Spalovací motor: Jak funguje a proč je stále důležitý?

Spalovací motor je tepelný stroj, který přeměňuje chemickou energii paliva na mechanickou práci. Tato přeměna probíhá ve válcích motoru, kde dochází k řízenému spalování směsi paliva a vzduchu. Teplo uvolněné při spalování expanduje a tlačí na píst, který se pohybuje ve válci. Pohyb pístu se následně přenáší na klikový hřídel a převádí se na rotační pohyb. Existuje mnoho typů spalovacích motorů, které se liší konstrukcí, principem činnosti a použitým palivem. Mezi nejrozšířenější typy patří zážehové motory a vznětové motory. Zážehové motory, také známé jako benzínové motory, zapalují směs paliva a vzduchu elektrickou jiskrou ze zapalovací svíčky. Vznětové motory, naopak, zapalují směs paliva a vzduchu stlačením vzduchu na vysoký tlak a teplotu, čímž dojde k samovznícení paliva. Výběr správného typu spalovacího motoru závisí na mnoha faktorech, jako je například požadovaný výkon, spotřeba paliva, emise a provozní náklady.

Historie spalovacích motorů

Vývoj spalovacích motorů se začal psát již v 17. století, kdy byly podniknuty první pokusy o využití energie exploze střelného prachu pro pohon strojů. Tyto rané koncepty se však ukázaly jako nepraktické a nebezpečné. Prvním skutečně funkčním spalovacím motorem byl motor s vnějším spalováním, vyvinutý v roce 1816 Robertem Stirlingem. Stirlingův motor využívá externí zdroj tepla k ohřevu pracovního plynu, který následně expanduje a pohání píst.

Zlomovým okamžikem v historii spalovacích motorů byl rok 1876, kdy Nicolaus Otto představil svůj čtyřdobý zážehový motor. Tento motor, pracující na principu stlačování směsi paliva a vzduchu a jejího následného zapálení elektrickou jiskrou, se stal základem pro vývoj moderních benzinových motorů. Současně s Ottovým motorem se rozvíjel i motor vznětový, jehož princip vynalezl Rudolf Diesel v roce 1892. Vznětový motor, na rozdíl od zážehového, pracuje na principu samovznícení paliva vstřikovaného do stlačeného vzduchu.

Od té doby prošly oba typy motorů, zážehový i vznětový, obrovským vývojem, který vedl k jejich postupnému zdokonalování a zvyšování jejich účinnosti, výkonu a ekologičnosti.

Typy spalovacích motorů

Spalovací motory, nepostradatelná součást mnoha dopravních prostředků i strojů, přeměňují chemickou energii paliva na mechanickou práci. Existuje mnoho způsobů, jak tuto přeměnu energie provést, což vede k rozmanitosti typů spalovacích motorů. Základní dělení rozlišuje motory dvoudobé a čtyřdobé, lišící se počtem zdvihů pístu potřebných k dokončení pracovního cyklu. Dalším kritériem je způsob zapálení směsi paliva a vzduchu. Zážehové motory, známé také jako benzínové, využívají pro zapálení směsi elektrickou jiskru, zatímco u vznětových motorů, nazývaných také naftové, dochází k samovznícení paliva vlivem vysoké teploty stlačeného vzduchu. Kromě těchto základních typů existují i ​​méně obvyklé konstrukce, jako jsou rotační motory Wankel nebo motory s protiběžnými písty. Volba konkrétního typu motoru závisí na mnoha faktorech, včetně požadovaného výkonu, účinnosti, emisí a nákladů.

