Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Cestná a železničná doprava
Autori
Samuel Fajkoš
David Elexa
Jakub Sokolovský
Konzultanti
CH - RNDr. Mária Smreková
F – RNDr. CSc. Pavol Kubinec
Ročník
1. Dots
Kalendárny rok
2019
ČESTNÉ PREHLÁSENIE
Čestne prehlasujem, že som náš projekt vlastnoručne písal/a a informácie v ňom
použité sú z overených, dôveryhodných zdrojov.
................................................ ............................................ ...........................................
.....
Jakub Sokolovský David Elexa Samo Fajkoš
V Bratislave 17. 10. 2019
1
ObsahÚvod.....................................................................................................................................3
Spaľovacie motory...............................................................................................................4
1. kapitola – Teoretické fungovanie spaľovacieho motora...................................................4
Základné časti benzínového spaľovacieho motora: Blok motora –......................................4
Prevádzka Motora................................................................................................................9
Základné delenie =.............................................................................................................12
2. kapitola - Fyzikálna časť motora....................................................................................14
Od čoho závisí výkon motora.............................................................................................14
Ropa...................................................................................................................................16
Spracovanie ropy na primárne produkty............................................................................16
Výroba nafty.......................................................................................................................19
Nafta v zime.......................................................................................................................20
Elektromotor.......................................................................................................................21
Motor s permanentným magnetom....................................................................................21
Moment sily elektromotora.................................................................................................23
Maglevy..............................................................................................................................24
Úvod...................................................................................................................................24
História...............................................................................................................................25
Typy magnetických vlakov.................................................................................................26
Princíp magnetickej levitácie..............................................................................................26
Autonómne autá.................................................................................................................28
Úvod...................................................................................................................................28
6 autonómnych úrovni (levelov).........................................................................................29
Nultá úroveň..................................................................................................................30
Prvá úroveň...................................................................................................................30
Druhá úroveň................................................................................................................30
Tretia úroveň.................................................................................................................30
Štvrtá úroveň.................................................................................................................30
Piata úroveň..................................................................................................................31
Laserové skenery...............................................................................................................31
Význam autonómnych áut..................................................................................................32
Bibliografia..........................................................................................................................34
Resumé..............................................................................................................................36
English resumé...................................................................................................................37
2
Úvod
Táto projektová práca má názov cestná doprava. Budeme sa v nej venovať
pozemnej doprave ako sú vlaky a autá. Zameriame sa konkrétne na maglevy a
autonómne autá, no preberieme si aj činnosti spaľovacích motorov, zloženie palív
atď. V tejto projektovej práci sme podľa rád dosiahli chcený ciel, vysvetlili a
rozobrali všetko čo sme chceli a čo nám čas umožňoval. Myslím si, že popísané
veci sú spracované tak, aby boli zrozumiteľné a zároveň aj odborné. Pri písaní
sme sa stretli s niekoľkými problémami ako napr. málo času, nevedeli sme sa
zorganizovať na spoločnú konzultáciu a problémy s programami. Nakoniec, aj s
problémami sme prácu dokončili so všetkým, čo sme chceli.
3
Spaľovacie motory1. kapitola – Teoretické fungovanie spaľovacieho motora
Základné časti benzínového spaľovacieho motora: Blok motora – blok motora je súčiastka bez
ktorej by motor nebol motorom.
Je to veľká základňa pre
väčšinu súčiastok. Nachádzajú
sa v ňom válce a piesty,
kľuková hriadeľ, na ňom je
hlava válcov a pripevnená
prevodovka. Veľkosť tejto
„škatule“ závisí od objemu
motora. Ako som spomínal, v
bloku motora sa nachádzajú
válce v ktorých chodia piesty a
tie sú napojené na kľukovú
hriadeľ ktorá sa nachádza v
spodnej časti bloku. Ďalej je
potom spojená s prevodovkou s vonkajšej časti bloku. Kľuková hriadeľ má
nepravidelný tvar tzn. Nie je to rovná tyč. Nad valcami (na vrchu bloku motora sú
valce otvorené) sa nachádza hlava valcov. Blok motora je zo spodnej časti
uzavretý olejovou vaňou. Ako názov hovorí nachádza sa v nej mazacia zmes –
motorový olej. Motorový olej sa nachádza v časti kde je kľuková hriadeľ. Do valca
sa olej dostať nemôže a preto sú na piestoch tzv. Piestové krúžky/tesnenia
(poviem neskôr). Veľkosť bloku alebo celkovo motora sa označuje v objeme.
Odborne v cm3, no väčšinou sa to označuje v litroch. Funguje to na princípe
objemu valcov. Valec je dutina vyrezaná do bloku, čiže má svoj objem. Tento
objem sa ale počíta tak, že kolko kvapaliny sa zmestí do valca keď je piest v
dolnej polohe. To znamená že keď sa povie „dvoj-litrový štvorvalec“ tak to
znamená že blok má štyri valce s obsahom štyroch litrov (štyroch preto, lebo valce
menia polohu striedavo, dva sú hore a dva dole).
4
Blok motora môže mať niekoľko tvarov. Najčastejšie je
využívaný tzv. Radový– valce sú usporiadané za sebou (
4 alebo 6, dnes už aj častejšie 3 válce, na obrázku sú 4
válce radovo zastúpené) Dalej sa často využíva tzv.
Vidlicový. V tomto prípade sú dva rady valcov
smerujúcich oproti sebe v najčastejšie 60 stupnovom
uhle, má dve hlavy valcov, no relatívne blízko pri sebe.
Další často používaný zástup válcov je Boxxer. Toto je
jeden z najzložitejších typov motora. Má totižto dve hlavy
valcov (aj s vidlicovým) ktoré sa nachádzajú na úplne
iných stranách.
Tento fakt sťažuje
prístupnosť k
sviečkam
nachádzajúcich
sa v hlavách a
pod. Tento motor
obsahuje piesty
hýbuce sa oproti
sebe, no tentokrát
v 90 stupňovom uhle – preto sa nazýva aj plochý motor .
Dalším no už málo používaný typ je tzv, VR. Je to skratka od Vidlicového Radového motora. Je to vlastne zmiešanina Vidlicového a radového motora. V
praxi to vyzerá ako radový, no s tým
rozdielom že válce nie sú vedľa seba v
priamke ako pri radovom, ale sú mierne
odchýlené od seba. V konečnom dôsledku
to znamená, že mohli dať väčší počet
válcov do menšieho priestoru napr. šesť
válcový VR mal rovnakú veľkosť ako štvor
válcový Radový štvorválec.
5
Piest – Piest sa
nachádza vo valci. Piest
je široký ako šírka válca
v ktorom bude obiehať.
Zo spodu je uchytený
na piestovú ojnicu a tá
je napojená na kľukový
hriadeľ. Kľukový hriadeľ
nie je rovná tyč. Ako
som horšie spomínal,
piest fungujú na
princípe jeden hore,
jeden dole. Toto je spôsobené tvarom kľukovým hriadeľom. Keď sa jeden piest
nachádza v hornej polohe, tak časť hriadeľa na ktorú je napojený je v tom
momente hore pričom časť vedla, kde je napojený piest v dolnej polohe, je dole
tiež. Po expanzii vo valci v hornej polohe sa tento piest zatlačí dole, čím otočí
kľukovým hriadeľom a dovtedy dolnú časť (a piest v dolnej polohe) posunie hore a
proces sa zase opakuje. Toto znamená, že ojnica musí vydržať veľmi vysoký tlak
prenášaný z piesta odtlačeného expanziou na kľukovú hriadeľ ktorá musí pohnúť
druhým piestom smerom hore (takto to funguje aj pri iných mo toroch ako dvoj
valcoch – štvor, šesť, osem aj dvanásť válce). Na pieste sa nachádzajú tri
tesnenia. Každé má inú funkciu. 1. Prvý krúžok sa nazýva stierací. Už podľa názvu
vieme zistiť že niečo stiera. Tento krúžok stiera zvyšky paliva zo stien spaľovacej
komory smerom hore, aby sa palivo nedostalo do dolnej časti
motora kde sa nachádza olej. 2. krúžok sa nazýva tesniaci. Tento krúžok spĺňa
úlohu tesnenia. Utesňuje spaľovaciu komoru a dolnú časť motora. Ak by sa olej z
dolnej časti motora dostal do spaľovacej komory, motor by začal spaľovať olej, čo
by vyvolalo stratu mazacieho oleja a dymenie z výfuku a tým pádom porušenie
emisných noriem. Posledný krúžok sa nazýva mazací. Tento mazací krúžok
rozmazáva olej zo spodnej časti motora na steny spaľovacej komory, aby mal
piest plynulý prechod.
Hlava valcov – hlava valcov je vždy povrchovo rovnaká ako strana bloku
motora, kde sa nachádzajú otvory valcov. Ako názov napovedá, nachádza sa nad
6
valcami a tým
pádom utesňuje
válcovú dieru v
bloku mo tora a
tým uzatvára
vnútorný priestor
bloku motora. V
hlave sa
nachádzajú
ventily valcov,
vačkový hriadeľ (
jeden alebo dva
– vysvetlím
neskôr). Cez hlavu prechádzajú aj sviečky ktoré končia vo valci aby mohli dodať
iskru. Sviečky potrebujú istý elektrický zdro j
takže z hlavy valcov vždy pôjde kabeláž. Z vonkajšej strany z boku na hlave
valcov je ozubené koleso napojené na vnútornú vačkovú hriadeľ. Toto koleso je
cez klinový remeň napojené na remenicu kľukového hriadeľa (funguje tiež tak že
remenica je ozubené koleso z vonkajšej strany bloku motora napojené na kľuku).
