Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy
Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována a šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Ing. Branko Remek, CSc.

Automobil a spalovací motor
Historický vývoj

TIRÁŽ TIŠTĚNÉ PUBLIKACE:

Vydala Grada Publishing, a.s.
U Průhonu 22, Praha 7
obchod@grada.cz, www.grada.cz
tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400
jako svou 4685. publikaci
Odborná recenze Ing. Jiří Holub
Odpovědný redaktor Petr Somogyi
Grafická úprava a sazba Jakub Náprstek
Fotografie na obálce Allphoto a archiv autora
Počet stran 160
První vydání, Praha 2012
Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a. s.

© Grada Publishing, a.s., 2012

Tato publikace vychází za podpory vyhledávacích a monitorovacích systémů SHERLOG.
Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.
Nakladatelství tuto publikaci vydává jako vědeckou práci k pedagogickému účelu.

ISBN 978-80-247-3538-2

ELEKTRONICKÉ PUBLIKACE:

ISBN 978-80-247-7694-1 pro formát PDF
ISBN 978-80-247-7182-3 pro formát EPUB

Prolog

Dějiny lidstva byly a jsou provázeny a zásadně ovlivňovány stavem poznání světa a zákonitostí jeho vývoje, rozvojem filosofie, politiky, umění, vědy a v neposlední řadě techniky. Bez seznámení s historickým vývojem je odhad toho, co přinese nejbližší budoucnost, jen těžko představitelný a možný. Studium historie techniky poskytuje potřebnou orientaci v problematice, pomáhá při rozhodování o volbě koncepcí a často může vést i k návratu k dávno známým konstrukčním řešením, jež kdysi předstihla svou dobu.

Základem vývoje vozidla byl objev kola v raném starověku. Původ kola je poměrně nejasný. Kolo na hřídeli jako pohybový mechanizmus živá příroda nezná. Pro živého tvora je něco takového nemožné. Kolo jako geometrický obrazec je známé jen z přírody neživé, v podobě víru vody nebo vzduchu. Nepochybně se k objevu kola dospělo dlouhodobým vývojem. Nejdříve se vše jen nosilo, dalším vývojovým stupněm se staly sáně či smyky. Teprve když se mezi kluzné plochy vložily válcovité předměty jako například části kmenů stromů, lidé dospěli k poznatku, že valivé tření je oproti tření kluznému mnohem výhodnější. Kolo pravděpodobně vynalezli Sumerové před více než pěti tisíci lety. Nejstarší památky naznačují, že k prvnímu využití kola v dopravě došlo v Mezopotámii (oblast mezi řekami Eufrat a Tigris v dnešním Iráku), kde byl známý i hrnčířský kruh. Odtud se kolo na hřídeli přesunulo na pozemní cestu. Než došlo ke zhotovení kola, které se otáčí kolem své osy na čepu, uplynulo ještě mnoho času. V české kotlině se kolo objevilo poprvé v mladší době bronzové (asi před třemi tisíci lety), o čemž svědčí malý čtyřkolový vozík velikosti dětské hračky, jenž sloužil zřejmě k rituálním účelům a který je vystaven v archeologické části Městského muzea v Mladé Boleslavi. Právě tam shodou okolností vznikl i první český automobil.

K dalšímu rozvoji technického poznání na základě studia zákonů matematiky a fyziky došlo až v 18. a 19. století, v období, kdy vrcholil bouřlivý přechod od feudalismu k novým formám kapitalistické ekonomiky v novověku. V tomto zpočátku nestabilním období, které bylo v Evropě poznamenáno četnými válkami, byl vynalezen parní stroj a objevily se první pokusy s jeho využitím v železniční, silniční a vodní dopravě. Na železnici a v lodní dopravě se parní stroj udržel do druhé poloviny 20. století, výjimečně i déle, ale v silniční dopravě jeho éra skončila dříve, s počátkem 20. století.

Zásadní obrat přinesl vynález pístového spalovacího motoru na kapalné palivo. S rozvojem silniční dopravy rostly i nároky na snadnost distribuce pohonných látek a na technicky možný dojezd vozidla na vlastní zásobu paliva. Kapalné palivo je nejvýhodnější z hlediska v něm obsažené objemové koncentrace chemické energie, ale zásoby celosvětových zdrojů jsou omezené. Stále více se proto prosazuje návrat k plynným palivům nebo k jiným alternativním zdrojům energie. 20. století lze charakterizovat jako století automobilu, který se doslova stal fenoménem dnešní doby a nedílnou součástí každodenního života.

Zpětný pohled na technický vývoj spalovacího motoru a automobilu nemusí být z pozice historika a z pozice technika stejný. V každém případě ale i technik musí vzít v úvahu obecnou politickou a hospodářskou situaci lidské společnosti v jednotlivých etapách historického vývoje. Tomuto přístupu odpovídá i členění jednotlivých kapitol knihy, kde obě světové války a revoluční vlna konce dvacátého století ve střední a východní Evropě představují nepřehlédnutelné historické i technické mezníky.

1 Éra páry

Evropa se v 18. století v mnoha směrech dostala na křižovatku: středověké uspořádání společnosti, založené na feudálních vztazích, držbě půdy, řemeslné výrobě a dálkovém obchodu, se definitivně přežilo. Do popředí se drala nová elita, jejímž charakteristickým rysem nebyl urozený původ a služba vládci, ale obchodní duch, podnikavost a otevřenost novým objevům a technologiím. Současně s dynamickým nástupem tohoto „třetího stavu“ se odehrály i dramatické změny v zemědělství, kdy nové postupy a metody uvolnily v Evropě velké množství pracovní síly, do té doby pevně přivázané k půdě. Přidala se k tomu i demografická revoluce, projevující se v nárůstu počtu obyvatelstva a delší průměrné délce života. Důsledkem tohoto pohybu byl vznik nového způsobu organizace společnosti, a to jak z hlediska politického, tak ekonomického a sociálního: tradičně ho označujeme jako kapitalismus, jeho počátek pak představuje období průmyslové revoluce.

