Motory, motory, motory a zase jen motory: o ně jde v první řadě (1. díl)

Vynález kola znamenal pro lidstvo velký krok v oblasti dopravy. Ovšem masovou mobilitu lidí i zboží přineslo až sestrojení vozidel se spalovacími motory, přesněji řečeno se spalovacími motory na kapalná fosilní paliva.

Kolo je technologický vynález starý už nějakých 5 500 let. Ale v oblasti mobility lidé až do devatenáctého století nedokázali plně využít jeho možností. Teprve s nástupem průmyslové revoluce a vynálezem spalovacích motorů kolo mohlo přispět ke zrození automobilismu. Když Karel Benz v oné převratné době sestrojil svou tříkolku s benzínovým spalovacím motorem, nejspíš netušil, co bude následovat a jak moc automobilismus a automobilový průmysl ovlivní běh světa. Jenže první automobil by nevznikl přinejmenším ještě bez jednoho muže. Tím byl německý inženýr Nikolaus Otto. Ten se už od 60. let devatenáctého století zabýval konstrukcí plynových spalovacích motorů. Při svých pokusech vycházel z principu dvoudobého plynového spalovacího agregátu jistého francouzského technika jménem Étienne Lenoir. Otto už v onom desetiletí založil firmu, která vlastně existuje dodnes a vyrábí slavné motory značky Deutz.

Jenže plynové spalovací motory byly dobré jen pro stacionární stroje, Otto však položil základy automobilismu tím, že si v roce 1877 nechal patentovat čtyřdobý spalovací motor (ovšem stále ještě plynový), který se od té doby nazývá Ottův. O pár let později však přišel ještě s dalším vylepšením, které umožnilo vítězné tažení automobilů. Vymyslel elektrické zapalování paliva pomocí nízkonapěťového magneta, díky tomu se do motorů mohl nalévat benzín. Poslední překážka pro mobilitu spalovacích motorů padla. Záhy Karel Benz sestrojil onu svou tříkolku, do které zabudoval motor založený na Ottově principu. Tak se zrodil automobil a automobilismus.

Co je to vlastně automobil?

Pro někoho je to modla, pro jiné symbol společenského postavení, pro další jen kovová plechovka škodící životnímu prostředí, pro ještě jiné pouhým nástrojem pro přepravu z bodu A do bodu B. Z hlediska technického je to ale především energetický konvertor. Díky svému motoru mění tepelnou energii vznikající při spalování paliva na energii mechanickou. Ta se prostřednictvím mechanických částí motoru a převodového ústrojí změní na energii pohybovou. Automobil pak přepraví pasažéry či náklad tam, kam je potřeba, dokud tato energetická přeměna neskončí spotřebováním veškerého paliva.

Jak motor z paliva vyrábí energii?

Většina současných automobilů používá jako palivo ropné produkty – benzín, naftu, kerosin atd. Díky automobilismu a dopravě obecně se ropa ve dvacátém století stala nejdůležitějším civilizačním zdrojem energie. Využívá se i jinde, ale pro dopravu je stále životně důležitá, i když energie elektrická stále zvyšuje svůj podíl. Aby mohly automobilové motory fungovat jako měniče energií, musí jim petrochemický průmysl dodat své výtvory získané z ropy. To, co z ropy dělá tak potřebnou surovinu, jsou uhlovodíky, jež obsahuje. Právě ty automobilové motory mění v energii, a to prostým spalováním. Tepelnou energii získanou spalováním uhlovodíků lidstvo využívá už odpradávna, vždyť „ochočení“ ohně položilo základ civilizaci. Od té doby vědci a inženýři hledají způsoby, jak jej využívat co nejefektivněji. Jedním z výsledků jejich snažení jsou právě spalovací motory automobilů, dnes zdaleka a stále nejúčinnější technologie pro jejich pohon.

Bez čeho by automobilový motor nemohl fungovat?

