Tepelné motory

Motory jsou hnací stroje, které přeměnují určitý druh přiváděné energie na mechanickou energii. Hnaný stroj můžou pohánět buď přímo nebo prostřednictvím převodu.
Motory můžeme dělit podle konstrukčních znaků na
- pístové (motory spalovací vznětové a zážehové, parní motory…)
- rotační (parní a vodní turbíny, většina elektromotorů)
- reaktivní (proudové a raketové motory)
Podle druhu přiváděné energie se motory dělí na
- tepelné
- hydraulické
- elektrické

TEPELNÉ MOTORY

Tepelné motory získávají mechanickou energii změnou tepelné energie pracovní látky. Pracovní látkou je buďto pára nebo plyn. Podle toho se také dělí na parní motory a motory spalovací.

A. Parní motory

Parní stroj
Parní stroj je jedním z vynálezů, který významně ovlivnil vývoj průmyslu a civilizace. Devatenácté století je nazýváno stoletím páry, ale první parní stroje se objevili už ve století osmnáctém.
První průmyslově využitelný parní stroj postavil anglický vynálezce Thomas Newcomen (1663-1729) roku 1712. Práce na jeho konstrukce trvala deset let. Tento stroj byl určen pro vysávání vody ze zatopených uhelných dolů ve střední Anglii.
Pára z kotle vstoupila do válce a vytlačila píst nahoru. Přívod páry se pak uzavřel a do válce vstřikovaná studená voda způsobila kondenzaci páry. Vytvořil se tak podtlak a atmosférický tlak stlačil píst zpátky dolů. Pohyb pístu se pomocí ojnice přenášel na vahadlo, které svými kyvy rozpohybovalo čerpadlo. Vzduch a sražená voda se z válce odváděla trubkou.
Rozšíření Newcomenova stroje do jiných průmyslových oblastí bránila příliš velká spotřeba paliva, protože se válec musel při každém zdvihu pístu ochladit, a tak byl využit pouze v dolech, kde bylo paliva dostatek.
Na Newcomenovu práci navázal anglický fyzik James Watt (1736-1819). Jeho jednočinný parní stroj z roku 1769 snížil spotřebu paliva o celé dvě třetiny tím, že od sebe oddělil ohřívání a ochlazování, které původně probíhalo společně ve válci. Jednočinný stroj byl ale pouze další variací na vodní čerpadlo a doba si žádala energii k pohonu různých mechanismů. To splnil roku 1784 Wattův dokonalejší dvojčinný parní stroj s převodem na rotační pohyb, kdy bylo kývání vahadla přenášeno ojnicí na tovární zařízení. Na konci ojnice bylo připevněno malé neotáčivé kolo, které pohánělo velké centrální kolo na hřídeli setrvačníku. Ozubený setrvačník se zasouval do dalšího ozubeného kola. Rozdíl mezi dvoučinným a jednočinným strojem spočíval v přívodu páry na obě strany pístu.
Wattův stroj přispěl k průmyslové revoluci. Usnadnil výrobu litiny, čímž se významně rozvinuly železárny. Nejpřevratnější změny způsobil parní stroj asi v dopravě.
První motorové vozidlo na parní pohon zkonstruoval Francouz Nicolas Joseph Cugnot (1725-1804) už v roce 1770 a roku 1804 napadlo Angličana Richarda Trevithicka (1771-1833) postavit parní stroj na podvozek, který by jezdil na kolejích. První lokomotiva sklidila velký úspěch. Roku 1812 jezdili parní lokomotivy na tovární dráze v britském Leedsu. Roku 1825 v Anglii uvedl George Stephenson (1781-1848) do provozu trať pro osobní dopravu mezi městy Stockton a Darlington. Lokomotiva vezla vlak o hmotnosti 30 tun a dosahovala rychlosti až 20 km za hodinu. Parní lokomotivy si své zásoby paliva a vody museli vozit za sebou ve vlečném vozíku - tendru.
V roce 1802 skotský inženýr William Symington postavil první parní člun s lopatkovým kolesem na zádi, nazvaný Charlotte Dundas. Člun sloužil k vlečení nákladních člunů. Primát první parní lodi užité k pravidelné dopravě náleží 40metrovému plachetnímu parníku Clermont - dílo pensylvánského inženýra Roberta Fultona. Parník sestrojený roku 1810 několik let obstarával přepravu po řece Hudson mezi New Yorkem a Albany. O devět let později se vydala na dlouhou plavbu přes Atlantik loď jménem Savannah a stala se tak první lodí, která na cestě přes oceán použila - byť jen částečně - parní pohon.
Parníky té doby měli hodně nepřátel a byly terčem posměchu. Není divu - pod kotly se topilo dřívím a z komínů proto vyšlehávaly plameny a sršely jiskry. Navíc tu byl hluk způsobený parním strojem a unikající párou. A hlavně-většina tehdejších lodí byly plachetní parníky s parním strojem otáčejícím lopatkovými kolesy, umístěnými po obou stranách trupu. A kombinace platchet a koles nebyla ideální, protože jedno omezovalo druhé. Když bylo ale nepraktické koleso nahrazeno lodním šroubem, vynalezeným roku 1829 českým vynálezcem Josefem Resselem (1793-1857) staly se lodě vybavené parními stroji obrovským přínosem nejen pro transoceánské plavby. Parníky byly nezávislé na počasí či vanoucích větrech a mohli tudíž dodržovat jakýs takýs jízdní řád, což byl mimořádný pokrok ve srovnání s plachetnicemi, kterým cesta přes oceán trvala od třiceti do sta dnů a provázelo ji značné nepohodlí, včetně povinnosti cestujících zásobit se na celou dobu vlastními potravinami (což není zrovna nejsnazší, když nevíte kam vás vítr odvane a jak dlouho tam budete muset zůstat).
Parní stroje mají dnes pro průmysl kvůli své malé účinnosti jen velmi malý význam. Přesto svou úlohu v dějinách sehráli bezchybně a my dnes můžeme v muzeích obdivovat třeba parní lokomotivy, které jsou dneska sice k ničemu (mimo občasných slavnostních vyjížděk), ale ve své době dopomohly nejen k osídlování Ameriky.