Kolébkou průmyslové revoluce byla především Anglie. Tato země se v předchozích staletích tolik nepodílela na prosperitě plynoucí ze zámořských objevů a prvních kolonií. Anglické državy v severní Americe nepřinášely takové bohatství, které plynulo z kolonií například do Španělska, navíc o ně Anglie koncem 18. století přišla, a proto se museli Angličané místo přímého kořistění poohlédnout po jiných cestách, jak zbohatnout, stát se evropskou mocností a toto postavení si udržet: šlo o hledání nových komodit, jejich odbytišť, obchodních cest – a především nových technologií, vycházejících z vědeckých objevů a poznatků.

Změny nebyly vidět jen v Anglii: k mnoha vědeckým objevům, které umožnily bouřlivý rozvoj průmyslu, docházelo i v jiných částech Evropy, jako ve Francii nebo v Německu. Francie přešla z období vrcholného monarchismu (Ludvík XIV. a XV.) do bouřlivého období éry Napoleona Bonaparta. Nárůst životní úrovně skupin obyvatelstva, které se zapojily do nových způsobů obživy, byl tak markantní, že se anglické „novoty“ rychle šířily po celém kontinentu. V dálce už začínala být vidět cesta k postupné industrializaci Evropy a zámoří.

1.1 Parní motory

V 15. století se zabýval možností využití páry Leonardo da Vinci (1452–1519). Do té doby se využívala jen síla lidská, zvířecí, větru a vody. Skutečná éra páry začala v 17. století, kdy Ital Giovanni Branca v roce 1629 předvedl funkční model parní turbíny. Základy pro vytvoření parního stroje byly položeny na obou stranách průlivu, který odděluje kontinentální Evropu od Britských ostrovů a jemuž Francouzi říkají La Manche (rukáv), zatímco pro Angličany je to English Channel. Možnostmi páry se zabýval anglický fyzik a astronom Isaac Newton (1643–1727), který roku 1663 formuloval základní principy pro její využití. Francouzský fyzik Denis Papin (1647–1712) roku 1688 sestrojil ohňový atmosférický stroj s kondenzací oddělenou od kotle, pracující s obsluhou. Papin jako asistent Christiana Huygense (1629–1695) prováděl i experimenty se střelným prachem. Další krok učinil v roce 1698 Angličan Thomas Savery s parní pumpou na reaktivním principu, ovšem nejednalo se ještě o pístový stroj.

Atmosférický stroj

18. století je počátkem dějin ohňových, atmosférických a parních strojů, ale teprve 19. století přineslo v souvislosti s rozvojem manufaktur, průmyslu a odborného školství jejich využití k pohonu strojů a v dopravě. První využitelný atmosférický vahadlový stroj s výkonem 6 HP a účinností 1 % sestrojili roku 1705 kovář Thomas Newcomen (1663–1729) a John Calley nebo Cawley (?–1725). Denis Papin předvedl roku 1706 atmosférický stroj s pracovním válcem odděleným od kotle, podobně jako to bylo u Newcomenova stroje. Je nutné rozlišovat ohňový, atmosférický a parní stroj. Ve všech případech se jedná o tepelný stroj, který mění energii tepelnou na mechanickou práci. Tepelná energie se uvolňuje spalováním paliva (ohněm) v topeništi, kde se ohřívá voda tak, aby přešla z kapalného skupenství do plynného, páry. U ohňových strojů byl pracovní prostor částí kotle a topeniště. V další fázi byl kotel s topeništěm od pracovního prostoru oddělen (válec s pístem).

Obr. 1.1 Tepelný stroj – vývoj

Funkce atmosférického stroje s ruční obsluhou je jednoduchá:

Ohřeje se voda a vytvoří se potřebná zásoba horké páry v uzavřeném prostoru kotle.

Pára se vpustí kohoutem do válce, čímž je píst vytlačen do horní polohy.

Přívod páry se uzavře a otevře se kohout přívodu studené vody do válce, což způsobí kondenzaci páry (snížení tlaku pod pístem), který je proto přetlakem atmosférického tlaku a vlastní vahou tlačen do dolní polohy a mechanizmus s ním spojený koná práci.

Kondenzát se odpustí kohoutem a připraví se opakování celého cyklu.

Zdokonalený systém využíval ke kondenzaci páry vnější chlazení válce. Je zřejmé, že atmosférický stroj je dvoudobý (dva pohyby pístu – nahoru, dolů) a jednočinný (práce jednoho zdvihu). Stroj se nazývá atmosférický, protože užitečnou práci koná atmosférický tlak vzduchu.

Stroj byl velký, těžký, s nízkou účinností celkové přeměny energie a vyžadoval trvalou obsluhu. Jeho původní využití sloužilo k pohonu pístových čerpadel (pump) pro odčerpávání vody v hornictví. Stačil k tomu vahadlový mechanizmus konající kývavý vratný pohyb. Vývoj atmosférického stroje pokračoval pomalu, jeho přerod v parní stroj trval přes půl století.

Parní stroj

Ve věku 21 let se stal James Watt (1736–1819) mechanikem na univerzitě v Glasgow. V roce 1763 byl požádán, aby opravil parní stroj systému Newcomen, od té doby se už věnoval zlepšování parních strojů. Roku 1769 sestrojil první samočinně pracující dvojčinný svislý (vertikální) vahadlový parní stroj.

Obr. 1.2 Parní stroj Jamese Watta z roku 1769

Watt využil mechanizmus posuvného šoupátka s pohybem kinematicky spjatým s pohybem pístu (pístnice) k řízení přívodu a odvodu páry do a z pracovního prostoru válce, a to střídavě na obě strany pístu. Stroj se stal dvojčinným, ale zůstal dvoudobý. Podstatné je, že práci koná přetlak páry – proto se označuje jako parní stroj. Z roku 1774 pochází stacionární parní stroj a z roku 1787 parní transmise. Wattův zdokonalený stroj byl vodorovný, s klikovým mechanizmem.