Čtyřdobý cyklus

Čtyřdobý cyklus je nejrozšířenějším principem fungování spalovacích motorů, ať už se jedná o benzínové nebo dieselové agregáty. Jeho princip spočívá ve střídání čtyř fází, z nichž každá probíhá během jednoho pohybu pístu z krajní do krajní polohy, tedy během jedné otáčky klikové hřídele o 180°. Celý cyklus tak proběhne během dvou otáček klikové hřídele, tedy 720°. První fází je sání, kdy se píst pohybuje dolů a nasává do válce palivovou směs (u benzínových motorů) nebo pouze vzduch (u dieselových motorů). Následuje komprese, kdy se píst pohybuje vzhůru a stlačuje nasátou směs nebo vzduch. Tím se zvýší teplota a tlak ve válci. Třetí fází je expanze, kdy se zapálí stlačená směs (u benzínových motorů) nebo se vstříkne palivo do horkého vzduchu (u dieselových motorů). Následná exploze prudce zvýší tlak ve válci a tlačí píst dolů. Poslední fází je výfuk, kdy se píst pohybuje vzhůru a vytlačuje spálené plyny z válce ven výfukovým ventilem. Poté se celý cyklus opakuje.

Dvoudobý cyklus

Dvoudobý cyklus je typ spalovacího cyklu, který dokončí celý proces spalování a výroby energie během dvou zdvihů pístu, tedy během jedné otáčky klikové hřídele. To je v kontrastu se čtyřdobým cyklem, který vyžaduje čtyři zdvihy pístu a dvě otáčky klikové hřídele pro dokončení jednoho cyklu. Dvoudobé motory jsou obvykle jednodušší a lehčí než čtyřdobé motory, protože nemají ventilový rozvod a používají klikovou skříň motoru pro předkompresi palivové směsi. To z nich dělá ideální volbu pro aplikace, kde je důležitá nízká hmotnost a jednoduchost, jako jsou motorové pily, sekačky na trávu a malé motocykly.

Vlastnost	Spalovací motor	Elektromotor
Zdroj energie	Benzín, nafta	Elektřina
Efektivita	20-40%	75-90%
Emise (místní)	Vysoké	Nízké (žádné u BEV)

Nicméně, dvoudobé motory mají i své nevýhody. Protože dochází k výfuku spalin a sání čerstvé směsi ve stejném okamžiku, dochází k částečnému smíchání a úniku nespálené směsi do výfuku. To má za následek nižší účinnost a vyšší emise ve srovnání se čtyřdobými motory. Z tohoto důvodu se dvoudobé motory v poslední době používají méně často v automobilech a dalších vozidlech, kde jsou emise a spotřeba paliva důležitým faktorem.

Využití spalovacích motorů

Spalovací motory nacházejí široké uplatnění v mnoha oblastech lidské činnosti. Jejich schopnost přeměnit chemickou energii paliva na mechanickou práci je činí nepostradatelnými v dopravě, průmyslu i energetice. V závislosti na konstrukci a účelu použití rozlišujeme různé typy spalovacích motorů.

Mezi nejrozšířenější patří zážehové motory, které nacházejí uplatnění především v osobních automobilech. Tyto motory se vyznačují tišším chodem a nižšími emisemi, jejich účinnost je však o něco nižší než u motorů vznětových. Vznětové motory, charakteristické svým robustním provedením a vysokým točivým momentem, se naopak uplatňují především v nákladní dopravě, stavebnictví a zemědělství.

Kromě těchto základních typů existuje i řada specializovaných spalovacích motorů, jako jsou například dvoudobé motory používané v menších strojích a motocyklech, nebo rotační motory, které se vyznačují kompaktními rozměry a vysokým výkonem. Výběr vhodného typu spalovacího motoru závisí na konkrétní aplikaci a požadavcích na výkon, účinnost a emise.

Výhody a nevýhody

Spalovací motory, ať už benzínové, naftové nebo plynové, kralovaly automobilovému průmyslu po celá desetiletí. Jejich nespornou výhodou je vysoký výkon a dlouhý dojezd na jedno natankování, což oceníme zejména na delších trasách. Dostupnost a rozvinutá infrastruktura čerpacích stanic je dalším plusem. Na druhou stranu, spalovací motory produkují emise, které znečišťují ovzduší a přispívají ke klimatickým změnám. Jejich provoz je také poměrně hlučný a náklady na palivo můžou být značné.

