spaľni motor

Spaljivački motor (u širem smislu) je stroj, koji sagorevanjem goriva pretvara njegovu kemijsku energiju u mehanički rad. K sagorevanju goriva, ili miješanice goriva može dolaziti u motoru, ali i van motora. U užem smislu pod pojmom spaljivački motor obično se podrazumijeva pistonski spaljivački motor.^[1]. Članak se bavi spaljivačkim motorom u širem smislu.

Način rada

Nekoliko materija, općenito nazvane goriva, sposobne su kemijske reakcije sagorevanja, pri čemu se oslobađa toplota. Ako se oslobođenom toplinom zagrije radni plin, prema stavnoj jednadžbi se povećava njegov pritisak, ili volumen, ovisno o tome je li se nalazio u zatvorenom, ili otvorenom prostoru. Ovaj stanje plina možemo iskoristiti za izvođenje mehaničkog rada, bilo djelovanjem pritiska na pokretni dio motora, ili iskoristavanjem zakona akcije i reakcije prilikom izlaza radnog tijela iz motora. Izvođenje dobivenog mehaničkog rada u iskoristivom obliku je već samo pitanje prikladnog konstrukcijskog rješenja. Cijeli proces odvija se u skladu s drugim zakonom termodinamike s određenom učinkovitošću.

Nekoliko od varijanti navedenog općenitog principa je prisutna u realizaciji svakog spaljivačkog motora. Tada vrijedi:

goriva mogu biti čvrsta, tekuća ili plinovita,
okolina u kojoj se sagoreuju je najčešće zrak ali može biti i druga tvar,
sagorevanje može odvijati unutar ili izvan motora,
radni plin može biti samostalan, ili to mogu biti direktni dimni plinovi,
radni plin se kontinuirano zamjenjuje, ili je zatvoren u motoru,
pokretni dio motora na koji djeluje radni plin se može kretati različitim načinom,
za dobivanje mehaničkog rada se može iskoristiti jedan, drugi, ili oba načina zajedno.

Uz to navedeno nije iznenađujuće da grupa spaljivačkih motora obuhvaća količinu tipova i raznih konstrukcijskih oblika, stoga je korisno upotrijebiti za njihovu klasifikaciju prave kriterije.

Razdioba

Spaljivački motori se dijele prema nekoliko aspekata. Pojedini aspekti su međusobno neovisni, stoga nije moguće u ovom slučaju stvoriti jednostavnu strukturu stabla

Osnovna razdioba

Spaljivački motori se dijele:

prema tome gdje dolazi do sagorevanja (u motoru ili izvan njega) na
- motori s unutarnjim sagorevanjem (većina današnjih spaljivačkih motora)
- motori s vanjskim sagorevanjem, pri čemu se kod njih može razlikovati, kako se energija dostiže u radni prostor
  - ulazakom radnih plinova (npr. plinoviti turbine)
  - prelaskom topline preko grijača radnog tijela (npr. Stirlingov motor)
prema radnom ciklusu na
- motore s kontinuiranim radnim ciklusom (npr. sagorevačke turbine)
- motore s prekinutim radnim ciklusom
  - dvodobni motor
  - četverodobni motor
Prema osnovnom radnom principu na:
- pistonski spaljivački motori
  - motori s pravocrtnim povratnim kretanjem piste (većina današnjih spaljivačkih motora)
  - motori s kružnim kretanjem piste (Wankelov motor)
- lопatkovи motori (turbine)
- reaktivni motori (strujni, ili raketski)
Pistonski spaljivački motori se prema načinu izazivanja sagorevanja dijele na:
- zajihani - sagorevanje izaziva energija iz vanjskog izvora - iskra zapažačke svijeće
- vznetni - kada sagorevanje izaziva zagrijavanje stlačene miješanice iznad temperature zapaljanja
- motori s kombiniranim zapaljanjem
- žarne turbine

U svakodnevnoj praksi se danas pod spaljivačkim motorom podrazumijeva spaljivački motor s unutarnjim sagorevanjem.

