10.2012-13. VELEUČILIŠTE U RIJECI Prometni odjel Specijalistički studij Zdenko Novak MOTOR (1) 1
Sklopovi cestovnog motornog vozila Najvažniji organ svakog vozila je motor 2
Motor je stroj koji pretvara bilo koju vrstu energije u mehaničku. Vrste motora: MSUI motori s unutrašnjim izgaranjem - klipni motori - rotacioni (Wankel) - plinska turbina MSVI motori s vanjskim izgaranjem - stapni parni stroj - parna turbina - Stirling motor Električni pogon s izvorom energije: - baterije - gorive ćelije - solarna energija 3
Danas se za pogon cestovnih vozila najviše koriste klipni motori s unutrašnjim izgaranjem: Otto (gorivo benzin ili plin) Diesel (gorivo nafta) 4
Radni ciklus motora Zbog različitog načina paljenja smjese gorivo ne može biti istih svojstava: Kod benzinskog motora gorivo mora izdržati temperaturu uslijed tlaka u cilindru da se ne zapali samo od sebe (detonira) prije nego što to učini električna iskra To svojstvo otpornosti goriva na samozapaljenje (detonacije) se mjeri oktanskim brojem 5
Oktanski broj se određuje se uspoređivanjem detonacije ispitivanog goriva sa detonacijom koja nastaje izgaranjem odgovarajuće smjese izo-oktana i n-heptana (normalnog heptana) poznatog sastava pri istom tlaku. Smatra se da je oktanski broj izo-oktan = 100 n-heptan = 0 6
Oktanski broj Npr. gorivo koje ima iste detonacijske osobine kao i smjesa 90% izooktana i 10% n-heptana, ima oktanski broj 90 (OB 90). Autoplin (butan-propan i metan) ima izvrsna antidetonacijska svojstva OB 120 Pojava detonacije praćena je lupanjem u cilindru motora, a može doći i do zapaljenja smjese. Pri tome udarni pritisak detonacije radi protiv klipa i djeluje kao kočnica, povećava temperaturu motora i skraćuje mu vijek trajanja. Oktanski broj zavisi od sastava goriva, a može se povećati dodatkom aditiva. 7
Cetanski broj Kod dizel motora gorivo mora imati svojstvo da se lako samo zapali uslijed visokog tlaka u cilindru - To svojstvo voljkosti dizel goriva da se samo lako zapali se mjeri cetanskim brojem 8
Cetanski broj Cetanski broj odgovara volumenskom postotku cetana (C 16 H 34 ) u smjesi sa alfa-metil- naftalenom, koja ima ekvivalentne osobine paljenja sa ispitivanim gorivom. Cetan je ugljikovodik koji se lako pali pri kompresiji i ima cetanski broj = 100 Alfa-metil-naftalen ima cetanski broj = 0. Postoje aditivi koji povećavaju cetanski broj. 9
Radni ciklus motora Obje vrste klipnih motora benzinski i dizel mogu imati radni ciklus: dvotaktni ili četverotaktni Svaki hod klipa u cilindru gore ili dolje je jedan takt. Dvotaktni motori obave jedan radni ciklus u dva takta u jednom punom okretaju radilice. Četverotaktni motori obave jedan radni ciklus u četiri takta u dva puna okretaja radilice. 10
Radni ciklus motora Princip rada dvotaktnog motora: Dvotaktni motor s jednim cilindrom obavi cijeli radni ciklus u jednom okretaju radilice jer je klip tada napravio 2 takta po 1 hod gore i dolje: U svakom se taktu obavi nekoliko radnji: 1. takt prema gore: a) usis medija u kućište b) ispiranje c) kompresija 2. takt prema dolje: a) ekspanzija b) ispuh c) usis medija u cilindar 11
Radni proces četverotaktnog dizelskog motora Usis Kompresija Ekspanzija Ispuh Animacija procesa: http://www.rkm.com.au/animations/animation-diesel-engine.html 12
2-taktni motori Prednosti Usporedba 2-t i 4-t motora jednostavni - mali broj dijelova (ne treba ventile ni razvod) jeftini mala težina visoka brzina vrtnje može raditi u bilo kojem položaju 4-taktni motori Prednosti ekonomični u radu manja emisija štetnih plinova dobro kočenje vozila motorom (benzinski motori s klasičnim ventilskim razvodom) Mane veća emisija štetnih plinova (zbog lošije izmjene medija i izgorenog ulja za podmazivanje) troše više goriva (dio smjese zraka i goriva pobjegne kroz ispuh) loše kočenje vozila motorom veća potrošnja ulja za podmazivanje 13 Mane komplicirana konstrukcija skuplji veća težina
