naftové-do vzduchu stlačeného na extrémní teplotu je vstříknuta nafta, která se sama vznítí Podle počtu pracovních cyklů dvoudobé: používané hlavně u malých motorů do pracovních strojů nebo u motocyklů čtyřdobé: používané u větších motorů, díky lepšímu využití energie paliva je mnohem úspornější a účinnější než dvoudobý cyklus Postupně budou popsány vlastnosti spalovacích motorů, rozdíly mezi zážehovým a vznětovým motorem a které vlastnosti ovlivňují velikost emisí.
3
1.1 Historie Již odpradávna lidé toužili postavit stroj, který by nemuseli pohánět svou silou a naopak jej mohli použít pro pohon dalších zařízení. Veškeré pokusy nakonec vyústily v úspěch – roku 1712 spatřil světlo světa první funkční motor. Jednalo se o parní stroj vynalezený anglickým inženýrem Thomasem Newcomenem (1663-1729). Parní stroj je motor s vnějším spalováním a sloužil jako čerpadlo k odstraňování vody z hlubinných dolů. Rozšíření Newcomenova stroje bránila přílišná spotřeba paliva, a tak se jeho využití našlo pouze v dole, kde bylo paliva dostatek. Až změna v konstrukci provedená anglickým fyzikem Jamesem Wattem (1736-1819) v roce 1765 zlepšila účinnost parního stroje a umožnila jeho hromadné využití jako pohonu pro mnoho různých strojů. Na svou dobu výkonný parní stroj odstartoval průmyslovou revoluci. Ovšem lidem vadila jeho velikost a spotřeba paliva, a tak se pokoušeli vynalézt pohon, který by byl mnohem menší, mobilnější, a také výkonnější. Vědci začali postupně experimentovat s motory používajícími vnitřní spalování. Jako palivo tehdy posloužil zemní plyn, protože u kapalných paliv byl problém s jejich převedením do plynné formy. Snažení přineslo úspěch roku 1860, kdy Belgičan Jean Lenoir (1822-1900) představil v Paříži první motor s vnitřním spalováním na zemní plyn. Tento druh motoru sklidil nečekaný úspěch a o tuto technologii se začalo zajímat více vědců. Pro pohon spalovacích motorů bylo vyzkoušeno mnoho různých paliv a konstrukcí, ovšem až vynález karburátoru umožňující přeměnit kapalná paliva na plynná znamenal trvalý přechod k od zemního plynu ke kapalným palivům. Roku 1876 postavil němec Nikolaus Angusta Otto (1832-1891) ve spolupráci s Eugenem Langerem (1833-1895) první 4dobý spalovací motor spalující ve válcích benzín. Nezávisle na Ottovi představil také Carl Friedrich Benz (1844-1929) roku 1883 svůj motor. Spalovací motory byly roku 1897 obohaceny o vznětový motor zkonstruovaný Rudolfem Dieselem (1858-1913). Záměrem konstruktéra Diesela bylo použít k pohonu motoru levné a snadno dostupné palivo. Prvním palivem byl olej na svícení následovaný uhelným prachem, zcela nejlepší výsledky ovšem Diesel zaznamenal až u nafty. Diesel předpokládal u svého motoru větší účinnost při spalování paliva než měly zážehové motory té doby, které typicky dosahovaly účinnosti okolo 10 %. Dieselovy představy o účinnosti jeho motoru až 73 % se ukázaly jako přehnané, protože v době svého vynalezení dosahovaly asi 20 %, což byl i přesto dvojnásobek tehdejších zážehových motorů. Neustálé zdokonalování spalovacích motorů umožnilo na konci 19. století zavedení sériové výroby osobních automobilů. Spalovací motory se postupně začaly používat ve všech oblastech, kde bylo potřeba pohonu pro stroje, a dopravních prostředcích. Jako letadlové motory se používaly zážehové motory až do 50. let 20. století, kdy byly postupně vytlačeny motory proudovými. Vědci se také snažili přijít se stále účinnějšími konstrukcemi, ovšem žádná z nich se neuchytila. Jedině snad Wankelův motor patentovaný v roce 1960 Felixem Wankelem byl jediný spalovací motor s odlišnou konstrukcí, který se zachoval dodnes, ovšem jeho použití je velmi sporadické.
4
2 Základní parametry U spalovacích motorů určujeme mnoho pojmů souvisejících s fyzickým vzhledem motoru (zdvihový objem válce, vrtání, atd.) a také s průběhem spalování a práce motoru. Nejdůležitější a nejpoužívanější vlastnosti motoru popisuje tato kapitola.
2.1 Zdvihový objem válce a zdvihový poměr Zdvihový objem válce Vzl je jmenovitý objem prostoru ve válci motoru. Základní vlastnosti pro výpočet objemu jsou horní úvrať (HÚ) a dolní úvrať (DÚ), jejichž vzájemná vzdálenost se nazývá zdvih pístu a označuje se z. Vnitřní průměr pracovního válce d se nazývá vrtání válce (viz obr. 2.1). Objem vnitřního prostoru válce spočítáme jako součin vrtání válce a zdvihu pístu:
Vzl
π ⋅ d2 = ⋅z 4
(2.1)
Zdvihový objem motoru Vz je součet zdvihových objemů všech válců motoru:
Vz =
π ⋅d2 ⋅ z ⋅iv 4
(2.2)
Kde iv je počet válců motoru.
Obr. 2.1 Popis válce motoru
Zdvihový poměr ξ je poměr hodnot zdvihu pístu z a vrtání válce d:
5
ξ=
z d
(2.3)
Zdvihový poměr souvisí s otáčkami, střední pístovou rychlostí a velikostí motoru. Větší zdvihový poměr snižuje tepelné ztráty, tepelné zatížení stěn, namáhání klikového ústrojí, zvyšuje mechanickou účinnost a snižuje délku motoru. Negativem je zvýšení výšky motoru. U zážehových motorů je ξ=0,6 až 1,1 a u vznětových ξ=1,1 až 1,5. Další yýznamný parametr je poměr poloměru kliky a délky ojnice λ , který rovněž ovlivňuje výšku motoru. Velké hodnoty λ zvyšují normálové síly na píst a zhoršují vyvážení motoru. Obvykle dosahuje λ hodnot 0,2-0,3.
2.2 Kompresní poměr Kompresní poměr ε vyjadřuje poměr pracovního prostoru válce (maximální objem válce Vmax) a minimálního objemu válce Vmin (objemu válce kompresního prostoru Vk):
ε=
Vmax Vz + Vk = Vmin Vk
(2.4)
přičemž Vmin=Vk je kompresní objem, tj. objem prostoru na spalovací straně pístu v HÚ. Kompresní poměry spalovacích motorů udává následující tabulka.
Typ motoru
ε
Omezení
zážehový, dvoudobý
7,5-10
samozápaly
zážehový, 2ventilová technika
8-10
klepání, samozápaly
zážehový, 4ventilová technika
9-11
klepání, samozápaly
zážehový, přímé vstřikování
11-14
klepání, samozápaly
vznětový, komůrkový
18-24
horší účinnost při max.zatížení
vznětový, přímé vstřikování
17-21
horší účinnost při max.zatížení
Kompresní poměr u zážehových motorů je omezen teplotou vznícení směsi paliva se vzduchem a vznikem detonačního hoření (klepání a samozápaly) εmax=11,5. Tlak a teplota na konci komprese dosahují hodnot 0,8 až 1,5 Mpa a 400 až 600°C. U vznětových motorů klesá pro vysoké kompresní poměry efektivní účinnost a zvyšuje se namáhání dílů motoru. Palivo vstřikované do válce motoru nebo do komůrky se vlivem vysoké teploty vyvolané stlačením vzduchu vznítí. Pro dosažení potřebné teploty je nutno použít velký kompresní poměr εmin=12. Tlak a teplota na konci komprese dosahují 3 až 5 Mpa a 700 až 900°C.
6
2.3 Střední pístová rychlost a otáčky Čas jednoho zdvihu je:
tz = 1 2 ⋅ n
protože jeden zdvih přísluší polovině otáčky, v tomto případě mají otáčky rozměr [s-1]. Průměrná rychlost pístu cs během zdvihu z je tedy
cs =
z = 2⋅n ⋅z tz
(2.5)
Tento vztah slouží pro výpočet střední pístové rychlosti, která se vypočítá jako dvojnásobek součinu zdvihu pístu z a otáček motoru n. Pokud se dosazují otáčky motoru n [min-1], platí (2.6)
c s = 2 ⋅ z ⋅ n 60 = z ⋅ n 30
Střední pístová rychlost slouží pro porovnávání motorů. Určuje do značné míry životnost motoru (opotřebení válců, teplotní namáhání). Vyšší hodnoty cs zvyšují hlučnost a průtočný odpor při sání a vyžadují pečlivé vyvážení motoru. Otáčky motoru n udávají počet otáček klikového hřídele za časovou jednotku. Tzv. jmenovité otáčky nj jsou otáčky příslušící jmenovitému výkonu. Výrobce zpravidla udává jmenovitý efektivní výkon, což je nejvyšší efektivní výkon dosažený při jmenovitých otáčkách. Nejvyšší dovolené otáčky nmax jsou nejvyšší otáčky, jichž je motor schopen dosáhnout.
nmax [min-1]
Typ motoru
cs [m.s-1]
motor Formule 1
18 000
25
malé dvoudobé motory
20 000
19
motocyklové motory
13 500
19
zážehové motory osobních vozů
7 500
20
vznětové motory osobních vozů
5 000
15
vznětové motory užitkových vozidel
4 200
14
2.4 Točivý moment a výkon Točivý moment motoru M je moment vyvozený na hnacím hřídeli. Měří se v závislosti na otáčkách motoru na motorové brzdě. Efektivní výkon motoru Pe v určitém bodě motoru se vypočítá z točivého momentu M a otáček motoru n:
Pe = M ⋅ ω = M ⋅ 2 π ⋅ n
(2.7)
Zvýšení výkonu motoru je možné realizovat buď zvýšením otáček, nebo točivého momentu. Ovšem obě hodnoty jsou omezeny.
