Princip činnosti automobilových motorů

Motorové vozidlo, jak již jeho název napovídá, je poháněno motorem. Nejčastěji je používán spalovací motor, ve kterém se výkon, potřebný pro pohyb automobilu získává spalováním paliva. Palivem bývá nejčastěji benzín nebo nafta. Benzínové motory se nazývají zážehové, protože palivo se v nich zapaluje, obvykle elektrickou jiskrou, přeskakující mezi elektrodami zapalovací svíčky. Naftovým motorům se říká vznětové, palivo se zde vznítí samo velkým teplem při silném stlačení. Alternativními palivy mohou být například propan−butan (LPG), zemní plyn (CNG), bionafta nebo alkohol. Alternativní paliva jsou používána v podstatně menším měřítku než benzín nebo nafta. Kromě spalovacích motorů různých typů se pro pohon automobilů používaly také parní stroje a elektromotory. S elektromotory se můžeme setkat i dnes v elektromobilech nebo vozech s hybridním (=kombinovaným) pohonem, parní stroj se již nepoužívá (vyjímku mohou tvořit pokusné prototypy). Následující popis Vás seznámí se základními principy spalovacích motorů.

Čtyřdobý zážehový motor

Většina současných i minulých automobilů používá klasický čtyřdobý zážehový motor, vyvinutý v devatenáctém století. Palivem bývá většinou benzín, ale tyto motory mohou po úpravě spalovat také alkohol nebo plyn (LPG, CNG).

Čtyřdobý (čtyřtaktní) motor má čtyři základní fáze činnosti:
Sání - do válce je nasávána směs vzduchu s palivem, píst se pohybuje dolů.
Komprese - píst se pohybuje vzhůru a stlačuje zápalnou směs paliva se vzduchem.
Expanze - stlačená směs je zapálena zapalovací svíčkou, exploduje a svým roztahováním tlačí píst dolů.
Výfuk - spaliny jsou vytlačovány z válce, píst se pohybuje nahoru.

Zápalná směs se dříve připravovala v karburátorech, novější motory používají vstřikování paliva. Vstřikování je buď nepřímé (do sacího potrubí) nebo přímé (rovnou do válce). Motor používá pro otvírání a zavírání sacího a výfukového kanálu ventily, ovládané vačkovými hřídely. Existovaly také motory se šoupátkovým rozvodem (např. systém Knight).

Na animovaném obrázku je kapalinou chlazený čtyřdobý zážehový motor s ventilovým rozvodem DOHC, má dva vačkové hřídele v hlavě motoru, jeden ovládá sací a druhý výfukové ventily.

Následující obrázek ukazuje různé varianty ventilového rozvodu. Tři základní rozvody jsou OHC, OHV a SV. Nejmodernější OHC (=OverHead Camshaft) má ventily řízené vačkovým hřídelem v hlavě motoru. Někdy bývá označován SOHC (=Single OverHead Camshaft), jeho verze se dvěma vačkovými hřídeli se označuje DOHC (=Double OverHead Camshaft) nebo 2xOHC. Ventilový rozvod OHV (=OverHead Valves) má vačkový hřídel v bloku motoru a visuté ventily (v hlavě) ovládá pomocí zdvihátek a vahadel. Posledním typem rozvodu je SV (=Side Valve), ten se dnes již nepoužívá. Měl stojaté ventily v bloku motoru a neumožňoval dosažení vyššího stupně komprese, takže motor nebyl schopen dosáhnout vyššího výkonu. Na obrázku je vždy žlutý vačkový hřídel (V.H.), modrý ventilový rozvod, červený spalovací prostor a zelená zapalovací svíčka.

U starších motorů se také používala kombinace rozvodů OHV a SV, kdy sací ventily byly v hlavě a výfukové v bloku motoru. Tento rozvod býval označován IOE (= Intake Over Exhaust) nebo motor s F−hlavou. Na přelomu devatenáctého a dvacátého století používaly některé motory automatické sací ventily, otevírané podtlakem při sání a zavírané slabou pružinou. Sací ventily nebyly ovládány vačkami. Tento rozvod, nazývaný AIV (= Automatic Inlet Valve), používaly pouze pomaluběžné málo výkonné motory. Již při cca 800 ot/min zůstával sací ventil "viset". Rozvody IOE a AIV ukazuje následující obrázek.

Klasický ventilový rozvod používá pro otevření ventilu vačku a pro jeho uzavření vinutou pružinu. Desmodromický rozvod má ventily otevírané i zavírané vynuceně mechanicky bez pružin. Tento rozvod používaly některé závodní motory (například Mercedes-Benz v padesátých letech dvacátého století) a dodnes jej používají některé motocykly. Moderní závodní motory ve formuli 1 používají ventily zavírané pneumaticky a ne pružinami, otvírání ventilů zajišťují klasické vačky. S touto technikou přišel jako první Renault koncem osmdesátých let a převzali ji další výrobci motorů pro F1. Pružinami zavírané ventily zvládají maximálně 16 000 ot/min, u pneumaticky zavíraných ventilů lze dosáhnout podstatně vyšších otáček, i více než 19 000 ot/min.

Předchozí obrázek ukazuje vlevo desmodromický rozvod OHC a vpravo je pneumaticky uzavíraný ventil motoru F1.