Teoretski proces usisnog dizel motora Indikatorski dijagram 1-2: Usis - klip se giba od GMT ka DMT stvarajući podtlak u cilindru, kojim usisava zrak u cilindar 2-3: Kompresija - klip se giba od DMT ka GMT sabijajući zrak koji se zato i zagrije 3: Ubrizgavanje goriva (malo prije GMT) Visoki tlak i temperatura sabijenog zraka izazivaju samopaljenje smjese 3-4: Izgaranje smjese povećava pritisak do Pmax 4-5: Nastavak izgaranja tjera klip pri pmax do 5 5-6: Ekspanzija klip nastavlja hod do DMT 6-1: Ispuh klip izbacuje izgorjele plinove izvan cilindra W korisni rad ciklusa W P i = 14 t -> definira indiciranu snagu motora [ W ]
Snaga motora Kemijska energija goriva se izgaranjem u cilindru pretvara u toplotnu. Toplinska se energija pretvara u mehaničku u vidu tlaka na čelo klipa. U cilindru postoje gubici topline na rashladi i ispušnim plinovima. Kada ne bi bilo gubitaka, klipu bi se predala teorijska snaga P t Zbog gubitaka klipu se predaje manja snaga - indicirana snaga P i. Odnos indicirane snage i teorijske snage - indicirani stupanj djelovanja ili indicirana iskoristivost η = i Pi P t 15
Snaga motora s klipnim mehanizmom d p sr Na površinu klipa 1 djeluje tlak izgaranja. Uslijed tlaka klip djeluje preko klipnjače 2 na koljeno 3 koljenastog vratila (radilice). Na taj se način pravocrtno gibanje klipa pretvara u rotacijsko gibanje radilice. Tlak se pri gibanju klipa mijenja, pa se pretpostavlja neki srednji tlak p sr. h v sr 1 2 Prosječna sila na klip je: F sr = p sr d 2 π 4 [ N ] 0 gdje je: psr - srednji tlak na čelo klipa motora [N/m²] d - promjer klipa [m] 3 16
Snaga motora s klipnim mehanizmom Srednja brzina klipa iznosi: v sr = h T h d p sr v sr U periodu T radilica je napravila pola kruga ϕ = π 1 Ako je frekvencija vrtnje motora n [okr/min], tada je period za pola okretaja: T = 60 = 2 n n 30 n 2 Srednja brzina klipa izražena pomoću frekvencije vrtnje je: 0 v sr = h n 30 3 17
Snaga motora s klipnim mehanizmom Klip vrši pravocrtno gibanje pa se za indiciranu snagu koju preko klipa razvija motor koristi izraz za pravocrtno gibanje: P P i = F v Indicirana snaga uključuje još dodatne parametre (broj taktova, broj cilindara): τ = F sr v sr 1 z τ gdje je: τ - taktnost koja za neke vrste motora iznosi: 1 za dvoradni dvotaktni motor 2 za jednoradni dvotaktni motor 4 za četverotaktni motor z - broj cilindara Ako se uvrste ranije veličine: Konačni izraz za indiciranu snagu: P i P = i p = sr h 0 d 2 d h n π 1 z 4 30 τ 2 psr d π h n z 120 τ p sr v sr 1 2 3 18
Snaga motora Snaga motora dobivena na njegovom izlazu (zamašnjaku) manja je od indicirane snage (teoretske) za gubitke uslijed: 1. Izmjene radnog medija pri usisu i ispuhu 2. Otpora u mehanizmima motora: Trenje pokretnih dijelova (klip, radilica, razvodni mehanizam...) 3. Pogona pomoćnih agregata neophodnih za rad motora: Pumpa za rashladni sustav Pumpa za podmazivanje Pumpa visokog pritiska kod dizel motora Otpor usisnog sustava (filter zraka...) Otpor ispušnog sustava (prigušivač...) Alternator (generator struje) 4. Pogona pomoćnih agregata vozila: Kompresor zračne instalacije Pumpa za pogon servo-upravljanja Klima kompresor itd. 19
Snaga motora Odnos efektivne snage na izlazu motora (zamašnjaku) i indicirane snage (predane klipu) mehanički stupanj djelovanja ili mehanička iskoristivost motora ηe η e = Pe P i Ukupni (efektivni) stupanj djelovanja ili ukupna iskoristivostη je odnos efektivne snage na izlazu motora (zamašnjaku) i teoretske snage (iz goriva) η = η η i e = Pi P t Pe P i = P P e t 20
Snaga motora Deklarirana (efektivna) snaga motora mora biti definirana prema nekom standardu ispitivanja: Evropski pravilnik ECE R-85 i DIN motor kojem se ispituje snaga, mora osim uređaja neophodnih za rad (pumpa za rashladni sustav, pumpa za podmazivanje, pumpa visokog pritiska kod dizel motora) imati ugrađen filter zraka, ispušni sustav i alternator (generator struje). Time se uzimaju u obzir gotovo svi ranije navedeni gubici osim pogona pomoćnih uređaja vozila (4. točka s prethodne strane). SAE (Society of Automotive Engineers) - Standard Američkog udruženja inženjera za vozila ne uzima u obzir gubitke organa o kojima ne ovisi neposredno rad motora (filter zraka, ispušni sustav, alternator...) Stoga je deklarirana snaga istog motora po SAE veća nego po DIN standardu. 21