7
Litrový výkon Pl se vypočítá jako podíl efektivního výkonu motoru Pe a zdvihového objemu Vz a jeho jednotkou je [kW/l]:
Pl =
Pe Vz
(2.8)
Hmotnostní výkon PM vyjadřuje podíl efektivního výkonu Pe a celkové hmotnosti motoru mM, jednotkou je [kW/kg]:
PM =
Pe mM
(2.9)
Výkonová hmotnost mp uvádí podíl celkové hmotnosti motoru mM a efektivního výkonu Pe s jednotkou [kg/kW]:
mp =
mM Pe
(2.10)
max. litrový výkon [kw/l]
Typ motoru
max. výkonová hmotnost [kg/kW]
max. otáčky [l/min]
motor Formule 1
200
0,4
18 000
zážehové motory osobních vozů
70
2,0
6 500
přeplňovaný zážehové motory osobních vozů
100
3,0
6 000
vznětové motory osobních vozů
45
5,0
4 500
přeplňované vznětové motory osobních vozů
64
4,0
4 500
vznětové motory nákladních vozidel
30
5,5
3 000
2.5 Střední indikovaný tlak a střední efektivní tlak
Střední indikovaný tlak pi je poměr práce Wi vykonané během jednoho pracovního cyklu odpovídajícího indikovanému výkonu, k zdvihovému objemu válců Vz:
pi =
Wi Vz
(2.11)
Indikovaný výkon jednoho válce se určí
Pi1 =
W1 t1
(2.12)
kde W1 odpovídá práci jednoho oběhu trvajícího čas t1. Tento čas závisí na počtu zdvihů τ, které v motoru proběhnou za jeden pracovní oběh. Pro dvoudobý motor τ=2, pro čtyřdobý motor τ=4. Protože jeden zdvih přísluší polovině otáčky, platí vztah:
8
t1 = τ ⋅ n / 2 Dosazením do vztahu (2.12) dostáváme pro indikovaný výkon celého motoru:
Pi =
W1 W ⋅ 2n p ⋅ V ⋅ 2n ⋅ iv ⋅ iv = 1 ⋅iv = i z t1 τ τ
(2.13)
kde n je počet otáček a iv je počet válců motoru. Indikovaný výkon nám slouží k vypočtení efektivního výkonu Pe, což je výkon, který můžeme odebrat na hnacím hřídeli motoru. Tento výkon se vypočítá jako rozdíl indikovaného a ztrátového výkonu
Pe = Pi − Pm
(2.14)
Ztrátový výkon Pm je část indikovaného výkonu Pi spotřebovaného na překonání mechanických ztrát v motoru a výkonu potřebného k pohonu zařízení potřebných k běhu motoru. Ztrátový výkon můžeme vyjádřit vzhledem k rov. (2.13) tak, že místo středního indikovaného tlaku použijeme střední tlak mechanických ztrát pm, což je ztrátový výkon z mechanického tření hnací jednotky a hydraulických ztrát v klikové skříni. Touto úpravou dostaneme rovnici:
Pm =
p m ⋅ Vz ⋅ 2n ⋅ iv τ
(2.15)
Pro snazší vyjádření efektivního výkonu zavedeme střední efektivní tlak pe, určený rozdílem středního indikovaného tlaku pi a středních mechanických ztrát pm:
pe = pi − pm
(2.16)
Efektivní výkon tak můžeme vyjádřit jako
Pe =
p e ⋅ Vz ⋅ 2n ⋅ iv τ
(2.17)
Efektivní výkon je velmi ovlivňován hlavně mechanickými ztrátami v samotném motoru a také na připojených zařízeních nezbytných pro chod motoru. Přesný přehled podílu jednotlivých částí na ztrátovém výkonu Pm je v následující tabulce. Ztráty
zážehový motor [%]
vznětový motor [%]
tření píst-válec
45
50
tření ložisek hřídele
23
24
výměna náplně válce
20
14
pohon rozvodového mechanismu
6
6
pohon pomocných zařízení
6
6
2.6 Spotřeba paliva Palivem přivedená energie je:
Ep = m p ⋅ H u
(2.18)
9
kde mp je hmotnost přivedeného paliva v [kg] a Hu je dolní výhřevnost paliva [J/kg]. Spotřeba paliva se měří jako hmotnostní proud Mp s jednotkou [kg/s]:
Mp =
mp t
=
ρ p ⋅ Vp
(2.19)
t
kde ρp je měrná hmotnost paliva a Vp je objem přivedeného paliva.
2.7 Účinnost motoru U spalovacího motoru se rozlišuje indikovaná, mechanická a efektivní účinnost. Účinnost u spalovacího motoru je možno definovat jako poměr užitečného výkonu motoru a palivem přivedené energie za jednotku času. Energie paliva za jednotku času je dána součinem přivedené hmotnosti paliva za jednotku času Mp a dolní výhřevností paliva Hu:
η=
P Mp ⋅ Hu
(2.20)
Indikovaná účinnost ηi spalovacího motoru je:
ηi =
Pi Mp ⋅ Hu
(2.21)
Efektivní neboli celková účinnost ηe spalovacího motoru se vypočítá:
ηe =
Pe Mp ⋅ Hu
(2.22)
Mechanické ztráty motoru vyjadřuje mechanická účinnost ηm, daná poměrem efektivního a indikovaného výkonu motoru:
ηm =
ηe Pe = ηi Pi
(2.23)
Mechanická účinnost pro zážehové motory je η= 0,75 – 0,92 a pro vznětové motory η= 0,70 – 0,87. Přeplňované motory mají účinnost vyšší. Mechanické ztráty vznětového motoru jsou podstatně vyšší než u motoru zážehového. Největší podíl na těchto ztrátách má tření v ložiscích a pístních částechdůvodem jsou vyšší spalovací tlaky. U zážehového motoru dochází při poklesu zatížení ke snížení mechanických ztrát v ložiscích i pístní části, současně však dochází k nárůstu ztrátového výkonu potřebného pro výměnu náplně ve válci.
2.8 Spotřeba vzduchu a stupeň plnění válců
Výkon motoru je závislý na plnění válců. Pro hodnocení slouží teoretický stupeň plnění λp a teoretický stupeň naplnění λn.
10
Teoretický stupeň naplnění λp je poměr hmotnosti čerstvé náplně md dopravené do jednoho válce za jeden pracovní oběh k hmotnosti čerstvé náplně mt odpovídající zdvihovému objemu válce při tlaku a teplotě panujících v sacím potrubí (při jmenovitém atmosférickém tlaku):
λp =
md md m = = dcelk m t Vz1 ⋅ ρ t Vz ⋅ ρ t
(2.24)
kde Vz1 je zdvihový objem jednoho válce, ρt je teoretická hustota náplně a Vz je celkový objem všech válců motoru.
11
3 Oběhy spalovacích motorů Přeměna teplené energie na mechanickou práci v pístových spalovacích motorech probíhá ve složitých fyzikálně-chemických a termodynamických podmínkách. Získávání energie u tepelných motorů je vázáno na periodický děj, který lze popsat změnou termodynamických (stavových) veličin pracovní náplně válce motoru a nazývá se tepelný oběh. Podle stupně zjednodušení se tepelné oběhy rozlišují na: ideální (Carnotův) termodynamické výpočtové skutečné Oběhy charakterizované různým stupněm zjednodušení skutečných pracovních oběhů se nazývají srovnávací teoretické (idealizované) oběhy. Ideální tepelný oběh, nazývaný též Carnotův oběh, je mezním případem s největším zjednodušení, u kterého se během přeměny tepla uvolněného z paliva na mechanickou práci neuvažují žádné ztráty energie. Termodynamické tepelné oběhy jsou oběhy, u kterých jsou stejně jako u Carnotova oběhu vyloučeny všechny ztráty s výjimkou odvodu tepla do chladiče. Rozborem termodynamického oběhu, který má již nižší účinnost než Carnotův oběh, lze snadněji a přesněji posoudit procesy probíhající ve skutečném motoru. Výpočtový tepelný oběh vychází z matematického modelu, do kterého jsou zahrnuty ztráty, změny chemického složení paliva, výměna tepla s okolím, změna měrných tepel a další ztráty související s přeměnou energie. Skutečný tepelný oběh spalovacích motorů pracuje s reálnou náplní, jejíž chemické složení se v průběhu pracovního oběhu mění a vývoj tepla se uskutečňuje spalováním paliva při složitých fyzikálně-chemických přeměnách. Mezi pracovní náplní a okolím nastává výměna tepla a měrné teplo náplně se mění s její teplotou a chemickým složením. Píst ve válci se pohybuje s třením a netěsnostmi, pracovní náplň se vyměňuje a všechny oběhy probíhají konečnou rychlostí. Srovnávací idealizované oběhy se používají pro přehledné výpočty a je u nich nutno uvést zjednodušující předpoklady. U srovnávacích oběhů se v průběhu velmi dobře teploty, tepelná účinnost a střední tlak. Při praktickém vývoji motorů se používají přizpůsobené srovnávací oběhy, pomocí kterých jsou možná velmi přesná předurčení, ovšem takovéto výpočty jsou velmi náročné.
