Teplo. třída (5).pdf · Teplo Učivo fyziky 8. ročník Téma: Tepelné stroje Spalovací motory...
Transcript of Teplo. třída (5).pdf · Teplo Učivo fyziky 8. ročník Téma: Tepelné stroje Spalovací motory...
TeploUčivo fyziky 8. ročník
Téma: Tepelné stroje
Spalovací motory
Zpracoval: Mgr. Oldřich Keltner
Použitá literatura :
Fragment 2000 : Velká encyklopedie vědy
A.Míček,R.Kroupa : Fyzika 8/ Tvořivá škola Brno
Obrázky : http://www.google.cz/
Wikipedia.cz
Šablona V/2; Autorem materiálu a všech jeho částí je Mgr. Oldřich Keltner
Spalovací motory
U spalovacího motoru je pracovní
látkou plyn, vznikající hořením
paliva uvnitř motoru.
Plynová turbínaPrincip činnosti
- tepelný stroj
- mění tepelnou energii plynů
na mechanickou práci
- pracovní látkou jsou ohřáté plyny nebo spaliny, vznikající v jiných strojích přivedené do plynové turbíny
- plyny při průchodu turbínou odevzdají jejím lopatkám svou kinetickou energii.
Plynová
turbínaPlynová turbína se spojuje s kompresorem
a spalovací komorou.
Do rotačního kompresoru se nasává
z okolí vzduch, stlačuje se, předehřívá
a promíchává ve spalovací komoře
s plynule vstřikovaným palivem.
Ve spalovací komoře palivo shoří a vzniklý
horký plyn proudí spolu s přebytečným
vzduchem velkou rychlostí na lopatky
turbínových kol. Kompresor je poháněn
turbínou.
Používá se k pohonu elektrických
generátorů, lodí.
Je také součástí raketových a proudových
motorů.
Výhodou je, že nepotřebuje parní kotel, je
méně rozměrná a lehčí než parní turbína.
Nevýhodou je větší spotřeba paliva.
Účinnost turbíny je od 22 % do 37 %.
Čtyřdobý zážehový motor-
historie
První čtyřdobý spalovací motor, který
využíval benzín, sestrojil v roce 1876
německý inženýr Nicolaus Otto
Výhody proti parnímu stroji :
menší, lehčí a postupem času i tišší,
čistší a především účinnější
Vynález spalovacího motoru dal impuls
odbytu a zpracování ropy.
V prvních deseti letech jeho existence
se ho prodalo deset tisíc kusů.
1.výfukové potrubí
2.spalovací komora
3.vačkový hřídel
4.vahadlo
5.píst
6.ventil
7.zapalovací svíčka
8.karburátor
9.hlava válce
10.blok
11.rozvodový řemen
12.alternátor
13.vodní čerpadlo
14.ojnice
15.klikový hřídel
16.skříň motoru
Čtyřdobý zážehový motor
Popis zážehového motoru
Zážehový motor
• je spalovací motor
• směs paliva a vzduchu je ve
válci zapálena (zažehnuta)
elektrickou jiskrou, kterou
obvykle vytvoří zapalovací
svíčka
• palivo - benzín
• pracovní cyklus – 4 doby
sání
komprese
expanze
výfuk
Pracovní fáze zážehového
motoru
• Sání – píst se pohybuje směrem do dolní úvrati (DÚ), přes sací ventil je nasávána pohonná směs.
• Komprese – píst se pohybuje směrem do horní úvrati (HÚ). Oba ventily jsou uzavřené. Nasátá směs zmenšuje svůj objem, zvětšuje tlak a teplotu. Těsně před horní úvratí je směs zapálena elektrickou jiskrou
• Expanze – oba ventily jsou uzavřené. Směs paliva a vzduchu zapálená elektrickou jiskrou shoří. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů. Ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci.
• Výfuk – píst se pohybuje směrem do HÚ. Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí.
Chod čtyřdobého zážehového motoru
Jejich účinnost se pohybuje od 20 % do 33 %.