Parní turbína
V parním stroji pára pohybuje pístem a pomocí ojnice a klikové hřídele je takto vzniklá enrgie převáděna na samotný mechanismus. Část energie se tudíž spotřebovala k pohonu těchto součástí. Mnohem efektivnější by ale bylo, kdyby tlak páry mohl otáčet koly bezprostředně, podobně jako dopadající voda roztáčí mlýnská kola. Potíž byla však v tom, že kola musela mít stálou vysokou rychlost, aby měl parní stroj dobrý výkon.
Tento problém vyřešil vynález parní turbíny z roku 1884, na které se podíleli Angličan Charles Parsons (1854-1931) a Švéd C.G.Laval (1845-1913) (oba mají vůči sobě zajímavá data narození a úmrtí).
V tomto roce byla vyvinuta nová technologie výroby oceli, jejímž výsledkem byla tvrzená ocel. Parsons s Lavalem z ní zkonstruovali soustavu kol s lopatkami, na něž dopadá pára a roztáčí je. Kola vzdálenější od zdroje páry jsou větší a kola, která jsou zdroji páry bližší, jsou menší. Potřebné rychlosti dosahuje pára expanzí v zúženém průtokovém průřezu. Tlak a teplota páry při expanzi stejně jako u parního stroje klesají a pára se ochlazuje.
Už první parní turbína se otáčela rychlostí 18 000 otáček za minutu a další typy byly ještě výkonnější. Parní turbíny byly mnohem účinější než parní stroje a jejich provoz byl levnější, což je předurčilo k rozsáhlému použití. Nahradili parní stroje v lodní dopravě a dodnes zůstává pára pohánějící turbíny důležitým prvkem při výrobě elektrické energie.