3.1 Ideální tepelný oběh U ideálních oběhů jsou následující předpoklady: 1.
V ideálním válci pracuje ideální plynná směs o konstantním množství a s konstantním chemickým složením. Pracovní látka prochází řadou účelně seřazených změn tak, že se látka vrátí do původního stavu. Měrné teplo této náplně je konstantní a nemění se s teplotou.
2.
Teplo přivedené do oběhu Qp se přivádí z tepelného zásobníku při jednoduchých změnách stavu (při konstantním objemu, při konstantním tlaku nebo při smíšeném přívodu nebo odvodu tepla).
3.
Komprese a expanze pracovní látky ve válci je izoentropická (bez výměny tepla s okolím).
4.
Změny stavu plynu probíhají malou rychlostí (kvazistatické děje).
12
Podle způsobu přívodu tepla do oběhu je možno ideální oběhy rozdělit na: oběh s izochorickým přívodem tepla (V=konst)-nevhodné pro spalovací motory oběh s izobarickým přívodem tepla (p=konst)-většinou pro zážehové motory oběh se smíšeným přívodem tepla (izochoricko-izobarické spalování, Seiligerův cyklus)většinou pro vznětové motory Tepelná účinnost ideálního oběhu se definuje jako poměr tepla přeměněného na mechanickou práci a tepla přivedeného do oběhu
ηt =
A t Qp − Q0 = Qp Qp
(3.1)
kde At je práce získaná z oběhu, Qp je teplo přivedené do oběhu a Q0 je teplo odvedené z oběhu. Práci At uzavřeného oběhu je možno vyjádřit křivkovým integrálem
A t = ∫ pdV kde p je tlak a V je objem. Tepelná účinnost ideálních oběhů vyjadřuje teoreticky možné využití přivedeného tepla a zohledňuje jen ztráty vyplývající z druhé věty termodynamiky. Za těchto podmínek lze pomocí tepelné účinnosti ηt vzájemně porovnávat různé ideální oběhy. Celkové přivedené teplo Qp do obecného tepelného oběhu je dáno součtem tepla přivedeného při stálém objemu Qpv a při stálém tlaku Qpp. Celkové odvedené teplo Q0 se skládá z tepla odvedeného při stálém objemu Qov a při stálém tlaku Qop. Celkové množství tepla přivedeného do oběhu je
Q p = Q pv + Q pp = m ⋅ c v ( T3 − T2 ) + m ⋅ c p ( T4 − T3 )
(3.2)
Celkové teplo odvedené z oběhu je
Q o = Q ov + Q op = m ⋅ c v ( T5 − T6 ) + m ⋅ c p ( T6 − T1 )
(3.3)
kde m je celková hmotnost pracovní látky, cv a cp jsou měrná tepla pracovní látky při stálém objemu a při stálém tlaku. Teploty T1 až T6 odpovídají teplotám v obr 3.1 Podle rov. (3.1) a zavedením κ=cp/cv (Poissonova konstanta) dostaneme
ηt = 1 −
Q o T5 − T6 + κ ( T6 − T1 ) = Q p T3 − T2 + κ ( T4 − T3 )
(3.4)
Zavedeme-li pomocné označení kompresní poměr ε=V1/V2,3 stupeň zvýšení tlaku při izochorickém přívodu tepla λp=p3/p4 stupeň zvýšení objemu při izobarickém přívodu tepla ρ=V4/V2,3 expanzní poměr ρ=V5,6/V4, a stupeň zvětšení objemu při izobarickém přívodu tepla a při expanzi ε2=V5,6/V2,3=[V5,6/V4]/[V2,3/V4]=δ.ρ
13
pak pro jednotlivé teploty platí:
T2 = T1 ⋅ ε 1κ −1
(3.5)
T3 = λ p ⋅ T2 = λ p ⋅ T1 ⋅ ε 1κ −1
(3.6)
T4 = ρ ⋅ T3 = ρ ⋅ λ p ⋅ T1 ⋅ ε 1κ −1
(3.7)
T5 = [ρ / ε 2 ]κ −1 ⋅ T4 = [ρ / ε 2 ]κ −1 ⋅ ρ ⋅ λ p ⋅ T1 ⋅ ε 1κ −1
(3.8)
T6 = [ε 1 / ε 2 ]⋅ T1
(3.9)
Dosazením rov. (3.5) až (3.9) do rov. (3.4) a po vykrácení T1 získáme vztah pro tepelnou účinnost obecného ideálního oběhu:
ηt = 1 −
1 ε 1κ −1
⋅
κ −1
⎞ ⎛ε ρ ⎞ ε ⎟⎟ − 2 + κ ⎜⎜ 2 − 1 ⎟⎟ ε1 ⎠ ⎝ ε1 ⎝ ε2 ⎠ λ p − 1 + κ ⋅ λ p ⋅ (ρ − 1)
⎛ λ p ⋅ ρ ⋅ ε 1κ −1 ⋅ ⎜⎜
(3.10)
V tomto vztahu poměr ε2/ ε1 udává poměr objemů V6/V1. Rovnice platí pro ε2 ≥ ε1. Jestliže ε2/ ε1 ≥ 1, získá se tepelný oběh s tzv. prodlouženou expanzí. Jednotlivé ideální oběhy se získávají z obecného oběhu určením omezujících podmínek. Při porovnání účinnosti základních typů skutečných spalovacích motorů se zpravidla vystačí s podmínkou ε2= ε1. Model ideálního obecného tepelného oběhu znázorňuje obr. 3.1.
14
3.2 Skutečný tepelný oběh
Zásadní rozdíl mezi ideálním a skutečným pracovním oběhem je ve výměně pracovní náplně u skutečného tepelného oběhu. U čtyřdobých nepřeplňovaných motorů tím vzniká ztrátová práce při výměně náplně. U přeplňovaných čtyřdobých motorů se tento problém může eliminovat. Přechody mezi jednotlivými částmi pracovního cyklu během výměny náplně jsou pozvolné. U reálných motorů se k tepelným ztrátám přidávají ještě ztráty hydraulické. Doba cyklu má podstatný vliv na průběh jednotlivých částí pracovního oběhu, zvláště na plnění (sání) a spalování. Jejím zkracováním se může zhoršovat stupeň plnění válce a zhoršovat průběh spalování. Skutečný tepelný oběh vyjadřuje závislost změny tlaku plynů ve válci motoru p na okamžité velikosti spalovacího prostoru V. Změnu tlaku je možno měřit pomocí piezoelektrických snímačů a je zaznamenávána v závislosti na úhlu pootočení klikového hřídele. Jednoduchým přepočtem je možno vyjádřit z úhlu pootočení klikového hřídele okamžitou hodnotu objemu spalovacího prostoru V. Diagram zpracovaný na základě těchto údajů se nazývá indikátorový diagram. Indikátorový diagram čtyřdobého zážehového motoru znázorňuje obr. 3.1 a čtyřdobého vznětového motoru obr. 3.2.
15
Obr. 3.1 Indikátorový
diagram čtyřdobého zážehového motoru
Obr. 3.2 Indikátorový diagram čtyřdobého vznětového motoru
16
4 Zážehový spalovací motor Ve válcích zážehového spalovacího motoru je směs paliva a vzduchu při kompresním zdvihu pístem stlačena a zahřívá se na teplotu 400 až 600°C, která je nižší než teplota samovznícení. Proto směs paliva a vzduchu musí být zažehnuta jiskrou z cizího zdroje. V případě zážehového motoru se používá elektrické svíčky, jejíž konec je vyveden do válce. Při stlačení směsi paliva dojde na svíčce k elektrickému výboji, který palivo zažehne (odtud název zážehový motor) a umožní jeho expanzi. Zážehový motor je schopen pracovat ve dvou nebo čtyřech pracovních cyklech, a podle toho je označován jako dvoudobý nebo čtyřdobý. Počet pracovních cyklů také určuje využití motoru.
4.1 Dvoudobý zážehový motor
Dvoudobý zážehový motor je menší a levnější na výrobu, ovšem jeho účinnost je v porovnání se čtyřdobým motorem o mnoho nižší. To jej předurčuje k použití pro pohon menších strojů, kdy není důležité špičkové využití energie paliva, ale menší rozměry a s tím spojená větší mobilita. Typické nasazení je v malých motorových pracovních strojích jako jsou pily, sekačky na trávu, pohon malých traktorů atd. Dvoudobé motory pohánějí také motocykly, kdy při nízké ceně nabízejí výborný výkon spojený s velmi malými rozměry a dobrou spotřebou paliva. Ovšem i v této kategorii se na ně postupně začínají dotahovat čtyřdobé spalovací motory. Pracovní oběh dvoudobého motoru proběhne během dvou zdvihů pístu, tedy v průběhu jedné otáčky klikového hřídele. Stavba válce je vidět na obr. 4.1. Hlavní části jsou sací, výfukový a přepouštěcí kanál.