Se čtyřdobými zážehovými motory se setkáme převážně v osobních automobilech.
Motor: čtyřdobý, zážehový,
kapalinou chlazený, řadový
čtyřválec OHV
Čtyřdobý vznětový motor-
historie• vynalezen Rudolfem
Dieselem
• zdokonalen Charlesem
Ketteringem
Stacionární diesel
MAN z roku 1906,
výkon 12 HP
Vznětový motor• běžně nazývaný dieselový motor, naftový
motor, Dieselův motor či zkráceně jen
diesel
• je nejvýznamnějším dnes používaným
druhem spalovacího motoru
• chemická energie vázaná v palivu se mění
na mechanickou energii ve formě otáčivého
pohybu hnacího hřídele stroje.
• provedení vznětového motoru
čtyřdobý spalovací motor
dvoudobý spalovací motor
(například lodní motory)
Palivo je do něj dopravováno odděleně od
vzduchu vysokotlakým čerpadlem a
vysokotlakým potrubím.
Výfukové
ventily Palivový
vstřik
Kliková
skříň
Píst
Olej
Přívod
vzduchu
Moderní
provedení
vznětového
motoru
Pracovní fáze vznětového motoru
• Sání – píst se pohybuje směrem do dolní úvrati (DÚ), přes sací ventil je nasáván vzduch.
• Komprese – píst se pohybuje směrem do horní úvrati (HÚ). Oba ventily jsou uzavřené. Nasátý vzduch zmenšuje svůj objem, zvětšuje tlak a teplotu. Těsně před horní úvratí je do válce vstříknuto palivo.
• Expanze – oba ventily jsou uzavřené. Směs paliva a vzduchu zapálená samovznícením shoří. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů. Ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci.
• Výfuk – píst se pohybuje směrem do horní úvrati. Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí.
Dieselův motor• Vznětové motory se nejčastěji montují do
nákladních automobilů, zemních strojů,
některých lokomotiv a lodí.
• Jejich účinnost se pohybuje od 30 % do 42 %.
• Vznětové motory mají při stejném výkonu větší
hmotnost než zážehové.
Vznětový čtyřdobý motor
(Dieselův motor)
• má obdobnou konstrukci jako zážehový
čtyřdobý motor
• nepotřebuje však elektrické zapalování
směsi
• účinnost tohoto motoru je asi 40%.Pracovní cyklus motoru
Palivo: nafta
Dvoudobý spalovací motor• Dvoudobý spalovací motor je pístový spalovací motor, jehož pracovní
cyklus proběhne za jednu otáčku klikové hřídele. Na rozdíl od čtyřdobého spalovacího motoru obstarávají přívod zápalné směsi místo ventilů píst a kanály. Píst při svém pohybu otevírá a zavírá kanály. U novějších motorů ovládá sání pod píst šoupátkový rozvod nebo klapky.
• Mazání u zážehového dvoudobého motoru je prováděno olejem rozpuštěným v palivu. Tlakové oběhové mazání, používané u čtyřdobých motorů, nelze použít, protože na pracovním cyklu se podílí i dolní plocha pístu.
• Proti čtyřdobým motorům jsou díky jednodušší konstrukci lehčí a obvykle mají při stejných otáčkách vyšší měrný výkon (daný dvojnásobným počtem pracovních cyklů na jednu otáčku), ale nižší účinnost danou tím, že komprese a/nebo expanze musejí být zkráceny, aby mohla proběhnout výměna paliva a výfukových plynů v pracovním prostoru. Proto velmi záleží na tvaru, délce a průměru výfuku, který velmi ovlivňuje vyplachování spalovacího prostoru čistou směsí.
• V současné době jsou ale na ústupu právě pro svou nižší účinnost a hlavně pro znečištění, způsobené příměsí nespáleného paliva ve spalinách (v závislosti na kvalitě vyplachování spalovacího prostoru) a spalováním oleje obsaženého v palivu.
