pohon vozidla se obvykle získává pomocí motorů, známých také jako hlavní tahače, tj. mechanická zařízení schopná přeměnit chemickou energii paliva na mechanickou energii. Mimochodem, anglický termín „motor“, je pravděpodobné, že má francouzský původ ve starém francouzském slově „engin“, které se zase předpokládá, že pochází z latinského „ingenium“ (sdílení stejného kořene „ingénieur“ nebo „inženýr“).
chemická energie paliva je nejprve přeměněna na teplo spalováním a poté je teplo přeměněno na mechanickou práci pomocí pracovního média. Toto pracovní médium může být kapalina nebo plyn. Teplo produkované spalováním skutečně zvyšuje jeho tlak nebo jeho specifický objem a díky jeho expanzi se získává mechanická práce.
u spalovacích motorů (ICE) se produkty spalování (např. vzduch a palivo) se používají jako pracovní médium, zatímco u vnějších spalovacích motorů přenášejí produkty spalování teplo do jiného pracovního média pomocí výměníku tepla. Navíc, zatímco v ICE dochází ke spalování uvnitř válce, u vnějších spalovacích motorů se spalování získává v samostatné komoře, obvykle nazývané hořák.
vzhledem k tomu, že proces spalování ICE mění vlastnosti pracovního média, lze cyklický provoz dosáhnout pouze periodickou výměnou samotného pracovního média, tj. otevřeným cyklem. Termín „cyklus“ pro ICE se tedy vztahuje na pracovní cyklus motoru, který musí být pravidelně vyměňován, a nikoli na termodynamický cyklus pracovní tekutiny. Paliva musí mít vlastnosti Kompatibilní s provozem ICE, což znamená, že jejich produkty spalování by měly umožňovat použití jako pracovní médium (např. spalování by nemělo tvořit popel jako ve vašem komíně, což by způsobilo přilepení mechanismu motoru).
spalovací motor
Vratné spalovací motory jsou obvykle vybírány pro pohon pozemních vozidel až na některé výjimky (elektromotory pro tramvaje, trolejbusy nebo elektromobily), vzhledem k jejich příznivé hustotě výkonu a relativně nízkým výrobním a servisním nákladům (například ve srovnání s plynovými turbínami).
u vratného ledu vytváří pohyb pístu do válce, uzavřeného na opačném konci hlavou válce, cyklickou změnu objemu válce. Píst je spojen s tyčí a klikou k hřídeli, jejíž stálé otáčení způsobuje cyklický pohyb pístu mezi dvěma krajními polohami, horní úvratí (TDC, nejblíže k hlavě válce) a spodní úvratí (BDC, největší vzdálenost od hlavy válce). Tyto dvě polohy odpovídají minimálnímu objemu válce (objem vůle, Vc) a maximálnímu objemu válce (celkový objem, VT). Rozdíl mezi maximálním A min objemem se nazývá zametaný objem nebo zdvihový objem válce a pojmenovaný Vd. A konečně, poměr mezi maximálním A min objemem se nazývá kompresní poměr (rc).
klasifikace ICE
spalovací motory lze rozdělit do různých kategorií. Dva nejdůležitější jsou založeny na procesu spalování (zážeh vs. kompresní zapalování) a na pracovním cyklu (2 tahy vs. 4 tahy). Další klasifikace může být založena na přívodu vzduchu (přirozeně nasávaného nebo přeplňovaného), paliva (nepřímé nebo přímé vstřikování) a chladicím systému (vzduchem chlazené nebo vodou chlazené). V tomto článku budou uvedeny pouze rozdíly mezi spalovacími procesy.
zážehové a vznětové zapalování
zážehové zapalování
v zážehových motorech se používají paliva s relativně nízkou reaktivitou, jako je benzín, stlačený zemní plyn (CNG) nebo zkapalněný ropný plyn (GPL). Taková paliva se smísí se vzduchem za vzniku hořlavé, homogenní směsi vzduch / palivo, a pak se stlačují do motoru, aby dosáhly teplot asi 700 K (400 °C) a tlaků asi 20 bar, bez jakéhokoli samovolného vznícení.
toto chování lze vysvětlit na základě charakteristik molekuly paliva: uhlovodíková paliva používaná v zážehových motorech (SI) jsou vyrobena z molekul s krátkým řetězcem, tuhé a kompaktní struktury (jako je CH4 pro CNG nebo iso-oktan C8H18 pro benzín), u kterých je i při vysokých teplotách a tlacích doba potřebná k zahájení spalovacího procesu poměrně dlouhá. Tento koncept však nesmí být zaměňován se schopností kapalného paliva odpařovat se při pokojové teplotě a vytvářet hořlavou směs v okolním vzduchu. Tato schopnost je vysoká u benzínu a určuje nebezpečí výbuchu, pokud je k dispozici zdroj vznícení.
u motorů SI tak může být spalovací proces spuštěn pouze (alespoň u klasického spalování) s vnějším zdrojem energie, jako je elektrická jiskra. Energie přidaná do směsi elektrickým výbojem je malá (velikost kolem 10 mJ), ale je nezbytná pro zahájení spalovacího procesu.