Obr. 4.1 Stavba válce dvoudobého motoru Pracovní fáze oběhu na obr. 4.2 jsou následující: 1. Píst jde nahoru a stlačuje směs paliva se vzduchem, zároveň je pod píst nasávána z odkrytého sacího kanálu nová palivová směs (obr. 4.2-a). Po dosažení horní úvrati pístu (HÚ) je stlačená směs paliva zažehnuta zapalovací svíčkou (obr. 4.2-b). 2. Expanze paliva tlačí píst dolů a zplodiny jsou ze spalovacího prostoru válce vytlačovány novou směsí paliva do výfukového kanálu (obr 4.2-c). Po dosažení dolní úvrati (DÚ) se píst opět pohybuje směrem nahoru a stlačuje novou směs. Tímto je postupně zakryt výfukový a uvolněn sací kanál. Znovu nastává první pracovní fáze.
17
Obr. 4.2 Pracovní fáze dvoudobého motoru Z obr. 4.2 je zjevně vidět neefektivnost pnění u dvoudobého motoru. Díky tomu, že je celá kliková skříň naplněna směsí paliva, není umožněno jeho přesné dávkování jako u čtyřdobého motoru, což je jedno z vysvětlení velmi malé účinnosti motoru.
4.2 Čtyřdobý zážehový motor
Mnohem účinnějším spalováním paliva disponuje zážehový motor čtyřdobý. Již z názvu je patrné, že motor vykoná během jednoho pracovního cyklu čtyři na sebe navazující fáze a celý cyklus se odehraje během dvou otáček klikového hřídele. Základní části válce čtyřdobého motoru jsou sací a výfukový ventil a zážehová svíčka (obr. 4.3). Uzavření přívodu paliva a odvodu zplodin ve válce ventily a nikoliv samotným pístem umožňuje přesnější dávkování směsi paliva do válce. Toto je jedna z hlavních věcí ovlivňujících větší účinnost čtyřdobého motoru ve srovnání s dvoudobým. Typická účinnost dnešních čtyřdobých motorů je 25 až 35%. Všechny tyto přednosti umožnily použití čtyřdobých motorů ve všech oblastech, kde by již bylo neekonomické použít dvoudobý motor. Nevýhodami motoru se čtyřmi pracovními dobami jsou složitější konstrukce a s tím spojené vyšší náklady na vývoj a stavbu samotného motoru. Tyto nevýhody jsou vyváženy plynulejším během, možností přesnějšího ovlivnění výkonu dávkováním palivem a hlavně nižší spotřeba. Pracovní cykly čtyřdobého zážehového motoru (obr. 4.4) jsou následující: 1. Píst se pohybuje směrem dolů a otevřeným sacím ventilem je do válce nasávána nová směs paliva a vzduchu (obr. 4.4-a). 2. Palivová směs je stlačována pístem pohybujícím se nahoru a zahřívá se na vysokou teplotu (400-500°C). V horní poloze pístu je směs zažehnuta jiskrou ze zapalovací svíčky (obr. 4.4-b). 3. Expanze zapálené směsi tlačí píst dolů a ten otáčí klikovou hřídelí (obr. 4.4-c). 4. V poslední fázi se otevře výfukový ventil a píst pohybující se nahoru jím postupně vytlačí z válce veškeré zplodiny (obr. 4.4-d). Poté píst opět směřuje dolů a nastává znovu první fáze.
18
Obr. 4.3 Stavba válce čtyřdobého motoru
Tvar spalovacího prostoru vytvořený v hlavě válce spolu s tvarováním dna pístu rozhoduje o průběhu spalování a tedy i o spotřebě paliva, obsahu škodlivých látek ve spalinách, hlučnosti spalování a průběhu točivého momentu motoru. Na tvarování spalovacího prostoru jsou kladeny následující požadavky: kompaktnost, která omezuje tepelné ztráty a zvyšuje tak tepelnou účinnost motoru, rozvíření náplně ve válci umožňující zapálení směsi paliva se vzduchem a zabezpečující její dokonalé prohoření, umožnění použití ventilů s co největším průměrem talíře, nebo použití většího počtu ventilů, umístění zapalovací svíčky do místa, kde je na konci kompresního zdvihu pístu bohatá směs a šířící se plamen nevyvolá detonační hoření, potlačení vzniku „horkých bodů“ vyvolávajících předzápaly a koutů, případně štěrbin způsobujících vznik detonačního hoření. Spalovací prostor zážehového motoru může být vytvořen: v hlavě válce motoru (u motorů s nepřímým vstřikováním), ve dně pístu (u zážehových motorů s přímým vstřikováním), současně v obou částech. Spalovací prostor vytvořený v hlavě válce musí zabezpečit dokonalé prohoření směsi, malé tepelné ztráty přestupem tepla do stěn válců a hlav, příznivé podmínky pro zapálení okolí zapalovací svíčky a dokonalé vypláchnutí spalovacího prostoru čerstvou směsí, Tvar spalovacího prostoru určuje odolnost proti detonacím, nebo maximálně možný kompresní poměr pro dané, používané palivo. Umístění zapalovací svíčky ve spalovacím prostoru se volí tak, aby umístění zapalovacích elektrod svíčky nebylo a v místě nejvyššího proudění rozvířené směsi paliva se vzduchem. Současně nesmí být v tomto prostoru velká koncentrace zbytkových spalin ve válci. Svíčka je umístěna co nejblíže geometrickému středu spalovacího prostoru, plamen tak dosáhne v co nejkratší době i do nejvzdálenějších míst. U nových konstrukcí je navíc používán i větší počet zapalovacích svíček (2, 3).
19
Obr. 4.4 Pracovní fáze čtyřdobého motoru Tím docílíme zvýšení rychlosti hoření, dokonalého spálení směsi a tím i využití rychle narůstajícího tlaku spalin. U zážehových motorů s nepřímým vstřikováním paliva nejvíce používá spalovací prostor polokulový a klínový. Tvary nejčastěji používaných spalovacích prostorů znázorňuje obr. 4.5.
20
Obr. 4.5 Tvary spalovacích prostorů čtyřdobého motoru
21
Ve spalovacím prostoru zážehového motoru s přímým vstřikováním je mezi ventily umístěna zapalovací svíčka, po straně pak vstřikovací tryska. Tou se do spalovacího prostoru vstřikuje benzín pod tlakem až 100 barů přímo do vybrání v pístu. Speciálně tvarovaný spalovací prostor vytváří spolu tvar hlavy válců a vrchní části pístu. Sací kanál může být opatřen speciální klapkou, která ho vlastně dělí na dvě části – spodní a vrchní polovinu. Účelem této klapky je vytváření vrstveného plnění. Výhodou přímého vstřikování paliva oproti klasickému karburátoru je vstřikování paliva v souvislosti s požadavky na hospodárnost, výkonové schopnosti, dokonalé jízdní vlastnosti a nízký obsah škodlivých látek ve výfukových plynech. Vstřikování umožňuje přesné odměřování paliva v závislosti na provozním stavu a zařízení motoru při zohlednění okolních vlivů. Složení směsi je přitom řízeno tak, aby byly nízký podíl škodlivých látek ve výfukových plynech. Elektronické vstřikování benzínu může být: simultánní vstřikování, skupinové vstřikování, sekvenční vstřikování. U simultánního vstřikování dochází ke vstřikování všech vstřikovacích ventilů v jeden okamžik, dvakrát za cyklus, tzn. dvakrát za otáčku vačkového hřídele popř. jednou za otáčku klikového hřídele. Okamžik vstřiku je dán pevně předem. U skupinového vstřikování jsou vytvořeny dvě skupiny vstřikovacích ventilů, kdy každá skupina vstřikuje jednou za cyklus. Časový odstup obou skupin tvoří dle provozních podmínek a odstraňuje, ve vzdálených rozsazích pole charakteristik, nepatřičné vstřikování před otevřený sací ventil. Sekvenční vstřikování umožňuje největší volnost. Vstřikovací ventily jsou ovládány nezávisle na sobě ve stejný okamžik, vztaženo na příslušný válec. Okamžik vstřiku je volné programovatelný a lze jej přizpůsobit na příslušná optimalizační kritéria.
4.3 Tvorba palivové směsi a spalování
Zážehový motor potřebuje ke svému provozu určitý poměr vzduchu a paliva. Ideální teoretické úplné spalování nastává při poměru 14,8 kg vzduchu na 1 kg paliva. Tento poměr je také označován jako stechiometrický poměr. Určité provozní stavy motoru vyžadují korekci složení směsi. Měrná spotřeba paliva zážehového motoru je značně závislá na směšovacím poměru vzduchu a paliva. Pro reálné úplné spalování a tím také pro co nejmenší spotřebu je nutný přebytek vzduchu, jehož hranice je určena zejména zápalností směsi a použitelnou dobou hoření. K rozpoznání toho, jak hodně se odlišuje skutečný poměr vzduchu a paliva od teoreticky nutného (14,8 : 1) byl zaveden součinitel přebytku vzduchu λ, příp. vzdušný součinitel (lambda):
součinitel přebytku vzduchu λ =
množství přiváděného vzduchu v kg teoretická potřeba vzduchu v kg
Součinitel přebytku vzduchu vyjadřuje poměr skutečně přivedené hmotnosti vzduchu k hmotnosti vzduchu potřebné pro stechiometrické spalování. Význam velikosti součinitele přebytku vzduchu λ je následující: λ = 1 – skutečně přivedená hmotnost vzduchu odpovídá teoretické potřebě. λ > 1 – přebytek vzduchu, nebo-li chudá směs, nastává od λ = 1,05 až 1,3. Při této hodnotě součinitele přebytku vzduchu lze pozorovat snižující se spotřebu paliva a snížený výkon. λ > 1,3 – směs niž není schopna zapálení. Dochází k vynechávání splování. Běh motoru je značně neklidný.
