Repasované autodíly přímo od zdroje
search
Chcete poradit?
basket 0

0 Kč

V košíku nemáte žádné zboží

Dvoudobé a čtyřdobé spalovací motory a proces spalování

calendar17.11.2021

timer14 min

userTomáš

Mnoho lidí si myslí, že dvoudobé motory už nikde nenajdeme. Tyto motory ale mají mnoho výhod oproti čtyřdobým a pro některé aplikace jsou dokonce jediné vhodné řešení. Například žádná benzinová motorová pila není k dostání se čtyřdobým motorem. Jedná se o velikost zařízení a jeho váhu. Dřevorubci potřebují co nejmenší a nejlehčí stroj, který je dobře vyvážený a má dostatečný výkon.


Výhody a nevýhody dvoutaktního motoru

Výhoda dvoutaktních motorů je jednoduchá konstrukce – žádné ventily, které by se mohly ucpat špínou, žádné vačky. Ze stejného objemu lze vydolovat vyšší výkon a otáčky, v porovnání se čtyřdobým motorem. Řezný řetěz motorové pily se musí točit vysokou rychlostí, navíc v zařízení, které drží člověk celý den v rukou je prostorově a nevýhodné mít oddělené nádržky na palivo a olej pro mazání motoru. Navíc motorová pila vyžaduje ještě místo pro nádržku na ztrátové mazání řetězu olejem. Dvoutaktní benzínové motory se tedy velmi hodí pro použití v náročných podmínkách – například terénní dirt biky mají díky nim mnohem jednodušší čištění a servis. Švédská Husqvarna se proslavila dvoudobým nářadím i motocykly. Dvoutaktní motory dodnes používají sněžné skůtry a motory pro pohon člunů.

Zahradní technika, zvláště ta nesená na zádech byla dlouhé roky dostupná pouze ve dvoudobém provedení. Technický vývoj však přinesl na trh i malé čtyřdobé benzínové motory, například Honda je nabízí v produktech jako jsou vyžínače nebo nůžky na živý plot.  

Dvoutaktní motory jsou tedy spíše na ústupu a jediná oblast, kde lze jejich udržení se v dlouhodobém horizontu předpokládat jsou dvoutaktní lodní pomaluběžné motory. Zvláštní je, že zatímco u silničních vozidel se emise velmi řeší, na námořní motory se obvyklé emisní normy emise nevztahují. Spotřeba lodních motorů se počítá v tunách a pohání je námořní nafta (mazut), což je levné palivo s obsahem síry až 3,5 %. Pro ilustraci: výletní loď se šestnácti palubami a více než 2500 kajutami Harmony of the Seas spálí za 1 hodinu plavby spálí 5200 litrů tohoto nekvalitního paliva. Faktem však zůstává, že automobilová doprava mění klima pětinásobně více, než lodě. Důvodem je mnohem větší počet automobilů, než je lodí.     

V minulosti se vyráběly dvoudobé dieselové lokomotivy, jmenujem například sovětské lokomotivy řady 781 (zvané Sergej), které jezdily i v Československu. Jejich hlavní nevýhodou byla oborovská spotřeba paliva a hlučnost provozu. Dieselový dvanáctiválec této lokomotivy měl maximální výkon 2000 koní, při kterém spálil za hodinu 410 litrů nafty. Volnoběh motoru spotřeboval pouhých 40 litrů paliva za hodinu.   

Hlavní nevýhodou dvoutaktních motorů je vysoká spotřeba paliva (účinnost benzinových dvoutaktů se pohybuje okolo 20 %). Dalším problémem jsou emise, protože olej pro mazání je rozpuštěn přímo v benzinu, tímto vzniká při psalování také karbon, který zanáší spalovací prostor a výfukové potrubí. Z tohoto důvodu bylo pro dvou taktní motory vyvíjeno oddělené mazání, které používaly v sedmdesátých letech minulého století zejména mototcykly značky Suzuki.