Obr. 1.3 Princip fungování Wattova parního stroje

Úplný klikový mechanizmus tvoří píst, pístnice, křižák, ojnice a klika na hřídeli. Píst přenáší jen podélné síly od tlaku plynu (páry) a síly setrvačné a křižák zachycuje síly příčné, dané přenosem sil na ojnici s kývavým pohybem a na otáčející se kliku. Watt vynalezl odstředivý regulátor, regulaci škrcením přívodu páry, kondenzátor páry a tzv. přímovod, mechanizmus kinematicky přesného vedení. Největším přínosem bylo, že stroj pracoval zcela samočinně a nebyl potřebný strojník. Watt použil k vyjádření výkonu parního stroje výraz horse power (HP), koňská síla (k.s.), protože pro zákazníky potřeboval vhodné srovnání s výkonem zvířete. Podle zkušeností z dolu odhadoval, že poník zapřažený v žentouru vyzdvihne 22 000 libro-stop (ft·lbf) za minutu, výkon koně odhadoval o polovinu vyšší. Pro přiblížení svých úvah vymyslel následující definici: jedna koňská síla je rovna výkonu, který podává soustavně pracující kůň zapřažený v žentouru tím, že vyzdvihne náklad 180 liber a přitom ujde za hodinu 144 kol o poloměru 12 stop (foot). Tuto hodnotu zaokrouhlil na 33 000 ft·lbf/min. Definice velikosti liber a stop (lb = 0,454 kg, foot = 0,305 m) se měnily s dobou i s místem, podle toho se mírně měnila i definice jednotky. Lbf je v tomto případě označení pro libru jako jednotku síly (force), nikoliv pro libru jako jednotku hmotnosti, lbm (mass).

Úspěšná firma Boulton-Watt vyráběla parní stroje, čerpadla i jiné stroje, ale nikdy je nepoužila pro silniční či železniční vozidla. Jeden z parních strojů této strojírny zakoupil hrabě Georg Franz Buquoy a jako zástupce českých stavů (šlechtické sněmovny) ho věnoval v roce 1810 Pražské polytechnice, jejímž ředitelem byl František rytíř Gerstner. Protože stroj o výkonu 16 HP (12 kW) přišel rozložený v podobě neopracovaných dílů, pověřil Gerstner mechanika polytechniky Josefa Božka jeho zprovozněním. Přestože Božek předtím nikdy nic takového neviděl, úkol zvládl a stroj uvedl do provozu. Božek se pak věnoval vývoji vlastního parního stroje pro pohon vozidla (viz podkapitolu 5.2).

1.2 Parní vozidla

Za vynálezce vozidla je někdy považován vlámský jezuitský misionář Ferdinand Verbiest (1623–1688), který působil v Číně (viz kapitola 9). Zůstaneme-li v Evropě, je tomu ovšem jinak. Teprve Wattův samočinný parní stroj poskytl dalším vynálezcům stroj vhodný k pohonu dopravních prostředků.

Francie

Rok 1769 byl z hlediska páry osudový. Francouzský voják Nicolas Joseph Cugnot (1725–1804) vyrobil jednočinný parní stroj a jako model tříkolový tahač, který pojmenoval Fardier à vapeur (parní valník). O Wattově samočinném parním stroji zřejmě nevěděl a využíval poznatky Papina. V roce 1769 vyrobil vůz běžných rozměrů, který vážil 2,5 tuny a uvezl 4 tuny. Při zkouškách se ukázalo, že sice dosahuje rychlosti 9 km/h, ale je nestabilní, což byl závažný nedostatek, protože vozidlo mělo být tahačem těžkých kanónů v terénu.

Obr. 1.4 Parní vůz Cugnot z roku 1769

Podivné monstrum je technicky zajímavé, protože celé ústrojí pohonu se nachází u předního kola. Dvouválcový jednočinný vertikální parní stroj (∅ 330 × 330 mm) poháněl kolo prostřednictvím dvou rohatkových mechanizmů. Vůz se řídil natáčením kola s parním strojem i kotlem vůči dřevěnému rámu s tuhou zadní nápravou. Vozidlo bez brzd mělo omezený dojezd, protože topeniště bylo malé. Po natlakování párou se dalo popojet jen tak daleko, dokud stačila malá zásoba vody. Historicky je – jako první dopravní nehoda – doložena havárie tohoto samohybu při jeho předvádění v Paříži na náměstí u kostela Église de la Madelaine. Tříkolka přežila revoluci roku 1789 a je vystavena v Paříži v odsvěcené gotické katedrále, dnes muzeu řemesel Conservatoire des Arts et Métiers.

V důsledku napoleonských válek a nestabilní politické a společenské situace se pak na sto let těžiště pokroku přesunulo do Anglie. Ve Francii se další parní vozidla objevila až v druhé polovině 19. století, parní éra skončila na přelomu 19. a 20. století. Mezi významné výrobce parních vozidel patřily dvě firmy: Amédée Bollée z Le Mans, malá firma, která představila v roce 1873 robustní vůz o hmotnosti 4800 kg poháněný dvouválcovým parním strojem V2, který dosáhl rychlosti 40 km/h. Leon Serpollet byl zarytý zastánce parního pohonu silničních vozidel a držitel prvního řidičského průkazu, vydaného pařížským policejním prefektem. Výroba jeho vozidel začala v roce 1884 a skončila v roce 1907.

Obr. 1.5 Parní vůz Serpollet

Anglie

William Murdock (1754–1839) sestrojil v roce 1781 model vozidla s kotlem na líh a v roce 1786 i lehký vozík. Použitelná parní vozidla s potřebnou zásobou vody a topiva byla velká a těžká, čemuž neodpovídala konstrukce vozovek. Řešením byla stavba zvláštních drah s potřebnou únosností a menšími odpory při valení kol, tím pádem i se značně menšími požadavky na výkon hnacího stroje. Tak se pára dostala na koleje. V roce 1801 Richard Trevithick, původně topič u Watta, zavedl u parního stroje tzv. obrácený klikový mechanizmus, zkracující délku stroje a u vozidla výměnné převody, čímž dosáhl rychlosti 9 mil/h (14 km/h).

Obr. 1.6 Lokomotiva Trewithick

Za otce lokomotivy a železnice je ale považován George Stephenson (1781–1848), který v roce 1814 sestrojil parní lokomotivu, jež utáhla 30 vozů s nákladem 90 tun rychlostí 19 km/h. Roku 1829 vyhrál se synem Robertem a lokomotivou nazvanou Rocket (Raketa) závod lokomotiv.