22
Spalování paliva v pístovém spalovacím motoru je složitý fyzikálně chemický děj probíhající při každém oběhu ve velmi krátkém čase. Rychlost hoření směsi paliva se vzduchem závisí na tlaku, teplotě, složení směsi, okamžiku zapálení a na způsobu a intenzitě pohybu náplně ve válci. Benzín, který je do válce dopraven v průběhu plnícího zdvihu, je na konci komprese již tak odpařen, že vzniklou směs je možno považovat za stejnorodou, která se svými vlastnostmi blíží směsi plynné. Po zapálení elektrickou jiskrou se vytvoří vrstva, ve které probíhá hoření. V turbulentním proudění je to kulová plocha o hloubce 20 až25 mm, která se šíří ve spalovacím prostoru rychlostí 20 až 60 m.s –1. Vedlo tohoto normálního průběhu hoření mohou vznikat ve spalovacím prostoru i průběhy hoření, které mají abnormální průběhy a jsou vyvolávány nedostatky ve spalovacím prostoru případně chybným nastavením předstihu zážehu. Chybný průběh hoření je vyvoláván: detonačním hořením, předzápaly, samozápaly, pozdním zážehem, předčasným zážehem. Detonační hoření je vyvoláváno stlačením zbylé čerstvé náplně tlakovou vlnou hořících plynů, šířících se od zapalovací svíčky do vzdálenějších míst spalovacího prostoru, při přítomnosti tzv. horkého místa, které iniciuje abnormálně rychlé shoření směsi, řádově stovky metrů za sekundu. Tato rychlost hoření odpovídá detonaci. Horké místo na obvodě spalovacího prostor vznikne v důsledku rozžhavení ostré hrany, rozžhavených karbonových úsad nebo celkového zvýšení teploty spalovacího prostoru při závadě na chlazení motoru. Navenek se detonační hořeni projevuje kovovým zvukem, klepáním, která vychází ze spalovacího prostoru, přehříváním a poklesem výkonu. Obdobný projev má i detonační spalování vyvolané použitím paliva s nižším oktanovým číslem, neodpovídajícím kompresnímu poměru motoru. Předzápaly jsou charakterizovány tím, že k zapálení směsi dochází od rozžhavené části spalovacího prostoru dříve, než přeskočí vysokonapěťový výboj na elektrodách svíčky. Nejčastěji způsobují předzápaly rozžhavené elektrody zapalovací svíčky s příliš nízkou tepelnou hodnotou, nebo rozžhavené částice karbonu ulpívající na stěnách spalovacího prostoru, případně rozžhavený talíř výfukového ventilu. Předzápaly způsobují tupá rázy, které mohou lehce splynou s celkovým hlukem motoru. Vedou ke zvýšenému namáhání klikového mechanismu a také způsobují přehřívání motoru. U moderních motorů se vstřikováním paliva je používána regulace předstihu zážehu z datového pole. V paměti řídícího počítače je uloženo datové pole, kdy každému režimu motoru, určenému otáčkami a zařízením (vstřikovaným množstvím paliva) je přiřazena jedna hodnota předstihu zážehu. Tato hodnota je však za provozu motoru korigována dle údajů ostatních snímačů vstřikovací soustavy. U moderních motorů je zabudován ve stěně jednoho nebo více válců čidlo klepání. Tento snímač identifikuje vznik detonačního hoření ve válci motoru. Dochází-li k detonačnímu hoření, je snižován předstih zážehu tak dlouho, až detonace, tj. klepání motoru, zmizí. Je zřejmé, že u těchto motorů je možno použít i benzín s nižším oktanovým číslem, bez nebezpečí, že dojde k poškození motoru.
4.4 Přeplňování zážehových motorů
Ze známých způsobů přeplňování se u zážehových motorů oproti přeplňování mechanickému a tlakovými vlnami stále více prosazuje přeplňování turbodmychadlem. Turbodmychadla umožňují dosáhnout již u motorů s malým objemem vysokých kroutících momentů a výkonů s dobrou účinností motoru. Ve srovnání s atmosféricky plněným motorem stejného výkonu je přeplňovaný motor stavebně menší a má proto vyšší výkonovou hmotnost. Výzkumy v automobilovém průmyslu prokázaly, že při stejných jízdních výkonech vykazuje přeplňovaný motor s menším objemem válců a
23
elektronickou regulací plnícího tlaku oproti atmosféricky plněnému motoru podobnou úsporu paliva jako může mít vznětový motor s komůrkou. Turbodmychadlo sestává z kompresoru a výfukové turbíny jejíž oběžná kola jsou umístěna na společném hřídeli. Výfuková turbína převádí část energie výfukových plynů na rotační energii a pohání kompresor. Ten nasává čerstvý vzduch , dopravuje jej stlačený přes chladič stlačeného vzduchu, škrtící klapku a sací potrubí do motoru. U přeplňovaného motoru nesmí teplota výfukových plynů mezi motorem a turbínou překročit určitou prahovou hodnotu. Proto se regulace plnícího tlaku používá pouze v kombinaci s regulací klepání. Jen regulace klepání totiž dovoluje v průběhu celé životnosti motoru provoz s co možná největším předstihem zapalování. Tento pro každý provozní stav optimálně přizpůsobený úhel zážehu přináší s sebou velmi nízké teploty spalin. Další snížení teploty výfukových plynů lze dosáhnout zásahy do plnícího tlaku a/nebo zásahy do složení směsi.
24
5 Vznětový spalovací motor Vznětový spalovací motor vznikl na konci 19. století jako alternativní konstrukce k zážehovému spalovacímu motoru. Zásadním rozdílem je způsob spalování paliva. U vznětového motoru je do válce přiveden sacím ventilem pouze vzduch, který je následně pístem stlačen na velmi vysokou teplotu (až 800°C). Do takto zahřátého vzduchu je vstřikovací tryskou vstříknuta dávka nafty, která se od okolního zahřátého vzduchu sama vznítí a nastane její expanze. Z tohoto popisu je zřejmé, že v porovnání se zážehovým motorem odpadá nutnost zapalovací svíčky. Ovšem dochází zde k extrémnímu stlačení vzduchu, a proto je nutná masivní konstrukce celého motoru, což se samozřejmě negativně podepisuje na celkové váze a výrobní ceně motoru. Nespornou výhodou je nižší spotřeba levnějšího paliva, v tomto případě nafty, umožněná velmi dobrou účinností vznětového motoru-v dnešní době mezi 35 až 50%. U vznětového motoru se nejčastěji používá čtyřdobý pracovní cyklus, zejména pro účinné využití paliva.
5.1 Čtyřdobý vznětový motor
Pracovní cyklus čtyřdobého vznětového motoru proběhne během dvou otáček klikového hřídele a motor během této doby vykoná stejně jako zážehový motor čtyři fáze. Základní části válce u vznětového motoru jsou také podobné, a sice sací a výfukový ventil a jediný rozdíl je v nahrazení zážehové svíčky vstřikovací tryskou (obr. 5.1).
Obr. 5.1 Stavba válce čtyřdobého motoru
Pracovní cykly čtyřdobého vznětového motoru (obr. 5.2) jsou následující: 1. V první fázi se píst pohybuje směrem dolů a do válce je sacím ventilem nasáván samotný vzduch (obr. 5.2-a). 2. Nasátý vzduch je stlačován pístem pohybujícím se nahoru (obr. 5.2-b). V horní poloze pístu je do válce vstříknuta dávka nafty, která se ihned po kontaktu s rozehřátým vzduchem vznítí. 3. Zapálená směs začne expandovat (obr. 5.2-c) a její rozpínání tlačí píst dolů a koná tak práci. 4. V poslední fázi se otevře výfukový ventil a píst svým pohybem nahoru vytlačuje z válce veškeré zplodiny (obr. 5.2-d). Následně se opakuje první fáze. Velký vliv na spalování má tvar spalovacího prostoru.
