Načelo rada motora

Kako radi motor s unutarnjim sagorjevanjem?

Iako je automobil kompleksna naprava koja se sastoji od nekoliko desetaka tisuća dijelova, njegovim "srcem" smatramo motor. Uostalom, upravo je izum motora s unutarnjim sagorijevanjem pokrenuo povijest automobila. Danas je većina "limenih ljubimaca" pokretana benzinskim ili dieselskim motorom, no postoje i druga rješenja

Prvih ćemo nekoliko nastavaka Škole automobilske tehnike, s razlogom, posvetiti motoru. On je naime, izvor snage koja pokreće automobil i koja mu daje karakter. Prema motoru možemo saznati koliko je neki automobil brz, koliko troši te gdje mu je mjesto na ljestvici cijena. Nažalost, motor je i najskuplji dio na vozilu koji možemo uništiti.

No, prije nego li se bacimo na posao, pojasnimo što je to "unutarnje izgaranje". Naime, termički motori (pogonski strojevi kod kojih se za dobivanje energije koristi izgaranja goriva) mogu imati izdvojeno mjesto izgaranja (npr. zasebno ložište kod parnih lokomotiva) ili uklopljeno u konstrukciju samog motora, što je slučaj s pogonskim strojevima koje ovdje opisujemo, a koje nazivamo motorima s unutarnjim izgaranjem.

Pogon većini današnjih automobila daju motori s unutarnjim izgaranjem. Naime, energija potrebna za pokretanje vozila kod ovih se motora dobiva sagorijevanjem smjese goriva (benzina, diesela, alkohola, plina itd.) i zraka u cilindrima. Zrak, potreban da bi gorivo sagorjelo, uvodi se iz atmosfere u cilindar usisnim kanalima, a gorivo, smješteno u spremniku, priskrbljuje pumpa koja ga dostavlja sustavu za ubrizgavanje ili, kod starijih automobila, rasplinjaču.

Smjesu goriva i zraka potom komprimira klip te se ona pali iskrom svječice u slučaju benzinskog (Otto) motora, dok kod motora na plinsko ulje (Diesel) paljenje goriva omogućava visoka temperatura sabijenog zraka. Kada je smjesa izgorjela, nastali se plinovi odvode kroz ispušni sustav.

Govorimo li o automobilima, najčešće ćemo čuti za pojam četverotaktnog (4-taktnog) motora. Riječ je o pogonskim strojevima koji predhodno navedeno obavljaju u četiri faze koje nazivamo taktovima. Pojedinačno, radne faze četverotaktnog motora nazivamo: usisnim, kompresijskim, ekspanzijskim i ispušnim taktom.

Četverotaktni motor s unutarnjim izgaranjem

1. takt - Usis: usisni ventil je otvoren, ispušni zatvoren; 2. takt - Kompresija: oba ventila su zatvorena i klip sabija smjesu; 3. takt - Ekspanzija: iskra svječice pali smjesu i plinovi se šire potiskujući klip; 4. takt - Ispuh: ispušni ventil je otvoren, usisni ventil je zatvoren

Razlika između prikaza rada četverotaktnog Otto motora i četverotaktnog Diesel motora je u tome što se kod potonjeg treći takt, ekspanzija, događa kao posljedica samozapaljenja goriva (plinskog ulja) i zraka izazvanog visokom temperaturom stlačene smjese. Dakle, Diesel motori nemaju svječicu (središnji element na vrhu cilindra) kakva je prikazana na ovim slikama.

Rekli smo da je za izgaranje potrebno pomiješati zrak i gorivo. Uzmemo li u obzir da je za potpuno izgaranje najpovoljniji omjer goriva i zraka stalan (14,7 : 1 u korist zraka kod benzinskih motora - u termodinamici poznato kao adijabatska konstanta), vidimo kako je za povećanje dobivene energije (te tako i snage motora) naprosto potrebno sagoriti više smjese. Stoga, motori većeg obujma u pravilu razvijaju veću snagu jer im u cilindar stane, dakako, i više smjese.

Klip (koji sabija smjesu) u radu se giba između dva položaja: donje i gornje mrtve (krajnje) točke pri čemu prelazi put koji nazivamo hod klipa. Uzmemo li u obzir njegov promjer odn. provrt u tehničkim podacima (klipovi su u pravilu okruglog presjeka), moguće je obujam cilindra predočiti kao prostor koji se nalazi između ta dva krajnja položaja klipa (iznimku u ovoj teoriji čine klipovi koji nemaju ravno čelo, tj. gornju površinu). Tako obujam nekog motora možemo predstaviti kao umnožak obujma jednog cilindra i broja cilindara. Obujam motora najčešće se izražava u litrama (u komercijalne svrhe ili kao oznaka modela) te u kubičnim centimetrima (npr. u tehničkim podacima, prema SI sustavu).