Emise a životní prostředí

Spalovací motory, ať už se jedná o benzinové, naftové nebo jiné typy, bohužel produkují emise, které mají negativní dopad na životní prostředí. Mezi nejvýznamnější patří oxid uhličitý (CO2), skleníkový plyn, který přispívá ke globálnímu oteplování. Dalším významným polutantem je oxid dusíku (NOx), který se podílí na vzniku smogu a kyselých dešťů. Typ motoru hraje roli v množství a složení produkovaných emisí. Například vznětové motory, ačkoliv jsou často úspornější z hlediska spotřeby paliva, produkují více NOx a pevných částic než benzinové motory. Výrobci automobilů se snaží minimalizovat dopad spalovacích motorů na životní prostředí vývojem nových technologií, jako jsou filtry pevných částic, katalyzátory a systémy selektivní katalytické redukce (SCR). Tyto technologie pomáhají snižovat emise škodlivých látek, ale i přes tyto snahy zůstávají spalovací motory významným zdrojem znečištění ovzduší.

Budoucnost spalovacích motorů

Spalovací motory poháněly vozidla po více než století, ale jejich budoucnost je v době rostoucích obav o životní prostředí a změnu klimatu nejistá. Přestože se elektromobily dostávají do popředí, spalovací motory se pravděpodobně v dohledné době nevzdají své pozice. Automobilový průmysl prochází transformací a spalovací motory se vyvíjejí směrem k větší účinnosti a ekologičnosti. Výrobci se zaměřují na vývoj nových technologií, jako je downsizing motorů, variabilní časování ventilů a systémy deaktivace válců, aby se snížila spotřeba paliva a emise. Kromě benzínových a naftových motorů se objevují i alternativní paliva, jako je stlačený zemní plyn (CNG), zkapalněný ropný plyn (LPG) a syntetická paliva, která by mohla prodloužit životnost spalovacích motorů. Budoucnost spalovacích motorů pravděpodobně spočívá v jejich hybridizaci s elektromotory. Mild-hybridní, full-hybridní a plug-in hybridní systémy kombinují výhody obou technologií a nabízejí sníženou spotřebu paliva a emise, aniž by se musely spoléhat pouze na elektrický pohon. I když se spalovací motory v budoucnu pravděpodobně stanou ekologičtějšími a úspornějšími, jejich dlouhodobá budoucnost zůstává nejistá.

Spalovací motor, ten věrný sluha lidstva, se stal i jeho věznitelem. Jeho síla nás osvobodila od těžké dřiny, ale jeho emise dusí naši planetu.

Jindřich Kovář

Spalovací motory sehrály klíčovou roli v dopravě a průmyslu po více než století. Jejich princip fungování, založený na přeměně tepelné energie z hoření paliva na mechanickou práci, se sice v průběhu let zdokonaloval, ale základní princip zůstává stejný. Dnes však čelíme globálním výzvám, jako jsou změna klimatu a znečištění ovzduší, které si žádají přehodnocení našeho vztahu k tradičním spalovacím motorům. Vývoj se proto ubírá směrem k alternativním pohonům, jako jsou elektromotory a vodíkové články, které slibují ekologičtější a udržitelnější budoucnost.

Přesto je nepravděpodobné, že by spalovací motory v dohledné době zcela zmizely. V některých odvětvích, jako je letectví nebo těžká doprava, zůstávají i nadále nenahraditelné. Je však nezbytné, aby se i spalovací motory dále vyvíjely a stávaly se efektivnějšími a ekologičtějšími. Toho lze dosáhnout například využitím nových materiálů, optimalizací spalovacího procesu a vývojem hybridních systémů, které kombinují spalovací motor s elektromotorem. Budoucnost dopravy tak pravděpodobně bude patřit kombinaci různých technologií, které se budou vzájemně doplňovat a umožní nám cestovat a žít udržitelnějším způsobem.