Vačkový hriadeľ – Vačkový hriadeľ sa nachádza v hlave motora. Je to otočná
tyč, ktorá ma na sebe časti v tvare slzy/hrušky. Tieto útvary slúžia na pohyb sa
hlavičkami ventilov. V praxi – vačkový hriadeľ sa začne točiť za pomoci kľukového
hriadeľa. Po otočení sa točia aj „vačky“ na ňom a tým že majú jeden bod
vystúpenejší ako zvyšok tela, tak potlačia najbližší predmet dole – a to je ventil. To
znamená že ak sa vačkový hriadeľ otáča (a tým pádom aj „vačky“ na ňom) tak sa
otvárajú a zatvárajú ventily. Tento pohyb umožňuje vzduchu a palivu vstúpiť do
spaľovacej komory (valca) a nechať pôsobiť silu motora a elektroniky. Poznáme
viac druhov vačkových hriadeľov. Najzákladnejší je tzv. SOHC čo znamená Single
Over Head Camshaft (jeden vačkový hriadeľ na hlavu). V tomto prípade sa v hlave
valcov nachádza jeden vačkový hriadeľ ktorý otvára ventily. Druhý typ je DOHC –
Dual Over Head Camshaft (dva vačkové
hriadele na hlavu). V tomto prípade sa v hlave nachádzajú dva vačkové hriadele –
jeden otvára nasávací ventil a druhý výfukový ventil.
7
Ventily – Ventily sú pomerne jednoduchá téma. Na každom valci sa nachádza
minimálne jeden nasávací ventil (prívod vzduchu a paliva alebo zmesi paliva a
vzduchu). Najčastejšie používame množstvo ventilov minulosti je 2 ventily na
valec, čo by pri 4 valci znamenalo 8 ventilov. Pri športovejších autách sa používali
4 ventily na valec, čo je pri 4 valci 16 ventilov. Dnes už sa využíva technológia 4
ventilov na valec, pretože tento typ je oveľa funkčnejší – väčšia priedušnosť zmesi
paliva a rýchlejší výfuk vybuchnutej zmesi – rýchlejší motor
Rozvody – Poznáme dva typy motorových rozvodov – reťazové a remeňové.
Podľa názvov vieme zistiť že reťazové budú využívať reťaz a remeňové gumený
remeň. Aj keď sú tieto dva typy pomerne rozdielne, oba spĺňajú ten istý účel –
prenášaný otáčavý pohyb. Všetko sa to začína štartom keď sa pomocou štartéra
otočí kľuková hriadeľ na
ktorú je napojený remeň
(rovnako to funguje aj pri
reťazi) kto rý sa tiež otočí,
tento remeň je napojený aj
na ozubené koliesko
vačkového hriadeľa ktoré
otáča vačkovým
hriadeľom a tým pádom
riadi otváranie ventilov vo
valci. Elektronika sa
postará o zvyšok procesov nutných na naštartovanie. Tieto rozvody sú
zakrytované kvôli nepriaznivým podmienkam a krehkým ozubeným kolieskam
ktoré nesmú byť poškodené. Ak by ich náhodou poškodil napr. Letiaci kameň je tu
8
možnosť preskočenia rozvodov, čo by spôsobovalo zlé načasovanie otvárania
ventilov a to znamená neschopnosť naštartovať – napr. Ventil s prívodom
elektricky vstrekovaného paliva (nie je závislé na rozdvoch) by sa otvoril neskoro
čo by zapríčinilo nevybuchnutie zmesi a zaplnenie valec benzínom. Ďalej tu máme
vonkajšie rozvody – tieto už zakrytované nie sú, pretože sa tam nenachádzajú
ozubené kolieska. Nachádzajú sa tam kolesá s drážkou v ktorej sa remeň otáča.
Na vonkajších rozvodoch je napojený kľukový hriadeľ ktorý svojim pohybom točí
remeňom a ten svoj pohyb posiela ďalej do alternátora – dôležitá časť ktorá dobíja
batériu potrebnú na naštartovanie.
Prevádzka Motora Štart – Pre naštartovanie motora je potrebný tzv. štartér. Táto súčiastka začne
točiť motorom tak, aby bol schopný nasať vzduch a palivo do válca a následne
vyvolal kompresiu piestu. Po tomto úkone a úspešnom naštartovaní (časť, kedy
motor na prevádzku nepotrebuje na točenie štartér, ale točí sa vlastnou silou)
vodič automobilu pustí kľúč a pružinka v samotnom alternátore pohne s kľúčom
ktorý sa vráti do 1. Polohy a tým pádom deaktivuje činnosť štartéra. Štartér sa
nachádza presne medzi motorom a prevodovkou a je napojený na zotrvačník ( v
podstate na kľukový hriadeľ ktorá točí piestami a tým pádom dochádza k procesu
kompresie a dekompresie). O prísun paliva sa postará palivové čerpadlo ktoré
vycucá palivo z nádrže umiestnenej najčastejšie v zadnej časti auta. Prísun
vzduchu zabezpečí otvorenie škrtiacej klapky („otvárak“ trubice cez ktorú prúdi
vzduch do valca, čím viac je stlačený plynový pedál, tým viac je otvorená klapka a
prúdi viac vzduchu do motora – viac vzduchu= viac paliva = viac zmesi vzduchu a
paliva rýchlejšia a silnejšia kompresia). Otváranie ventilov (pohyb vačkových
hriadeľov) je zabezpečený tzv. Rozvodov reťazou/klinovým remeňom. Pohyb
týchto vecí zabezpečuje taktiež štartér, pretože pohyb týchto súčiastok je závislý
na pohybe kľukového hriadeľa – ktorý zabezpečuje fungujúci štartér.
Ako je možné že štartér je aktívny keď je auto vypnuté? Presne na
tento účel je v aute batéria. Na jeho aktivovanie je potrebné otočiť kľúčom v
spínacej skrinke (nachádza sa pod volantom), otočením kľúča sa spoja kontakty
medzi štartérom a batériou tak, aby štartér mal dostatočný prísun energie na
9
naštartovanie. Po pustení kľúča pružinka v štartéry odpojí štartér od batérie a
posunie kľúčik do 1. Polohy. Od tohto momentu je motor schopný fungovať bez
štartéra. Štartér (a iné veci potrebné k naštartovaniu a ďalšej prevádzke – palivové
čerpadlo) je napojený priamo na vysoko kapacitnú autobatériu ktorá musí odolať
vonkajším podmienkam – mrazom a vysokým teplotám. Batéria sa dobíja počas
jazdy Alternátorom.
Alternátor- Alternátor sa nachádza v rozvodovej časti a je priamo napojený na
remenicu kľukového hriadeľa (tam sú napojené aj ostatné rozvody). Energiu na
nabíjanie batérie alternátor vytvára pomocou otáčavého pohybu tvoreného zo
samotného procesu motora. To znamená, že akonáhle je motor naštartovaný a
piesty sú v pohybe, hýbe sa aj vonkajšia časť alternátora a tým pádom sa vytvára
energia posielaná rovno do autobatérie.
Prevádzka– Najzákladnejšie delenie spaľovacích motorov je na dvoj-taktný a
štvor-taktný. Dnes sa používa v autách iba štvor-taktný motor. Kedysi sa v autách
používal dvoj-taktný (npr. Trabant), no dnes sa využíva iba v nízko objemových
strojoch – kosačky, píly atd. Obyčajný dnešný spaľovací motor využíva Ottov
cyklus spaľovania. Ottov cyklus si podrobne opíšeme neskôr. Poznáme ešte pár
ďalších, no menej dôležitých cyklov, ktoré sa dnes už nevyužívajú preto sa nimi
nebudem zaoberať. Štvor-taktný motor znamená, že motor pracuje na štyri takty
(Ottow cyklus) – má štyri pracovné procesy. V tomto prípade to je 1. Nasávanie, 2.
Kompresia, 3. Spaľovanie, 4. Výfuk.
1. Nasávanie – nasávanie prebieha v momente keď sa piest presúva do
dolnej úvrate. Vtedy sa v spaľovacej komore vytvorí podtlak a nasaje dnu
zmes vzduchu a benzínu (podľa typu vstrekovania)
2. Kompresia –(stláčanie) piest pri pohybe z dolnej do hornej úvrate stláča
nápľ (zmes paliva a vzduchu) čím zvyšuje teplotu zmesi a aj tlak v
spaľovacej komore.