Dodatna razdioba

Također postoje i dodatne detaljnije aspekte. Sljedeća lista kriterija nije potpuna, dodatno pojedine kategorije spaljivačkih motora, npr. turbine, imaju specifične vlastite kategorije.

prema vrsti sagorevanog goriva motori se dijele na:
- plinoviti - sagorevaju plinovita goriva npr. prirodni plin
- na tekuća goriva - naftna (benzin, nafta), ili druga (alkohol)
- na čvrsta goriva - npr. prahovito ugalje
- raznogorivi - koji mogu preći na sagorevanje drugog goriva s izmjenom motora ili bez
- dvojgorivi - koji sagorevaju više vrsta goriva istovremeno
prema mjestu pripreme miješanice:
- s formiranjem miješanice izvan radnog prostora - npr. u karburatorima, sagorevačkim komorama
- s formiranjem miješanice u radnom prostoru - npr. u cilindrima vznetnih motora
prema načinu pripreme miješanice:
- karburatorski motori
- ulivni motori
prema načinu na koji se dovodi zrak u cilindre:
- motori s atmosferskim punjenjem cilindara (prirodnim), kada se ispuhava samo podtlak izazvan kretanjem piste u cilindru,
- prepunjeni motori, kada se punjenje cilindra pod većim pritiskom od okolnog zraka osigurava dodatno uređenje u punjenom sistemu. Punjenim uređenjima mogu biti mehanički duvaci ili i kompresori, npr. u automobilu VW Corrado (G-Lader), ili kompresori korišteni u automobilima Bentley (Bentley Blower) turboduvaci, npr. u motorima TDI od tvrtke VW.
prema radnom namjenu na: stacionarni, mobilni, industrijski, elektrana, brodski, željeznički, vozni, traktorski, posebni i drugi.

Pistonski spaljivački motor

Vise informacija u glavnom članku: Pistonski spaljivački motor

Ovi motori su najbrojniji zastupnik spaljivačkih motora u tehničkim uređajima. Gotovo isključivo se koriste za pogon motornih vozila. Njihovom osnovnom dijelom je pistonski, koji izvodi translatorno ili rotacijsko kretanje i sredstvom prenosi pritiskovu energiju plinovite napolje na mehaničku energiju rotirajuće vratila.

Zajihani motor

Vise informacija u glavnom članku: Zajihani spaljivački motor

Osnovna karakteristika zajihanih motora je da se miješanica u cilindru iznad piste najčešće zapali iskrom između elektroda svijeće. Miješanica za zapaljanje zahtijeva vanjski izvor energije. Zajihani motor može raditi kao dvodobni, ili četverodobni.

Vznetni motor

Vise informacija u glavnom članku: Vznetni motor

Osnovna karakteristika vznetnih motora je da se miješanica, koja se formira direktno u sagorevačkom prostoru, zapali od tzv. kompresijske topline. Ovi motori imaju takav visok kompresijski omjer da pri stiskanju zraka unesenog u cilindar je u trenutku uliva goriva u sagorevačkom prostoru temperatura viša, nego je temperatura zapaljanja goriva. I vznetni motor može raditi kao dvodobni, ili četverodobni.

Raketski motor

Vise informacija u glavnom članku: Raketski motor

Raketski motor ima posebno mjesto među ostalim spaljivačkim motorima:

radno tijelo ne uzima tijekom rada iz atmosfere, već osim goriva mora imati dovoljno zalihe oksidanta
korisni izlaz motora nije mehanički rad, već reakcijski efekt dimnih plinova
osim pomoćnih sistema (npr. pumpi, okretanje izlaznih cijevi) ne sadrži u glavnom sistemu pretvorbe energije pokretne komponente.

S obzirom na navedene značajne razlike neki dijelovi donjeg teksta se ne odnose na raketske motore.

Povijest

Prvi predlozi korištenja svežnja, kao izvora mehaničke energije se pojavili su već u 17. stoljeću. U Francuskoj se problematikom bavili Hautefeuille i Denis Papin, u Holandiji Christian Huygens. Krajem 18. stoljeća predložio Street u Velikoj Britaniji korištenje miješanice tekućeg goriva s zrakom i Barber predložio prvu sagorevačku turbinu. U 19. stoljeću patentovao Lebon dvostruki plinski motor, S. Brown sagorevački motor i u godini 1826 ga ugradio u vozilo. Étienne Lenoir skonstruirao je u godini 1860 dvostruki dvodobni translatorni motor na svjetionik. U godini 1867 Nikolaus Otto i Langen skonstruirali atmosferski plinski motor, u godini 1873 Reithmann četverodobni plinski motor, u godini 1878 opet Otto ležeći četverodobni plinski jednostruki motor. U godini 1879 skonstruirao Kostovič zajihani motor s snagom do 60 kW za pogon vazduhoplova. U godini 1884 Gottlieb Daimler skonstruirao prvi četverodobni zajihani motor s visokim brojem okretanja. U godini 1893 opisao Rudolf Diesel radni ciklus za korištenje prahovitog uglja, ili drugih teških goriva. U 10. godinama 20. stoljeća odvijali su se eksperimenti za ulivanje goriva pumom, a ne preko stlačenog zraka. Serijsku proizvodnju automobila, a time i njihovih motora započela je u godini 1908 tvrtka Ford. U godini 1912 postavila švicarska tvrtka Sulzer prve lokomotive, pogonjene naftnim motorom.