25
Obr. 5.2 Pracovní fáze čtyřdobého motoru Nedělené spalovací prostory se vyznačují tím, že jej tvoří ucelený spalovací prostor vytvořený ve dnu pístu. Do objemu této prohlubně je vstřikováno palivo, které po vznícení poměrně prudce shoří. Protože je palivo vstřikováno přímo do válce motoru, nazývají se také motory s přímým vstřikem paliva. Dělené spalovací prostory jsou tvořeny dvěma samostatnými objemy. U děleného spalovacího prostoru se palivo vstřikuje do zvláštní komůrky, která je zpravidla vytvořena v hlavě válce motoru. Tato komůrka je spojena s druhou částí spalovacího prostoru vytvořenou ve dnu pístu motoru jedním
26
nebo více kanálky malého průměru. Tyto motory jsou také nazývány motory s nepřímým vstřikem paliva. Vznětové motory se dělí podle způsobu vstřikování paliva do válce na motory: s nepřímým vstřikováním paliva (IDI – Indirect Injection), (s předkomůrkou nebo s vírovou komůrkou), s přímým vstřikem paliva (DI – Direct Injection), (prstencovitý spalovací prostor, kulovitý spalovací prostor). U obou variant je možné použití plnění válců atmosférickým tlakem nebo přeplňování turbodmychadlem. Rozdělení spalovacího prostoru na dvě části a vhodným tvarováním dna pístu se dá dosáhnout vysoká energie víření a velmi dobré promíšení paliva se vzduchem. U obyčejné komůrky (předkomůrka, resp. tlaková komůrka) je energie víření malá. Speciální nárazová ploška ve středu komůrky rozděluje paprsek paliva a intenzivně ho promíchá se vzduchem. Ve vlastní komůrce se dosahuje vysokých kompresních tlaků a tím teplot, potřebných pro spalování motoru. Hlavní část spalování se potom uskutečňuje ve spalovacím prostoru válce. Motory s přímým vstřikem paliva (nedělený spalovací prostor) se vyznačují nižší měrnou efektivní spotřebou paliva (210 – 245 g.kWh-1), tedy ekonomičtějším provozem a snadnějším spouštěním motoru za nízkých teplot. Tyto výhody jsou výsledkem menších tepelných a hydraulických ztrát. Spalovací prostor je kompaktnější s menším povrchem vzhledem k objemu. Na měrné spotřebě se podílí i menší součinitel přestupu tepla vlivem menší intenzity víření a rychlejší průběh hoření. Další výhodou je jednodušší konstrukce hlavy motoru. V porovnání s motory komůrkovými je nevýhodou nepřeplňovaných motorů s přímým vstřikem paliva nižší dosažitelná hodnota středního efektivního tlaku. Je to dáno tím, že pro co nejdokonalejší spálení je nutno spalovat palivo s větším přebytkem vzduchu, takže vzdušný součinitele λ se při maximální vstřikované dávce paliva pohybuje v rozmezí od 1,3 do 2. Při práci motoru na jmenovitém režimu jsou dosahovány u vozidlových motorů hodnoty středního efektivního tlaku 0,6 až 0,75 MPa. V průběhu spalování, vlivem rychlejšího nárůstu tlaku nad pístem, mají vznětové motory s přímým vstřikem vyšší hlučnost a vibrace. Přímý vstřik paliva klade také vyšší nároky na vstřikovací zařízení a jakost používaného paliva. Je to dáno tím, že dokonalost vytvořené směsi paliva se vzduchem je určována co nejjemnějším rozprášením paliva. Proto jsou používány podstatně vyšší vstřikovací tlaky a víceotvorové trysky, jejichž malé výstřikové otvůrky se snadněji ucpou nebo zakarbonují. Sklon těchto motorů k tvrdému chodu vede k zvýšeným požadavkům na zkrácení průtahu vznícení a tedy i k požadavku na vyšší hodnotu cetanového čísla použité motorové nafty. Požadavek na určitou minimální dobu potřebnou na přípravu směsi vstřikované nafty a vzduchu omezuje u motorů s přímým vstřikem maximální dosažitelné otáčky jmenovitého režimu. Se zvětšováním zdvihového objemu válce se jejich velkost snižuje. Motory komůrkové (s děleným spalovacím prostorem) se v porovnání s motory s přímým vstřikem paliva vyznačují tišším a měkčím chodem, způsobeným pomalejším nárůstem tlaku nad pístem. Z tohoto důvodu, i když mají vyšší spotřebu paliva, převládá jejich použití u osobních automobilů. Za nízkých teplot je zabezpečeno jejich spouštění pomocí žhavící svíčky. Výhodou komůrkových motorů je dobré promísení paliva se vzduchem vyvolané intenzivním vířením vzduchu a palivových par v komůrce i v druhé části spalovacího prostoru ve dnu pístu. To umožňuje spalování motorové nafty, na jmenovitém režimu práce motoru, se vzdušným součinitelem λ = 1,1 až 1,2. tím jsou u nepřeplňovaných motorů dosahovány hodnoty středního efektivního tlaku až 0,9 MPa. Vysoká teplota stěn komůrky a intenzivní víření zabezpečují rychlejší přípravu směsi v komůrce, kratší průtah vznícení a tedy i vyšší dosažitelné otáčky jmenovitého režimu u těchto motorů. Jelikož tvorba směsi paliva se vzduchem je založena na intenzivním víření náplně v komůrce a při výtoku do válce motoru je možno pro vstřik paliva použít jednootvorové trysky s nižšími otvíracími tlaky. Nevzniká tedy
27
nebezpečí ucpání nebo karbonizace poměrně velkého výtokového průřezu a nároky na vstřikovací soustavu jsou nižší. Vyšší měrná spotřeba paliva, která je základní nevýhodou komůrkových motorů je způsobena většími tepelnými ztrátami velkým a členitým povrchem spalovacího prostoru, většími hydraulickými ztrátami ve spojovacím kanálku mezi komůrkou a válcem motoru a velkým vířením směsi ve spalovacím prostoru. Velký povrch spalovacího prostoru a zvýšený odvod tepla v důsledku intenzivního víření vzduchu v komůrce motoru jsou příčinou horší startovatelnosti těchto motorů. Aby se usnadnilo spouštění je v komůrce umístěna žhavící svíčka. Nejčastější konstrukce spalovacích částí vznětového čtyřdobého motoru znázorňuje obr. 5.3.
Obr. 5.3 Spalovací prostory čtyřdobého motoru 28
5.2 Tvorba palivové směsi a spalování
U naftového motoru je užitečný výkon řízen kvalitativně, tedy přes obsah paliva ve směsi palivo vzduch. to se děje řízením vstřikované dávky paliva ve vstřikováním zařízení. Proto naftové motory pracují zpravidla s přebytkem vzduchu. Stechiometrický směšovací poměr činí u vznětových motorů asi 14,5 kg vzduchu na 1 kg paliva (λ = 1). to znamená, že k úplnému spálení paliva 1 kg paliva je zapotřebí asi 14,5 kg vzduchu. Mez kouření vznětových motorů je však pro λ ≈ 1,4. Důvodem je nerovnoměrné tvoření směsi, které u naftového motoru probíhá teprve ve válci (vnitřní tvoření směsi). Směs proto není homogenní, což znamená, že při spalování existuje částečně nedostatek vzduchu a částečně nedostatek paliva. Moderní naftové vozidlové motory pracují při chodu naprázdno s mimořádně Chudou směsí λ ≈ 3,4. Při plném zatížení je směs obohacena až na mez kouření λ ≈ 1,4. Příprava směsi palivo vzduch výrazně ovlivňuje užitečný výkon, spotřebu paliva, emise výfukových plynů a hluk spalování naftového motoru. Přitom podstatnou roli hraje provedení vstřikovacího zařízení a jeho řízení, přičemž tvoření směsi a průběh spalování ovlivňují následující činitelé: začátek dodávky paliva a začátek vstřiku,- doba vstřiku a průběh vstřiku (množství paliva vstřiknutého do spalovacího prostoru v závislosti na úhlu natočení klikového hřídele), vstřikovací tlak, směr vstřikování a počet vstřikovaných paprsků, přebytek vzduchu, rozvíření vzduchu.
Vzhledem k nižší odpařivosti paliva (nafty, mazutu) nelze pro vytvoření směsi paliva se vzduchem použít, jako u motorů benzínových, vstřikování paliva do nasávaného proudu vzduchu (nepřímé vstřikování benzínu). Proto se u těchto motorů vstřikuje palivo přímo do válce motoru,l a to na konci kompresního zdvihu.- V důsledku vysoké teploty stlačeného vzduchu, 800 oC až 900 oC, se jemně rozprášené palivo rychle odpaří a po vytvoření hořlavé směsi se vzduchem, se vznítí. Podle převládajícího druhu paliva, které je používáno pro vznětové motory, se těmto motorům říká také motory naftové.
5.3 Přeplňování vznětových motorů
Účelem přeplňování spalovacích motorů je dopravit do válců více vzduchu a tím umožnit i vyšší dodávku paliva. K přeplnění se používá turbodmychadla, které je poháněno energií výfukových plynů. Jejich otáčky dosahují rozsahu 50 tis. až 100 tis. min-1. Výkon motoru lze takto zvýši t v rozsahu 20-90 % při poměrně mírném zvýšení spotřeby. Přeplňování může být: nízkotlaké s přetlakem 29 – 49 kPa, středotlaké s přetlakem 49 – 78 kPa, vysokotlaké s přetlakem více než 78.
Vyšší spalovací tlaky při plném zatížení motoru a při velkém zvýšení výkonu však vyžadují zesílení konstrukce motoru.
29
6 Chlazení spalovacích motorů Chlazení motoru odvádí přebytečné teplo ze stěn válců hlavy a ostatních částí motoru do chladící kapaliny nebo vzduchu a snižuje tak teplené namáhání těchto součástí na přijatelnou mez. Chlazení udržuje teplotu motoru na takové výši, která je pro provoz nejvhodnější. Teplota motoru ovlivňuje také životnost motorového oleje.U benzínových motorů se chlazením snižuje sklon k detonačnímu spalování. Při plném zatížení motoru se musí chlazením odvádět asi 20 až 30 % tepla, které se uvolňuje při spalování. Podle druhu chladícího média rozlišujeme chlazení: kapalinové chlazení, vzduchové chlazení, olejové chlazení.