3. Spaľovanie a expanzia – Tesne pred dosiahnutím úplnej hornej úvrate
(vždy je tam nejaký priestor na kvapalinu - nedá sa stačiť úplne) za pomoci
sviečky preskočí iskra ktorá zapáli stlačenú a zohriatu pracovnú náplň, tým
pádom vyvolá expanziu zmesi ktorá potlačí piest do dolnej úvrate (jediný
smer kam piest môže ísť a kam zmes expanduje keďže je v uzatvorenom
priestore). Tento pohyb vyvolá otočenie kľukového hriadeľa, ktorý týmto
10
pohybom usmerní jeden piest do taktu nasávania a ďalší to taktu
kompresie.
4. Výfuk - Piest sa po dosiahnutí dolnej úvrate vracia do hornej úvrate (za
pomoci expanzie v ďalšom válci), pričom sa otvorí výfukový ventil cez ktorý
sa vyfúknu výpary z expanzie - piest ich tlakom vytlačí. Tento postup sa
môže mierne líšiť v závislosti od daného motora – vznetový alebo zážihový,
priame vstrekovanie alebo nepriame vstrekovanie. Rozdiely sú však veľmi
malé a nie je potrebné ich tu podrobne opisovať.
Fungovanie– fungovanie motora je pomerne zložitá vec, vzhľadom na to, že
veľa vecí je závislých od iných vecí, to znamená, že ak sa pokazí napr. Klinový
remeň (tu hrozí pretrhnutie) tak sa
automaticky pozastaví chod
motora, chod alternátora, rozhodí
sa nastavenie rozvodov čo môže
viesť k ďalším problémom ako
nemožný štart a pod. Štart motora
som už opisoval vyššie, teraz
opíšem ako to funguje po
naštartovaní. Keď je motor
naštartovaný, opakuje sa v ňom dookola Ottow cyklus. Piesty tým že menia
polohu, prenášajú moment sily na kľukovú hriadeľ ktorá je napojená na
prevodovku a ide to na kolesá auta. Celý tento proces je riadený rozvodmi -
časovanie otvárania a zatvárania výfukových a prífukových ventilov, funkcia
vodnej pumpy (pumpuje chladivo v bloku motora). Elektronicky riadené je iba
vstrekovanie. Poznáme priame a nepriame vstrekovanie. Nepriame vstrekovanie
prebieha pred sacím ventilov - to znamená v potrubí alebo v sacom kanáli. Palivo
sa teda nevstrekuje priamo do valca, ale tak, aby vytvorilo zmes so vzduchom
ktorý následne vtiahne piest do válca. Pri tomto vstrekovaní prejde palivo cez dýzu
s malým objemom a vďaka tomuto sa palivo rozpráši na malé kvapôčky. Toto
vstrekovanie je riadené
Elektronickou riadiacou jednotkou
(ECU). Pomocou snímača otáčok,
zisťuje polohu kľukového hriadeľa a
vo vhodnom momente, keď sa
11
otvára sací ventil, dá pokyn vstrekovačom na vstreknutie paliva do prúdiaceho
vzduchu. Dávka paliva sa mení podľa aktuálneho prietoku vzduchu, ktorý meria
váha vzduchu, je to preto, aby sa dosiahlo vhodné zloženie zmesi. Riadiaca
jednotka si tak isto pomáha lambda sondou - kontroluje zloženie výfukových
plynov. Čím viac je stlačený plynový pedál, tým viac vzduchu prejde cez škrtiacu
klapku, čo zväčšuje prietok vzduchu a tým aj dávku vstreknutého paliva čo
vyvoláva väčšiu expanziu a väčší moment sily a vyššie otáčky v motore. Ďalší typ
vstrekovania je priamy. V tomto prípade sa palivo vstrekuje priamo do valca.
Väčšinou sa palivo vstrekuje do valca počas nasávacieho zdvihu.
Základné delenie =
1. Vznetový - dieselový agregát
2. Zážihový (Ottov) - benzínový agregát
Vznetový agregát = vznetový motor, alebo dieselový, je motor ktorý na
poháňanie využíva ako Naftu. Jeho názov je odvodený od jeho fungovania.
Keďže motor funguje na princípe výbuchu, tak palivo (pohonná hmota)
musí mať výbušné vlastnosti. Nafta presne tieto vlastnosti má, vybuchuje
pod vysokým tlakom. Tento tlak sa nachádza v spaľovacej komore = vo
valci. Nafta a vzduch sa natlačia do valca, keď sa piest nachádza dole. Po
presunutí piesta do hornej polohy sa vo vrchnej časti valca vytvorí vysoký
tlak, ktorý zvýši teplotu zmesi na zápalnú teplotu zmesi a zmes expanduje -
vybuchne. Tento výbuch zmesi potlačí piest do dolnej polohy a zároveň sa
výpary z výbuchu vyfúknu von cez ventil do výfuku. Tento typ motora
nevyužíva zápalné sviečky, pretože nafta nie je horľavá kvapalina, pokiaľ
nie je pod vysokým tlakom. Čiže keď do rozliatej nafty hodíme zápalku,
nebude nám horieť.
Zážihový Agregát = zážihový motor, alebo benzínový, je motor ktorý ako
palivo využíva benzín. Rovnako ako pri Vznetovom, motor funguje na
princípe výbuchu. Tento typ však funguje trochu inak. Na výbuch využíva
tzv. zápalné sviečky. Keďže benzín je horľavá kvapalina, jednoducho sa po
“zážihu” zapáli. Zážih je jednoducho nejaká iskra, plameň a pod. Túto iskru
12
dodá práve tá zápalná sviečka, ktorá keď nefunguje ako má, tak válec
môže vynechávať. Postup fungovania je rovnaký ako pri vznetovom
motore, ale s jedným malým rozdielom. Keď je v spaľovacej komore benzín
so vzduchom a piest už ide do hornej polohy, sviečka dodá iskru, vďaka
ktorej benzín so vzduchom vzbĺknu a ako pri vznetovom posunú piest do
dolnej polohy.
13
2. kapitola - Fyzikálna časť motora
Od čoho závisí výkon motora - výkon
motoru závisí od množstva energie z paliva, ktoré sa v motore premení na
mechanickú prácu. K horeniu paliva treba vzduch, a preto u piestového
motora s určitým objemom nezáleží na výhrevnosti samotného paliva, ale
na výhrevnosti zmesi paliva so vzduchom. Zmes musí byť v takom pomere,
aby vzduch obsahoval množstvo kyslíka potrebné k úplnému zhoreniu
paliva (stechiometrická zmes).
Z toho je jasné, že palivo s väčšou výhrevnosťou nemusí dávať pri spálení
v motore s určitým objemom valcov väčší výkon než palivo s menšou
výhrevnosťou.
Ottov cyklus - je to vlastne cyklus v motore ktorý sme si už opisovali - 1.
nasávanie, 2. kompresia, 3. spaľovanie a expanzia a 4. výfuk. Teraz si
tento Ottov cyklus dáme do diagramu - Je to znázornený pomer medzi
Tlakom a objemom (v spaľovacom priestore)
Tento diagram znázorňuje priebeh tohto cykla. V bode 1 prebieha prvý
proces - nasávanie. V tomto momente sa vo valci vytvára podtlak ktorým sa
nasáva vzduch (palivová zmes) do valca. 2. Keď piest prejde do úplnej
dolnej úvrate,
otočí sa jeho
smer a začne
kompresia. Tým
že piest
zmenšuje
priestor v
spaľovacej
komore svojim
14
pohybom, tak sa tam zvyšuje tlak (lebo sa zmenšuje objem uzatvoreného
priestoru v ktorom je zmes). Krátko pred dosiahnutím úplnej hornej úvrate,
sviečka dodá iskru a tá vyvolá zážih zmesi - v tomto momente sa rapídne
zvýši tlak v spaľovacej komore, pretože zmes expanduje v rovnakom
priestore. 3. Expanzia - v bode 2. keď zmes expanduje, tak iba zväčší svoj
objem, no v bode 3. už tlačí piest do dolnej úvrate (to prenáša pohyb na
kľuku a tá vytvára otáčavý pohyb - točivý moment) 4. Pred bodom č. 4, sa
otvára výfukový ventil a piest vytláča výpary zo zmesi von - týmto sa znižuje
tlak (komora je už otvorená - výpary majú kam odísť).
Tento diagram sa mení na základe iného objemu (väčší motor) alebo na
základe väčšieho tlaku (preplňovanie). Keď je väčší objem motora, tým
pádom je aj tlak väčší, no pri preplňovaní sa zvyšuje tlak a objem zostáva
rovnaký. To znamená že pri preplňovanom motore môžeme z rovnakého
objemu získať väčší tlak ako pri atmosférickom motore (bez preplňovania).
Preplňovanie - nebudem vysvetľovať celý princíp preplňovania, lebo to je
zdĺhavé a zbytočné. Čo to je to preplňovanie? Na preplňovaný motor nám
treba turbo, alebo kompresor, oba fungujú inak, no princíp je ten istý.
Úlohou turba je natlačiť viac vzduchu do spaľovacej komory. Čím viac
vzduchu, tým viac benzínu a to znamená väčší výbuch - silnejšie odrazenie
piesta do dolnej úvrate. To znamená, že preplňovanie funguje tak, že objem
motora sa zachováva, no tlak v ňom sa výrazne zväčšuje a to spôsobuje
vyšší výkon motora bez zväčšovania objemu.