Vůz GMC 860





Mezi slavné výrobce dvoudobých dieselových motorů patří Detroit Diesel. V roce 1959 příšel s vozem GMC 860, který měl dvoutaktní nafotvý motor. Dvoutaktní diesely jsou hlučné a mají vysokou spotřebu paliva. I v současnosti se najdou firmy, které s dvoudobými motory experimentují. V roce 2021 na sebe upozornila společnost Achates Power, která vyrobila 10,6 litrový dvoudobý tříválec od výkonu 400 koní, který je schopen běžen na naftu, benzin, plynná paliva a dokonce i vodík.  

Vůz GMC 860 


V současné době naprosto dominují čtyřdobé spalovací motory a v tomto článku se budeme zabývat vývojem efektivity těchto motorů, protože pro použití v osobních vozech a ani v kamionech se již nové dvoudobé motory obvykle nevyrábějí.

U čtyřdobých benzinových i dieselových motorů platí, že během čtyř jeho na sebe navazujících pracovních dob se kliková hřídel otočí dvakrát. Práce motoru se odehrává nad pístem a pod ventily, které jsou ovládány vačkovým hřídelem, motoru zajišťují výměnu náplní ve válci (směs paliva se vzduchem a spaliny).

Pístové spalovací motory můžeme dělit na motory s přímočarým pohybem pístu (drtivá většina) a rotačním pohybem. U sportovních vozů je vysoký výkon a zážitek z jízdy důležitější, než spotřeba paliva.


Pístové spalovací motory můžeme dělit na motory s přímočarým pohybem pístu (drtivá většina) a rotačním pohybem. U sportovních vozů je vysoký výkon a zážitek z jízdy důležitější, než spotřeba paliva.

 Mazda RX-8 (na fotografii) nebo NSU Ro 80 mají Wankelův motor.

 Mazda RX-8 (na fotografii) nebo NSU Ro 80 mají Wankelův motor. 


Automobilka NSU z německého Neckarsulmu zkrachovala (už podruhé) v roce 1977. Její nadčasovost a inovátorství se setkaly s pochopením trhu. Model Ro 80 platí dnes za kultovní legendu, která předběhla designem i technikou dobu a inspirovala další výrobce. Vůz používal dvourotorový rotační motor, který při 5500 otáčkách za minutu generoval 85 kW /115 koní. Problémem byla nízká životnost rotačního motoru, který často již po 50 000 km vyžadoval generální opravu. Spotřeba 14 litrů benzinu na 100 km jízdy také nenadchla. neúspěch modelu Ro 80 je hlavní důvod, proč Wankeův motor je v automobilismu dnes naprosto okrajová záležitost.    

Princip činnosti čtyřdobého spalovacího motoru

Na ilustraci vidíme jednotlivé fáze čtyřdobého spalovacího motoru


Fáze čtyřdobého spalovacího motoru

Sací doba

Píst se pohybuje směrem dolů a dochází k sání směsi paliva se vzduchem přes otevřený sací ventil. Aby byl účinek sání optimální, tak dochází k otevření sacího ventilu a chvíli dříve, než píst dosáhne horní úvratě (místa, kde píst pohybující se po vymezené dráze mění směr svého pohybu). Tento předstih činí několik stupňů otočení kliky. Když dosáhne píst dolní úvratě, tak ventil zůstává ještě chvíli otevřený, aby bylo dosáhnuto co největší plnosti válce.

Kompresní doba

Píst se pohybuje směrem vzhůru a stlačuje tím směs ve válci. Pokud se jedná a benzinový motor, tak je palivo zapáleno zapalovací svíčkou ještě, než píst dosáhne horní úvrati. Palivo ve vznětovém motoru svíčku k zážehu nepotřebuje, protože naftový motor pracuje s mnohem vyššími kompresními tlaky a páry paliva a vzduchu se samo vznítí tím, že s rostoucím tlakem roste i teplota směsi.


Expanzní doba

Po zapálení (benzín) nebo vznícení (nafta) dochází ve válci k nárůstu teploty a tlaku. Vlivem rozpínání plynů je píst tlačen dolů a tím je vykonána práce. Někdy se tento zdvih také nazývá pracovní, neboť pouze v této fázi koná motor užitečnou práci.


Výfuková doba

Výfukové plyny jsou vytlačovány pohybem pístu nahoru. Výfukový ventil je uzavřen hned po tom, co píst dosáhne horní úvratě.


