Typy motorů a jejich fungování

Motory jsou stroje, které přeměňují zdroj energie na fyzikální práci. Pokud potřebujete, aby se něco pohybovalo, motor je přesně to, co na to můžete připlácnout. Ale ne všechny motory jsou vyrobeny stejně a různé typy motorů rozhodně nefungují stejně.

Pravděpodobně nejintuitivnějším způsobem, jak je rozlišit, je typ energie, kterou každý motor využívá k pohonu.

• Termické motory
  • Motory s vnitřním spalováním (IC motory)
  • Motory s vnějším spalováním (EC motory)
  • Reakce motory
• Elektrické motory
• Fyzikální motory

Termické motory

V nejširší možné definici, tyto motory vyžadují k přeměně na pohyb zdroj tepla. V závislosti na způsobu generování zmíněného tepla se může jednat o spalovací (které spalují věci) nebo nespalovací motory. Fungují buď přímým spalováním pohonné látky, nebo přeměnou kapaliny za účelem generování práce. Většina tepelných motorů se proto do jisté míry překrývá s chemickými pohonnými systémy. Mohou to být motory vzduchové (které berou okysličovadlo, například kyslík, z atmosféry) nebo nevzduchové (které mají okysličovadla chemicky vázaná v palivu).

Motory s vnitřním spalováním

Motory s vnitřním spalováním (IC motory) jsou dnes poměrně všudypřítomné. Pohánějí automobily, sekačky na trávu, vrtulníky atd. Největší spalovací motor dokáže vyvinout výkon 109 000 HP a pohánět loď, která přepravuje 20 000 kontejnerů. Spalovací motory získávají energii z paliva spalovaného ve specializovaném prostoru systému zvaném spalovací komora. Při procesu spalování vznikají reakční produkty (výfukové plyny) s mnohem větším celkovým objemem, než je objem reakčních látek dohromady (paliva a okysličovadla). Tato expanze je skutečným chlebem spalovacích motorů – to je to, co ve skutečnosti zajišťuje pohyb. Teplo je pouze vedlejším produktem spalování a představuje promarněnou část zásoby energie paliva, protože ve skutečnosti nezajišťuje žádnou fyzikální práci.

Spalovací motory se rozlišují podle počtu „zdvihů“ nebo cyklů, které každý píst vykoná při plném otočení klikového hřídele. Nejběžnější jsou dnes čtyřdobé motory, které rozdělují spalovací reakci do čtyř kroků:

1. Indukce nebo vstřikování směsi paliva a vzduchu (karburátoru) do spalovacího prostoru.
2. Stlačení směsi.
3. Zapálení zapalovací svíčkou nebo stlačení – palivo bouchne.
4. Vypouštění výfukových plynů.

Při každém kroku je čtyřdobý píst střídavě tlačen dolů nebo zpět nahoru. Zážeh je jediným krokem, při kterém se v motoru vytváří práce, takže při všech ostatních krocích je každý píst závislý na energii z vnějších zdrojů (ostatní písty, elektrický startér, ruční klikování nebo setrvačnost klikového hřídele), aby se mohl pohybovat. Proto musíte u sekačky na trávu tahat za šňůru a auto potřebuje k nastartování funkční akumulátor.

Dalšími kritérii pro rozlišení spalovacích motorů jsou druh použitého paliva, počet válců, celkový zdvihový objem (vnitřní objem válců), rozložení válců (řadové, radiální, V-motory atd.).) a také výkon a poměr výkonu k hmotnosti.

Motory s vnějším spalováním

Motory s vnějším spalováním (EC motory)uchovávají palivo a výfukové produkty odděleně – palivo spalují v jedné komoře a pracovní kapalinu ohřívají uvnitř motoru prostřednictvím výměníku tepla nebo stěny motoru. Do této kategorie patří velký otec průmyslové revoluce, parní stroj.

V některých ohledech fungují EC motory podobně jako jejich spalovací protějšky – oba potřebují teplo, které se získává spalováním látek. Existuje však i několik rozdílů.

Motory ES používají kapaliny, které podléhají tepelné dilataci-kontrakci nebo změně fáze, ale jejichž chemické složení zůstává nezměněno. Použitá kapalina může být buď plynná (jako ve Stirlingově motoru), kapalná (motor s organickým Rankinovým cyklem), nebo může procházet změnou fáze (jako v parním motoru) – u spalovacích motorů je kapalinou téměř univerzálně směs kapalného paliva a vzduchu, která hoří (mění své chemické složení). A konečně, motory mohou kapalinu po použití buď vypustit, jako to dělají spalovací motory (motory s otevřeným cyklem), nebo mohou neustále používat stejnou kapalinu (motory s uzavřeným cyklem).

