Анализа утицаја степена компресије на ефикасност рада Otto и дизел мотора Душица Лечић Факултет техничких наука, Чачак СП ИАС Професор технике и информатике, школска 2015./2016. година e-mail: dusicalecic90@gmail.com Ментор рада: др Снежана Драгићевић Апртпакт Циљ овог мастер рада је да се прикажу сличности и разлике између Дизел и Отто циклуса, њихови приципи рада,како код двотактних мотора тако и код четворотактих мотора. Такође извршити анализу утицаја степена корисности на тернодинамички степен искоришћења и степена предекспанзије, како код Отто тако и за Дизел кружни циклус. Кљсчне печи моеопж,егпмоджнамжхкж фжклсрж, Джегл, Оеео, регжгн комжпгржјг, регжгн жпгдгкржанежјг,егпмоджнамжхкж регжгн жркопжцћгња. 1 УВОД Машине које претварају било који вид енергије у механичку енергију називају се моторима. Топлотне моторе начешће можемо поделити у две групе и то моторе са унутрашњим и спољашњим сагоревањем. У пракси се користе највише клипни мотори са унутрашњим сагоревањем и то две врсте мотора: Отто и Дизел. Отто мотор, или бензијски мотор, је пронашао Николас Аугуст Отто који за гориво користи смешу бензина и ваздуха. Дизел мотори, који је пронашао Рудолф Диесел, за гориво користи мешавину дизел горива и ваздуха. Разлика у принципу рада Дизел мотора и бензинског мотора огледа се у томе што се за паљење радне смеше код Дизел мотора не користи варница, односно свећица, већ се гориво пали сабијеним ваздухом који је услед великог притиска загрејан. Ови мотори су пронађени у 19. веку и означили су другу индустријску револуцију али су посебно усавршени последњих деценија у уграђују се у моторна возила и радне машине. Оба типа мотора изводе се као двотактни и четворотактни. Код четворотактних мотора, радни процес у мотору односно претварање хемијске енергије у топлоту, а топлоте у механички рад обави се за четири такта. Та четири такта су усисавање, компресија, сагоревање и издувавање.код двотактних мотора читав процес се обави за два такта. Разлика између двотактних и четворотактних мотора је у томе што двотактни мотор обави иста четири процеса (усисавање, сабијање, паљење и издувавање), која четворотактни мотор обави за четири хода клипа, у само два хода клипа. У оквиру теоријског дела обрадићемо приципе рада ових мотора, као и поредјење истих.вршићемо анализу термодинамичких циклуса мотора са унутрашњим сагоревањем, и поређење теоријских циклуса мотора СУС. У оквиру експерименталног дела вршићемо анализу Отто и Дизел кружног процеса користећи програм Еxел са прорачунима ових кружних процеса и виртуелну лабораторију National Research university Moscow Power Engineering Institute (MPEI). И такође у оквиру експерименталног дела показаћемо зависност степена компресије ε, за три различите вредности експонента к за Отто кужни циклус и зависност степена предекспанзије за три различите вредности степена компресије ε за Дизелов кружни процес. 2 МОТОРИ СА УНУТРАШЊИМ САГОРЕВАЊЕМ Машине које претварају било који вид енергије у механичку енергију називају се моторима. Према месту где се обавља сагоревање горива, односно према томе да ли су продукти сагоревања истовремено и радни медијум, топлотни мотори деле се у две групе: Мотори са спољашњим сагоревањем (мотори ССС), Мотори са унутрашњим сагоревањем (мотори СУС).