6.1 Kapalinové chlazení
U tohoto druhu chlazení je v bloku válců motoru a hlavě motoru vytvořena soustava kanálů, kterými proudí chladící kapalina. S tepelně zatížených namáhaných míst přejímá teplo, které odvádí do chladiče. Zde je teplo kapaliny přejímáno proudícím vzduchem a ochlazená kapalina se vrací zpět do motoru. Celý systém je uzavřený. Samooběžné (termosifonové) chlazení, kdy ohřátá chladící kapalina s menší měrnou hmotností stoupá nahoru a na její místo přichází chladnější kapalina z chladiče se dnes již nepoužívá. Chlazení s nuceným oběhem je nejúčinnějším druhem chlazení a v současnosti také nejpoužívanější. Je konstrukčně složitější než chlazení vzduchové, protože má věší počet součástí a tím i větší nároky na údržbu a opravy. Chladící kapalina je nasávána čerpadlem z dolní komory chladiče a vtlačována do bloku motoru. Zahřátá kapalina se vrací přes termostat a hlavu válců do horní komory chladiče a při postupu chladičem se ochlazuje. Termostat reguluje provozní teplotu motoru. Za normálních provozních podmínek udržuje termostat teplotu chladící kapaliny na výstupu z motoru na hodnotě 90 – 95 oC. Při vysokých zatíženích zůstává termostat plně otevřen. Zvýšení výkonnosti chladícího systému je možno poměrně jednoduše dosáhnout pomocí vytvoření přetlaku v chladící soustavě. Se zvýšením tlaku o 10 kPa se zvyšuje teplota varu o 2,1 °C. Jako náplň chladícího systému se používá nemrznoucí směs ředěná destilovanou vodou na příslušný bod tuhnutí tedy glykolová kapalina. Používá se celoročně, protože obsahuje přísady působící antikorozně v soustavě a zamezuje tvorbě usazenin z minerálních látek.
6.2 Vzduchové chlazení
V tomto případě je teplo vzniklé při spalování ve válci motoru odváděno z ploch nejvíce tepelně zatížených přímo vzduchem. Ten je do soustavy chlazení vtlačován, nasáván nebo pouze náporem při jízdě přejímá teplo a odvádí jej. Výhodou vzduchového chlazení je jeho jednoduchost, nízké nároky na údržbu a opravy, rychlejší zahřívání motoru na provozní teplotu a menší měrná hmotnost vozidla. Nevýhodou je vyšší hlučnost motoru, nižší rovnoměrnost chlazení a větší nároky na utěsnění motoru. Vzduchové chlazení se rozděluje na: chlazení náporové: chlazení je zajištěno pouze pohybem vozidla,
30
chlazení nucené: oběh je zajištěn ventilátorem, který je umístěn: - vpředu a vtlačuje vzduch do prostoru motoru, - vzadu a nasává vzduch do prostoru. Aby byl chladící účinek co největší jsou součásti motoru opatřeny žebrováním, které zvětšuje vztyčnou plochu pro odvod tepla. Hlava válců a blok válců jsou tak samostatné pro každý válec motoru a opatřeny při výrobě žebrováním.
6.3 Olejové chlazení Chlazení olejem ovlivňuje jak tepelné namáhání součástí motoru, tak jeho provozní chování. Olej nezamrzá a vře při výrazně vyšších teplotách. U olejem chlazeného motoru nevznikají problémy s korozí.
31
7 Spalovací motory a životní prostředí Aby se snížilo zatížení životního prostředí, je nutno snížit obsah škodlivých látek ve výfukových plynech zážehových motorů, například pomocí katalyzátoru. Všechna opatření k redukci emisí škodlivých látek podle různých zákonných norem směřují k tomu, aby s co možná nejmenší spotřebou paliva bylo dosaženo vysokých jízdních výkonů, příznivých jízdních vlastní a minimum emisí škodlivých látek.
7.1 Požadavky na spalovací motor Kompresní poměr má rozhodující vliv na stupeň tepelné účinnosti motoru. Proti zavedení vysokého kompresního poměru stojí především dva faktory: vyšší sklon ke klepání a vyšší emise škodlivých plynů. Se zvyšujícím se kompresním poměrem roste hodnoty teploty ve spalovacím prostoru. tím dochází ke zvýšení počtu předčasných reakcí paliva, které vedou k samozapálení oblastí palivové směsi, ještě dříve než jsou dosaženy normálně se šířícím plamenem. tento zvýšený sklon ke klepání zvyšuje nárok motoru na oktanové číslo paliva. Jako protiúčinek tomuto efektu může částečně pomoci vhodné uspořádání spalovacího prostoru. Tvar spalovacího prostoru ovlivňuje velmi významně hodnotu nespálených uhlovodíků. Protože emise nespálených uhlovodíků vznikají ze sloupců a vrstev poblíž stěny válců, způsobují složité spalovací prostory s vysokým poměrem povrchu zvýšený vznik emisí HC. Výhodné jsou proto především kompaktní spalovací prostory s malým povrchem, které redukují díky intenzívní turbulenci při vyplňování spalovacího prostoru a rychlému spalování nárok na oktanové číslo. Díky tomu lze při použití vyššího kompresního poměru lehčeji realizovat koncepci motoru s chudou směsí. Tím se dosáhne nižší hodnoty emisí škodlivých složek výfukových plynů při dobrém stupni účinnosti. Turbulence v blízkosti zapalovací svíčky je důležitá pro zapálení směsi paliva a vzduchu. Poloha zapalovací svíčky ve spalovacím prostoru zážehového motoru má významný vliv na spotřebu paliva a tvorbu škodlivých emisí. Centrální poloha s krátkou dráhou plamene vede k rychlé a relativně úplné přeměně a tím k nízkým hodnotám emisí nespálených uhlovodíků. Při použití dvou zapalovacích svíček pro jeden spalovací prostor může dojít ještě k dalšímu zkrácení dráhy plamene – s pozitivním účinkem na spotřebu paliva a emisní hodnoty škodlivých plynů. Kromě toho se redukují u kompaktního spalovacího prostoru s centrálním zapalovací svíčkou nebo dvěma svíčkami nároky motoru na oktanové číslo. Tato výhoda může být opět přeměna ve vyšší kompresní poměr a tím i ve vyšší stupeň účinnosti motoru. V této souvislosti se zvláště významně projevuje výhoda víceventilových motorů. Díky této technice lze dosáhnout kompaktních spalovacích prostorů s centrální polohou zapalovací svíčky a tedy krátkou dráhou plamene. Kromě toho dochází k příznivějšímu vyplachování válců. Časování ventilů. Vyplachování válců, tj. výměna spálené směsi ve válci za čerstvou, probíhá při vhodném otevírání a zavírání sacích a výfukových ventilů. Průběh vyplachování válců je dán tvarem vačkové hřídele, která určuje časování ventilů, tedy jednotlivé okamžiky otevření a zavření sacích a výfukových ventilů a zároveň i křivky jejich zdvihů. Do válců proudící množství čerstvého vzduchu určuje točivý moment a výkon motoru. Podíl zbytku výfukových plynů, tzn. množství spálené směsi, které zůstane ve válci a není během otevření výfukového ventilu vytlačeno, ovlivňuje zapálení a spalování směsi. Tento podíl je důležitý pro stupeň účinnosti a hodnotu emisí nespálených uhlovodíků a oxidů dusíku. Během fáze překrytí ventilů, tj. v okamžiku, kdy jsou sací i výfukové ventily zároveň otevřeny, může v závislosti na tlakových poměrech proudit čerstvá směs do výfuku nebo spálená do saní. Tím se výrazně ovlivní stupeň účinnosti a emise nespálených uhlovodíků. Optimálním řešením je časování ventilů v závislosti na otáčkách a zatížení. To se děj u systémů se dvěma vačkovými hřídeli, kde se pootáčí s vačkovou hřídelí sacích ventilů. tím lze dosáhnou zvýšení překrytí ventilů ve vyšších otáčkách a tedy vyšších výkonů a dobrého chodu motoru. Zároveň dochází v nižších otáčkách díky menšímu překrytí ventilů ke snížení emisí nespálených uhlovodíků. Uspořádání sacího systému. Průběh výplach válců je ovlivněn nejenom časováním ventilů, ale také uspořádáním sacího a výfukového systému. Sacími zdvihy pístu je vytvářeno v sacím potrubí periodické kolísání tlaku. Tyto tlakové vlny probíhají sacím potrubím a jsou na konci odraženy. Uspořádání délky sacího potrubí přizpůsobené časování ventilů má za účinek, že tlaková vlna dorazí
32
