Motori sa unutrašnjim sagorevanjem

Motori sa unutrašnjim sagorevanjem

Osnovu rada savremenih SUS motora čine termodinamički ciklusi Proučavanje stvarnih ciklusa pruža mogućnost sagledavanja nesavršenosti kao i mogućnosti daljeg poboljšanja ekonomičnosti Utvrđivanje radnih karakteristika motora

Osnovne pretpostavke: Radni medijum je idelni gas sa konstantnom specifičnom toplotom nezavisnom od temperature čiji se sastav ne menja u toku procesa Cilindar je ispunjen konstantnom količinom radne materije Razlika temperatura između toplotnih rezervoara i radne materije je beskonačno mala Dovođenje toplote radnom telu vrši se od spoljašnjeg toplotnog izvora Odvođenje toplote se vrši predajom toplote hladnjaku Procesi kompresije i ekspanzije su bez razmene toplote sa okolinom

Uobičajene vrednosti sabijanja kod Otto motora kreću se od 6 do 9, odnosno pritisaka 6-12bara, temperature 300-400 C Kod Dizel motora uobičajene vrednosti stepena sabijanja su od 14 do 22, pritiska od 25-40bar, a temperature od 550 C do 650 C Maksimalni pritisak na kraju procesa sagorevanja kod Otto motora 25 do 50 bara a kod Dizel motora 50 do 90bar Na kraju procesa sagorevanja temperatura je oko 2000 C

Podela motora Prema načinu ostvarenja radnog ciklusa: n Dvotaktni n Četvorotaktni Prema principu paljenja n Otto n Dizel Prema mestu obrazovanja smeše n Sa spoljašnjim obrazovanjem smeše (karburatorski i gasni Otto motori) n Sa unutrašnjim obrazovanjem smeše

Podela prema načinu punjenja: n Motori sa prirodnim punjenjem n Motori sa veštačkim punjenjem Podela motora prema konstrukciji: n U zavisnosti od položaja osa cilindara Vertikalni Horizontalni V motori Bokser motori W motori Zvezdasti motori

Bokser motor Zvezdasti motor

Izgled W motora Izgled V motora

Izgled zvezdastog motora

Prema broju cilindara n Jednocilindrični n višecilindrični Prema tipu dejstva klipa n Motori jednostrukog dejstva n Motori dvostrukog dejstva Podela prema nameni Podela prema vrsti korišćenog goriva Podela prema načinu hlađenja n Sa vazdušnim hlađenjem n Sa vodenim hlađenjem

Osnovni elementi motora SUS Osnovni elementi motora SUS su cilindar 5, u kome se kreće klip 4, vezan posredstvom klipnjače 6 za kolenasto vratilo 7. Radni prostor formiran je od cilindra 5, koji je sa jedne strane zatvoren cilindarskom glavom 1, u kojoj se nalaze usisni 2 i izduvni ventil 3, a sa druge strane samim pomerljivim klipom. Klip, klipnjača i kolenasto vratilo čine glavni motorni mehanizam čiji je zadatak da pravolinijsko oscilatorno kretanje klipa, nastalo kao rezultat ekspanzije produkata sagorevanja, pretvori u obrtno kretanje kolenastog vratila. Na taj način se mehanički rad koji motor dalje predaje potrošačima preko kolenastog vratila u vidu obrtnog momenta. Kolenasto vratilo je smešteno u motornoj kućici 8.

Radni ciklus Radni ciklus se ostvaruje u cilindru motora ponavljanjem niza uzastopnih, relativno laganih širenja odredjenih količina radne materije izmedju krajnjih položaja klipa. Ti položaji, u kojima se vrši promena smera njegovog kretanja, nazivaju se mrtvim tačkama. Krajnji položaj, pri kome je rastojanje od klipa do ose kolenastog vratila najveće, naziva se spoljna mrtva tačka (SMT). Pri tom položaju klipa zapremina izmedju klipa i cilindarske glave je minimalna i naziva se kompresiona zapremina (V C ) ili prostor sagorevanja. Krajnji unutrašnji položaj klipa, kada je on najbliži osi kolenastog vratila, naziva se unutrašnja mrtva tačka (UMT), a odgovarajuća zapremina iznad klipa je maksimalna i naziva se ukupna zapremina cilindra (V max ).