Základem všeho je blok motoru s válci (tedy u většiny motorů, existují samozřejmě výjimky), které tvoří jakýsi hrnec, v němž se všechno „vaří“. Válců bývá několik, ještě donedávna byly nejběžnější bloky se čtyřmi válci, které s trendem downsizingu začínají nahrazovat tří a dvouválce. Ale do historie se, zaplaťpánbůh, zatím neodebraly ani pěti, šesti, osmi, deseti či dvanáctiválce, i když, jak to tak vypadá, jim pomalu zvoní hrana. Blok motoru se vyrábí z odolných slitin, aby ne, když se v nich spaluje palivo a dochází k přeměně tepelné energie v energii mechanickou. K tomu účelu slouží písty, jež ve válcích běhají sem a tam. Každý válec má ještě jednu nezbytnost – ventily. Těmi z karburátoru nebo systému elektronického vstřikování putuje do válců palivo a vzduch. Aby ale mohlo dojít k hoření, nesmí chybět ještě zapalovací svíčky. Přeměnu tepelné energie v mechanickou a nakonec pohybovou pak dokoná kliková hřídel, ke které jsou písty uchyceny.

Princip Ottova čtyřdobého spalovacího motoru

Sání: v této fázi se píst dostává do své krajní polohy a skrz otevřené ventily se do válce dostává směs paliva a vzduchu.

Komprese: při ní se píst ve válci pohybuje směrem k opačné krajní poloze (někdy se říká k horní úvrati). Ventily jsou uzavřené a píst stlačuje směs paliva a vzduchu. Při tom se zvyšuje ve válci tlak a palivová směs se zahřívá. Těsně před tím, než píst dosáhne krajní polohy, zapalovací svíčka pomocí elektrické jiskry palivovou směs zapálí.

Expanze: Palivová směs po zapálení rychle hoří, čímž vznikají horké plyny, jež prudce expandují a tlačí na píst. V tomto momentě se mění tepelná energie na mechanickou, práci vykonávají právě ony expandující plyny, které tlačením na písty roztáčejí klikovou hřídel.

Výfuk: poslední fáze principu čtyřdobého motoru spočívá v tom, že se během pohybu pístu při expanzi plynů otevírá výfukový ventil a skrze něj ony plyny vycházejí ven z válce do výfukového systému. Píst se dostane do původní krajní polohy (dolní úvratě) a celý koloběh může novým sáním začít nanovo.

Kolik vlastně automobilový čtyřdobý spalovací motor potřebuje válců?

Čím víc válců, tím lépe. Tohle tvrzení můžeme slyšet často. Jak je to doopravdy? Z principu čtyřdobého či Ottova motoru jednoznačně vyplývá, že k přeměně tepelné energie na mechanickou potažmo pohybovou dochází jen v jedné fázi, při expanzi. Z logiky věci tedy většina automobilů má čtyřválcové motory, které zajišťují, že v každém momentě chodu motoru bude alespoň jeden píst roztáčet klikovou hřídel. Čím více válců motor má, tím více pístů roztáčí klikovou hřídel. Už z tohoto jednoduchého faktu si každý může udělat svůj názor na novodobé trendy downsizingu a snižování počtu válců.

Zaklínadlo zvané ekologie

Spalovací motory na fosilní paliva vládnou světu už přes sto let a ještě nějakou dobu budou. Nicméně stávají se obětí svého úspěchu. Jejich výroba a provoz jsou natolik levné, že se rozšířily do celého světa a vlastně jej zaplavily. Díky obrovským počtům spalovacích motorů na fosilní paliva se jejich výfukové plyny staly globálním ekologickým problémem a dnes žijeme v době, která je začátkem jejich konce. Můžeme si být ale jisti, že čistě elektrické pohonné jednotky napájené bateriemi je nenahradí.

Ze své podstaty totiž nejsou bateriové elektromobily vůbec ekologické. Jejich výroba a následná recyklace totiž stojí neúměrně více prostředků než u klasických automobilů, výroba a recyklace elektromobilů jsou i mnohem více nebezpečné pro životní prostředí a energeticky nesrovnatelně náročnější. Navíc jsou spalovací motory účinnější a vytvářejí na jednotku paliva více energie než elektromotory napájené těžkými bateriemi. To ostatně poznali už naši prapradědečkové na konci 19. století, proto z tehdejší bitvy mezi elektromobily a vozidly se spalovacími motory vítězně vyšly ty druhé jmenované. Co ale má budoucnost, jsou vozidla s palivovými články.