Raketa jezdila průměrnou rychlostí 19,2 km/h a dosahovala maximální rychlosti 46 km/h. Stephenson prosazoval rozchod kolejnic 56 palců, tedy 1422 mm, který byl po zvětšení na 56,5 palce (1435 mm) v Anglii uzákoněn jako jednotný a je dodnes světově nejrozšířenější.

O usnadnění pohybu silničních vozidel se v roce 1820 postaral John Loudon McAdam (1756–1836), který navrhl konstrukci zpevněné vozovky, pro níž se používá výraz „makadam“ nebo „šotolina“. Únosnost je dána základem z velkých kamenů, na který je navršena vrstva štěrku a hlinitého písku. Výhodou je propustnost vody do podloží. S typickým parním dostavníkem té doby začal Goldsworthy Guerney a Charles Dance roku 1831 provozovat „omnibusovou“ dopravu na trati Gloucester-Cheltenham.

Obr. 1.7 Stephensonova lokomotiva Rocket

Obr. 1.8 Parní dostavník Guerney

Technický pokrok v Evropě

Vynález parního stroje představoval tak významný mezník vývoje společnosti, že jím začalo období technické revoluce, které s postupnou přeměnou feudálních manufaktur v kapitalistické podniky přešlo do období průmyslové revoluce. Feudální společenské vztahy (poddanství, nevolnictví) vzaly za své a privilegované místo šlechticů zaujali podnikatelé s kapitálem, kapitalisté. Z bývalých poddaných feudální šlechty se stala námezdní pracovní síla.

Velkou roli v tomto procesu sehrály technické inženýrské školy, které byly zakládány pro výuku strategických oborů vojenství. Např. tehdejší fortifikační umění je základem dnešního pozemního stavitelství, dopravních cest, včetně splavňování vodních toků. Za nejstarší takovou školu se považuje École Polytechnique v Paříži, na níž dodnes existuje prestižní vojenská škola.

Pražská technika je rovněž jednou z nejstarších institucí tohoto druhu. V roce 1705 předal Christian Josef Willenberg rakouskému císaři česky psanou žádost a roku 1707 nařídil Josef I. zástupcům českých stavů, aby zajistili podmínky pro výuku. Trvalo jim to deset let, výuka prvních žáků byla v Praze zahájena roku 1717.

Obr. 1.9 Božkův parní vůz z roku 1815

Uplatnění parního stroje

V druhé polovině 19. století našel parní stroj pevné místo na železnici u lokomotiv, v lodní dopravě u „parníků“, jako pohon průmyslových zařízení a prosadil se i v zemědělské výrobě jako tzv. lokomobila. Lokomobila se nemůže pohybovat vlastní silou, ale je mobilní. Jako silniční vozidlo se nejdéle zachoval u parních válců, kde byla jeho velká hmotnost výhodou.

Obr. 1.10 Parní válec Volvo

Největší počet výrobců parních strojů, lokomobil i vozidel se nacházel ve Velké Británii. Známější z nich jsou parní automobily Foden, Sentinel a další.

Obr. 1.11 Parní vůz Sentinel a detail parního stroje

Přestože v automobilech se parní stroj udržel do první světové války, inženýři a technici mu stále věnovali pozornost (viz kapitola 4). Důvodem byla výhodná charakteristika s maximem točivého momentu při rozjezdu, tedy od nulových otáček.

Parní stroj se vyznačoval spolehlivostí, snadnou reverzací a schopností práce v různých režimech (otáčky a moment, resp. výkon), přičemž nepotřeboval spojku a převodovku. S kapalným nebo plynným palivem a zvláštní konstrukcí kotle se zkrátila i doba spouštění tak, že za několik minut po zapálení hořáku již mohlo být k dispozici množství páry potřebné pro rozjezd.

Obr.1.12 Bezrozměrná charakteristika parního stroje

Všechny další americké, japonské (Datsun), německé či ruské (NAMI) konstrukce ovšem zůstaly ve stádiu vývoje. Proti spalovacím motorům s účinností 35 až 45 % nabízí parní stroj nízkou účinnost, nejvýše 30 %. S kotlem, který má tepelnou účinnost asi 50 %, činí výsledná účinnost jen 5 až 15 %.

1 – dmychadlo, 2 – hořák, 3 – oběhové čerpadlo, 4 – vyvíječ páry, 5 – chladič, 6 – pracovní válec

Obr.1.13 Parní motor Nissan 1976

Osobnosti

Nicolas Joseph Cugnot (1725–1804)

Místo narození: Void, Lotrinsko, Francie.

Vzdělání: Vojenská polytechnika, profesionální voják.

1765 První pokusy vyvinout parní vůz pro přepravu děl pro francouzskou armádu. V následujících letech byl jeho projekt zastaven a dostal za svou práci důchod 600 liber ročně. Během Francouzské revoluce mu byl důchod zrušen a vynálezce žil v chudobě v Bruselu.

1804 Císař Napoleon ho povolal zpět, téhož roku v Paříži zemřel.

Léon Serpollet

(1858–1907)

Místo narození: Culoz u Lyonu, Francie

Vzdělání: Syn truhláře, všechny zkušenosti získal praktickou činností.

1875 Postavil první parní tříkolku.

1880 Sestrojil trubkový parní generátor pro druhou tříkolku s jednoválcovým strojem.

1886 Léon a jeho bratr Henri založili s průmyslníkem Larsonneauem v Paříži roku 1886 společnost Société des Moteurs Serpollet Frères et Cie. Mimo parních tříkolek vyráběl a prodával Serpollet i parní motory pro kolejová vozidla a hnací stroje.

1900 Spojil se s Američanem Frankem Gardnerem a vznikla tak firma Gardner-Serpollet.

1902 Serpollet překonal roku 1902 rychlostní rekord Camila Jenatzyho z roku 1899 s parním vozem „Oeuf de Pacques“ (Velikonoční vajíčko) v Nice, kdy dosáhl rychlosti 120,77 km/h.