Prednosti i nedostaci spaljivačkih motora

Svaki tip spaljivačkog motora ima svoje prednosti i nedostatke, pa se više ili manje podudara za pogon pojedinih uređaja.

Osnovne prednosti spaljivačkih motora su:

u pistonskom izvedenju postižu visoke učinkovitosti pretvorbe energije. Sagorevačke turbine postižu visoku učinkovitost samo u jedinicama s visokom snagom
mogu ih brzo uvesti u rad (s izuzetkom motora s velikom snagom)
mogu se konstruirati za različita goriva, svrhe i veličine
najviše s tekućim gorivima omogućavaju postizanje niskih potrošnja goriva, visokih akcionih radijusa, niskih specifičnih masa snage, tj. su prikladni za pogon sredstava za prijevoz.

Osnovni nedostaci spaljivačkih motora su:

neprimjeren utjecaj na okoliš
zahtijevaju vanjski izvor energije za start (osim raketskih)
pistonski motori imaju nepovoljno ponašanje karakteristika snage
ne postižu visoku trajnost

Podsustavi

Električni starter

Motor za svoj stvarni rad zahtijeva dodatne podsustave.

Sustav goriva osigurava skladištenje, distribuciju i filtriranje goriva.
Sustav pripreme miješanice osigurava pripremu sagorevačke miješanice zraka i goriva u dovoljnoj količini, kvaliteti i prikladnom sastavu.
Hlađenje sustav osigurava odvod ostatka topline i rad motora u optimalnom toplinskom režimu.
Podmazni sustav osigurava podmazivanje pokretnih dijelova motora.
Regulacijski sustav (danas gotovo isključivo elektronski) osigurava regulaciju rada motora na temelju vanjskih uvjeta i samog stanja motora.
Električni sustav osigurava dovoljno energije za sustave pogonjene električnom energijom.
Zapaljački sustav (u zajihanim motorima) osigurava pouzdanu zapaljanje miješanice u sagorevačkom prostoru.

Regulacija snage

Snaga spaljivačkog motora ovisi glavno o količini energije oslobađene sagorevanjem goriva. Količinu oslobađene energije možemo regulirati na dva načina.

Regulacija količine miješanice, inače nazivana i količinska regulacija. Kod manje količine miješanice oslobađa se manje energije i stoga motor prenosi manju snagu. Ovu regulaciju koriste zajihani motori bez rada s homogenom miješanicom. Najčešće je ova regulacija realizirana škrtalicom u uvoznom cjevovodu.
Regulacija sastava miješanice, inače nazivana i kvalitativna regulacija. Ista količina miješanice koja sadrži manje goriva oslobađa manje energije. Ovu regulaciju koriste najviše vznetni motori koji rade s heterogenom miješanicom. Najčešće je ova regulacija predstavljena promjenom dužine uliva goriva.

Sastav miješanice

Goriva

Kao goriva najčešće se koriste ugljovodici: lako isparljiva (benzin), teško isparljiva (nafta), stlačeni prirodni plin (CNG), tečni propan-butan (LPG), alkoholi (metanol, etanol).

Koriste se i njihove različite miješanice, ili se motor koristi kao višegorivi s prebacivanjem goriva tijekom vožnje. U posljednje vrijeme se u goriva počinju dodavati biološki aditivi, kao npr. metilester ulja repice (MERO).

Intenzivno se radi na zamjeni naftnih goriva vodikom.

Zrak

Osim goriva, nužna je komponenta miješanice za većinu spaljivačkih motora zrak, jer sadrži kisik potreban za sagorevanje.

Energetska bilanca

Toplina dovedena gorivom se u spaljivačkom motoru dijeli na sljedeći način:

Q_d = Q_e + Q_ch + Q_v + Q_ns + Q_ol + Q_zv

Q_d - toplina dodana gorivom
Q_e - toplina ekvivalentna korisnom radu motora
Q_ch - toplina odvedena u hlađenje sustava
Q_v - toplina odvedena u dimnim plinovima
Q_ns - toplina neiskorištena nedovršenim sagorevanjem goriva, nazivana i hemijske gubitke
Q_ol - toplina odvedena ulivnim uljem
Q_zv - toplina neuključena u prethodne članove (drugi gubitci)

Udio najizraženijih komponenti jednadžbe prikazan je u tablici, pri čemu Q_d odgovara 100 %.