Stepen kompresije Pomeranja klipa iz jedne u drugu mrtvu tačku naziva se njegovim hodom (S). Hod klipa (S) jednak je dvostrukom poluprečniku puta ose kolena kolenastog vratila. Deo radnog procesa koji se obavi za jedan hod klipa naziva se takt motora. Zapremina V h, koju opiše čelo klipa pri kretanju od jedne do druge mrtve tačke naziva se radna zapremina cilindra. Na taj način ukupna zapremina cilindra V max je jednaka sumi radne zapremine V h i kompresione zapremine V C. Odnos ekstremnih zapremina, definiše jedan važan parametar motora, Radni ciklus ε : ε V max h C = = = 1 V C V + V V C + V V h C

I takt-usisavanje Linija usisavanja započinje od tačke r, završne tačke prethodnog radnog ciklusa kojoj odgovara pritisak izduvavanja. Kretanjem klipa od SMT ka UMT, u cilindru se stvara podpritisak koji omogudava da se usisava smeša goriva i vazduha (kod oto motora) ili čist vazduh (kod dizel motora). Pri tome je otvoren usisni, a zatvoren izduvni ventil, kako se izduvni gasovi iz predhodnog ciklusa ne bi vraćali u cilindar. Pritisak usisavanja je nešto niži od atmosferskog, te je linija usisavanja r-a.

II takt-sabijanje Sabijanje nastaje pri obratnom kretanju klipa odumt ka SMT. U tom periodu su oba ventila zatvorena, te kretanje klipa povećava pritisak gorive smeše (kod oto motora), odnosno svežeg vazduha (kod dizel motora). Na dijagramu proces sabijanja je pretstavljen krivom a-c. U blizini SMT celokupna sveža radna materija je sabijena u prostor sagorevanja V, te su odgovarajući pritisci i temperature veoma visoki Nešto pre SMT, u tački p, dolazi do paljenja gorive smeše električnom varnicom (kod oto motora), odnosno do ubrizgavanja goriva u zažareni i sabijeni vazduh (kod dizel motora). Proces sagorevanja se obavlja u neposrednoj blizni SMT, pri čemu pritisak naglo raste po liniji p-z, dostižući u tački z maksimalnu vrednost (kod oto motora od 25 do 50 bar, a kod dizel motora od 50 do 90 bar). Sagorevanjem se oslobadja znatna količina toplote koja se predaje produktima sagorevanja tako da njihova temperatura dostiže i 2000 C. Proces sagorevanja u motoru u zavisnosti od osobina goriva i brzohodnosti motora traje od 0,01 do 0,001 sec. Zbog toga je i potrebno da se omogući što bolja priprema gorive smeše, njen što homogeniji i rasprašeniji sastav, kako bi se omogućilo da svaki molekul goriva dobije dovoljnu količinu vazduha, odnosno kiseonika za potpuno sagorevanje.

III širenje -ekspanzija Već je naglašeno da se proces sagorevanja završio u tački z, nešto iza SMT, na početku takta širenja. Energetski opterećeni produkti sagorevanja potiskuju klip ispred sebe, pri čemu dolazi do širenja produkata sagorevanja, povećanja njihove zapremine i pada pritiska. Potiskivanjem klipa ostvaruje se rad koji se putem motornog mehanizma predaje kolenastom vratilu i dalje potrošačima. Ovo je jedini radni takt koji omogućuje pokrivanje sopstvenih gubitaka motora tokom ostala tri takta i predaju mehaničke energije potrošačima. Proces se odvija po liniji z-b, U toku takta ekspanzije zatvorena su oba ventila.

IV takt - izduvavanje Nešto pre dolaska klipa u UMT otvara se izduvni ventil,te dolazi do pada pritiska produkata sagorevanja, kako bi se oni odstranili pod što manjim pritiskom. U toku takta izduvavanja klip se kreće od UMT ka SMT potiskujući ispred sebe energetski iskorišćene produkte sagorevanja u izduvni vod, a zatim u spoljnu atmosferu. Na dijagramu proces izduvavanja je predstavljen krivom b-r, sa pritiskom koji je nešto viši od atmosferskog (1,05 do 1,25 bar), te je za izduvavanje gasova potrebno utrošiti izvestan rad.

