10.2012. VELEUČILIŠTE U RIJECI Prometni odjel Zdenko Novak 7. DIZEL MOTOR (1) Uvod 1
Dizel motor Izumitelj je Nijemac Rudolf Diesel koji je 1892. patentirao radni ciklus motora u kojemu se smjesa goriva i zraka sama zapali uslijed tlaka i temperature u cilindru. Rudolf Diesel (1858 1913) Prvi dizelski motor u svijetu izrađen 1897. u Maschinenfabrik Augsburg AG. Volumen cilindra 19.635 ccm, snaga 20 KS pri 172 okr./min. Specifična potrošnja goriva 240 g/ksh Ukupna težina ovog motora bila je 4,5 t. Navodno je kućište ovog motora izliveno u Riječkom Torpedu. 2
Dizel motor 1903: Prvi brod s dizel motorom 1912: Prva lokomotiva s dizel motorom 1922: Prvo vozilo traktor s dizel motorom 1923: Pojavljuju se prvi kamioni s dizel motorom. 1933: Citroen proizvodi Rosalie, prvi putnički auto s dizel motorom. 1934: Prvi turbo-dizel motor (Maybach za lokomotivu) 1936: Prvi avionski dizel motor (za cepelin Hindenburg) 3
Radni dijelovi četverotaktnog dizel motora 1 Usisno bregasto vratilo 2 rasprskač 3 Usisni ventil 4 Ispušni ventil 5 Prostor izgaranja 6 Klip 7 Cilindar 8 Klipnjača (ojnica) 9 Koljenasto vratilo 10 Ispušno bregasto vratilo * d Promjer cilindra s Stapaj (hod klipa) V c Kompresijski volumen V h Stapajni volumen OT - GMT - Gornja mrtva točka UT DMT - Donja mrtva točka 4
Radni proces četverotaktnog dizelskog motora * Usis Kompresija + ubrizgavanje i paljenje Ekspanzija Ispuh 5
Radni proces četverotaktnog dizelskog motora * Usis Kompresija Ekspanzija Ispuh Animacija dizel procesa : http://www.rkm.com.au/animations/animation-diesel-engine.html 6
Teoretski proces usisnog dizel motora Indikatorski dijagram ili p-v dijagram prikazuje kako se mijenja tlak u cilindru ovisno o volumenu (položaju klipa) Porijeklo vuče od parnih stapnih strojeva * 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 P = 7 t W korisni rad ciklusa -> definira indiciranu snagu motora [ W ]
Realni proces usisnog dizelskog motora GMT DMT 8
Realni proces prednabijenog dizelskog motora u pv indikatorskom dijagramu Za razliku od usisnog motora, zrak ulazi u cilindar pod tlakom većim od atmosferskog AO - Ispuh otvara AS - Ispuh zatvara BB - Početak izgaranja EO - Usis otvara ES - Usis zatvara OT = GMT (Gornja mrtva točka) UT = DMT (Donja mrtva točka) p U = p 0 (Okolni tlak) p L (Tlak prednabijanja) p Z (Max. Tlak u cilindru) V C (Kompresijski volumen) V h (Radni volumen) V M (Indicirani rad) V G (Rad izmjene plinova 9
Razvijeni indikatorski dijagram tlaka prednabijenog dizelskog motora u funkciji kuta koljenastog vratila (p-a dijagram) AO - ispuh otvara AS - ispuh zatvara) BB - početak izgaranja EO - usis otvara ES - usis zatvara) OT = GMT (Gornja mrtva točka) UT = DMT (Donja mrtva točka) p U - atmosferski tlak p L - tlak prednabijanja p Z - maks. tlak u cilindru 10
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, kao što su: 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. * 11
Snaga motora * Snaga motora koju deklarira proizvođač mora biti definirana prema nekom standardu ispitivanja: Evropski pravilnik ECE R-85 i DIN norma uzimaju u obzir gotovo sve gore navedene gubitke 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 npr. po SAE veća nego po DIN standardu 12
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 snagu pomoću momenta i kutne brzine: gdje je: M okretni moment (Nm) ω kutna brzina radilice (rad/s) Kutna brzina ovisi o broju okretaja: gdje je: n broj okretaja u minuti ω = P = nπ 30 M ω [ W ] [ rad / s] * pa je snaga motora tada: P nπ = M 30 [ W ] 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 ] 13
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 = F l [ Nm] Brzinu vrtnje mjerimo nekim prikladnim tahometrom, mehaničkim ili električnim s induktivnim davačem, ili fotoelektričnim. Snagu možemo dobiti iz F (N) l (m) n broj okretaja (okr/min) P = M ω = F l nπ 30 [ W ] 14
Mjerenje snage motora Hidraulička kočnica za mjerenje snage Prikaz hidrauličke kočnice radi na principu hidrodinamičke spojke 15
Mjerenje snage motora Električna kočnica za mjerenje snage Prikaz električne kočnice motor stvara električnu energiju koja ga time koči 16
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. 17
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 18
Snaga motora Primjer vanjske karakteristike motora - mjerenje pri punom opterećenju Dijagram snage i momenta Renault Clio 1,5 dci iz 2005. 19
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. 20
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. 21
Snaga motora Vanjska karakteristika motora - mjerenje pri punom opterećenju Dijagram snage, momenta i specif. potrošnje goriva industrijskog motora Deutz BF6L913 s prednabijanjem u dvije izvedbe: bez hlađenja prednabijenog zraka BF6L913 s hlađenjem prednabijenog zraka BF6L913C (InterCooler) Elastičnost momenta iznosi 35%. 22
Snaga motora b) Mjerenje momenta i specifične potrošnje goriva pri djelomičnom opterećenju 23
Moment i snaga dva dizelska motora za osobna vozila s 2,2 l radnog volumena u funkciji frekvencije vrtnje a Značajka snage b Značajka momenta 1 Motor iz 1968 2 Motor iz 1998 Mmax Maksimalni moment Pn Nazivna snaga nn Nazivna frekvencija vrtnje 24
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 25