15
RopaRopa je kvapalina tvorená zmesou uhľovodíkov resp. alkánov, ktoré sú organické
chemické zlúčeniny tvorené z uhlíkov a vodíkov. Najjednoduchším uhľovodíkom je
zemný plyn metán CH4. Je dôležitá na výrobu nafty, benzínu a plastov. Ropa
vzniká dlhým rozkladom uhynutých živočíchov a rastlín väčšinou fytoplanktónu,
žijúceho v morských vodách ale aj zooplanktónu a autotrofných organizmov bez
prístupu kyslíka a viac ako 3 km pod zemou. Hustota ropy pri tlaku jednej
atmosféry a teplote 4 ℃ sa pohybuje okolo 700 kg.m-3 pre ľahkú ropu a 1000 kg.m-
3 pre ťažkú ropu. Ropa obsahuje 83 - 87 % uhlíka (C), 10 - 14 % vodíka (H), 1 %
dusíka (N), 1 % kyslíka (O) a 1 - 6 % síry (S). Ropa je zmesou až 10 000 rôznych
zlúčenín z čoho je väčšina organických uhľovodíkov a iných neorganických
zlúčenín.
Spracovanie ropy na primárne produkty
Ropa sa najčastejšie spracováva v rafinériách, v ktorých sa jednotlivé zložky
rozdeľujú a premieňajú na ropné produkty.
Procesy v rafinériách sa dajú rozdeliť na tri základné typy:
Separačné procesy – ropa sa rozdelí na frakcie
Konverzné procesy – zlúčeniny prítomné v rope sa premieňajú na iné, ktoré sú
na trhu žiadanejšie, zvyčajne s vylepšenými vlastnosťami
Dočisťovacie procesy – odstraňovanie rôznych typov nečistôt, zmena štruktúry
molekúl, ktoré vedú k zvýšeniu úžitkovej hodnoty (izomerácia, odsírenie)
Technologické procesy sú uspôsobené druhu spracovávanej ropy. Ak je ropa
horšej kvality a ak sú požiadavky na kvalitu produktov vysoké, musí byť štruktúra
rafinérie zložitejšia. Takáto rafinéria má vyššie investičné a prevádzkové náklady.
V krajinách EÚ sa z ropy vyrába až 42 % energie a 94 % motorových palív. Ropu
spracováva približne 100 rafinérií, z 10 produkuje aj základové oleje a asfalty.
16
Izomerácia - izomerizácia je chemická konverzia zlúčeniny na inú izomérnu formu.
Izomérne formy sú také formy zlúčenín, ktoré majú rovnaký vzorec a relatívnu
atómovú hmotnosť ale iné usporiadanie atómov v molekule.
Odsírenie - je proces pri ktorom sa z paliva odstraňuje SO 2 pomocou absorpčnej
látky (vápenec, magnezit, dolomit), na ktorú sa SO2 naviaže a potom sa vzniknutá
zlúčenina z paliva odstráni.
Spracovanie ropy má dve hlavné fázy:
Fyzikálne (separačné) procesy, chemické procesy.
Fyzikálne procesy sú: destilácia, absorpcia, extrakcia, kryštalizácia, adsorpcia.
Odsoľovanie ropy - Ropa po vyťažení z ložiska obsahuje vodu, v ktorej sú
rozpustené minerálne látky. Väčšina solí a vody sa odstraňuje už na mieste ťažby,
ale aj napriek tomu ropa dopravená do rafinérie obsahuje 0,02 - 0,2 % objemu
vody. Odsoľovanie ropy je prvý technologický proces na úplnom začiatku
spracovania ropy. Ako anorganické soli sú v rope prítomné chloridy a sírany
sodíka, draslíka, vápnika a horčíka. Celkový obsah solí sa sumárne vyjadruje ako
obsah NaCl a býva v rozmedzí 5-60 mg/kg. Anorganické soli sa musia odstrániť
čo najlepšie, pretože pri ďalších technologických operáciách sa pri zohrievaní
17
rozkladajú a uvoľňujú korozívny chlorovodík. Hlavnými príčinami odstraňovania
solí je ochrana pred koróziou, zníženie zanášania technologických prvkov a
ochrana katalyzátorov pred zanášaním a ich deaktiváciou. Voda prítomná v rope
je vo forme emulzie a anorganické soli sú v nej rozpustené. Soli môžu byť aj
dispergované priamo v rope ako drobné kryštáliky (disperzia je rozptýlenie atómov
látky na povrchu inej látky vydelených atómami v celej látke). Na odstraňovanie
solí sa používa proces elektrostatického odsoľovanie. Ropa sa zmieša s vodou v
ktorej sú prítomné účinné deemulgátory. Zohreje sa pod tlakom na teplotu 90-
150oC a účinkom elektrického prúdu (vysoké napätie) sa emulgovaná voda oddelí
od ropy. Podľa vyžadovaného stupňa odsolenia sa proces viackrát opakuje. Ropa
po odsolení obsahuje okolo 0,2% obj. vody.
Destilácia ropy je fyzikálny proces, pri ktorom sa odvodnená ropa rozdeľuje na
užšie frakcie. Je to základný proces spracovania ropy. Podľa konfigurácie rafinérie
sa na výrobu ľahkých rafinérskych produktov (benzín, petrolej, plynový olej)
využíva atmosférická destilácia a pre delenie mazutu sa používa vákuová
destilácia. Atmosférická destilácia sa niekedy nazýva aj rúrková destilácia, pretože
surová ropa sa pred vstupom do destilačnej kolóny zohrieva v rúrkovej peci.
Vákuová destilácia je destilácia počas zníženého tlaku. Tým pádom sa znižuje aj
bod varu látky a spotrebúva sa menej energie na jej ohriatie.
V procese extrakcie sa využíva fakt, že v niektorých rozpúšťadlách sa kvapalné
ropné frakcie rozpúšťajú len čiastočne. Selektívne rozpúšťadlá sa využívajú na
rafináciu palív a olejov. Z benzínov sa takto izolujú aromatické zlúčeniny (benzén,
toluén, xylény, etylbenzén). Viskózne oleje sa rafináciou rozdeľujú na rafináty pre
výrobu mazacích olejov a extrakty, ktoré obsahujú polyaromatické a živičnaté
látky.
Absorpcia sa využíva na spracovanie rafinérskych plynov. Najčastejšie sa používa
na separáciu sírovodíka z plynných zmesí. V absorpčnej kolóne sa plyn zbaví
nežiaducich prímesí (H2S, NH3, CO2) tým, že prechádza do kvapalného
absorbentu.
Adsorpcia sa využíva na odstránenie malých množstiev látok z plynov a kvapalín.
Najčastejšie sa jedná o odstránenie farebných podielov alebo zvyškov rafinačných
činidiel. Adsorpcia sa v prípade výroby mazacích olejov nahradzuje
hydrogenačnými procesmi.
Chemické procesy: katalytický reforming, tepelné krakovanie
18
Katalytický reforming je proces, ktorý sa využíva v ropnej rafinérii na konverziu
alkánov a cykloalkánov prítomných v ťažkom benzíne (80-180oC) a ktorý má
zvyčajne nízke oktánové číslo (oktánovým číslom sa hodnotí odolnosť paliva proti
samovznieteniu v zážihových motoroch), (oktánové číslo paliva je percentuálny
objem podielu čistého izooktánu(C8H18) v zmesi s n-heptánom (C7H16)), (izooktán má
oktánové číslo 100, zatiaľ čo heptán má oktánové číslo 0), (oktánové číslo 95
znamená, že palivo je odolné proti samovznieteniu ako zmes z 95% oktánu a 5%
heptánu) na vysoko oktánový kvapalný produkt – reformát. Jednotka obsahuje aj
hydrorafinačnú časť v ktorej dochádza k elimináciu zlúčenín síry, dusíka, olefínov
a kovov, ktoré sú katalytickými jedmi. Reformát obsahuje vysoký obsah
monoaromátov a predstavuje jednak komponentu na výrobu automobilového
benzínu a je tiež zdrojom aromátov pre ďalšie spracovanie v rafinérii. Katalytický
reforming v podstate reštrukturalizuje molekuly uhľovodíkov v pôvodnom ťažkom
benzíne pričom štiepi niektoré väčšie molekuly na menšie. Výsledkom procesu je,
že produkt (reformát) obsahuje uhľovodíky s komplexnejším molekulovým tvarom,
ktoré majú vyššie oktánové číslo ako surovina. Súčasne v procese sa z
uhľovodíkových molekúl oddeľuje vodík, ktorý ako vedľajší produkt hrá významnú
úlohu v ďalších procesoch modernej rafinérie. Ďalšími vedľajšími produktmi sú
malé množstvá ľahkých uhľovodíkov - metánu, etánu, propánu a butánu.
Krakovanie je proces, pri ktorom sa vyššie molekulové látky premieňajú na nižšie
molekulové produkty. Proces prebieha pri vyšších teplotách (350oC), vyžaduje si
dodanie tepla. Tepelné krakovanie prebieha podľa radikálového mechanizmu.