Dvotaktni motori

Kod četvorotaktnog motora više od polovine vremena trajanja radnog ciklusa se koristi za izmenu radne materije. U cilju smanjenja vremena potrebnog da se obavi ciklus, razvijen je dvotaktni motor. Izmena radne materije treba da se obavi za 20-30% raspoloživog vremena Potrebno je predsabijanje radne materije i posebni načini ispiranja

Radni takt motora z-bʺ. U isto vreme vrši se predsabijanje radne materije u motorskoj kućici Izmena radne materije bʺ -bʹ -b i b-aʹ -a Period naknadnog isticanja aʹ -a Rad po dvotaktnom ciklusu dovodi do značajnog povećanja snage Umesto očekivane dvostruko veće snage, litarska snaga motora je veća 50-60% u odnosu na četvorotaktni motor

Prednosti dvotaktnih motora: n Jednostavnija konstrukcija n Bolja ravnomernost obrtnog momenta n Mirniji rad Nedostaci: n Veće termičko opterećenje motora n Gubitak sveže radne materije n Potreba za kompresorom

I takt-sabijanje ili kompresija Pri svom kretanju od UMT ka SMT, od trenutka kada su zatvoreni i izduvni i ulazni kanal (tačka a, u p-v dijagramu) klip svojom čeonom stranom vrši sabijanje radne materije (gorive smeše kod oto motora, a čistog vazduha kod dizel motora), pri čemu se u motorskoj kućici stvara potpritisak koji omogućuje otvaranje automatskog ventila i ulaz sveže radne materije. Isto kao i kod četvorotaktnog motora, tako se i kod dvotaktnih motora vodi računa o maksimalnim vrednostima pritiska i temperature na kraju procesa sabijanja, kako ne bi došlo do pojave detonacije (kod oto motora) odnosno kako bi se obezbedilo sigurno samoupaljenje goriva (kod dizel motora). Takt sabijanja ide po krivoj a-c. Nešto pre SMT, isto kao i kod četvorotaktnih motora, u tački p dolazi do paljenja gorive smeše (kod oto motora), odnosno započinje proces brizganja (kod dizel motora). Proces sagorevanja ide po krivoj p-z pri čemu se u tački z postiže maksimalni pritisak i temperatura.

II takt-širenje ili ekspanzija Klip se pod dejstvom energetski opterećenih produkata sagorevanja kreće od SMT ka UMT, pri čemu se dobija rad koji se putem motornog mehanizma prenosi potrošačima. Ovo je radni takt dvotaktnog motora, predstavljen linijom z-b". Dok se u cilindru vrši ekspanzija produkata sagorevanja, donjom stranom klipa se vrši sabijanje prethodno usisane sveže radne materije u motorskoj kućici. Na taj način se vrši predsabijanje sveže radne materije, čime se omogućuje da se izvrši brza izmena radne materije. Izmena radne materije se, kao što je naglašeno, vrši u završnom delu takta širenja (linija b"-b'-b) i početnom delu takta sabijanja (linija b-a'-a), tako da čisto sabijanje traje od a do p, a čisto širenje od z do b". Nailaskom klipa u položaj b", on započinje gornjom svojom ivicom da otvara izduvni kanal i produkti sagorevanja počinju da izlaze iz cilindra motora. Iako je pritisak u tački b" dosta visok (3 do 5 bar), usled malog protočnog preseka i velikog prigušivanja, pritisak ne pada naglo, sve dok se ne poveća protočni presek.