z prvního jádra zapáleného jiskrou se spalování pak šíří směsí: vrstva po vrstvě prochází přední část plamene komorou, hlavně díky konvektivní výměně tepla mezi hořlavými plyny a čerstvou směsí, dokud nejsou dosaženy Poslední zóny (nazývané „koncový plyn“) daleko od jiskry.
přední rychlost plamene je asi 20-40 m / s a je značně zvýšena s turbulencí uvnitř směsi (turbulence zvyšuje povrchovou plochu mezi čerstvým a spáleným plynem, čímž se zvyšuje výměna tepla a tak rychlost šíření plamene). Vzhledem k tomu, že intenzita turbulence se zvyšuje s otáčkami motoru a rychlost předního plamene je úměrná intenzitě turbulence, rychlost předního plamene se zvyšuje s otáčkami motoru, čímž se kompenzuje zkrácení doby, která je k dispozici pro spalování. Díky tomu neexistuje téměř žádné omezení z hlediska otáček motoru pro motory SI ze spalovacího hlediska (motor Formule 1 může běžet až 20 000 otáček za minutu).
směs vzduchu a paliva, pokud je udržována při vysokých teplotách a tlacích po delší dobu, však může nakonec podstoupit samovznícení. Z tohoto důvodu může dojít k abnormálnímu spalování, když se auto koncového plynu spontánně vznítí před příchodem přední strany plamene. Toto abnormální spalování způsobuje náhlý nárůst tlaku válce následovaný tlakovými vlnami uvnitř spalovací komory, které jsou přenášeny strukturou motoru do okolního prostředí. Toto se nazývá „klepání“ a může způsobit poškození pístu a válce v důsledku tepelného únavového namáhání. Aby se zabránilo výskytu klepání, musí motor SI splňovat několik omezení týkajících se maximální délky dráhy plamene (která omezuje maximální průměr válce zvaný otvor na přibližně 100 mm) a maximální přípustné teploty a tlaku koncového (čerstvého) plynu (které omezují jak kompresní poměr, tak plnicí tlak).
kromě toho lze vysokých hodnot rychlosti plamene dosáhnout pouze tehdy, je-li poměr vzduch / palivo poměrně blízký stechiometrickému poměru:proto, když musí být motor SI provozován při částečném zatížení, není možné snížit pouze palivo při zachování nezměněné hmotnosti vzduchu do válce. Poté je pro řízení zátěže nutné použít zařízení ke snížení hmotnostního průtoku vzduchu (často se volí sací škrticí klapka), i když způsobuje pokuty za účinnost při částečném zatížení.
Stechiometrie je definována jako bod, kde se ve směsi spotřebuje veškerý kyslík a spálí se veškeré palivo. U benzínu je hmotnostní poměr 14,7: 1 (14,7 gramů vzduchu na 1 gram paliva).
vznětové zapalování
pokud se používají paliva s vyšší reaktivitou, jako je nafta, nemohou být smíchána se vzduchem a poté stlačena do válce, protože jinak by proces spalování začal samovolně během kompresního zdvihu. Motorová nafta je směs uhlovodíků, kterou může reprezentovat cetan, C16H34, s molekulou s dlouhým přímým řetězcem, ve které předběžné reakce oxidačního procesu probíhají poměrně rychle při vysokých teplotách a tlacích.
proto se motorová nafta vstřikuje jako vysokotlaký kapalný sprej do již stlačeného vzduchu, bezprostředně před požadovaným začátkem spalování (v případě klasického spalování nafty). Malé kapičky paliva (kolem 10 µm průměru), obklopené horkým stlačeným vzduchem (kolem 900 K), se rychle odpařují a spalovací proces samovolně začíná s extrémně krátkým zpožděním zapálení.
na rozdíl od motorů SI nemůže spalovací proces ve vznětovém motoru samočinně přizpůsobit své vlastnosti dostupnému času ke spalování souvisejícímu se zvýšením otáček motoru (tj. doba potřebná pro odpařování paliva, míchání a zpoždění zapalování se s rostoucími otáčkami nezmění). Proto tyto motory nemohou být provozovány při rychlostech vyšších než 5000 ot / min.
konečně, na rozdíl od motorů SI, neexistují žádné přísné požadavky, pokud jde o poměr vzduch/palivo pro tento druh spalování. Při částečném zatížení je vstřikované množství paliva sníženo při zachování stejného množství indukovaného vzduchu, bez nutnosti škrticího zařízení a poté bez jakékoli další ztráty.
zdroj: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas názor:
dva nejběžnější typy spalování (zážehové zapalování a vznětové zapalování) jsou dnes známy již dlouhou dobu a dobře zvládnuty. Dosahujeme však limitů těchto procesů, protože limity znečišťujících látek a spotřeby paliva stanovené normami jsou stále nižší a nižší. Dosažení těchto standardů je stále nákladnější a některé alternativní procesy spalování a architektury motorů jsou testovány v laboratořích a výzkumných centrech. Myslíte si, že zážehové a vznětové motory, jak je známe dnes, budou nahrazeny některými alternativními řešeními, jako je CAI, PCCI, duální spalování paliva nebo jiné?