Motor má tři druhy pracovních kanálů
A. sací
B. výfukový
C. přepouštěcí
Princip činnosti:
Píst se pohybuje z DÚ do HÚ (obr. 1-1)
Činnost v klikové skříni (pod pístem)
Po uzavření přepouštěcího kanálu horní hranou
pístu se v utěsněné klikové skříni zvětšuje objem
a vzniká v ní podtlak asi 20 kPa až 40 kPa. Po
uvolnění sacího kanálu dolní hranou pístu, začne
skutečné nasávání směsi (obvykle výbušná
směs+mazací olej) do klikové skříně.
Činnost ve spalovacím prostoru (nad pístem)
Po uzavření výfukového kanálu začíná stlačování
zápalné směsi ve válci nad pístem. Krátce před
HU přeskočí na svíčce jiskra a zažehne zápalnou
směs.
Píst se pohybuje z HÚ do DÚ (obr. 1-2)
Činnost ve spalovacím prostoru
V důsledku hoření směsi rychle vzroste teplota a
tím i tlak. Vzniklé plyny se rozpínají a tlačí na píst
z HÚ do DÚ. Energie horkých plynů se tak
převádí na mechanickou práci.
Činnost v klikové skříni
Píst uzavře sací kanál a směs uzavřená v klikové
skříni se začne stlačovat. V klikové skříni bude
přetlak 30 kPa až 60 kPa.
Výměna náplně (činnost pod i nad pístem) (obr.
1-3)
Nejprve horní hrana pístu otevře výfukový kanál.
Spaliny prudce unikají do výfukového potrubí a
tlak nad pístem prudce poklesne. Krátce nato
píst svojí horní hranou otevře přepouštěcí kanál
a zápalná směs vlivem přetlaku v klikové skříni
začne proudit do pracovního prostoru. Před
sebou vytlačuje spaliny do výf. kanálu a tím
dochází k vyplachování válce. Tento děj končí po
uzavření přepouštěcího a následně i výfukového
kanálu. Pak nad pístem následuje komprese.
Popis dvoudobého motoruChod dvoudobého motoru
Tato konstrukce motoru byla odvozena od
parního stroje a je historicky starší než čtyřdobý
motor.
Výhody proti čtyřdobému motoru: jednoduchá
konstrukce, méně pohyblivých částí, vysoký
objemový výkon a nižší výrobní náklady.
Dvoudobé se používají nejčastěji v motocyklech
a různých přenosných strojích, např.
motorových pilách.
Dvoudobé motory jsou
jednodušší, ale mají menší
účinnost než čtyřdobé, neboť
výfukem odchází část
nespálené směsi.
Pracovní fáze dvoudobého
zážehového motoru• sání a komprese – Píst se pohybuje od dolní úvratě směrem
k horní úvrati. V klikové skříni vzniká podtlak a tím se nasaje do klikové skříně zápalná směs. Během pohybu pístu nahoru se uzavírá výfukový a přepouštěcí kanál. Směs v prostoru nad pístem (byla připravena dříve během druhé fáze) se stlačuje, nastává komprese a pod pístem probíhá důsledkem podtlaku sání.
• expanze a výfuk – Těsně před horní úvratí přeskočí jiskra, nastává zážeh a expanze. Expanzí je píst tlačen z horní úvratě do úvratě dolní. Spodní hrana pístu uzavírá sací kanál. Směs v klikové skříni se pohybem pístu stlačuje. Při dalším pohybu pístu otevírá pravá horní hrana pístu výfukový kanál a vzápětí na to otevírá horní hrana pístu i přepouštěcí kanál a stlačená směs začne vytlačovat zbytky zplodin a dostává se do prostoru nad píst.
Dvoudobý motor
Průřez dvoudobým, přeplňovaným, zážehovým motorem typu boxer s
protiběžnými písty a společným spalovacím prostorem
Benzinový zážehový dvoudobý,
vzduchem chlazený ze šikmým válcem
skloněným vpřed
počet válců 1
Reaktivní motory• Reaktivní motory využívají sílu reakce
při úniku horkých plynů tryskou.