U Imperijalnom sustavu mjera koristi se jedinica cubic inch, skraćeno cu-in. Kubični inč iznosi 16,387064 kubičnih centimetara. Dakle, obujam (cm3) x 0,061024 = obujam (cu-in).

Omjer najvećeg obima cilindra (kada je klip u donjoj mrtvoj točki - DMT) i prostora u koji je smjesa sabijena dolaskom klipa u gornju mrtvu točku (GMT) nazivamo omjerom kompresije. O omjeru kompresije znatno ovisi snaga motora, a u pravilu njegovim povećanjem (do izvjesne granice) ona i raste. Zbog potrebe da visokom temperaturom komprimirane smjese goriva i zraka izazovu njezino samozapaljenje, Diesel motori u pravilu imaju viši omjer kompresije od benzinskih.

Posljedica sagorijevanja smjese goriva i zraka je povećanje obujma plinova unutar cilindra. Ova ekspanzija pokreće klip prema dolje (točnije, prema DMT jer motor ne mora uvijek biti postavljen okomito), a on posredstvom klipnjače okreće koljenasto vratilo. Ovako se pravocrtno gibanje klipa pretvara u kružno koje se potom predaje prijenosnom sustavu te na kraju dovodi do kotača.

Da bi motor mogao pravilno "disati", tj. uvoditi smjesu u cilindar te izbacivati iz njega produkte izgaranja, brinu se ventili. Postoje dvije vrste ventila: usisni i ispušni, a ritam njihovog otvaranja i zatvaranja određuje broj okretaja motora koji se mijenja obzirom na to koliko je pritisnuta papučica gasa. Moderni su motori radi bolje izmjene plinova opremljeni s više ventila po cilindru. Tako dva usisna i dva ispušna ventila jednom (4-cilindričnom) 16-ventilskom motoru omogućavaju znatno bolje "disanje", a time i ostvarivanje veće snage u usporedbi s klasičnom (2-ventilskom) izvedbom. Prednosti se ogledaju i u povoljnijem razvoju krivulje snage i okretnog momenta, no o tome će više riječi biti u kasnijim poglavljima.

Ostali značajniji motori s unutarnjim izgaranjem

Dvotaktni motor je, pored četverotaktnog, najčešći oblik pogonskog stroja s unutarnjim izgaranjem koji se danas koristi za pokretanje vozila (doduše, u novije vrijeme gotovo isključivo motocikala). Odlikuje se visokim brzinama vrtnje i manjim brojem pokretnih dijelova te ujedno i manjom masom u usporedbi s četverotaktnim motorima. Pojednostavnjeno govoreći, dvotaktni motor je u stanju napraviti sve četiri radnje četverotaktnog motora u "dva poteza".

Kod dvotaktnog motora smjesa goriva i zraka nalazi se u kučištu koljenastog vratila gdje je djelomično stlačena kretanjem klipa. Kada se klip nalazi približno u DMT počinje uvođenje smjese u cilindar koja se potom komprimira kretanjem klipa prema GMT (istovremeno i dalje traje izbacivanje ispušnih plinova). Ekspanzija pokreće klip natrag prema DMT, klip otvara put ispušnim plinovima, a na kraju svog puta klip ponovno otvara dovodni kanal smjese.

Ovakvim načelom rada dvotaktni motor ostvaruje jedan radni ciklus (2 takta) za svaki okretaj koljenastog vratila (kod 4-taktnog motora riječ je o svakom drugom okretaju) zbog čega dvotaktni motori razvijaju veću snagu za jednaki broj okretaja.

Na našoj usporednoj shemi vidljiv je prolazak plinova kod 2-taktnog motora i usporedba s 4-taktnim. Najveća razlika je u tome što 2-taktni motor ne koristi ventile, već se brtvljenje / otvaranje usisnog i ispušnog kanala odvija ovisno o položaju klipa u cilindru, tj. klip obavlja ulogu ventila.

Najčešću primjenu benzinski dvotaktni motori pronalaze u motociklima, no sjećamo se i nekih automobila poput starijih modela Wartburga ili Trabanta. Za pogon brodova katkada su korišteni i dvotaktni diesel motori većeg obujma kao što je npr. Detroit Diesel 51. Također, dvotaktni diesel motori često se koriste za pokretanje lokomotiva, kao pogon industrijskih generatora i sl. Načelo rada dvotaktnog motora s unutarnjim izgaranjem patentirao je 1881. Sir Dugald Clerk. Dvotaktni motor bez ventila, kakav se danas najčešće koristi konstruirao je Joseph Day 1889.