Dvoudobý zážehový motor

Dvoudobý motor je jednodušší, nemá ventilový rozvod a kombinuje vždy dvě doby dohromady. Při zdvihu pístu dochází ke kompresi a sání, při expanzi je píst tlačen dolů a souběžně probíhá fáze výfuku. Na animovaném obrázku je dvoudobý vzduchem chlazený motor, má píst s tzv. deflektorem. Na pravé straně je dole sací a nahoře výfukový kanál, po levé straně válce je přepouštěcí kanál.

Dvoudobý motor by měl mít při stejném objemu teoreticky dvojnásobný výkon proti motoru čtyřdobému, v praxi tomu tak ale není. Problémy při souběhu fází vedou k nedokonalému nasátí směsi a jen částečnému využití její energie. Ve válci zůstává část výfukových plynů a naopak do výfuku odchází část nespálené směsi. Dvoudobý motor má sice obvykle o něco vyšší litrový výkon, ale větší spotřebu a vyšší exhalace škodlivých látek. Navíc je třeba mazat klikový mechanismus buď mícháním oleje do paliva nebo odděleným mazacím systémem, který odstraňuje hlavní výhodu dvoudobého motoru - jeho jednoduchost. Dvoudobé motory používaly například automobily DKW a Saab (do poloviny šedesátých let dvacátého století), z českých vozů značky Aero, Jawa a Z (Zbrojovka). Dvoudobé motory měly také některé malé japonské automobily (Kei Car). Nejdéle se dvoudobé motory udržely ve vozech Trabant a Wartburg, jejichž výroba byla ukončena kolem roku 1990. Dodnes se s dvoudobým motorem setkáte v řadě motocyklů.

Zážehový motor Wankel

V šedesátých letech dvacátého století se na trhu objevily první automobily s motorem s rotujícími písty. Motor vyvinul Felix Wankel ve firmě NSU a licenci na jeho výrobu zakoupila řada světových automobilek.

Podobně jako u dvoudobého motoru, i zde dochází k souběhu několika fází pracovního cyklu motoru. Na animovaném obrázku je po levé straně kanál sání, sání je znázorněno modrou barvou. Komprese a expanze jsou tečkovaně, výfuk a výfukový kanál po pravé straně hnědě. Motor na obrázku má několik zapalovacích svíček.

Wankelův motor s rotujícími písty se sice vyznačuje malými rozměry a klidným chodem. Nevýhodou je ale vyšší spotřeba benzínu i oleje, problémy s exhalacemi a nízká životnost motoru, hlavně těsnicích lišt. Největší boom zažily tyto motory ve vozech Mazda v sedmdesátých letech dvacátého století, kdy snad každá typová řada Mazdy nabízela alespoň jeden typ s motorem Wankel. Do třetího tisíciletí vstoupil tento motor již jen ve sportovních vozech Mazda RX a Mazda byla jediným výrobcem, který tento motor montoval do automobilů ve větších počtech. Ale i motor posledních vozů Mazda RX-8 trpěl výše uvedenými nedostatky a obvykle nevydržel více než 80 až 100 000 km. Mazda výrobu Wankelových motorů definitivně ukončila v roce 2012.

Vznětový motor

Stále větší oblibě se těší vznětové motory, které používají jako palivo naftu. Pracují se čtyřdovým pracovním cyklem a nasávají pouze vzduch. Po jeho stlačení se do válce vstříkne nafta a dojde k jejímu samovznícení. Používá se buď nepřímé vstřikování do kumůrky v hlavě nebo přímé vstřikování do válce. Pro studený start je motor vybaven žhavicími svíčkami. Motor musí mít pevnější konstrukci, kompresní poměr bývá podstatně vyšší, obvykle dvojnásobný, než u zážehových (benzínových) motorů.

Motory, nazývané podle svého konstruktéra "Diesel", mají příznivou spotřebu paliva. Jejich nižší výkon výrobci kompenzují přeplňováním, většinou pomocí turbodmychadla. Moderní přeplňované naftové motory montuje řada automobilek, jejich nevýhodou je vyšší cena, která může být kompenzována nižšími provozními náklady.

Dvoudobé naftové motory se používaly pouze zřídka v některých nákladních automobilech, do běžných osobních vozů se nemontovaly.

Ostatní motory

Koncem devatenáctého století bylo zkostruováno několik prvních elektromobilů. Vůz poháněný elektromotorem má tichý chod, ale většinou velmi omezený dojezd, daný kapacitou baterií, jimiž musí být vybaven. Automobil s elektrickým pohonem jako první oficiálně překonal rychlost 100 km/h (Jenatzy, 1899). Elektromobily dodává řada výrobců i dnes, ale jejich procentuální podíl na celosvětové automobilové produkci je minimální. Zajímavou alternativou jsou hybridní vozy, kombinující pohon spalovacím motorem a elektromotorem. Provoz na elektřinu je čistý, nevznikají při něm žádné exhalace (ovšem elektřinu je třeba někde vyrobit a její výroba nemusí být právě příliš ekologická).

První samohybné stroje byly většinou poháněny parními stroji, automobily poháněné párou vyrábělo několik výrobců ještě ve dvacátých letech dvacátého století. Dnes se tento pohon u sériově vyráběných automobilů nepoužívá. Výhodou parních vozů byl tichý provoz, nevýhodou obvykle malý dojezd. Prvním vozem, který překonal rychlost 200 km/h byl automobil poháněný párou (Stanley, 1906).

Některé automobilky zkoušely také pohon turbínou. Pokusy většinou nepřesáhly stádium prototypu nebo malé ověřovací série (Chrysler Turbine). Do běžné sériové výroby se turbínou poháněné automobily nedostaly.