Piestový spaľovací motor

Ukážka vozidlového piestového spaľovacieho motora: Vidlicový 12-valec Ferrari Testa Rossa 250 z roku 1958.

Piestový spaľovací motor je špecifická podskupina spaľovacích motorov, v ktorého konštrukcii sa vyskytuje piest ako hlavný prvok mechanizmu transformujúceho energiu z paliva na mechanickú prácu.

Vymedzenie pojmu

V prísnej interpretácii patria do skupiny piestových spaľovacích motorov motory s vnútorným aj vonkajším spaľovaním a motory s krúživým pohybom piesta - Wankelov motor.

Vo voľnejšej interpretácii pojem piestový spaľovací motor označuje motor, pre ktorý sú splnené všetky 3 podmienky:

1. motor s vnútorným spaľovaním
2. motor s prerušovaným pracovným cyklom
   • dvojtaktný
   • štvortaktný
3. motor s priamočiarym vratným pohybom piesta

V súčasnosti sa pre označenie viac používa voľnejšia interpretácia pojmu, pretože ostatné typy piestových spaľovacích motorov (Wankelov motor, parný stroj, Stirlingov motor) sú využívané minimálne.

Piestové motory s vnútorným spaľovaním

Nižšie sú uvedené animácie troch základných konštrukčných riešení týchto motorov, z ktorých sú zrejmé rozdiely medzi nimi:

štvortaktný zážihový motor	dvojtaktný zážihový motor	Wankelov motor (zážihový)
štvortaktný motor vykoná pracovný cyklus počas 4 zdvihov piesta a 2 otáčok kľukového hriadeľa	dvojtaktný motor vykoná pracovný cyklus počas 2 zdvihov piesta a 1 otáčky kľukového hriadeľa	Wankelov motor vykoná pracovný cyklus počas jednej otáčky piesta

Motory s vnútorným spaľovaním s priamočiarym pohybom piesta

Piestový spaľovací motor, je najrozšírenejším pohonom automobilov, motocyklov, lodí a malých lietadiel. Je teda najpočetnejším zástupcom spaľovacích motorov v technických zariadeniach. Takmer výhradne sa používajú pre pohon motorových vozidiel. Do tejto skupiny motorov patria:

• dvojtaktné zážihové - malé motory napr. pre motocykle,
• štvortaktné zážihové - automobilové motory pre osobnú dopravu (laicky benzínové),
• dvojtaktné vznetové - motory používane v priemysle napríklad rôzne záložne generátory na výrobu el. energie a pod.,
• štvortaktné vznetové - automobilové motory pre osobnú a hlavne nákladnú dopravu (dieselové, naftové).

Princíp činnosti

Klasický piestový spaľovací motor mení spaľovaním zmesi chemickú energiu na mechanickú energiu pohybujúceho sa piestu, na tepelnú a kinetickú energiu výfukových plynov. Časť vytvorenej mechanickej energie sa spotrebuje na krytie strát.

Jeden pracovný cyklus pozostáva z nasledovných fáz: naplnenia valca čerstvou náplňou, kompresia náplne, spaľovanie, expanzia - pracovná fáza cyklu, výfuk spalín. Tieto fázy môžu prebehnúť počas jednej otáčky kľukového hriadeľa pri dvojtaktných motoroch, alebo počas dvoch otáčok pri štvortaktných motoroch. Zapálenie zmesi môže zabezpečiť externý zdroj pri zážihových motoroch, alebo vznietenie paliva od ohriatej stlačenej náplne pri vznetových motoroch.

Po zapálení zmesi v spaľovacom priestore, ktorý musí byť dokonale utesnený, vzniká veľký tlak. Tento pôsobí na piest motora, a posúva ho. Posuvný pohyb piestu sa prenáša cez ojnicu na kľukový hriadeľ a tým sa mení na rotačný. Piest sa vo valci pohybuje, pričom medzná poloha jeho pohybu najviac vzdialená od osi kľukového hriadeľa sa nazýva horná úvrať - HÚ a medzná poloha najbližšie k osi kľukového hriadeľa dolná úvrať - (DÚ).

Počas spaľovania dosahuje teplota v spaľovacom priestore vo valci hodnotu až 2 500 stupňov Celzia. Pri každom pracovnom cykle sa uvoľňuje teplo. Už pri voľnobežných otáčkach (1000 ot./min) piest prekoná približne 16-krát za sekundu svoj pracovný zdvih (DÚ – HÚ - DÚ). Všetky súčiastky v spaľovacom priestore teda musia byť veľmi odolné. Ak by motor nebol chladený, jeho teplota by stále rástla, až by došlo k jeho zničeniu. Ideálna prevádzková teplota motora sa pohybuje od 85 – 120 stupňov Celzia podľa typu motora.