Překvapivě první parní motory, které se dočkaly průmyslového využití, vytvářely práci spíše vytvořením podtlaku než tlaku. Říkalo se jim „atmosférické motory“, byly to těžkopádné stroje a velmi neefektivní z hlediska spotřeby paliva. Postupem času získaly parní stroje podobu a vlastnosti, které očekáváme od dnešních motorů, a staly se účinnějšími – pístové parní stroje zavedly pístový systém (který se dodnes používá u spalovacích motorů) nebo složené systémy motorů, které opětovně využívaly kapalinu ve válcích při klesajícím tlaku k vytvoření dodatečné „síly“.

Dnes se parní stroje přestaly široce používat: jsou to těžké, neskladné věci, mají mnohem nižší účinnost paliva a poměr výkonu k hmotnosti než spalovací motory a nemohou tak rychle měnit výkon. Ale pokud vám nevadí jejich hmotnost, velikost a potřebujete stálý přísun práce, jsou úžasné. Jako takové se EC v současnosti s velkým úspěchem používají jako parní turbínové motory pro námořní operace a elektrárny.

Jaderné energetické aplikace mají tu zvláštnost, že se jim říká nespalovací nebo vnější tepelné motory, protože pracují na stejných principech jako motory EC, ale svůj výkon nezískávají spalováním.

Reakční motory

Reakční motory, hovorově známé jako proudové motory, vytvářejí tah vytlačováním reakční hmoty. Základním principem reakčních motorů je třetí Newtonův zákon – v podstatě platí, že pokud něco dostatečnou silou profouknete zadním koncem motoru, bude to tlačit přední konec dopředu. A proudové motory jsou v tom opravdu dobré.

Ty, které obvykle označujeme jako „proudový“ motor, tedy ty, které jsou připevněny na osobním letadle Boeing, jsou přísně vzato proudové motory dýchající vzduch a spadají do třídy turbínových motorů. Ramjetové motory, které jsou obvykle považovány za jednodušší a spolehlivější, protože obsahují méně (až žádné) pohyblivé části, jsou rovněž vzduchem dýchající proudové motory, ale spadají do třídy motorů s náporovým pohonem. Rozdíl mezi nimi spočívá v tom, že ramjety spoléhají na samotnou rychlost přívodu vzduchu do motoru, zatímco turbodmychadla používají turbíny k nasávání a stlačování vzduchu do spalovací komory. Kromě toho fungují do značné míry stejně.

U turbodmychadel je vzduch nasáván do komory motoru a stlačován rotující turbínou. Ramjety jej nasávají a stlačují tím, že jedou opravdu rychle. Uvnitř motoru se smísí s vysoce výkonným palivem a zapálí se. Když vzduch (a tedy i kyslík) koncentrujete, smícháte s velkým množstvím paliva a odpálíte (čímž vzniknou výfukové plyny a všechen plyn tepelně expanduje), získáte reakční produkt, který má ve srovnání s nasátým vzduchem obrovský objem. Jediné místo, kudy může celá tato masa plynů projít, je zadní část motoru, což se děje s extrémní silou. Cestou tam pohání turbínu, která nasává další vzduch a udržuje reakci. A aby toho nebylo málo, na zadním konci motoru je hnací tryska.

Tento kus hardwaru nutí veškerý plyn projít ještě menším prostorem, než kterým původně přišel – a tím ho dále urychluje do „proudu“ hmoty. Výfukové plyny vycházejí z motoru neuvěřitelnou rychlostí, až trojnásobnou rychlostí zvuku, a tlačí letadlo vpřed.

Nezvzduchové proudové nebo raketové motory fungují stejně jako proudové motory bez přední části – nepotřebují totiž k udržení spalování vnější materiál. Můžeme je používat ve vesmíru, protože mají veškeré potřebné okysličovadlo zabalené v palivu. Jsou jedním z mála typů motorů, které důsledně využívají pevná paliva.

Topné motory mohou být směšně velké nebo rozkošně malé. Ale co když máte jen zásuvku a potřebujete napájet své věci? No, v tom případě potřebujete:

Elektrické motory

Aha, ano, čistá parta. Existují tři typy klasických elektrických motorů: magnetický, piezoelektrický a elektrostatický.

Magnetický, stejně jako ta baterie tam, je z těch tří nejčastěji používaný. Spoléhá se na interakci mezi magnetickým polem a elektrickým tokem, která vytváří práci. Funguje na stejném principu, jaký používá dynamo k výrobě elektřiny, ale obráceně. Ve skutečnosti můžete generovat trochu elektrické energie, pokud ručně natočíte kliku elektromagnetického motoru.