1907 Po Serpolletově smrti zastavila firma výrobu parních vozů.

George Stephenson (1781–1848)

Místo narození: Wylam u Newcastlu, Anglie

Vzdělání: Strojařské zkušenosti získal bez technického vzdělání, číst a psát se učil ve večerní škole. Jako technik zlepšoval v dolech parní stroje a čerpadla a zřídil dvanáctikilometrovou důlní dráhu.

1814 Vyrobil lokomotivu Mylord, která do svahu utáhla náklad 30 tun.

1823 Založil továrnu na lokomotivy a vyprojektoval železniční trať mezi Stocktonem a Darlingtonem.

1825 Uvedl tuto trať do provozu se strojem Locomotion No. 1.

James Watt

(1736–1819)

Místo narození: Greenock, Skotsko

Vzdělání: samouk

1755 V obecné škole se projevil jeho zájem o matematiku, k čemuž se připojila i vysoká manuální zručnost. Byl poslán do Londýna, kde se vyučil na mechanika.

1757 Získal místo mechanika na univerzitě v Glasgow. Vedle vědeckých zařízení pro univerzitu vyráběl měřítka, teleskopy a kompasy.

1759 Watt si našel obchodního partnera a jeho dílna vyráběla i hudební nástroje. Watt nebyl přímo vynálezcem parního stroje, ale provedl taková vylepšení, která umožnila jeho průmyslové využití.

1785 Zvolen členem Královské společnosti.

1819 Před smrtí James Watt odmítl povýšení do šlechtického stavu. Zemřel v Heathfieldu jako vážený občan. Do šlechtického stavu byl povýšen až posmrtně, pohřben byl ve Westminsterském opatství v Londýně.

2 Spalovací motor

Rozvoj manufaktur jako nové podoby dosud převažující řemeslné výroby začal v17. století ve Francii aAnglii av18. století se rozšířil do zbytku Evropy. Docházelo vedle toho ikproměnám uspořádání společnosti, kdy rostl počet ivýznam příslušníků tzv. „třetího stavu“, obvykle obyvatel měst, kteří se věnovali obchodu, podnikání, případně působili vúřednickém aparátu státu anepatřili ani mezi šlechtu, která byla držitelem půdy, ani mezi duchovenstvo. Tento „třetí stav“ postupně přebíral iniciativu nejprve vhospodářské, později pak ivpolitické sféře. Růst jeho významu úzce souvisí isnezadržitelným rozvojem techniky.

Zásadní objevy avynálezy jako například parní stroj, základy chemie adalší stály na počátku průmyslové revoluce 19.století. Kolébkou parního stroje byla Anglie, které patřilo iprvenství ve vývoji železniční dopravy. Preferování železnice mělo za následek pomalý rozvoj silniční dopravy. Vedoucí roli mohla převzít Francie, ale neurovnané politické poměry země v19.století (několikeré změny formy vlády mezi císařstvím arepublikou) představovaly vážnou překážku rozvoje.

Na světovou scénu vstoupil vtéto době další hráč, postupně se formující Německo. Hlavní roli vsjednocování historicky rozdrobených německých území sehrálo Prusko apředevším kancléř Otto von Bismarck, který rovněž stojí vpozadí vstupu německého císařství (Vilém I., 1871) mezi evropské velmoci. Sedmdesátá léta 19. století sice přinesla vážnou hospodářskou krizi, ale po jejím odeznění opět nastalo pro rozvoj techniky aprůmyslu příznivější období.

2.1 Pístový spalovací motor

Parní stroj je principem své činnosti dvoudobý advojčinný, přičemž přeměna energie tepelné na mechanickou (tlak) probíhá mimo pracovní prostor stroje. Ve válci, tedy vpracovním prostoru probíhá jen expanze avýfuk. Spalovací motor, který konstrukčně zparního stroje vycházel, měl mít účinnost vyšší. Základním problémem bylo nalezení vhodného nosiče tepelné energie, paliva. Druhým problémem bylo, jak upravit pracovní oběh tepelného stroje, uněhož spalování probíhá vpracovním prostoru, tedy ve válci. Proto byly první pokusy jen laboratorní avyužitelné jako atrakce ahračky, sloužící kobveselení akratochvíli. Do historie vývoje pístového spalovacího motoru se zapsali francouzští učenci aněmečtí technici.

Palivo

Myšlenkou stroje spalujícího střelný prach se zabýval francouzský kněz afyzik Jean Hautefeuille (1647–1724) vroce 1678, který řešil spalovací motor jako ohňový atmosférický stroj. Odva roky později navrhl podobný stroj nizozemský fyzik Christian Huyghens (1629–1695). Jejich úvahy sice možnost spalování ve válci potvrdily, ale výsledky nebyly prakticky využitelné. Bylo zřejmé, že střelný prach není to správné palivo. Způsob uvolnění energie obsažené ve střelném prachu výbuchem (explozí) vedl ale koznačování těchto strojů názvem „výbušný motor“.

Pokusy se svítiplynem byly nadějnější. Roku 1791 získal John Barber britský patent na plynovou spalovací turbínu aroku 1792 William Murdock, známý pokusy sparním vozem, vynalezl plynové osvětlení. Roku 1799 získal Philippe Lebon (Le Bon) (1767–1804) francouzský patent na dvoudobý motor selektrickým zapalováním, spalující svítiplyn vyráběný suchou destilací dřeva.

Do historie se nejvíce zapsal vroce 1807 Švýcar Isaac de Rivaz, který si dal patentovat plynový motor na svítiplyn nebo vodík. Základem konstrukce se svislým válcem byla dělová hlaveň spístem oprůměru 365mm azdvihem 1520mm. Směs pro jeden cyklus byla složena zplynu (2l) avzduchu (10 l), pro plnění byla využita 1/10 zdvihu. Motor pracoval na atmosférickém principu: tedy částečné naplnění válce směsí plynu avzduchu, elektrický zážeh, vymrštění pístu do horní krajní polohy aodpuštění spalin. Pracovní pohyb byl shora dolů. Vynálezce prováděl pokusy svozidlem bez řízení, bez brzd asmalou zásobou plynu. Ovládání cyklu bylo ruční, měl ho na starosti strojník, který šel vedle stroje. Maximální frekvence opakování děje byla 12 cyklů/min. Vozidlo (či spíše model) se pohybovalo poskoky vpřed.