Rozdelenia podľa konštrukcie

Piestové spaľovacie motory s priamočiarym pohybom piesta je možné rozdeliť podľa konštrukčných znakov do viacerých skupín.

Podľa spôsobu chladenia

• vzduchom chladené
• vodou chladené

Podľa počtu a usporiadania valcov a kľukových hriadeľov

Pozdĺžny rez radovým motorom

Priečny rez vidlicovým motorom

Schéma hviezdicového motora

Rozdelenie jednohriadeľových motorov (so spoločným kľukovým hriadeľom) podľa usporiadania valcov:

• jednovalcové
• radové (resp. jednoradové)- všetky valce sú v jednej rade za sebou
  • stojaté - pracujú v zvislej polohe s kľukový hriadeľom dole
  • invertné - pracujú v zvislej polohe s kľukový hriadeľom hore (letecké motory)
  • šikmé
• dvojradové motory
  • vidlicové - s valcami do V
  • s valcami do A
  • VR motory
• trojradové motory
  • s valcami do W
• štvorradové motory
  • s valcami do X
• hviezdicové - s valcami rovnomerne rozdelenými v rovine (letecké motory)
  • viac-hviezdicové (dvoj-, troj-)

Podľa počtu valcov, niektoré z vyššie uvedených typov patria do skupiny plochých motorov.

Rozdelenie viachriadeľových motorov podľa usporiadania valcov:

• motor s protibežnými piestami
• s rovnobežnými valcami - s valcami do U
• trojuholníkový motor
• s valcami do Y
• štvoruholníkový motor
  • s valcami do H
• mnohouholníkový motor

Podľa počtu valcov, niektoré z vyššie uvedených typov patria do skupiny plochých motorov.

Rozdelenie podľa rozvodu

Rozvod je zariadenie, najčastejšie mechanické, ktoré umožňuje výmenu pracovnej zmesi v správnych časových okamihoch. Bežné typy motorov podľa rozvodu sú:

Rez hlavou valca s rozvodom 2xOHC

• s kanálovým rozvodom (väčšinou dvojtaktné)
• s posúvačovým rozvodom (systémy Knight, Mustad et Fils, Burt-McCollum, Bristol, Baeer, Minerva, Cross, Aspin a iné)
• s ventilovým rozvodom
  • F - s jedným ventilom na boku valca s druhým v hlave (zastaraná konštrukcia)
  • SV (side valve) - s ventilom na boku valca (zastaraná konštrukcia)
  • OHV (over head valve) - s ventilmi v hlave valca
  • OHC (over head camshaft) - s ventilmi aj vačkovým hriadeľom v hlave valca
    • DOHC alebo 2xOHC - s dvoma vačkovými hriadeľmi v hlave valca
• s kombinovaným rozvodom - vstup zmesi je väčšinou riešený kanálom, výstup ventilom.

Okrem mechanických rozvodov je možné aj riešenie s hydraulickým, pneumatickým, prípadne elektrickým rozvodom.

Charakteristické parametre

Charakteristické parametre piestového spaľovacieho motora s priamočiarym vratným pohybom piesta sú:

• zdvih (Z) - vzdialenosť medzi úvraťami piesta (mm)
• vŕtanie (D) - priemer valca, alebo piesta (mm)
• zdvihový objem (V_z) - rozdiel objemov spaľovacieho priestoru medzi dolnou a hornou úvraťou (cm₃)
• objem kompresného priestoru (V_k) - objem, ktorý ostane vo valci, keď je piest v hornej úvrati (cm₃)
• kompresný pomer (ε) - je pomer objemu valca, keď je piest v dolnej úvrati k objemu keď je piest v hornej úvrati. Čím je kompresný pomer väčší dochádza k väčšiemu stlačeniu zmesi. Zvýšenie kompresného pomeru má za následok zväčšovanie termodynamickej účinnosti motora.

Vzťah medzi zdvihom a vŕtaním

Podľa vzájomného pomeru zdvihu a vŕtania sa motory zvyknú označovať ako:

• nadštvorcové alebo dlhozdvihové - ak je zdvih väčší ako vŕtanie
• štvorcové - ak je zdvih rovný vŕtaniu
• podštvorcové alebo krátkozdvihové - ak je zdvih menší ako vŕtanie

Základné parametre

Výkon motora sa udáva v jednotkách kW(kilowatt), alebo medzi fanúšikmi motorizmu ešte aj v starých jednotkách k (kôň = konská sila, HP = Horse Power). (prepočet koní na kW: 1 k = 735.8 W = 0.7358 kW, opačne: 1 kW = 1.359 k).

Zdroje

• STN 09 0022. Spaľovacie motory. Názvoslovie piestových spaľovacích motorov. Druhy motorov. Dátum vydania 19.01.1972.
• Trnka J., Urban J.: Spaľovacie motory. Alfa Bratislava, 1992.