Princip činnosti dvoudobého spalovacího motoru

Dvoudobý motor na rozdíl od motoru čtyřdobého je mnohem jednodušší a jeho pracovní cyklus proběhne za jednu otáčku klikové hřídele. U čtyřdobého motoru to je jednou za dvě otáčky. Dvoudobý spalovací motor nepoužívá k přívodu zápalné směsi a odvodu spalin ventily, o přívod zápalné směsi se stará píst a kanály. Právě menší počet komponent a jedodušší konstrukce činí dvoudobý motor ideální pro nasazení v špinavém prostředí, protože se stroj mnohem jendodušeji čistí. Dvoudobé motory ve stejné kubatuře jsou obyvkle lehčí, než čtyřdobé a poskytují větší výkon, než modernější čtyřdobé motory. Právě lehkost, vysoká točivost motoru a snadný servis je předurčila pro ruční nářadí a nasazení ve špinavém prostředí (motokros, dirt bikes). Problémem dvoudobých motorů je nízká účinnost (jen okolo 20 %), a díky spalování směsi oleje a benzinu i nepříliš dobré emise. je to dáno tím, že dvoutakty, obvykle nemají oddělené mazání motoru a mazání je provádeno olejem, který je rozpuštěný ve spalovaném palivu.  V motorových pilách jsou dvoutakty dodnes nenahraditelné. Čtyřdobé motorové pily se vůbec neprodávají.


Sání a komprese

Píst se pohybuje od dolní úvratě směrem k horní úvrati. V klikové skříni vzniká podtlak a nahoru se pohybující píst otevře sací kanál, tím se nasaje do klikové skříně zápaná směs (pokud se jedná o modernější dvoutakt, tak se používá rotační šoupátko nebo sací jednocestný ventil). Tím, jak se píst pohybuje nahoru se uzavírá výfukový a přepoštěcí kanál. Zápalná směs, která se nachází nad pístem, se stlačuje (komprese).


Expanze a výfuk

Chvíli před tím, než píst dosáhne horní úvrať, tak přeskočí jiskra, zápalná směs začne hořet a energie spalin tlačí píst směrem od horní úvratě k dolní úvrati. Dolní hrana pístu uzavírá sací kanál. Pohybem pístu se směs stlačuje a dalším pohybem pístu se horní hranou pístu otevírá výfukový kanál a vzápětí horní hrana pístu otevře i přepoštěcí kanál, stalčená směs začne vytlačovat zbytky spalin. Následně začne píst cestovat opět směrem nahoru, výfukový a sací kanál se uzavře, směs se opět slačuje a na spodní straně pístup probíhá sání. 


Hlavní výhody dvoutaktů:
rychlá reakce na přidání plynu, absence rozvodů, obrovské rozpětí pracovní otáček, oproti čtyřtaktům vyšší měrný výkon, menší hmotnost, levnější výroba

Hlavní nevýhody dvoutaktů: rychle opotřebení motoru, vysokí hlučnost a spotřeba paliva, špatné spalování a tím pátem i emise (olej v benzinu)

Přední výrobci zahradní a lesní techniky dvoutaktní motory dále vyvíjejí, Husquarna neustále inovuje svoji řadu motorů X-Torq a Stihl 2-MIX. 


Nákres dvoutaktu

Nákres dvoutaktu


Na skice je vynálezce karburátoru, belgičan Etienne Lenoir (1822-1900)

Palivo a jeho smísení se vzduchem


Složení paliva dokážou ovlivnit výrobce motorů jen z menší míry. Dokážou však pracovat na co nejlepším průběhu spalování, aby palivo co nejdokonaleji shořelo a výfukové plyny byly co nejméně škodlivé. U motorů je jednodušší konstrukce (staré a malé motory) se směs paliva připravuje v karburátoru, kde se mísí vzduch a paliva podle zatížení motoru a jeho otáček.

Karburátor má tyto části: směšovací komora, difuzor, plovák, plováková komora, ventil pro odvzdušnění, jehlový ventil, rozprašovací trubice, škrtící klika.
 