Snaga motora Snaga je izvedena veličina koja se može prikazati na više načina. Kako je motor stroj koji snagu predaje rotacijom radilice, prikladno je izraziti efektivnu snagu na izlazu (zamašnjaku) pomoću momenta i kutne brzine: gdje je: M okretni moment (Nm) ω kutna brzina radilice (rad/s) Kutna brzina izražena kroz broj okretaja: gdje je: n broj okretaja u minuti pa je snaga motora tada: P e nπ P e = M 30 = ω = M ω nπ 30 [ W ] [ W ] [ rad / s] Ako znamo okretni moment i broj okretaja možemo izračunati snagu motora. I obratno, ako znamo snagu i broj okretaja možemo izračunati moment koji motor tada razvija: M 30 = P n π [ Nm ] 22
Mjerenje snage motora Jedan od načina mjerenja snage motora je kočenje radilice kojim mjerimo okretni moment. Uređaj se zove kočnica, a može raditi na više principa (mehaničkom, hidrauličkom, električnom) Mehanička kočnica ustvari mjeri silu F nastalu uslijed sprega sila T na bubnju kočnice: Okretni moment je: M = T 2 r = F l [ Nm] 23
Mjerenje snage motora Brzinu vrtnje mjerimo nekim prikladnim tahometrom, mehaničkim ili električnim s induktivnim davačem, ili fotoelektričnim. Snagu možemo dobiti iz: gdje je: n broj okretaja (okr/min) P = F l nπ 30 [ W ] 24
Snaga motora Mjerenjem pri raznim režimima rada dobiju se različiti dijagrami snage i momenta. a) Vanjska karakteristika motora - mjerenje pri pri punoj dobavi goriva ( puni gas ) Ovakva se krivulja zove vanjska karakteristika motora, jer zbog mjerenja pri pri punoj dobavi goriva ( puni gas ) nijedna radna točka ne može biti izmjerena izvan te krivulje. 25
Snaga motora Mjerenje vanjske karakteristike motora vrši se pri pri punoj dobavi goriva ( puni gas ) opterećenje motora mijenja se regulacijom momenta na kočnici 1 min. brzina vrtnje prazni hod u kojem motor radi mirno bez opterećenja 2 brzina vrtnje pri kojoj je motor spreman podnijeti opterećenje 3 - brzina vrtnje pri kojoj motor razvija maks. moment 4 - brzina vrtnje pri najnižoj specifičnoj potrošnji goriva (g/kwh) 5 - brzina vrtnje pri kojoj motor razvija najveću snagu 6 maks. brzina vrtnje pri kojoj regulator prekida dovod goriva 26
Snaga motora Snaga motora raste s brojem okretaja po krivulji Pe. Okretni moment Me je matematički vezan sa snagom: nπ P e = M ω = M 30 30 M = P [ Nm ] n π [ W ] Područje vrtnje između maks. momenta i maks. snage se naziva elastično područje rada motora. 27
Snaga motora Elastičnost motora se izražava faktorom elastičnosti. Razlikujemo: faktor elastičnosti momenta: e = M M M max P max Otto: 1,15 1,35 Dizel: 1,05 1,20 faktor elastičnosti vrtnje (broja okretaja): e = n n n P max M max Otto: 1,80 2,20 Dizel: 1,30 1,60 Veća elastičnost znači bolju prilagodljivost motora kratkotrajnim preopterećenjima. 28
Snaga i okretni moment motora s turbopuhalom u usporedbi s motorom slobodnog usisa a) Motor sa samostalnim usisom b) Motor s prednabijanjem u stacionarnom pogonu c) Motor s prednabijanjem u nestacionarnom pogonu 29
Snaga motora b) Mjerenje momenta i specifične potrošnje goriva pri djelomičnom opterećenju 30
Snaga motora c) Školjkasti dijagram Koristi se za mjerenje specifične potrošnje goriva pri djelomičnom opterećenju. Dijagram pokazuje odnos srednjeg efektivnog tlaka u cilindru i kutne brzine. Gornja rubna linija predstavlja vanjsku krivulju momenta Unutrašnje krivulje predstavljaju specif. potrošnju goriva (g/kwh) 31
Snaga motora Školjkasti dijagram u obliku M-n (Moment broj okretaja u min.) Gornja rubna linija predstavlja vanjsku krivulju momenta Unutrašnje krivulje predstavljaju specif. potrošnju goriva (g/kwh) 32
Snaga motora Specifična potrošnja goriva izražena preko srednjeg efektivnog tlaka u cilindru. 33