Obr. 2.1 Vozík svýbušným motorem Issaca de Rivaz

Roku 1824 upravil Angličan Samuel Brown Newcomenův parní stroj na plynový motor aúdajně ho vyzkoušel ve vozidle vLondýně. Dalšími, kdo se pokoušeli sestrojit spalovací motor, byli Angličan William Barnett vroce 1838 aItal Eugene Barsanti vroce 1854. Francouzský fyzik Degrand vroce 1858 formuloval princip dvoudobého ačtyřdobého motoru. Jen orok později si francouzský technik původem zBelgie, Jean Joseph Etienne Lenoir (1822–1900) nechal patentovat dvojčinný, dvoudobý motor na plyn získaný destilací uhlí nebo na vodík, později ina kapalná paliva ve směsi se vzduchem.

Obr. 2.2 Srovnání Wattowa parního stroje aLenoirova motoru

První Lenoirův motor byl ještě podobný parnímu stroji súplným klikovým mechanizmem.

Obr. 2.3 Lenoirův plynový motor

Plynových motorů vyrobil Lenoir více než čtyři sta. Plány motoru prodal Němci Nikolausovi Ottovi, který jeho dvoudobý motor vylepšoval ajím inspirován vyrobil iprvní čtyřdobý motor.

Skupinu francouzských otců spalovacího motoru vroce 1861 uzavřel Alphons Beau de Rochas (1815–1893), který přesně definoval princip čtyřdobého motoru azískal na něj vroce 1862 francouzský patent. Bylo zřejmé, že je nutné vyřešit výměnu obsahu válce azjednodušit úplný klikový mechanizmus. Umechanizmu existovaly dvě možnosti: buď zkrácený klikový mechanizmus, nebo hřebenový mechanizmus. Uzkráceného mechanizmu odpadá pístnice akřižák, jehož roli přebírá píst. Zkrácený klikový mechanizmus ale není vhodný pro dvojčinné provedení motoru. Výměnu obsahu válce bylo možné řešit dvojím způsobem. Prvním bylo využití části expanzního ačásti výfukového zdvihu, což je princip dvoudobého motoru se všemi nedostatky, adruhým přidání dalších dvou zdvihů, tedy sání akomprese, což je princip motoru čtyřdobého. Obzvláště důležité bylo, když si konstruktéři spočítali, že komprese (stlačení) směsi přináší významné zlepšení tepelné účinnosti motoru, tedy lepší využití energie přivedené vpalivu.

Nejdůležitějším mezníkem vývoje se stalo použití kapalného paliva, které má ze všech paliv největší objemovou hustotu (koncentraci) energie. Vpřípadě vozidla je důležité, jak velkou zásobu paliva si vozidlo může vézt ssebou. Vroce 1825 britský fyzik achemik Michael Faraday (1791–1867) definoval proces destilace ropy ajejí frakce, tedy benzín, petrolej, nafta, těžký olej aasfaltové zbytky. Dále se však věnoval studiu elektromagnetizmu. Praktickou destilaci provedl vpolském Lvově lékárník Ignacy Łukasiewicz (1822–1882), který sestrojil petrolejovou lampu. Další pokusy otevřely možnosti využití jednotlivých frakcí. Dlouho byl nejvíce ceněnou frakcí petrolej na svícení, benzín se zdál být neužitečným odpadem. Zařízení na přeměnu kapalného paliva na plyn (páru) se začalo říkat „zplynovač“, německy Vergasser. Francouzský výraz carburateur ale lépe vystihuje jeho podstatu, protože nejde ovytvoření plynu, ale orozprašování aodpařování paliva.

Obr. 2.4 Spalovací motor – komprese

Vývoj spalovacího motoru vNěmecku

Obchodník zKolína nad Rýnem Nikolaus August Otto (1832–1891) získal se společníkem Eduardem Langenem patent na plynový motor vletech 1864–1866. Vroce 1867 představil výbušný atmosférický motor systému Otto-Langen, který představoval zdokonalený motor Lenoirův. Dvoudobý pracovní cyklus motoru byl primitivní. Po zapálení směsi se píst ve válci acelý klikový mechanizmus pohyboval tlakem plynu asetrvačností tak, že ve válci nastal podtlak, využitý pro další nasátí směsi. Motor pracoval bez komprese ajeho otáčky byly jen 60 min–1. Vývoj motoru pro praktické použití trval deset let. Vroce 1876 Otto upravil pracovní cyklus na čtyřdobý apředstavil prakticky využitelný ležatý motor na svítiplyn.

Motor byl stabilní aměl nahradit parní stroj, používaný kpohonu strojních zařízení. Prezentace firmy Otto--Langen (Köln-Deutz) na světové výstavě vPaříži roku 1878 znamenala definitivní nástup spalovacího motoru avítězství nad parním strojem. První spalovací motor na kapalné palivo byl stabilní jednoválcový čtyřdobý motor Otto-Langen, kde zařízení na přípravu směsi benzínových par se vzduchem (karburátor) bylo větší než motor aodpařování bylo podporováno ohřevem od výfukových plynů.

Obr. 2.5 Plynový motor Nikolause Otta

A – nádrž sbenzínem, B – síto, čistič vzduchu, C – vzduchové potrubí, D – sací potrubí směsi, E – zapalování, F – odlučovač kapaliny, J – nálevka vody, K – topidlo, L – kohout, M – vodní plášť, N – výfukové plyny, O – regulační ventil, S – plovák, T – přepad vody

Obr. 2.6 Benzínový motor Nikolause Otta zroku 1885

Vroce 1884 Otto zdokonalil elektrické zapalování, zavedl nízkonapěťové magneto apoužil odpařovací karburátor. Vněmecké terminologii se pro zážehový motor dodnes používá výraz „Otto-motor“ apro vznětový „Diesel-motor“ (1897). Ufirmy Otto-Langen začínali jako zaměstnanci itechnici, považovaní za tvůrce automobilu. Tím prvním byl Carl Benz (1844–1929) zMannheimu, který roku 1880 spustil dvoudobý motor srozvodem kanály aelektrickým zapalováním sdynamem. Tím druhým byl Gottlieb Daimler (1834–1900) zSchorndorfu, který vroce 1883 získal patent na rychloběžný spalovací motor na kapalné palivo, odpařované vkarburátoru se svislým válcem auzavřenou klikovou skříní. Daimler, který měl za sebou praxi vAnglii adeset let ufirmy Otto-Langen, kde byl spolupracovníkem Wilhelma Maybacha (1846–1929), byl rozený konstruktér. Roku 1885 zabudoval motor, kterému říkal „stojací hodiny“, do dvoukolky (motocyklu) sdřevěným rámem aopěrnými kolečky.