B. Spalovací motory

U parních motorů je pracovní látkou vodní pára, která vzniká mimo vlastní motor pomocí parního kotle. Dnes je nejrozšířenějším typem motoru motor s vnitřním spalováním paliva, u něhož se tepelná energie uvolňuje přímo v pracovním prostoru motoru. Spálením paliva dochází k rozpínání plynů, které tlačí na píst ve válci a uvádějí ho do pohybu. Přímočarý vratný pohyb pístu se převádí klikovým mechanismem na rotační pohyb klikové hřídele, jenž pohání kola. Podle druhu paliva rozeznáváme motory benzínové, plynové a naftové.
Spalovací motor vznikl v 19. století jako výsledek snahy inženýrů o nalezení náhrady za parní energii. Ve spalovacím motoru se palivo spaluje uvnitř motoru: prvním příkladem ranného modelu jednočinného motoru bylo dělo a různí lidé experimentovali se střelným prachem jako pohonem pístu ve válci. Hlavním problémem bylo nalezení vhodného paliva, dalším problémem pak bylo zažehnutí paliva v uzavřeném prostoru, které by vedlo ke snadno a rychle opakovatelné akci. První problém byl vyřešen v polovině 19. století vybudováním rozvodů plynu ve městech a plynový motor byl pak využíván v malých průmyslových závodech, které se tak mohly obejít bez parního kotle. Druhý problém se ale ukázal hůře zvládnutelným, protože bylo obtížné udržet rovnoměrný zážeh.
Patent na první spalovací motor dostal už roku 1807 Švýcar Isaac de Rivaz, ale na své rozšíření si motory musely počekat 53 let, kdy Belgičan Jean Étienne Lenoir (1822-1900) vyrobil v Paříži plynový motor poháněný svítiplynem. Výbušná směs plynu a vzduchu byla zapalována elektrickou jiskrou na protilehlých stranách pístu, když byl píst v polovině zdvihové dráhy.
I když byl motor technicky uspokojivý, jeho provoz byl nákladný a komerčně úspěšným se plynový motor stal až po zásahu německého vynálezce Nikolause Augusta Otty (1832-1891) roku 1876. Ottův motor, na kterém spolupracoval s Němcem Eugenem Langenem (1833-1895) poháněný také svítiplynem přijal čtyřtaktní cyklus: vstřik - komprese (stlačování paliva) - expanze (rozpínání; zdvih pístu)- výfuk, který je od té doby znám pod jeho jménem. Tento systém čtyřdobého oběhu navrhl roku 1861 Francouz Alphonse Beau de Rochas (1815-1891). Otto se také podílel na založení továrny na motory.
Protože ze čtyř zdvihů pístů pouze jeden zdvih koná práci, je chod jednoválcového čtyřdobého motoru velmi nerovnoměrný. Proto mají dokonalejší čtyřdobé motory válců několik - většinou čtyři nebo šest, ale i více. Zvyšování počtu válců přispívá k plynulejšímu běhu motoru.
Podle způsobu zapalování se dělí na zážehové a vznětové:

Zážehový motor
Palivová směs se připravuje v karburátoru, kde se palivo mísí se vzduchem, a ve válcích se palivová směs zažehne zapalovacími svíčkami. Svíčky jsou časově seřízeny tak, aby mězi jejich elektrodami přeskočila jiskra v přesně určeném okamžiku čtyřdobého oběhu.
Rozlišujeme je na dvoutaktní a čtyřtaktní. Jako palivo slouží benzin. U čtyřtaktů je benzin bez příměsí, ale v benzinu pro dvoutakty musí být obsaženo olovo.
Dvoutaktní motor je nejednodušší typ válcového motoru, používaný v některých malých autech, a ve většině motocyklů a v sekačkách na trávu. Pracuje ve dvou dobách: V první fázi jde píst nahoru, stlačuje hořlavou směs nad sebou a zároveň podtlak, který vzniká pod ním nasává směs novou. Ve fázi druhé pak jiskra stlačenou směs nad pístem zažehne a vyvolaný tlak stlačí píst dolů. Teď jsou zplodiny vypuštěny a zároveň se nová směs přečerpá z prostoru pod pístem nad něj. Opět dochází ke stlačení a celé se to opakuje.
Ve chvíli, kdy se zplodiny vypouštějí a nová směs se přečerpává však dochází k nechtěnému míchání zplodin s novou směsí, takže ta se spálí nedokonale a motor ztrácí na účinnosti a do ovzduší je pak zbytečně vypouštěna ta nespálená směs. Energie vzniká při každém druhém zdvihu, místo při každém čtvrtém a tak musí motor vše vykonat s dvojnásobnou rychlostí, čímž se zvyšuje i hluk.
Dvoutaktní motor je malý a lehký a proto je často používán v menších strojích jako jsou například pily, motorky, sekačky, vodní skútry a modely letadel a lodí. Je jednoduchý - neobsahuje 3/4 pohyblivých součástí čtyřtaktního motoru a proto je jejich výroba také poměrně levná. Po druhé světové válce se začal ve velkém vyrábět ve finančně zruinovaném Německu, kde se za čas díky němu opět zvedla ekonomická situace. Začali jej montovat do Trabantů.
Ve snaze zvýšit účinnost motorů se zkoušejí různé konstrukce motoru, který by měl méně vratných částí. K nejznámějším patří Wankelův rotační motor vynalezený roku 1957 německým inženýrem Felixem Wankelem. Pracuje na stejném principu jako čtyřdobý pístový motor, ale vybuchující směs paliva a vzduchu otáčí trojstranným rotorem, který se pohybuje stále stejným směrem a pohání tak hřídel přímo. Píst Wankelova motoru má průřez rovnostranného trojúhelníku se zakřivenými stranami. Ve středu pístu je kruhový otvor, jehož vnitřní obvod je ozuben. Tento otáčivý píst rotuje hřídelí, která je uložena ve skříni. Je motorem čtyřtaktním, v němž se ve třech komorách mezi stranami pístu a stěnou skříně postupně sání, komprese, vznícení a výfuk. Hřídel zapadá svým ozubeným kolem do vnitřního ozubeného pístu. Wankelův motor se vyznačuje malou hmotností i specifickou spotřebou paliva, také jeho rozměry jsou příznivé.
V roce 1964 se objevil první sériový vůz vybaven Wankelovým motorem s nadějemi, že právě tento motor spotřebu paliva značně sníží. Ukázalo se však, že Wankelův motor má své vlastní problémy, zvláště opotřebení lišt rotoru, což vede k pronikání plynů mezi lištami rotoru a skříní rotoru. Dnešní Wankelovy motory spotřebují víc paliva než srovnatelné pístové motory. Jednoho dne snad budou zdokonalené rotační motory přeměňovat energii benzinu na energii pohybu mnohem účinněji.