Reakcie bývajú reťazové a nerozvetvené. Pri vysokých teplotách prevláda
štiepenie dlhších menej stabilných radikálov a kondenzácie kratších stabilnejších
radikálov (hexadekán sa rozloží na oktán a oktén). Teplota vplýva kladne na vznik
produktov štiepenia. Pri teplote do 450°C je hlavným produktom stredný destilát,
medzi 450°C a 550°C je to benzín, nad 550°C vznikajú nenasýtené uhľovodíkové
plyny a pri vyše 1200°C sa produkuje acetylén, sadze a vodík. Produkty po
opustení reaktora sú prudko ochladzované, aby sa zastavila reakcia. Pri tepelnom
krakovaní sa nepracuje na maximálnu premenu suroviny (kvôli nadmernej tvorbe
koksu), ale nepremenené podiely sa recyklujú.
Výroba nafty19
Nafta sa vyrába dlhým procesom od separácie z ropy až po čistenie a upravovanie
samotnej nafty. Ropa sa najprv vyťaží a prenesie do rafinérie. Tam sa jednotlivé
uhľovodíky v rope vyseparujú vďaka rozdielnym bodom varu týchto uhľovodíkov.
Uhľovodíky s dlhším reťazcom majú vyššiu teplotu bodu varu ako tie, ktoré majú
krátky reťazec. Podľa obrázka vidíme, že ropa, ktorá vchádza do destilačným veží
je zohrievaná na viac ako 300℃. Tomuto postupu sa hovorí “frakčná destilácia”.
Teda vďaka tým rozdielom v bodoch varu sa pri okolo 50℃ odparí rafinačný plyn,
ktorý sa potom použije ako palivo pre samotnú rafinériu a iba niekedy sa predá v
podobe metánu, etánu, propánu a butánu na výrobu plynových bômb. Od 50℃ do
120℃ sa odparia uhľovodíky, ktoré sa využívajú na výrobu benzínu a na výrobu
chemikálií a plastov. Petrolej (Kerosine) je používaný v leteckom na výrobu
leteckého paliva a ešte sa dáva aj do zapaľovačov. Naftový olej je samozrejme
používaný na výrobu nafty pre dieselové autá. Z uhľovodíkov s bodom varu okolo
300℃ sa vyrábajú lubrikačné oleje, vosky a leštidlá. Z palivového oleja sa vyrába
palivo pre lode, palivo do tovární a pre vykurovacie systémy. Z najťažších
uhľovodíkov (živice) sa vyrába asfalt na stavbu ciest a zastrešenie domu.
Nafta v zime
Rozdiel medzi letnou a
zimnou naftou je v
odolávaní nízkych
teplotách. Kritické
zložky v nafte su
parafín a iné
uhľovodíky, ktoré pri
nízkych teplotách tuhnú
a kryštalizujú. Táto
stuhnutá nafta upchá
palivový filter a tým
pádom nafta cez filter
nepretečie do motora a
auto vôbec nenaštartuje. Teplota, pri ktorej nafta nepretečie cez filter, sa nazýva
20
medzná teplota filtrovateľnosti (MTF). V našich podmienkach nafta má MTF nula
stupňov Celzia, zimná nafta –20° C, prechodná (jarná a jesenná) nafta –10° C.
Takzvaná arktická nafta má MTF nižšie ako –30°C.
Čo robiť keď nafta stuhne? - Aby sme tomu predišli musíme pri tankovaní nafty
primiešať aj aditíva, ktoré zvyšujú čistiacu schopnosť paliva a tým uľahčia jeho
filtrovateľnosť v zimnom období.
ElektromotorElektromotor je zariadenie premieňajúce elektrický prúd na mechanickú prácu.
Tieto motory využívajú fyzikálny jav - elektromagnetizmus. Elektromotory sa
využívajú pri hračkách, autách, strojoch a iných dopravných prostriedkoch.
Základným princípom elektromagnetizmu je vzájomné silové pôsobenie
elektromagnetických polí vytváraných vodičmi, ktorými preteká elektrický prúd a
permanentným magnetom. Elektromotor sa skladá zo statora (nepohyblivej časti
motora - permanentný magnet alebo elektromagnet) a rotora (pohyblivej časti -
otáčajúci sa vodič). Tento rotor je umiestnení medzi permanentnými magnetmi
alebo elektromagnetmi tak, aby vzájomné silové pôsobenie magnetických polí
vyvíjali krútiaci moment, ktorý spôsobí rotáciu rotora a ten spôsobí rotáciu motora,
ktorý ju premení na mechanickú prácu.
Motor s permanentným magnetom
Tento typ motora je najjednoduchší zo všetkých elektromotorov. Motor s
permanentným magnetom je tvorení z dvoch permanentných magnetov (stator),
elektromagnetu (cievka, ktorú preteká elektrický prúd a tým jej dáva náboj) a
komutátora.
21
Komutátor (oranžová farba) mení (prepína) polaritu elektrického prúdu a tým aj
polaritu magnetického poľa rotora. Na obrázkoch je predstavené otočenie
takéhoto elektromotora. Na začiatku do cievku začne pretekať cez komutátor
elektrický prúd a tým pádom sa z cievky stane elektromagnet. Tento
elektromagnet bude mať svoj severný pól pri severnom póle permanentného
magnetu (modrá) a svoj južný pól pri južnom póle permanentného magnetu
(červená). Rovnaké póly sa od seba odpudzujú a preto sa tiež cievka začne
otáčať. Keď budú opačné póly elektromagnetu a permanentného magnetu pri
sebe (rotor sa dostane do vodorovnej polohy) tak komutátor prepne polaritu
elektrického prúdu a tým aj polaritu magnetického poľa (severný pól sa zmení na
južný a opačne). Po prepnutí polarity udrží otáčanie motora v rovnakom smere
jeho zotrvačnosť. A zase sa dostaneme do situácie kedy sú rovnaké póly pri sebe.
22
Na tomto obrázku môžeme práve vidieť elektromotor, ktorého stator sa skladá z
cievky a nie permanentného magnetu.
Moment sily elektromotora
Moment sily elektromotora závisí od magnetickej indukcie, veľkosti prúdu, ktorý
preteká cez rotor, obsah rotora a uhol, ktorý zviera smer magnetickej indukcie a
normála na plochu vodiča.
23
Tento obrázok ukazuje ako sa správa vodič (rotor), ktorým prechádza elektrický
prúd a je v magnetickom poli iného vodiča (stator), ktoré cez neho prechádza.
Moment sily sa vypočíta ako M = BISsin𝛼 pričom B je magnetická indukcia
(hustota magnetického toku), ktorá smeruje vždy zo severného pólu na južný pól a
meria sa v teslách (T). I je veľkosť elektrického prúdu pretekajúci cez vodič, meria
sa v ampéroch (A). S je obsah vodiča, cez ktorý prechádza magnetická indukcia
(m2). 𝛼 je uhol medzi normálou na plochu vodiča a magnetickými indukčnými
čiarami. Moment magnetickej sily určujeme pravidlom ľavej ruky: položíme ľavú
ruku tak aby smer elektrického prúdu ukazovali vztýčené prsty a aby smer
magnetických indukčných čiar smeroval do dlane a potom nám vztýčený palec
ukáže smer momentu magnetickej sily. V našom prípade budú dva momenty síl,
obidva budú smerovať tým istým smerom ako smeruje magnetická sila (Fm).
Príklad: Máme kruhový rotor, cez ktorý preteká prúd o sile 10 A a magnetická
indukcia ma silu 2 T. Vypočítajte moment sily ak ešte poznáme, že polomer vodiča
sú 3 cm a 𝛼 = 90o. M = BISsin𝛼 = 2 T*10 A*0,0028 m2*sin(90) = 0,056 Nm.
24
MaglevyÚvodMaglev je vlak pohybujúci sa pomocou magnetickej levitácie - vznášania. Maglev
je vysokorýchlostné vozidlo vznášajúce sa nad traťou a poháňané magnetickými
poľami. Je to momentálne najmodernejší, najrýchlejší druh vlakovej dopravy s
najdrahšou traťou, aj keď najlacnejšou prevádzkou. V angličtine znamená maglev
aj skratka pre jav magnetickej levitácie. V 60. rokoch 20. storočia ju začal
poprvýkrat používať fyzik Howard T. Coffey. Maglev znamená iba označenie
fyzikálneho javu magnetickej levitácie, nie samotnej technológie. Pri magnetickej
levitácii vlakov je vlak jediná pohybujúca časť, nič iné sa nehýbe. Je založená na
princípe pohybu vlaku po “vankúši” magnetického poľa, ktore je tvorené sústavou
supravodivých magnetov, zabudovaných v trati i vo vlaku. Využíva teda 2 sady
magnetov, jednu sadu na odpudzovanie a vytláčanie vlaku do vzduchu a druhú na
posúvanie vlaku veľkou rýchlosťou dopredu. Tento vlak má namiesto kolies
špeciálny systém magnetov, vrátane lineárnych motorov a pohybuje sa asi 1,2 cm
nad koľajnicami. Preto sú magnetické vlaky o dosť tichšie a majú potenciál
dosiahnúť oveľa vyššie rýchlosti ako konvenčné vlaky. Súčasný rekord držia
Japonci - 603 km/h v apríli 2015. Najvyššia rýchlosť, ktorú dosiahol konvenčný
vlak, je “iba” 574,8 km/h. Podarilo sa to francúzskemu TGV 3. apríla 2007. Avšak
výstavba tratí pre maglevy je oproti konvenčným vlakom nákladnejšia a navyše sú
z bezpečnostných dôvodov stavané v tuneloch alebo na mostoch. Konštrukcia
samotných vlakov taká drahá nie je. Tiež sú lacnejšie na údržbu ako konvenčné
vlaky. Maglevy sa nachádzajú v Japonsku, Číne a v Nemecku.