Vrsta motora	% Q_e	% (Q_ch + Q_ol)	% Q_v
zajihani	21 do 28	12 do 27	30 do 55
vznetni	29 do 42	15 do 35	25 do 45

Toplinska energija koja uzrokuje zagrijavanje motora i dimnih plinova (Q_ch, Q_v, Q_ol) je neiskorištiva i naziva se stratovom energijom.

Iz navedenog uspoređivanja slijedi da vznetni motor iskoristi dodanu energiju učinkovitije, radi dakle s višom učinkovitošću.

Iz topline ekvivalentne korisnom radu Q_e se još dio troši na mehaničke gubitke (trenje i pogon pomoćnih agregata).

Emisije

Spaljivački motori su značajni izvor emisija

Vise informacija u glavnom članku: Emisije sredstava za prijevoz

Spaljivački motor s obzirom na njegovu masovu širenje pripada značajnim izvorima zagađivanja okoliša. Prirodni produkt savršenog sagorevanja ugljovodikovog goriva su

CO₂ - ugljični dioksid.
H₂O - voda.

Osim njih nastaju i ostali štetni spojevi:

NO_x - dušikovi oksidi, najviše zastupljen dušikov dioksid. Nastaju disocijacijom dušika pri visokim temperaturama i njegovom narednim oksidacijom.
NH₃ - amonijak. Nastaju nedovoljnim sagorevanjem goriva.
CO - ugljikov monoksid. Nastaje nekompletnim sagorevanjem bez dovoljne dostupnosti zraka (kisika).
CH_x - nesagoreni ugljovodici. Nastaju nedovoljnim sagorevanjem goriva.
SO₂ - sumporov dioksid. Nastaje sagorevanjem aditiva sumpora u gorivu.
O₃ - ozon. Nastaje pri reakcijama NO_x i CH_x.
čvrste čestice - rastvorljive, ili nerastvorljive (prljavština) - posebno kod motora koji sagorevaju teško isparljiva goriva (dizelski motori).
aldehidi - djelomično oksidirani ugljovodici.

Spaljivački motor je također značajni izvor emisija buča.

Smanjenje emisija

Pri današnjoj razini znanja nije moguće masovno zamijeniti spaljivački motor drugim alternativnim pogonom, prikladnim za automobilsku vožnju, koji bi zadržao prednosti spaljivačkog motora i nemao njegove nedostatke. Zbog toga proizvođači motora i motornih vozila intenzivno rade na smanjenju nepovoljnih utjecaja korištenja spaljivačkih motora.

Pri smanjenju emisija mogu se iskoristiti neke od sljedećih tehnika:

Povećanje učinkovitosti motora. Ova tehnika donosi smanjenje potrošnje goriva, čemu proporcionalno se smanjuje i volumen emisija stvorenih motorom pri inače jednakim uvjetima. Za smanjenje emisija C0₂ je ova tehnika jedina moguća, jer je ugljični dioksid produkt savršenog (i time čistog) sagorevanja.
Korištenje dodatnih uređaja. Zadaća ovih uređaja je povećati čistoću ispuhovitih plinova, prije ispuha u atmosferu. Tehnička realizacija su katalizatori (trostruki, ili reagirajući samo na određenu komponentu) ili filtracija dimnih plinova.
Konstrukcijske izmjene motora. Radi se pre svega o promjenama kompresijskog omjera, tajminga ventila, veličine i oblika ulivnih otvora, povećanje broja ventila, promjena oblika sagorevačkih prostora, smanjenje trenja.
Utjecanje na tijek sagorevanja. Realizira se promjenom vremenskih i volumenskih tijeka uliva, korištenjem žeravljivih svijeća čak i pri niskim opterećenjima, promjenom strujanja punjenja u cilindru.
Izmjene goriva. Poželjna su goriva s većim udjelom vodika, nižim sadržajem sumpora i poli-cikličnih ugljovodika, s povećanim cetanskim i oktanskim brojem.
Promjena radnog ciklusa. Za motore s količinskom regulacijom je moguće iskoristiti tehniku isključivanja cilindara CDA (Cylinder DeActivation).
Utjecanje na punjenje cilindara. Pri djelimičnim opterećenjima je moguće iskoristiti tehniku recirkulacije ispuhovitih plinova - EGR (Exhaust Gas Recilculation).