Vznětový motor
Většina silničních vozidel určených pro hromadnou přepravu cestujících nebo zboží používá vznětový motor, který používá těžší kapalné palivo-motorovou naftu.
Princip vznětového motoru je jednoduchý: Do stlačeného rozžhaveného vzduchu se vstříkne hořlavá směs, která se okamžitě zapálí. Pak následuje vypuštění zplodin a nasátí nového vzduchu, který se opět stlačí. Vznětový motor tedy nemá karburátor a zapalovací svíčky.
Motor zkonstuoval roku 1897 Němec Rudolf Diesel (1858-1913), nechal si ho patentovat a zakrátko zbohatl. Jako palivo zkoušel levné zdroje jako olej na svícení nebo uhelný prach. Každá hořlavá látka se vznítí při takovém tlaku a teplotě. Nakonec nejlepší výsledky zaznamenal u nafty a tak se s malými obměnami používá až dodnes.
Obrovská přednost dieslových motorů je v jejich účinnosti. Ottův motor převádí výhřevnou energii benzinu na mechanickou práci jen asi ze 13%. Dieselův motor již na svém začátku 16% a dnes dokonce až 40%. Pro samotného Diesela byl tento výsledek zklamáním, protože očekával účinnost kolem 75%. Jeho motor byl však i tak mimořádně konkurenceschopný.
První velkou podporou pro dieselové motory se stala továrna na výrobu kamionů a těžkých dopravních strojů značky MAN sídlící v Ausburgu v Německu. Snad největší problémy měly diesely s proniknutím na americký trh, kde překážela obrovská konkurenční automobilka FORD vyrábějící benzinová auta rychlostí jedno za deset vteřin. Naštěstí pro diesely tam měli v té době farmáři ekonomickou krizi a tudíž neměli peníze na nákup nových strojů. Přešli tedy na dieselové motory, které vyšly o 25 až 30 % levněji. Tím pádem vzrostla podpora nákladních automobilů s dieselovými motory (ty měly 14 - 16 převodů) a jejich výrobci pak zpětně poskytovali zakázky jejich výrobcům.

Proudový motor
Reaktivní motor vyvozující tažnou sílu reakčním účinkem zplodin hoření a vzduchu, které tryskají ze spalovací turbíny. Její výkon je využit k pohonu ventilátorů, dmychadla a kompresoru, jež vhánějí vzduch do spalovací komory. Patent Franka Whittlea z roku 1930 byl realizován až po vývoji žáruvzdorných materálů na začátku 2. světové války.
Tyto motory mají obrovskou sílu, výkon a účinnost, ale také spotřebu a jsou veliké a hlučné. A právě pro tyto záporné vlastnosti se naprosto nehodí k pozemním účelům (velké nádrže, tlumení), na druhé straně jsou však tím nejlepším dosud známým řešením pro leteckou dopravu, zejména civilní, kde je nejdůležitějším požadavkem bezpečnost. Prvními proudovými letadly byly anglický Gloster Meteor, americký Shooting Star a německý Messerschmitt. Původně jednoproudé motory jsou v současnosti nahrazovány výkonnějšími, účinějšími a méně hlučnějšími motory dvouproudými.
Jedněmi z nejproslulejších výrobců nejen leteckých proudových motorů jsou i německá automobilka BMW a tradiční britský výrobce luxusních automobilů Rolls-Royce.

Raketový motor
Startující raketa se po startu hned neodlepí od země, což je dáno tím, že tah raketových motorů přemáhá zpočátku hlavně hmotnost stroje. Protože se však nádrže na palivo se stoupáním rakety odlehčují, můžeme vidět, jak postupně nabírá rychlost. Její rychlost se stále zvětšuje až dosáhne rychlosti nutné k překonání zemské přitažlivosti. Rakety musí mít motory pracující i ve vzduchoprázdnu. Tyto motory jsou proto založeny na jiném principu než reaktivní motory letadel, které potřebují atmosferický kyslík. Rakety tedy nemají jen zásoby paliva, ale také zásoby kyslíku většinou v tekuté formě, který se skladuje při velmi nízkých teplotách. Zásoby kyslíku účinkují jako zápalná směs. Palivo a zápalná směs se nazývají propergoly-raketová paliva. Jsou-li pevné, znamená to, že jde o směs připravenou již před použitím, jsou-li tekuté, veze si je raketa v oddělených zásobnících. Moderní rakety mají většinou raketové motory na kapalné palivo, které se dá lépe ovládat než tuhá paliva. Palivem je často letecký benzín. Motory na pevné palivo se používají u pomocných raketových motorů, které se po dosažení potřebné rychlosti odhazují.