HistóriaV 40. rokoch 20. storočia britský elektrotechnik Eric Laithwaite vyvinul prvý
pracovný model lineárneho indukčného motora v plnej veľkosti. Pretože lineárne
motory nevyžadujú fyzický kontakt medzi vozidlom a vodiacou dráhou, v 60. a 70.
rokoch sa stali bežným príslušenstvom v oblasti moderných dopravných systémov.
Lineárny motor bol prirodzene vhodný aj na použitie v systémoch maglev. Na
25
začiatku 70. rokov minulého storočia Laithwaite objavil nové usporiadanie
magnetov, magnetickú rieku (terajšie lineárne usporiadanie magnetov), ktorá
umožňovala jednému lineárnemu motoru produkovať dvíhanie aj predný ťah, čo
umožnilo vybudovanie maglevového systému s jednou sadou magnetov.
Transrapid 05 bol prvý maglev povolený na prepravu osôb. V roku 1979 bola v
Hamburgu otvorená 908 metrová trať na medzinárodnej výstave dopravy. Bol o to
taký záujem, že prevádzka sa musela predĺžiť o tri mesiace po skončení výstavy.
V Kasseli bol znovu zostavený v roku 1980. Druhá vytvorená trať na bežné
prepravovanie ľudí maglevom bola oficiálne otvorená v roku 1984 neďaleko
anglického Birminghamu. Fungovala na vyvýšenom 600 metrovom úseku trate
medzi letiskom mesta Birmingham a medzinárodnou železničnou stanicou v
Birminghame a takzvaný maglevový autobus jazdil rýchlosťou 42 km/h. Trať bola
zatvorená v roku 1995 z dôvodu nespoľahlivosti. Ďaľšia otvorená trať bola v
Japonsku v 1980, tiež na výstave (Tsukuba). JR-Maglev tiež rýchlo získal
popularitu, napriek rýchlosti iba 30 km/h. Výstava potom pokračovala v iných
japonských mestách, ako aj v kanadskom Vancouvre či nemeckom Hamburgu, v
ďalších rokoch, ale iba s minimálnymi zmenami oproti JR-Maglevu. V 1989 sa v
Berlíne začal testovať M-Bahn, nový typ maglevu bez vodiča. Prevádzka bola
ukončená v roku 1992.
V súčasnosti je funkčných až 6 tratí. Prvá z nich sa nachádza v Južnej Kórei a je
dlhá presne 1 kilometer. Premáva od roku 1993, bola vytvorená spoločnosťou
Hyundai na výstave Daejeon Expo. Tento vlak dodnes premáva na krátkej trati
medzi parkom Expo a Národným vedeckým múzeom. Druhá trať sa nachádza v
Číne v Shanghai, v prevádzke je od roku 2004. Spája letisko Pudong so stanicou
Longyang a je dlhá 30,5 kilometra. Ďalšia linka sa nachádza v Japonsku. Je v
prevádzke na rýchlostnej tranzitnej trase Aichi Tobu Kyuryo (8,9 kilometra) od roku
2005. Štvrtý vlak sa tiež nachádza v Južnej Kórei a spája letisko Incheon a stanicu
Youngyu od roku 2016. Trať je dlhá 6,1 kilometra. Piaty vlak premáva v čínskom
meste Changsha od roku 2016 s traťou dlhou 18,5 kilometra. Posledný vlak je v
prevádzke od roku 2017 a preto je zároveň najnovší. Nachádza sa v meste Peking
a jeho trať prechádza 7 zastávkami a je dlhá 8,25 kilometra.
Typy magnetických vlakov
26
Existujú 2 typy maglevov: takzvaný “supravodivý” (má nemerateľne malý, až
žiadny elektrický odpor, takže neobmedzuje magnetickú silu) maglev a “normálne
vodivý" (má elektrický odpor a obmedzuje vyvinutú magnetickú silu) maglev.
Supravodivý maglev je bezpečnejší, môže sa vznášať až vo výške 99 centimetrov.
Terajší supravodivý maglev je, napríklad, Chuo Shikansen, ktorý jazdí v Japonsku.
Normálne vodivý maglev sa môže vznášať iba do výšky približne 1 centimetra. Je
to napríklad Transrapid, ktorý jazdí v čínskom Shanghai.
Princíp magnetickej levitáciePohyb konvenčných vlakov vytvára trenie medzi kolesami a koľajnicami.
Obmedzuje to maximálnu rýchlosť vlaku, pretože kolesá sa pri príliš rýchlom
pohybe vykoľaja. Maglev túto zábranu prekonáva - levituje totiž nad traťou
pomocou lineárneho motora. Lineárny motor je elektrický motor, ktorý má stator a
rotor „rozvinutý“, takže namiesto vytvárania krútiaceho momentu (rotácie) vytvára
pozdĺž svojej dĺžky lineárnu silu. Poháňajú ho priťahujúce sa sily medzi S-N a
odpudivé sily medzi S-S a N-N. Je nazývaný lineárny pre svoje rovnobežné
usporiadanie magnetov.
Na obrázku vidíme pohyb magnetických síl, ktoré vychádzajú z magnetu (obrázok
vpravo). Vytvorí sa magnetické pole okolo magnetu. Magnetické pole sa ale
vytvára aj okolo vodivej cievky, ktorou prechádza elektrický prúd. Vieme dokonca
vypočítať magnetickú indukciu magnetického poľa, ktoré vytvárajú vodivé cievky,
27
keď nimi prechádza elektrický prúd. Magnetická indukcia má značku B a počíta sa
ako:
B=N*I*µ/l
Pričom N je počet navinutých cievok, ktorými prechádza elektrický prúd I(A), µ je
permeabilita (fyzikálna veličina, ktorá udáva mieru magnetizácie prostredia) (N/A²)
a l je dĺžka cievky.
Takéto magnetické cievky sa nachádzajú v maglevoch a pozdĺž ich trate ako
môžete vidieť na ďalšom obrázku.
Na tomto obrázku je vidieť lineárne usporiadanie magnetov (magnetických
cievok) - ak sa vlak pohne, vždy ho posunie dopredu priťahujúci náboj spredu a
odpudzujúci zozadu.
28
Na tomto obrázku je vidieť, že sa vlak nemôže dotýkať zeme - vždy ho totiž
nadnáša priťahujúca sila zhora a odpudzujúca zdola.
Autonómne autáÚvodAutonómne auto je vozidlo, ktoré, na rozdiel od štandardného vozidla, je schopné
snímať svoje okolie a tiež umožňuje bezpečný pohyb s malým alebo až žiadnym
zásahom človeka. Autá s vlastným pohonom obsahujú rôzne senzory, aby snímali
svoje okolie, ako sú radarové (detekčný systém, ktorý využíva rádiové vlny na
určovanie dosahu, uhla alebo rýchlosti objektov), laserové (prieskumný systém,
ktorý meria vzdialenosť k cieľu osvetlením cieľa laserovým lúčom a odmeraním
vzdialenosti odrazeného lúča pomocou senzora), sonarové (technika, ktorá
využíva šírenie zvuku na navigáciu, komunikáciu alebo detekciu objektov), GPS
(globálny navigačný satelitný systém, ktorý poskytuje geolokačné a časové
informácie) a merania rýchlosti. Pokročilé systémy riadenia používajú senzorické
informácie na nájdenie a identifikáciu vhodných navigačných trás, ako aj prekážok
a značenia.
HistóriaPrvý poloautomatizovaný automobil bol vyvinutý v roku 1977 v japonskom
laboratóriu Tsukuba a vyžadoval špecifické označené ulice, ktoré boli
interpretované dvoma kamerami vo vozidle a analógovým počítačom. Vozidlo
dosiahlo rýchlosť až 30 kilometrov za hodinu.
Prvé skutočne autonómne automobily sa objavili v osemdesiatych rokoch 20.
storočia ako projekty Navlab a ALV, ktoré boli financované programom DARPA v
roku 1984 a projekt Prometheus EUREKA od Mercedes-Benz v roku 1987. Do
roku 1985 dokázal zvládnuť ALV samostatnú jazdu na dvojprúdovej ceste s
rýchlosťou 31 kilometrov za hodinu, pričom v roku 1986 sa pridalo vyhýbanie sa
29
prekážkam a do roku 1987 jazda v teréne v denných a nočných podmienkach.
Významný medzník bol dosiahnutý v roku 1995, keď model NavLab 5 CMU
úspešne dokončil prvú autonómnu jazdu z východného pobrežia USA na západné
pobrežie. Z 2 849 míľ medzi Pittsburghom a San Diegom bolo 2 797 míľ
autonómnych (98,2%), s priemernou rýchlosťou 102,3 kilometrov za hodinu (na
rovnej ceste bez vozidiel).