2.1 Ппгднореж ж манг моеопа ра снсепацњжм рагопгвањгм Да би се истакле предности и недостаци мотора СУС, они се обично упоређују са моторима ССС. Основне предности мотора сус: а) Висока економичност (велике вредности ефективног степена корисности мотора ове вриједности иду и преко 45%), б) мала специфична маса (кг/кw), односно висока специфична снага (кw/кг), ц) компактна градња (мала вриједност бокс запремине мотора по снази м3/кw), д) брзо су спремни за рад након стартовања, е) користе гориво великог енергетског потенцијала (кј/кг), ф) троше гориво само док раде. Недостаци мотора сус су: а) Зависност од квалитета горива. Користе гориво тачно прописаних особина. Данас се раде и мотори, који могу задовољити шири спектар квалитета горива. б) Несамосталан старт морају имати страни покретач за стартовање мотора (електростартер, ручно, компримованим ваздухом, итд.) ц) Не може се много преоптеретити. д) Компликована градња (сложена конструкција са доста помоћних уређаја). е) Захтијева већу стручност особља за опслуживање и руковање. ф) Има лоше еколошке карактеристике (загађујуће материје, бука). 3 ИСТОРИЈАТ МОТОРА СА УНУТРАШЊИМ САГОРЕВАЊЕМ СУС Мотор са унутрашњим сагоревањем конструисао је Nikolas August Otto (1832-1891) по коме се овај мотор назива и Отто мотор. Овај проналазак био је прва практична алтернатива парној машини. Отто је направио први бензински мотор 1861. године. Три године касније оформио је партнерство са великим немачким индустријалцем Eugenom Langenom са којим развија побољшану верзију мотора која 1867. осваја златну медаљу на Париској Изложби. 1876. Отто конструше четворотактни мотор са унутрашњим сагоревањем, најсличнији оном који познајемо данас. У Оттовој фирми радио и Gottlieb Wilhelm Daimler као технички директор. Daimler је 1882. напустио ову фирму и заједно са Wilhelmom Meybachom основао сопствену. 1885. патентирали су четворотактни мотор са карбуратором који је омогућавао употребу бензина као основног горива. Поред Отто-а, у овој области радио је и Rudolf Diesel. Његов рад био је усмерен развоју четворотактног топлотног мотора чији би циклус био што ближи Карноовом. 1890. је дошао на идеју дизел-мотора који данас познајемо. 1892. је добио и немачки патент а документацију о самом мотору објавио под насловом Theorie und Konstruktion eines rationellen Wäremotors. 4 ПОДЕЛА МОТОРА СА УНУТРАШЊИМ САГОРЕВАЊЕМ Према типу циклуса мотори са унутрашњим сагоревањем деле се на две групе a) моторе са континуалним и b) моторе са испрекиданим сагоревањем. Поред ове, постоје и поделе мотора са унутрашњим сагоревањем према: a) типу горива и методи убризгавања, b) начину паљења, c) начину кретања клипова (праволинијски и ротациони), d) распореду цилиндара, e) броју тактова у циклусу (двотактни, четворотактни),
Мотори са унутрашњим сагоревањем се деле на: a) Клипне (мотори променљиве запремине): ротациони, тј. са обртним клиповима (Ванкелов мотор), транслаторни (линијски), тј. са осцилујућим клиповима. b) Струјне (гасна турбина, млазни и ракетни мотори); Према начину паљења горива мотори са унутрашњим сагоревањем деле се на: a) Отто (бензински мотори), b) Дизел моторе, c) Моторе са мешовитим сагоревањем (комбинација Отто и Дизел процеса Сабатхеов процес). Према начину остваривања радног циклуса деле се на: a) Двотактне, b) Четворотактне Најуобичајенији мотори са унутрашњим сагоревањем у употреби су бензински и дизел четворотактни мотори. У ово групу такодје спадају гасне турбине, суперсонични мотори, ракетни мотори са потискивањем.дисперзија је један од важнијих статистичких појмова којима се бројчано изражава степен варијабилности података. Већу дисперзију или распршеност имају серије чији чланови показују већи варијабилитет. У пракси се користи већи број мера дисперзије: распон варијације, интерквартил, коефицијент квартилне девијације, варијанса, стандардна девијација и коефицијент варијације. Мере дисперзије имају широко подручје примене. 5 ПОДЕЛА МОТОРА СА УНУТРАШЊИМ САГОРЕВАЊЕМ Клипни морори унутрашњег сагоревања су топлотни мотори, који хемијску енергију садржану у гориву, процесом сагоревања у одредјеном простору, трнсформишу у потенцијалну енергију продукта сагоревања, која се даље сукцесивним ширењем, постредством одоварајућег механизма, претвара у механичку енергију. Основна класификација мотора унутрашњег сагоревања по начину рада је: 1. Двотактни, 2. Четворотактни мотори. И по начину паљења горива: 1. Отто, 2. Дизел мотори. Код четвопотактних мотопа, који су и најбројнији, читав радни процес у мотору (претварање хемијске у топлотну, и топлотне у механичку енергију) обави се за време трајање четири такта (хода клипа). Пошто је за један ход клипа потребна ½ обрта коленастог вратила, то