k sacímu ventilu krátce před ukončením sacího taktu. Tento přetlakový efekt dodá do válce vyšší množství čerstvé směsi. Tlakové rázy vznikající v sacím potrubí působí podobně jako turbulence ve spalovacím prostoru. Plnící pohyby umožňují zároveň rychlou přeměnu směsi paliva a vzduchu ve spalovacím prostoru. To zvyšuje stupeň účinnosti a schopnost spalování chudých směsí. Díky těmto prostředkům je možné realizovat motory s nízkými hodnotami škodlivých emisí výfukových plynů. Vyšší otáčky motoru znamenají vyšší tření v motoru samotném a vyšší odběr výkonu ve vedlejších agregátech. Při stejném množství přiváděné energie klesá proto odevzdávaný výkon a zhoršuje se účinnost. Pokud je určitý výkon odebírán při vyšší otáčkách,l je i spotřeba paliva vyšší, než je tomu při stejném odběru výkon u otáček nižších. S tím, je zároveň spojen i vyšší obsah škodlivých složek ve výfukových plynech. tento vliv otáček je více či méně výrazný pro jednotlivé škodlivé komponenty výfukových plynů. Změna zatížení motoru má na jednotlivé komponenty různý účinek. Se stoupajícím zatížením se zvyšuje hodnota teploty ve spalovacím prostoru. Se zvýšením zatížení se snižuje tloušťka zóny v blízkosti stěny spalovacího prostoru, ve které dochází k uhasnutí plamene. Kromě toho dochází se zvyšující se teplotou, která souvisí se stoupající zátěží, ke zlepšené následné reakci při expanzi a výfuku. tím se tedy díky zvyšujícímu zatížení sníží hodnota emisí nespálených uhlovodíků. Podobné závěry platí i pro emise CO, jejichž hodnota se během expanze sníží, díky vysoké teplotě a následné reakci na CO2. U hodnoty emisí NOx platí opačné závěry. Teplota spalujícího prostoru, stoupající se zatížením, zvýhodňuje tvorbu emisí NOx. Jejich obsah se zvyšuje více jak proporcionálně. Vyšší rychlost vozidla přináší se stoupající potřebou výkonu i vyšší spotřebu paliva. Hodnoty emisí uhlovodíků a oxidu uhelnatého nejsou výrazným způsobem stoupající rychlostí ovlivněny. Naopak je tomu ovšem u emisí NOx. Při nestacionárním provozu zážehového motoru vzniká výrazně vyšší množství emisí než při ustáleném režimu. Hlavním důvodem je přizpůsobování směsi požadavkům přechodového jevu, které ne vždy těmto požadavkům odpovídá. při rychlém otevření škrtící klapky zůstává určitá část paliva, dodávaného karburátorem nebo jednobodovým vstřikováním, v sacím potrubí. Z tohoto důvodu je při zrychlení nutná kompenzace obohacením směsi, která je především u karburátorů velmi problematicky měřitelná a proveditelná, tak aby byly všechny válce během přechodové fáze plněny přesně podle potřeby správného složení směsi. Následkem je vznik zvýšených hodnot emisí nespálených uhlovodíků a oxidu uhličitého. Vstřikovací systémy, které vstřikují palivo těsně před sací ventil, mají oproti výše uvedeným systémům podstatnou výhodu. U motorů zahřátých na provozní teplotu není ve většině případů obdobné obohacení směsi při akceleraci potřebné. Díky příznivému chování těchto systémů při přechodových jevech není nutné vytvářet žádný „přídavný zásobník paliva“ – v protikladu s účinky sacího potrubí u systémů centrální přípravy směsi, kde dochází k plnění a vyprazdňování tohoto „přidaného zásobníků paliva“. Výsledkem je výraznější pokles spotřeby paliva. Provede-li se porovnání spotřeby při dynamických režimech u systémů vstřikování a systémů s karburátorem, dojde se k významné úspoře paliva u systémů vstřikování. Ve srovnání se zážehovými motory pracují vznětové motory s těžko odpařitelnými palivy, připravují směs paliva a vzduchu mezi počátkem vstřiku a počátkem hoření a během spalování a dosahují tak méně homogenní směsi. Pracují vždy s přebytkem vzduchu (lambda > 1). Při nižším přebytku vzduchu stoupají emise sazí, CO a HC a spotřeba paliva. Tvorba směsi je popsána následujícími parametry: vstřikovací tlak, míra vstřiku (doba vstřiku), rozdělení paprsků (počet, průřez a směr paprsků), počátek vstřiku, pohyb vzduchu, hmota vzduchu.
33
Všechny tyto veličiny mají vliv na emise a spotřebu paliva motoru. Tvorba NOx je podporována vysokou spalovací teplotou a koncentrací kyslíku. Saze podporuje nedostatek vzduchu a špatná tvorba směsi. tvar spalovacího prostoru a vedení vzduchu může kladně ovlivnit emise výfukových plynů. Na paprsky paliva vstřikující trysky pečlivě naladěný pohyb vzduchu ve spalovacím prostoru podporuje promísení vzduchu a paliva a tím úplné spálení paliva. Vedle toho se projevuje kladně homogenní směs vzduchu a výfukových plynů a chlazená recirkulace výfukových plynů. Čtyřventilová technika a dmychadlo s variabilní geometrií turbíny přispívá také k nízkým emisím a vyššímu výkonu. Co se týká emisní legislativy leží emise Nox příliš vysoko, zatímco kouřivost leží pod limitní hodnotou. Recirkulace výfukových plynů nabízí možnost snížit emise Nox, bez drastického zvýšení kouřivosti. To lze obzvláště výhodně realizovat se vstřikovacím systémem s tlakovým zásobníkem „Common Rail“, protože ten umožňuje dobrou přípravu směsi díky vysokému vstřikovacímu tlaku. Při recirkulaci je v režimu částečného zatížení část výfukových plynů přiváděna do sacího traktu. To snižuje obsah kyslíku, rychlost hoření, špičkovou teplotu na čele plamene a tím emise Nox. Avšak je-li zpět vedené množství výfukových plynů příliš veliké (podíl přes 40 %), narůstají emise Nox, CO a kouřivost, stejně jako spotřeba paliva, pro nedostatek kyslíku. Počátek vstřiku, průběh vstřiku a rozprášení paliva ovlivňuje rovněž spotřebu paliva a škodlivé emise. Pozdní vstřikování snižujme emise Nox, následkem nižší teploty cyklu. Příliš pozdní vstřik zvyšuje emise HC a spotřebu paliva stejně jako při vyšším zatížení také kouřivost. Odchylka počátku vstřiku od požadované hodnoty jen o 1 o natočení klikového hřídele může zvýšit emise Nox o 5 %. O dva stupně dřívější počátek vstřiku může vést ke zvýšení špičkového tlaku ve válci, pozdní přesunutí o 2 o zvyšuje teplotu výfukových plynů o 20 oC.
7.2 Katalyzátory
Katalyzátory jsou zařízení pro snižování obsahu emisí ve výfukových plynech. Oxidační katalyzátor pracuje s přebytkem vzduchu a přeměňuje pomocí oxidace (tj. spalování) oxid uhelnatý a uhlovodíky na vodní páru a oxid uhličitý. Ke snížení oxidů dusíků oxidačními katalyzátory prakticky nedochází. U motorů se vstřikováním se získá kyslík potřebný k oxidaci většinou prostřednictvím chudé směsi s přebytkem vzduchu (λ > 1). Třícestný katalyzátor výrazně snižuje všechny 3 škodlivé složky zároveň (CO, HC, Nox). Jak již bylo popsáno výše v regulací lambda je předpokladem pro jeho činnost to, aby složení směsi přiváděné do válců odpovídalo stechiometrickému poměru. Dnes je třícestný katalyzátor ve spojení s regulací lambda nejúčinnějším systémem redukce škodlivých emisí výfukových plynů. Základním materiálem katalyzátoru je keramika potažená ušlechtilými kovy , přednostně platinou a rhodiem. Když výfukové plyny proudí přes keramiku, urychluje platina a rhodium chemickou likvidaci škodlivých látek . Použití katalyzátoru vyžaduje použití bezolovnatého benzínu, protože olovo ničí katalytický účinek ušlechtilých kovů. Metoda katalyzátoru předpokládá optimální složení směsi. Optimální, tedy stechiometrické složení směsi je chat¨charakterizováno koeficientem λ = 1. Pouze při tomto koeficientu pracuje katalyzátor s vysokým stupněm účinnosti. Již při odchylce pouze jediného procenta značně klesá účinnost zpracování. Recirkulace spalin snižuje emise oxidů dusíku a spotřebu paliva. Smíšeními spáleních plynů s čerstvou smějí paliva a vzduchu se sníží max. teplota spalování. Tím se výrazně redukují teplotně závislé emise oxidů dusíku. S recirkulací spalin se zvětší celkové plnění při zachování stávající plnění čerstvou směsí. Také u motorů s přímým vstřikováním benzínu se používá recirkulace spalin ke snížení spotřeby a emisí Nox. Při recirkulaci výfukových plynů se rovněž u vznětových motorů část spalin přivádí do sacího traktu. Až do určitého stupně se může stoupající podíl spalin projevovat pozitivně na převod energie a tím snižovat emise škodlivých látek. V závislosti na provozním režimu ses stává nasávaná směs vzduchu a plynu až ze 40 % výfukových plynů.
34
Použitím turbodmychadla vzrůstají s kompresním a spalovacím výkonem také teploty ve spalovacím prostoru. Kromě toho teploty spalování ještě vzrůstají použitím metody přímého vstřikování paliva. Obojí vede k tomu, že se zvyšuje tvorba oxidů dusíků ve spalovacím prostoru.
35
Použitá literatura Grohe, H: Benzínové a naftové motory; Bratislava, 1985 Macek J, Suk B: Spalovací motory 1, ČVUT v Praze, 2003 Kysela L, Tomčala J: Spalovací motory 1, VŠB-TU Ostrava, 2003 Vlk F: Vozidlové spalovací motory, Brno, 2003 Gifford C: Automobily, letadla, lodě, Svojtka a Vašut, 1997 Hughes J:Všeobecná encyklopedie, Praha, 1999 Rozum do kapsy, Albatros, 1995
36