Rekordné úspechy spoločnosti Navlab boli bezkonkurenčné až do roku 2015, keď
ich americkou spoločnosť Delphi prekonala pomocou modelu Audi - prešla viac
ako 5 472 km v 15 štátoch, pričom zostala v režime samostatnej jazdy 99% času.
V roku 2017 Audi uviedla, že jeho najnovšia A8 bude automatizovaná pri rýchlosti
až 60 kilometrov za hodinu vďaka svojmu „Audi AI“ (Artificial Intelligence, teda
umelá inteligencia). Vodič nemusí vykonávať časté bezpečnostné kontroly, ako je
uchopenie volantu. Audi A8 bolo vyhlásené za prvý výrobný automobil, ktorý
dosiahol automatickú jazdu na úrovni (level-i) 3, a Audi bola prvým výrobcom,
ktorý pre svoje systémy používa okrem fotoaparátov a ultrazvukových senzorov aj
laserové skenery.
V novembri 2017 začala spoločnosť Waymo testovať autá bez vodiča, v
automobile však stále bol zamestnanec. V decembri 2018 bol Waymo prvý, kto
komercializoval úplne autonómnu taxislužbu v USA. V oblasti autonómnych
autách súperí spoločnosť Waymo najmä so spoločnosťou Tesla.
6 autonómnych úrovni (levelov)Nultá úroveňPri autonómnej úrovni 0 vykonáva vodič všetky prevádzkové úlohy, ako je
riadenie, brzdenie, zrýchlenie alebo spomalenie atď. Auto nie je vôbec
autonómne. Na trhu ešte stále existujú modely s levelom 0, napríklad Toyota
Prius.
Prvá úroveňNa tejto úrovni môže vozidlo pomôcť s niektorými funkciami, ale vodič stále
zabezpečuje zrýchlenie, brzdenie a pozorovanie okolitého prostredia. Ide
napríklad o funkcia auta, ktoré automaticky trochu pribrzdí, keď sa dostane príliš
blízko k inému autu. Väčšina terajších áut je na prvej úrovni.
30
Druhá úroveňVäčšina výrobcov automobilov v súčasnosti vyvíja (ale ešte nie sú na trhu) vozidlá
na tejto úrovni. Tieto automobily pomáhajú s riadením alebo zrýchlením a
umožňujú vodičovi, aby sa zbavil niektorých svojich úloh. Vodič musí byť ale vždy
pripravený prevziať kontrolu nad vozidlom. Systémy Tesla Autopilot a Cadillac
Super Cruise sa kvalifikujú ako stupeň 2.
Tretia úroveňSkok z úrovne 2 na úroveň 3 je z technologického hľadiska podstatný, ale z
ľudského hľadiska je zanedbateľný. Vozidlá úrovne 3 majú schopnosť snímať
okolité prostredie a môžu sa sami rozhodovať na základe informácií, napríklad
obehnutie pomaly sa pohybujúceho vozidla. Ale stále vyžadujú prítomnosť
človeka. Vodič musí zostať ostražitý a pripravený prevziať kontrolu, ak systém nie
je schopný vykonať úlohu. Mnohé súčasné vozidlá úrovne 3 nevyžadujú pri
cestovaní rýchlosťou 37 km/h ľudskú pozornosť. Audi A8 je typickým príkladom
pre úroveň 3.
Štvrtá úroveňNa úrovniach 4 a 5 je vozidlo schopné riadiť, brzdiť, zrýchľovať, monitorovať
vozidlo a vozovku, ako aj reagovať na udalosti, určiť, kedy a ako zmeniť jazdný
pruh, otočiť sa a použiť signály. Na úrovni 4 autonómny systém jazdy najskôr
informuje vodiča, či sú podmienky bezpečné, a až potom vodič prepne vozidlo do
tohto režimu. Nedokáže sa rozhodovať v dynamickejších situáciách, ako sú
dopravné zápchy. Na štvrtej úrovni sú autonómne taxíky spoločnosti Waymo.
Piata úroveňPosledným a najmenším (z hľadiska ľudského zapojenia) je autonómna úroveň 5.
Táto úroveň autonómnej jazdy nevyžaduje absolútne žiadnu pozornosť človeka.
Nie sú potrebné pedále, brzdy ani volant, pretože autonómny systém vozidla riadi
všetky kritické úlohy, monitoruje prostredie a identifikuje jedinečné jazdné situácie,
ako sú napríklad dopravné zápchy. Americká spoločnosť Nuro v súčasnosti testuje
autonómne auto úrovne 5 - nie je v ňom dokonca ani miesto pre vodiča.
Laserové skeneryLaserový skener funguje na princípe odrazeného svetla. Keď osvietite baterkou
povrch, to, čo skutočne vidíte, je odrazené svetlo a vracia sa do sietnice. Malé
31
svetlo svieti na povrch a odrazí sa naspäť, pričom zmeria čas potrebný na návrat k
svojmu zdroju. Svetlo sa šíri veľmi rýchlo - okolo 300 000 kilometrov za sekundu
alebo 0,3 metra za nanosekundu, takže zapnutie svetla sa javí ako okamžité,
avšak nie je, je tam minimálny čas. Zariadenia potrebné na meranie tohto
momentu musia pracovať mimoriadne rýchlo. Toto sa stalo možným iba s
pokrokom v modernej výpočtovej techniky.
Skutočný výpočet na meranie toho, ako ďaleko fotón s vratným svetlom prešiel k
objektu a od neho späť, je pomerne jednoduchý:
Vzdialenosť = (rýchlosť svetla*doba letu)/2
Laserový skener vystrelí rýchle impulzy laserového svetla na povrch, niektoré
rýchlosťou až 150 000 impulzov za sekundu. Senzor na prístroji meria čas
potrebný na odrazenie každého impulzu. Svetlo sa pohybuje konštantnou
rýchlosťou, takže laserový skener môže s vysokou presnosťou vypočítať
vzdialenosť medzi ním a cieľom. Opakovaním tohto postupu v rýchlom slede
vytvorí (“nakreslí”) zariadenie komplexnú „mapu“ povrchu, ktorý meria. S
palubným laserovým skenerom sa musia zbierať ďalšie údaje, aby sa zabezpečila
presnosť. Keď sa snímač pohybuje, musí sa zahrnúť poloha a smer prístroja, aby
sa určila poloha laserového impulzu v čase odoslania a v čase návratu. Tieto
ďalšie informácie sú rozhodujúce pre presnosť údajov.
32
Na obrázku sú uvedené všetky senzory autonómneho auta aj s hlavným
počítačom. Laserový skener sa nachádza nad autom kvôli najlepšiemu dosahu na
okolie auta. Vysiela oku neviditeľné svetlo a informácie prenáša do hlavného
počítača, ktorý okamžite vypočíta vzdialenosť a vytvorí si „mapu” povrchu okolia.
Pomocou týchto informácii sa auto dokáže pohybovať v zápchach a premávke,
prípadne predbiehať iné autá, či nenaraziť.
Význam autonómnych áutCieľ - fungovanie autonómnych áut ako normálna časť dopravy - je zabezpečiť
vyššiu bezpečnosť a pohodlie. Ak by na cestách existovali iba autonómne autá,
neexistovali by nehody, to znamená žiadne straty na životoch, zbytočné pokuty,
šoférovanie pod vplyvom alkoholu, prekročenie rýchlosti a samozrejme, pohodlie
oddychu. To všetko by sa vyriešilo, ak by sa používali iba autonómne autá. To je
však ešte ďaleká budúcnosť.. alebo nie?
33
ZáverNašou úlohou bolo skúmať spaľovací motor, presnejšie rozdiel medzi zážihovým a
vznetovým motorom. Prišli sme na to, že základný rozdiel je, že v zážihovom
motore sa palivo, benzín, zapaľuje pomocou zápalných sviečok a pri vznetovom
motore sa palivo, nafta, vznieti vďaka vysokej teplote vzduch, ktorý je aj s palivom
silno stlačený vo valci. Ďalej sme sa dozvedeli o typoch spaľovacích motorov. Tie
sú dva, dvojdobý a štvordobý motor. Hlavný rozdiel týchto dvoch motorov je, že vo
štvordobovom sú štyri pracovné procesy - nasávanie, kompresia, spaľovanie a
expanzia, výfuk. Pri dvojdobom motore sa nasávanie a kompresia stane v jednom
okamihu. Tak isto to je aj so spaľovaním a expanziou a výfukom. Takže máme iba
dva pracovné procesy. V druhej časti sme skúmali vznik ropy, spracovanie ropy a
výroby nafty. Ďalej o konštrukcii elektromotora a o princípe jeho točenia. Zistili
sme že sa v rope nachádza veľa zlúčenín z čoho je najviac uhľovodíkov. Ropa
vzniká dlhým rozkladom živých organizmov bez prístupu kyslíka. Následne sa
ropa spracováva na veľa iných, rôznych látok (napr. na naftu, benzín a oleje).