• Rozlišujeme motory proudové
a raketové.
• První práce z této oblasti publikoval
v roce 1903 Konstantin Eduardovič
Ciolkovskij, další rozvoj nastal
s druhou světovou válkou, kdy se
rakety používaly jako zbraně (např.
německá V1 nebo V2).
• Dalším vývojem raket a reaktivních
motorů se zabýval R. H. Goddard,
Hermann Oberth a Sergej Pavlovič
Koroljov.
Replika V2 - první úspěšné rakety -
v muzeu v Peenemünde
Otcové vývoje raket a reaktivních motorů
Konstantin
Eduardovič
Ciolkovskij
Hermann Oberth Robert H. Goddard
Sergej
Pavlovič
Koroljov
Raketové motory• Raketové motory na kapalné palivo nesou s sebou nádrže s tekutým
palivem a okysličovadlem.
• Jako paliva se používají např. naftové produkty, vodík atd.
Okysličovadlem je např. tekutý kyslík, fluór, kyselina dusičná a jiné látky
bohaté na kyslík.
• U velkých raketových motorů shoří ve spalovací komoře za 1s kapalné
pohonné látky o hmotnosti až 2700 kg.
• Používají se k uvádění družic, kosmických sond a kosmických lodí
na příslušnou trajektorii.
• Raketové motory na pevné palivo se skládají ze spalovací komory,
uvnitř které hoří pevné pohonné hmoty. Tyto motory jsou konstrukčně
jednoduché a provozně spolehlivé. Umožňují neustálou připravenost ke
startu. Nedovolují však vícenásobný start.
• Raketové motory mají také význam pro vojenské účely.
• Dosahují účinnosti kolem 50 %.
Řez raketou
V2 1. Bojová hlavice
2. gyroskopický naváděcí systém
3. radiový přijímač navádění
4. palivo (směs alkoholu s vodou)
5. trup rakety
6. okysličovadlo (kapalný kyslík)
7. nádrž peroxidu vodíku
8. Nádrže stlačeného dusíku
9. Vyvíječ páry (z peroxidu)
10. Palivové čerpadlo
11. Přívod paliva a okysličovadla
12. Rám motoru
13. spalovací komora motoru
14. stabilizační křídla
15. přívod paliva pro chlazení trysky
motoru
16. řídící klapky (směr spalin)
17. řídící křidélka
Celkem bylo v
průběhu 2. světové
války vyrobeno přes
6000 raket V-2, z
nichž téměř 3172
bylo odpáleno na
nepřátelské cíle. Mezi
nejčastější cíle raket
V-2 patřil Londýn,
proti němuž bylo
vypáleno 1358 raket
a dále belgické
Antverpy, na něž bylo
vypáleno 1610 raket.
Raketový motor
Současné raketové motory
Proudové motory• Proudové motory patří mezi motory,
u nichž je k přeměně energie plynu
v mechanickou energii využit třetí
pohybový zákon (akce a reakce).
• Spalováním paliva vznikají plyny, které
unikají tryskou do okolí. Síla, která
vypuzuje plyny z motoru, je akce.
Reakce působí na samotný motor a tím
uvádí do pohybu např. letadlo.
• K tomu, aby se letadlo dalo do pohybu je
nutné použít turbokompresor, který vhání
vzduch do osy motoru.
• Reaktivní motory využívají při spalování
paliva jako okysličovadlo kyslík
z ovzduší.
• Mohou se proto pohybovat pouze
v zemské atmosféře.
Letecký turbínový motor
1 – nasávání vzduchu, 2 – nízkotlakový kompresor, 3 – vysokotlakový
kompresor, 4 – spalování, 5 – spaliny, 6 – vysokoteplotní část, 7 – vysokotlaková
turbína a nízkotlakové turbíny, 8 – spalovací komora, 9 – nízkoteplotní část, 10 –
vstup vzduchu
K prostudování
Učebnice F8 str.61 - 67