K vytvoření magnetického motoru potřebujete nějaké magnety a vinutý vodič. Když se do vinutí přivede elektrický proud, indukuje se magnetické pole, které působí na magnet a vytváří otáčky. Je důležité, aby tyto dva prvky byly odděleny, takže elektromotory mají dvě hlavní součásti: stator, který je vnější částí motoru a zůstává nehybný, a rotor, který se otáčí uvnitř. Oba jsou odděleny vzduchovou mezerou. Obvykle jsou ve statoru zabudovány magnety a na rotoru je navinut vodič, ale obě části jsou zaměnitelné. Magnetické motory jsou také vybaveny komutátorem, který posouvá elektrický tok a moduluje indukované magnetické pole při otáčení rotoru, aby se udrželo otáčení.

Piezoelektrické pohony jsou typy motorů, které využívají vlastnosti některých materiálů generovat ultrazvukové vibrace, když jsou vystaveny proudu elektřiny, aby vytvořily práci. Elektrostatické motory využívají podobné náboje k vzájemnému odpuzování a vytváření rotace v rotoru. Protože první z nich používá drahé materiály a druhý vyžaduje ke svému chodu poměrně vysoké napětí, nejsou tak běžné jako magnetické pohony.

Klasické elektrické motory mají jednu z nejvyšších energetických účinností ze všech existujících motorů, přeměňují až 90 % energie na práci.

Iontové pohony

Iontové motory jsou jakýmsi mixem mezi proudovým a elektrostatickým motorem. Tato třída pohonů urychluje ionty (plazmu) pomocí elektrického náboje k vytvoření pohonu. Nefungují, pokud jsou v okolí plavidla již ionty, takže mimo vesmírné vakuum jsou nepoužitelné.

Mají také velmi omezený výkon. Protože však jako palivo využívají pouze elektřinu a jednotlivé částice plynu, byly intenzivně studovány pro použití v kosmických lodích. Iontové pohony úspěšně použily lodě Deep Space 1 a Dawn. Přesto se zdá, že tato technologie je nejvhodnější pro malé lodě a družice, protože elektronová stopa, kterou tyto pohony zanechávají, negativně ovlivňuje jejich celkový výkon.

EM/Cannae pohony

EM/Cannae pohony využívají ke generování důvěry elektromagnetické záření obsažené v mikrovlnné dutině. Je to pravděpodobně nejzvláštnější ze všech typů motorů. Dokonce se o něm mluví jako o „nemožném“ pohonu, protože je to nereakční pohon – to znamená, že nevytváří žádný výboj pro generování tahu, čímž zdánlivě obchází třetí zákon.

„Místo paliva využívá mikrovlny odrážející se od pečlivě vyladěné sady reflektorů k dosažení malého množství síly, a tedy k dosažení tahu bez pohonných látek,“ informoval o pohonu Andrei.

O tom, zda tento typ motoru skutečně funguje, se vedly dlouhé debaty, ale testy NASA potvrdily, že je funkčně v pořádku. V budoucnu se dokonce chystá jeho modernizace. Protože ke generování tahu využívá pouze elektrickou energii, i když v nepatrném množství, zdá se, že je to nejvhodnější pohon pro výzkum vesmíru.

Ale to je budoucnost. Podívejme se, jak to všechno začalo. Podívejme se na:

Fyzikální motory

Tyto motory se při své činnosti spoléhají na uloženou mechanickou energii. Hodinové, pneumatické a hydraulické motory jsou fyzikálními pohony.

Nejsou příliš účinné. Obvykle se také nemohou dovolávat velkých energetických zásob. Například hodinové motory uchovávají pružnou energii v pružinách a je třeba je každý den natahovat. Pneumatické a hydraulické typy motorů musí s sebou nosit těžké trubky se stlačenými kapalinami, které obvykle nevydrží příliš dlouho. Například Plongeur, první mechanicky poháněná ponorka na světě postavená ve Francii v letech 1860-1863, nesla pístový vzduchový motor napájený 23 nádržemi o tlaku 12,5 baru. Zabíraly obrovský prostor (153 m3 ) a stačily pouze na pohon plavidla na 5 námořních mil (9 km) při rychlosti 4 uzly.

Přesto byly fyzické pohony pravděpodobně první, které kdy byly použity. Katapulty, trebuchety nebo beranidla se spoléhaly na tento typ motorů. Stejně tak i jeřáby poháněné člověkem nebo zvířetem – všechny se používaly dlouho před jakýmkoli jiným druhem motorů.

To zdaleka není úplný výčet všech motorů, které člověk vyrobil. Nemluvě o tom, že biologie vyrobila i pohony – a ty patří k těm nejúčinnějším, jaké jsme kdy viděli. Ale jestli jsi tohle všechno četl, jsem si jistý, že tomu tvému už dochází palivo. Takže odpočívejte, relaxujte, a až příště narazíte na nějaký motor, nechte si promazat ruce a nos a prozkoumejte ho – základy jsme vám řekli.