SMaybachem použili tento motor do drezíny, člunu ivzducholodi, ale především do kočáru. Roku 1886 se tak definitivně zrodil automobil abyly položeny základy společnosti Daimler. Nejjednodušší možností zvýšení výkonu bylo použití více válců. Vroce 1889 Daimler postavil dvouválcový motor sválci do VaBenz plochý motor sprotilehlými válci (boxer), který nazval „kontramotor“.

Obr. 2.7 Motor Gottlieba Daimlera zroku 1886 amotocykl

Obr. 2.8 Motor Daimler V2

Obr. 2.9 Kontramotor Benz

Maybach také nezahálel avroce 1890 sestrojil avroce 1893 získal patent na rozprašovací karburátor, který nahradil původní karburátor odpařovací. Podobný karburátor si nechal patentovat vtémže roce Maďar Donát Bánki vRakousku-Uhersku. Je zřejmé, že konstrukce Benze aDaimlera nezůstaly jen na papíře. Vroce 1886 získal Benz patent (DRP No. 37435) na vozidlo splynovým motorem. Zrození novodobého automobilového spalovacího motoru vNěmecku završil vroce 1890 Wilhelm Maybach se čtyřdobým čtyřválcovým motorem 5 PS/620 min–1, shmotností 153kg. Směr vývoje spalovacího motoru pro pohon vozidla byl určen anabral patřičnou dynamiku.

Obr. 2.10 Vůz Benz podle nákresu vpatentové dokumentaci

Méně známé jsou motory jiných vynálezců. Pro konzervativní Angličany je konstruktérem prvního úspěšného dvoudobého motoru sir Douglas Clerk. Jen se neví, zda vroce 1876 motor skutečně postavil. Francouz Edouard Delamare-Debouteville vroce 1883 sestrojil čtyřdobý jednoválcový motor avestavěl ho do selské bryčky. Tento automobil nevydržel první jízdu, motor byl těžký abryčka se rozpadla.

Vznětový motor

Za otce vznětového motoru je považován Němec Rudolf Diesel, který se zabýval na univerzitě vPaříži jako asistent profesora Lindeho praktickou termodynamikou. Pracovní oběh vznětového motoru se blíží teoretickému oběhu ideálního tepelného stroje (tzv. Carnotův cyklus), který dosahuje nejvyšší účinnosti přeměny tepelné energie paliva na mechanickou práci. Principem odlišujícím vznětový motor od zážehového je vznícení paliva kompresním teplem, bez zapalovací soustavy. Po pokusech suhelným prachem postavil Diesel vtovárně Maschinenfabrik vAugsburgu (později MAN) vznětový motor spalující petrolej.

Obr. 2.11 Vznětový motor Deutz Diesel

Hlavní myšlenka byla naplněna, ale nastalo období hledání konstrukce vstřikovacího zařízení. Aby palivo mohlo být dopraveno do spalovacího prostoru, musí být vstřikovací tlak vyšší, než je spalovací tlak po vznícení. Problémem bylo idávkování množství vstřikovaného paliva. Výkon vznětového motoru je regulován bez škrcení vsání, aproto musí být dávka paliva měnitelná, od nejmenší pro běh naprázdno až po největší pro plný výkon motoru. Technologická úroveň výroby nestačila na nároky vysokotlakého vstřikování ařešení svyužitím stlačeného vzduchu provefukování paliva mělo mnoho nedostatků. Diesel si ověřil, že dosažení Carnotova cyklu není možné aže motor nelze provozovat bez chlazení. Přihlásil patent na tepelný stroj spalující kapalné či jiné palivo při konstantním tlaku aroku 1897 se rozběhl tzv. „Dieselův“ motor svýkonem 13,1 kW (17,8 k) při otáčkách 150 min–1 asměrnou spotřebou 238 g/k.h, což představovalo vté době neuvěřitelnou účinnost 26,2%. Vznětový motor mohl nahradit parní stroj, používaný kpohonu strojů azařízení vbudovách akpohonu lodí alokomotiv. Na světové výstavě vPaříži (1900) byl motor oceněn Velkou cenou.

Na základě tohoto úspěchu uzavřely sDieselem smlouvu kodaňské loděnice aroku 1911 vyplula loď Seelandia se dvěma osmiválcovými motory „Diesel“, které sloužily do roku 1942. Roku 1912 vyplula další dánská loď se sedmi vznětovými motory ocelkovém výkonu 2000 k, roku 1913 pak vyrobila švýcarská strojírna Sulzer motor V4 ovýkonu 1000 kpro lokomotivu Borsig, která dosáhla rychlosti 100km/h. Dalším průkopníkem vznětového motoru byl Prosper l´Orange, který získal patent na komůrkový motor (viz podkapitolu 3.1). Dvacet let trvalo, než bylo kdispozici vhodné vstřikovací zařízení, umožňující použití vznětového motoru ivautomobilu.

2.2 Spalovací motor ve vozidle

Přestože pístový spalovací motor byl již odsedmdesátých let 19. století využíván kpohonu stabilních zařízení, ještě deset let trvalo, než mohl být použit uvozidel. Oprvenství při zkonstruování automobilu, tedy vozidla se spalovacím motorem, se vedou spory – podle toho, zda je rozhodujícím okamžikem datum podání patentu, přiznání patentu, první ineúspěšné jízdy nebo jízdy úspěšné, či zda si slávu zaslouží jen ti, kterým se podařilo zachovat výrobní kontinuitu. Pro Francouze je tak prvním automobilem vůz Lenoirův (1863), pro Němce Benzův aDaimlerův (1886) apro Rakušany Marcusův (1875).