Belgičan Etienne Lenoir v roce použil tuto součástku u svého plynového motoru, u kapalného paliva použil karburátor Němec Karl Maybach v roce 1893. Karburátory byly používány v autech pouze do zavedení emisních limitů, protože se jedná o nepřesné, čistě mechanické zařízení. Proto dnešní vozy karburátory nemají a byly plošně zavedeny různé systémy elektronicky řízeného vstřikování paliva.

Vynálezce karburátoru Etienne Lenoir (1822-1900)



Na obrázku výše jde vidět nákres fungování karburátoru

Princip fungování karburátorů:

Při nasávání směsi do motoru prochází vzduch zúžením ve tvaru nerovnoměrného oboustranného trychtýře (difuzoru), kde díky Bernoulliho jevu (zákon zachování mechanické energie pro ustálené proudění mechanické kapaliny) s rychlostí proudění vzduchu se zvyšuje podtlak přisávající do proudícího vzduchu palivo z karburátoru, které je rozptylováno na malé kapičky. Tím, že se palivo odsává, tak klesá hladina v plovákové komoře. Jehlový ventil je mechanicky napojený na plovák a s klesnutím hladiny pootevře potrubí – tím se hladina zvýší a jehlový ventil přísun dalšího paliva zastaví. 

Karburátorů existuje dle konstrukce řada druhů, mohou mít i více směšovacích komor, regulace směšování je řešena buď škrtící klakou, nebo šoupátkem, směšovací komora může mít dle typu různou polohu (spádová, šikmá, horizontální).  

Fungování karburátoru

Vstřikování paliva

Švéd Jonas Hesselman se zasloužil v roce 1925 o začátek rozšíření vstřikování paliva. Tento vynálezce je pozoruhodný tím, že v jeho motoru se ke startu užívalo benzinu, po zahřátí byl spalován těžký topný olej.

V začátcích technologie vstřikování se výkon zvyšoval tím, že se dopravovalo více paliva do válce. Karburátorová technologie zcela zmizela z nových osobních teprve až v 90. letech. Vstřikování má mnoho výhod oproti přípravy směsi v karburátoru. Z litru paliva je možní získat až o 20% více výkonu a současně snížit spotřebu paliva až o 15%, zlepšila se reakční doba na sešlápnutí pedálu a motory se vstřikováním nepotřebují již manuální sytič. Dá se říct, že díky tomu je jednodušší nastartovat moderní vůz, než starou Škodu 120 s karburátorem. Moderní řidiči tedy obvykle mají problém nastartovat staré vozy, jelikož moderní vozy nemají manuální sytič.

Vstřikování paliva je realizováno v nepřeberném množství konstrukčních řešení. Dle typu zvolené konstrukce vstřikuje buď do předkomůrky, do sacího kanálu, sacího potrubí nebo do válce. 

Aby se zajistila co nejlepší směs paliva a vzduchu a co nejlepší rozprášení, tak je palivo vstřikováno pod velkým tlakem z malého otvoru trysky. Tím se tvoří malé kapičky. U zážehových motorů se vstřikuje lehce odpařitelné palivo (benzin, ethanol E85…), vznětové motory vstřikují kapalné palivo (motorová nafta, mazut, různé oleje). 

Na fotografii vidíte rozborku vstřiků




Firma BOSCH vynalezla v roce 1960 systém Jetronic pro zážehové motory. Existuje mnoho variant. Jedná se o nízkotlaký systém, s jedním elektromagnetickým vstřikovacím ventilem. Řídící jednotka určuje podle otáček motoru a polohy škrtící klapky okamžik a délku vstřikování. Pro řídící jednotku jsou dále důležité informace o teplotě motoru a vzduchu, a složení směsi a spalin. 

V současné době mají vstřikování paliva naprosto všechny nové automobily a vstřikování se dále rozšiřuje i do motocyklů a skůtrů. Příprava směsi v karburátoru zůstává nehahraditelná pro malou nesenou zahradní a lesní techniku. Systém vstřikování paliva vyžaduje elektrickou energii, řídící jednotky, různé senzory a samotný systém vstřikovačů. Nesené zařízení by bylo příliš velké a těžké (a také drahé), proto lze očekávat, že se zanesenými karburátory budeme setkávat při práci v lese a na zahradě i v budoucnosti. 

Rozborka vstřiků