Tento proces spracovania je veľmi dlhý a zložitý. V procese spracovania ropy sa
nachádza veľa iných procesov: od destilácie, extrakcie, kryštalizácie až po
odsírenie, krakovanie a izomeráciu. O elektromotore sme zistili, že pracuje vďaka
vzájomnému silovému pôsobeniu dvoch magnetických polí, ktoré sa buď priťahujú
alebo odpudzujú. Hlavné časti elektromotora sú rotor, stator a komutátor. V
poslednej časti sme sa dozvedeli o princípe magnetickej levitácii a o fungovaní
autonómnych áut. Princíp magnetickej levitácie funguje tak, že pozdĺž trate a na
kraji vlaku sa nachádzajú lineárne usporiadané magnety (lineárny motor). Lineárny
motor je taký motor, ktorý má stator a rotor rozvinutý a tým pádom sa nevytvára
krútiaci moment ale lineárna sila. Autonómne auto je auto, ktoré skúma svoje
okolie a dokáže sa hýbať bez žiadneho zásahu človeka. Takéto autá sa dokážu
pohybovať vďaka laserovým skenerom, čo sú skenery, ktoré merajú vzdialenosť
objektov od auta. Tento skener vystrelí impulzy laserového svetla na objekt a
podľa toho ako rýchlo sa svetlo vráti naspäť tak toľko je objekt vzdialení od auta.
34
Bibliografia
https://en.wikipedia.org/wiki/Diesel_fuel#Chemical_composition
https://sciencing.com/diesel-fuel-made-5082571.html
http://www.szsbajkalska.sk/data/01/projekty/2007_2008/europeans/cierne_zlato/
2.htm
https://sk.wikipedia.org/wiki/Elektromotor
https://sk.wikipedia.org/wiki/Magnetick%C3%A1_indukcia
http://www.petroleum.sk/spracovanie-ropy-na-primarne-produkty
https://sk.wikipedia.org/wiki/Izom%C3%A9ria#/media/S
%C3%BAbor:Structural_isomers.png
http://www.petroleum.sk/spracovanie-ropy-na-primarne-produkty
https://www.123rf.com/photo_32867241_stock-vector-labeled-diagram-of-crude-
oil-fractional-distillation-.html
https://sk.wikipedia.org/wiki/Elektromotor#/media/S
%C3%BAbor:Electric_motor_cycle_3.png
https://sk.wikipedia.org/wiki/Elektromotor#/media/S
%C3%BAbor:Electric_motor_cycle_2.png
https://sk.wikipedia.org/wiki/Elektromotor#/media/S
%C3%BAbor:Electric_motor_cycle_1.png
https://slideplayer.cz/slide/14780157/
https://www.howacarworks.com/basics/the-engine .
https://sk.wikipedia.org/wiki/Štvordobý_motor
https://sk.wikipedia.org/wiki/Ottov_cyklus
https://www.howacarworks.com/basics/how-the-starting-system-works
SIEGL, Miroslav Ing., Automobily. Praha: Nakladatelství dopravy a spojú, 1969.
MACKERLE, Julius Ing., Motory závodních automobilú, Praha: STNL, 1980.
MACKERLE, Julius Ing., Automobil s lepší účinností, Praha: STNL, 1985.
https://sk.wikipedia.org/wiki/Maglev (24. 09. 2019)
35
https://referaty.centrum.sk/prirodne-vedy/fyzika-a-astronomia/2420/?page=0 (24.
09. 2019)
https://referaty.aktuality.sk/maglev/referat-22663 (24. 09. 2019)
https://en.wikipedia.org/wiki/Maglev (24. 09. 2019)
https://www.newworldencyclopedia.org/entry/Maglev_train (25. 09. 2019)
https://www.maglev.net/six-operational-maglev-lines-in-2018 (25. 09. 2019)
https://scmaglev.jr-central-global.com/about/ (5. 10. 2019)
http://web2.uwindsor.ca/courses/physics/high_schools/2013/Levitation/images/
mp.png (9. 10. 2019)
https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?
q=tbn:ANd9GcTylMn_6NAEkTWt___wmptB0_7-JH-q9t4QU2n6Q2OIrdcn-yABeQ
(9. 10. 2019)
https://en.wikipedia.org/wiki/Self-driving_car (13. 10. 2019)
https://en.wikipedia.org/wiki/Radar (13. 10. 2019)
https://en.wikipedia.org/wiki/Sonar (13. 10. 2019)
https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System (13. 10. 2019)
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Odometry (13. 10. 2019)
https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_self-driving_cars (13. 10. 2019)
https://www.synopsys.com/automotive/autonomous-driving-levels.html (14. 10.
2019)
https://www.iotforall.com/5-autonomous-driving-levels-explained/ (15. 10. 2019)
https://www.howtogeek.com/401759/what-are-the-different-self-driving-car-levels-
of-autonomy/ (15. 10. 2019)
http://www.lidar-uk.com/how-lidar-works/ (15. 10. 2019)
https://innovationatwork.ieee.org/wp-content/uploads/2018/10/bigstock-
125474642.jpg (15. 10. 2019)
https://img.topbrainscience.com/images/nauka/997/sovet-1-kak-sdelat-magnitnoe-
pole.gif (16. 10. 2019)
https://sk.wikipedia.org/wiki/Permeabilita_(magnetizmus) (16. 10. 2019)
36
ResuméV našom projekte bola naša hlavná téma motor. Túto tému sme si vybrali, pretože
nás zaujímalo ako a prečo funguje. Nakoniec sme sa dostali od spaľovacích
motorov cez elektromotory a naftu až k magnetickým vlakom či autonómnym
autám.
V prvej časti sme sa zaoberali teoretickým fungovaním spaľovacieho motora,
potom hlavnými časťami benzínového spaľovacieho motora, prevádzkou motora
alebo pracovnými cyklami. Porovnávali sme vznetový a zážihový motor a
fungovanie a delenie motora z fyzikálnej podstaty, výpočet výkonu a Ottov cyklus.
V druhej časti sme sa venovali hlavne rope a elektromotoru. Venovali sme sa
spracovaniu ropy a jej 3 fázam spracovania: separácii, koverzii a dočisťovaní.
Ďalej sme priblížili fyzikálne procesy ako destilácia, absorpcia, extrakcia, potom
kryštalizácia a adsorpcia, ktoré sa dejú pri separácii ropy. Zistili sme, že chemické
procesy vznikajú pri konvervii a dočisťovaní, menovite ide o katalycký reforming a
tepelné krakovanie. V projekte sme spomenuli aj výrobu nafty a existenciu 3 typov
nafty - prechodná, letná a zimná. Potom sme sa venovali elektromotoru,
presnejšie princíp fungovania elektromotoru a jeho využitiu v domácich
spotrebičoch, hračkách či v elektrických autách a výpočtu momentu magnetickej
sily.
V tretej a poslednej časti projektu sme sa venovali magnetickým vlakom a
autonómnym autám. Pri magnetických vlakoch (maglevoch) sme hovorili o histórii
maglevov a ich využití v doprave. Porovnávali sme konvenčný vlak s
magnetickým. Ďalej sme hovorili o princípe technológie magnetických vlakov - o
magnetickej levitácii a o lineárnom elektromotore, ktorý sa využíva v maglevoch.
Pri autonómnych autách sme sa venovali hlavne senzorom, špecificky laserovému
skeneru. Vysvetlili sme históriu autonómnych áut, hovorili sme o súperiacich
spoločnostiach v oblasti vývoja autonómnych áut, prečo sa automobilové
spoločnosti tak snažia vyvinúť dokonale autonómne auto. Objasnili sme funkcie
každého senzora - radarového, sonarového, GPS, senzora merania rýchlosti a
nakoniec sme bližšie objasnili laserový skener, jeho princíp fungovania a využitie.
37
38
English resuméIn our project, our main topic was about engine. We chose this topic we were
interested in how and why it works. At the end we got from internal combustion
engine to electric motors and diesel up to magnetic trains and autonomous cars. In
the first part we dealt with the theoretical functioning of the internal combustion
engine, then with the main parts of the gasoline engine and engine operation or
work cycles. We also compared the diesel and petrol engine and the functioning or
division of the engine and last power calculation and Otto´s cycle.
In the second part we mainly focused on the crude oil and electric motor. Then we
focused on the crude oil processing and it´s three stages of processing:
separation, conversion and purification. Furthermore we approached the physical
processes such as distillation, absorption, extraction, crystallization and adsorption
which are occurring during crude oil separation. We found out that the chemical
processes originate in conversion and purification (catalytic reforming and thermal
cracking). In our project we also mentioned the production of diesel and the
existence of three types of diesel fuel - temporary, summer and winter diesel.
Then we focused on electric motor, more precisely the principle of electric motor
functioning and its use in household appliances, toys or electric cars and
calculation of the moment of magnetic force.
In the third and the last part of our project we focused on magnetic trains and
autonomous cars. We were talking about history of magnetic trains (maglevs) and
their use in transport. We compared a conventional train a magnetic train. Further
we also talked about the principle of a magnetic train technology - magnetic
levitation and a linear electric motor used in maglevs. In autonomous cars we
mainly focused on sensors, especially laser scanner. We explained the history of
autonomous cars, talked about rival companies in the field of autonomous car
development, why car are companies trying to develop a perfect autonomous car.
We explained the functions of each sensor - radar, sonar, GPS, speed
measurement sensor and finally we explained the laser scanner, it´s principle of
functioning and usage.
39