Přestože se pístovým nebo turbínovým spalovacím motorem ajeho použitím ve vozidle zabývali iAmeričané George Brayton (1830–1892) ajiní (Anders, Errani), byl to Étienne Lenoir, kdo roku 1862 postavil tříkolové vozidlo splynovým motorem sbateriovým zapalováním. První jízda vozidla „Hippomobil“ srychlostí 18 km/h při otáčkách motoru 100min–1 se uskutečnila orok později. Vůz měl zásobu stlačeného plynu vnádrži.

Podle některých pramenů motor spaloval vodík, vyráběný elektrolýzou vody, podle jiných metan (paraffin gas), získávaný destilací ropy. Otři roky později vykonal vůz za tři hodiny jízdu na trase Paříž-Joinville-Le Pont azpět (18km).

Obr. 2.12 Vůz Lenoir splynovým motorem

Sigfried Marcus postavil roku 1864 jednoválcový dvoudobý motor se svislým válcem 1 PS avroce 1865 ho vyzkoušel ve vozíku bez řízení. Vroce 1875 (1877) postavil vůz (viz podkapitolu 5.1) sjednoválcovým čtyřdobým spalovacím benzínovým motorem 1570 cm3 (∅ 110 × 260mm) 1,4 PS při otáčkách 300 min–1 sodpařovacím karburátorem amagnetovým zapalováním. Na motoru je zajímavý přenos výkonu od pístu na kliku hřídele vahadlovým mechanizmem.

Obr. 2.13 Vůz Marcus sbenzínovým motorem adetail motoru

Všeobecně se ale prvenství přisuzuje dvojici německých techniků. Vroce 1886 Carl Benz aGottlieb Daimler předvedli svá vícestopá vozidla se spalovacím motorem, automobily. Benzovo vozidlo byla ale tříkolka aDaimlerovo kočár svestavěným motorem.

Obr. 2.14 Kočár smotorem Daimler

Zporovnání hlavních parametrů je zřejmé, že Benz pojal konstrukci vozidla jako celek, zatímco Daimler jen zkoušel motor vkočáru, který koupil od stuttgartské firmy Wilhelm Wimpff & Sohn. Zástavbu motoru provedla strojírna Esslingen.

Konstruktér:

Benz

Daimler

Koncepce:

tříkolka 1 + 2

kočárový typ 2 + 2

Rám podvozku:

ocelové trubky

obdélníkový, dřevo

Motor – válec:

ležatý

svislý

– objem:

954cm³

460cm³

– výkon:

2 PS

4 PS

– otáčky:

200 min–1

900 min–1

Zapalování:

elektrické, odtrhové

žárovou trubkou

Chlazení:

vodou

vzduchem

Převody:

třecí spojka a dvou-stupňovápřevodovka

Rychlost:

16 km/h

18 km/h

Tabulka 2.1: Parametry dochovaných vozidel Benz aDaimler zroku 1886

2.3 Rozvod motoru

Kčinnosti pístového spalovacího motoru svnitřním spalováním je nutná výměnu obsahu válce, tedy plnění směsí paliva se vzduchem aodstranění spalin. Toto zařízení, tzv. rozvod, se liší podle principu motoru. Umotorů čtyřdobých se používají ventily nebo jiné mechanizmy. Umotorů dvoudobých se používají ventilové nebo šoupátkové mechanizmy, jejichž funkci, tedy otvírání azavírání kanálů, může převzít píst. Pokud je píst šoupátkem, nelze nezávisle měnit otevírání azavírání kanálu akanálový rozvod je tzv. symetrický.

Čtyřdobý motor

Původní provedení motorů Otto, Marcus adalších bylo se samočinným sacím ventilem, otevíraným podtlakem při sání azavíraným pružinou, výfukový ventil měl nucené otevírání izavírání vačkou.

Spalovací prostor historického motoru Daimler s řízeným výfukovým a samočinným sacím ventilem. A – žhavicí trubka, B – průšlehový kanálek, C – samočinný ventil, D – řízený ventil

Obr. 2.15 Rozvod motoru Daimler

Další vývoj dospěl knucenému otevírání obou ventilů vačkami azavírání pružinami. Podle umístění ventilů avačkové hřídele se rozlišují různé typy rozvodů, přičemž motory sventily vbloku válců jsou „spodové“ asventily vhlavě válců „vrchové“:

SV, Side Valves (boční ventily) – vačková hřídel je vbloku válců uhřídele klikové avačky se zdvihátky přímo ovládají ventily, které jsou rovněž vbloku vedle válců. Hlava válců je jednoduchá, ale spalovací prostor musí pokrývat nejen oblast válce, ale iventilů.

OHV, Over Head Valves (ventily vhlavě) – vačková hřídel je vbloku aventily jsou vhlavě nad prostorem válce. Jejich ovládání od vaček prostřednictvím zdvihátek, tyček, vahadel apružin je složitější. Kompaktní spalovací prostor umožňuje dosažení vysokého kompresního poměru.

OHC, Over Head Camshaft (vačková hřídel vhlavě) – vačková hřídel je uventilů vhlavě válců avačky ovládají ventily přímo nebo vahadly. Při použití dvou vačkových hřídelí se rozvod označuje 2× OHC, DOHC (Double OHC), případně TC (Twin Cam).

F, tzv. F-hlava – zvláštní případ, kde jeden zventilů je vbloku (SV) adruhý vhlavě (OHV) avačková hřídel je vbloku válců.

Obr. 2.16 Rozvody čtyřdobých motorů

Dvoudobý motor

Účinnost motoru

Celková účinnost motoru je součinem čtyř dílčích účinností, jimiž jsou účinnost:

chemická: uvolnění chemické energie obsažené vpalivu (0,9),

tepelná: využití tepelného potenciálu (0,5),

plnicí: využití zdvihového objemu válce (0,95),

2.4 Výkon spalovacího motoru

k.s. („koňská síla“).

Pe = Mt . ω (W)

ω = 2π.n/60

2.5 Historické okamžiky

Automobil atechnika

Automobil azávody

Osobnosti