U tački b' započinje otvaranje ulaznog kanala. Dok smo u periodu b"-b' imali period čistog isticanja, otvaranjem ulaznog kanala nastaje period ispiranja tokom koga su otvorena oba kanala (linija b'-b-a'). Ovo nameće potrebu da ulazeća sveža radna materija bude tako usmerena da se onemogući njeno mešanje sa produktima sagorevanja ili isticanje kroz otvoreni izlazni kanal. Zato se na čelu klipa postavlja deflektor ili se ulazni otvori postavljaju sa odgovarajućim nagibom. Pri ovome je važno da se stvori takva struja sveže radne materije koja bi kao neki "gasni klip" potiskivala ispred sebe produkte sagorevanja i samim tim doprinela što boljem ispiranju cilindra motora, a da se pri tome izgubi što manja količina sveže radne materije, jer od toga u prvom redu zavise snaga i ekonomičnost dvotaktnih motora. Pri dolasku klipa u tačku a' zatvara se ulazni kanal, ali je još uvek otvoren izlazni kanal. Samim tim prestaje doticanje sveže radne materije, ali sve do tačke a postoji mogućnost isticanja pomešanih produkata sagorevanja i sveže radne materije. Taj period se naziva periodom naknadnog isticanja i ima veliku važnost, jer omogućava hladjenje termički jako opterećenih površina kod dvotaktnih motora, ali negativno utiče na ekonomičnost rada. Nakon tačke a klip će započeti proces sabijanja narednog radnog ciklusa. Rad dvotaktnog motora se sastoji u periodičnom ponavljanju radnih ciklusa za čije obavljanje je, kao što se vidi, potrebno samo dva takta, odnosno jedan obrt kolenastog vratila. Rad motora po dvotaktnom ciklusu dovodi do znatnog povećanja njegove snage. Uzimajući u obzir povećanje broja radnih ciklusa, mogli bi se očekivati da će se snaga povećati za dva puta. Medjutim, zbog lošije izmene radne materije i zbog korišćenja jednog dela radnog takta za izmenu radne materije, litarska snaga je veća za 50 do 60% od litarske snage četvorotaktnog motora, pri jednakim dimenzijama cilindra i jednakim brojevima obrta razmatranih motora.

Karakteristike rada motora Za ocenu rada motora primenjuju se određeni tehno-ekonomski parametri. Oni određuju mogućnosti motora u pogledu razvijanja snage, njegove efikasnosti i ekonomičnosti pri različitim uslovima rada.postoje tri osnovne grupe parametara: n Indikatorski pokazatelji rada motora n n Efektivni pokazatelji rada motora Kompleksni pokazatelji rada motora Indikatorski pokazatelji rada motora su: n n n n Srednji indikatorski pritisak Indikatorska snaga Indikatorski stepen korisnosti Specifična indikatorska potrošnja goriva

Karakteristike rada motora Efektivni pokazatelji rada motora su: n Srednji efektivni pritisak n n n Efektivna snaga Efektivni stepen korisnosti Specifična efektivna potrošnja goriva Kompleksni pokazatelji rada motora su: n n n n Litarska snaga Klipna snaga Specifična snaga Specifična masa

Indikatorski pokazatelji rada motora Srednji indikatorski pritisak je fiktivni pritisak konstante vrednosti koji bi delujući na klip u toku jednog hoda, izvršio isti rad dobijen delovanjem promenljivih pritisaka u toku odvijanja jednog ciklusa Indikatorska snaga je snaga koju motor razvija u cilindrima motora kao rezultat odvijanja radnih ciklusa Specifična indikatorska potrošnja goriva predstavlja količinu goriva u gramima utrošenu po jednom indikatorskom kwh. Karakteristika je ekonomičnosti odvijanja radnog procesa Indikatorski stepen iskorišćenja predstavlja odnos toplote ekvivalentne indikatorskoj snazi prema toploti dovedene gorivom n Kod Otto motora 0.25-0.37 n Kod Diesel motora 0.38-0.50

Efektivni pokazatelji rada motora Efektivna snaga je snaga koja je raspoloživa na spojnici motora Srednji efektivni pritisak je fiktivni pritisak konstantne vrednosti analogan srednjem indikatorskom pritisku koji bi delujući na klip u toku jednog hoda radnog ciklusa obavio efektivni rad ciklusa Specifična efektivna potrošnja goriva predstavlja količinu goriva koju motor troši po jednim efektivnom kilovatčasu Efektivni stepen iskorišćenja predstavlja odnos toplote ekvivalentne efektivnoj snazi prema količini toplote dovedene gorivom Indikatorska snaga koja se razvija u cilindrima motora delimično se troši na razne gubitkre, pa je snaga na vratilu motora koja se predaje potrošačima manja od indikatorske za vrednost tih gubitaka.

Kompleksni pokazatelji rada motora Litarska snaga predstavlja merilo iskorišćenja radnog prostora motora, odnosno odnos efektivne snage motora i ukupne zapremine motora. Pokazatelj je efektivnosti motora Klipna snaga motora je odnos efektivne snage jednog cilindra i površine klipa. Pokazatelj je forsiranosti motora Specifična snaga motora predsatvlja odnos efektivne snage i mase motora (važna je kod avionskih motora) Specifična masa motora predstavlja odnos mase motora i njegove efektivne snage