Rotacijski motor izum je njemačkog inženjera Felixa Heinricha Wankela. Razvoj prvog komercijalnog rotacijskog motora za automobile Wankel je započeo 1951. za njemačku tvrtku NSU Motorenwerke AG (prototip motora prikazan je u siječnju 1960.), no Wankelov je motor danas kudikamo poznatiji prema svojoj primjeni u mazdinim modelima s oznakom RX. Rotacijski ili jednostavnije, Wankel motor koristi rotirajuće trokutaste klipove unutar epitrohoidnog kučišta.

Usis i ispuh odvijaju se prelaskom klipa preko otvora na kučištu, a kompresija smanjivanjem razmaka između klipa i kučišta. Komore za izgaranje riješene su kao udubljenja na stranicama klipa. Posebno značajnu ulogu u uspjehu ove vrste motora imalo je brtvljenje velikih dodirnih površina koje je uspješno riješila upravo tvrtka iz Hiroshime sa svojom serijom dvoklipnih rotacijskih motora.

Zanimljivo je da je nakon šestogodišnjeg razvoja, 1972. Rolls-Royce predstavio dvostupanjski (s dva rotora različitih dimenzija) dieselski Wankel motor nazvan R6 s 350 KS. Također, prema Wankelovom motoru poznat je i jedan osebujni prototip, Mercedes-Benz C 111. No, ovaj je automobil bio pokretan vjerojatno svim vrstama motora koji su postojali u kasnim 1960-im, uključujući rotacijski motor, turbodiesel i 500 KS snažni benzinski bi-turbo V8.

Ne zaboravimo...

Nikolaus August Otto (14. lipanj 1832. Holzhausen an der Haide - 26. siječanj 1891. Köln) bio je njemački izumitelj koji je konstruirao prvi uspješni četverotaktni motor s unutarnjim izgaranjem.

U vrijeme predstavljanja njegovog motora 1876. već su bila poznata rješenja motora s unutarnjim izgaranjem (Étienne Lenoir, patent iz 1860.) kao i četverotaktnog načela (Eugenio Barsanti i Felice Matteucci, patent iz 1854.), no upravo je Otto prvi sve povezao u funkcionalni motor.

Dakako, nije sve prošlo bez problema i Otto se ubrzo morao boriti protiv izvjesnih Christiana Reithmana, Gustava Schmidta i Alphonsea Beau de Rochasa koji su osporavali njegovo pravo na patent. Otto je na razvoju svog četverotaktnog motora s unutarnjim izgaranjem radio u suradnji s Gottliebom Daimlerom i Wilhelmom Maybachom.

Rudolf Christian Karl Diesel (18. ožujak 1858. Paris - 29. rujan 1913. La Manche). Čovjek koji je život završio na misteriozan način u vodama engleskog Kanala bio je njemački izumitelj koji se proslavio konstrukcijom prvog motora s kompresijskim paljenjem smjese.

Patent za svoj četverotaktni motor s kompresijskim paljenjem Diesel je dobio 1989, godinu dana nakon što je uspješno testirao prototip takvog pogonskog stroja. Prvu značajniju primjenu diesel motori doživjeli su u velikim vozilima i plovilima (lokomotive, kamioni i trgovački brodovi).

Do godine 1936. kada je Mercedes-Benz 260 D postao prvi serijski automobil s ovakvim motorom, Dieselovi su pogonski strojevi već pokretali raznorazne strojeve i vozila, uključujući i junkersov dvotaktni diesel motor za zrakoplove, Jumo 205 iz 1934.

Felix Heinrich Wankel (13. kolovoz 1902. Lahr - 9. listopad 1988. Heidelberg) jedini je izumitelj iz XX stoljeća koji je konstruirao motor s unutarnjim izgaranjem koji je ušao u serijsku proizvodnju. Wankel je bio samouki inženjer (počasni doktorat tehničkog univerziteta iz Münchena dodijeljen mu je 1969.) koji je već sa 17 godina osmislio načelo rada rotacijskog motora s unutarnjim izgaranjem.

Prvi patent za rotacijski motor Felix Wankel je dobio 1929. godine, a tijekom II sv. rata radio je na projektima za BMW i Daimler-Benz. Prvi serijski automobil pokretan Wankelovim motorom bio je NSU Spider, predstavljen na frankfurtskom salonu IAA, 1963. godine, a NSU-ov Model Ro 80, vjerojatno najpoznatiji automobil pokretan ranim Wankelovim motorom, postat će 1968. prvim njemačkim modelom proglašenim Europskim automobilom godine.

Dakako, komercijalno daleko uspješniji automobili pokretani rotacijskim motorom došli su iz Hiroshime. Prvi je bila Mazda Cosmo Sport predstavljena na salonu u Tokiu, 1964. (proizvodnja je krenula 1967.). Kasnije će Wankelovi motori postati popularni u mazdinoj seriji sportskih automobila oznake RX, kulminirajući s motorom Renesis iz Mazde RX-8, predstavljene 2003.

Felix Wankel nikada nije imao vozačku dozvolu.

Izvor: autonet