се цео циклус обави док се коленасто вратило окрене два пута. Код двотактних мотопа, цео радни циклус траје траје за време два хода клипа, односно за један обртај коленастог вратила. И једни и други мотори могу да буду изведени по принципу Отто и Дизел. Код Отто мотопа запаљива смеша горива (бензина) и ваздуха се остварује изван цилиндра мотора у посебном уредјају - карбуратору. Смеша сабијане у цилиндру пали се страном енергијом данас је то ради искључиво електричном варницом, у тачно одредјеном тренутку радног циклуса. Због тога се ови мотори често називају мотори са паљењем варницом или бензински мотори, због најчешће коришћене врсте горива. Дизел мотопи усисавају у цилиндар само ваздух, који се сабијањем доводи на виши притисак и температуру. У тачно предвидјеном тренутку одвијања радног циклуса, посебним уредјајем се убризгава одредјена количина горива (нафте) који се, због високог притиска убризгавања фино распрши и тренутно помеша са ужареним ваздухом у цилиндру мотора. Услед додира ситних капљица горива са врелим ваздухом настаје делимично испаравање горива, па затим његово самоупаљење и сагоревање. 6 ПРИЦИП РАДА ЧЕТВОРОТАКТНОГ МОТОРА Сврха мотора је да претвара гориво у кретање и тиме обезбеди покретање аутомобила. Најлакши начин да се направи кретање од горива је сагоревање горива унутар мотора. Слжка 1-Орновнж дгловж хгевопоеакеног моеопа
Код четворотактних мотора, радни процес у мотору односно претварање хемијске енергије у топлоту, а топлоте у механички рад обави се за четири такта. Цилиндар (1) и клип (2) незнатно ужи од цилиндрасједињених у једну целину или блок. У цилиндру се налази клип, који се креће осцилаторно, при чему се то кретање даље преноси преко клипњаче (3) на коленасто вратило (4). На поклопцу цилиндра су смештени усисни (5) и издувни вентили (6), кроз које улази пуњење односно излазе продукти сагоревања. Радни циклус четворотактног мотора састоји се из следећа четири такта приказана на слици 2: 1. Усисавање вентил је отворен и клип се спушта што креира парцијални вакуум који увлачи гориво и ваздух (код бензинског мотора, а код дизела је мало другачије) у цилиндар, 2. Компресија оба вентила су затворена, клип се спушта и на тај начи компресује смешу. Пред сам крај овог дела циклуса смеша се пали, 3. Сагоревање како су оба вентила и даље затворена, под дејством запаљеног гаса који се шири, клип се поново спушта (у овом делу циклуса се врши користан рад који се искоришћава за добијање енергије) 4. Издувавање други вентил се отвара, клип се подиже и гас избацује из цилиндра. Слжка 2 Шгма пада хгевопоеакеног моеопа Под тактом подразумева се ход клипа потребан за извођење одређеног радног процеса. Положај клипа када је најудаљенији од осе коленастог вратила назива се спољашња мртва тачка СМТ, положај клипа када је најближи коленастом вратилу назива се унутрашња мртва тачка УМТ. Брзина клипа у тим тачкама једнака је нули. Ти положаји се називају мртвим тачкама. Код четворотактног мотора уочавамо да он у извесним деловима радног циклуса врши улогу пумпе. Тактови усисавања и издувавања, који су карактеристични за рад четворотактног мотора, одражавају рад пумпе па их често називамо и пумпним тактовима, а такт компресије и експанзије називамо радним циклусима. 6.1 Зажпгмжна Четворотактни мотори су такозвани клипни мотори. Основни делови су цилиндар и клип незнатно ужи од цилиндра. У вези са њима постоји неколико специфичних термина: 1. Зажпгмжна на доњој мпевој еахкж (ВБДЦ Волуме ат Боттом Деад Центер) дефинише се као запремина измедју главе цилиндра и чеоног зида клипа када је клип у најдаљем положају од главе цилиндра 2. Зажпгмжна на гопњој мпевој еахкж (ВТДЦ Волуме ат Топ Деад Центер) дефинише се као запремина измедју главе цилиндра и чеоног зида клипа када је клип у најближем положају глави цилиндра запремина компресионог простора. Запремину неког мотора можемо представити као производ запремине једног цилиндра и броја цилиндара. Разлика ових запремина чини радну запремину клипа док је однос ове две запремине VBDC/VTDC познат као степен компресије. Степен компресије је дефинисан: Од степена компресије знатно зависи енергија коју добијамо сагоревањем смеше, а његовим повећањем (до извесне границе) расте и снага мотора. 6.2 Впрег паднжу фжклсра СУС моеопа Укупан процес трансформације хемијске енергије горива у току стварања паре у моторима СУС је праћен низом веома сложених физичко-хемијских топлотних појава које се често временски преклапају и које све скупа обухватамо именом радни циклус мотора.
Базу свих термодинамичких циклуса чини идеални Карно (Царнот) циклус.то је теоријски циклус чији је значај у томе што се помоћу њега може израчунати теоријски максимум који може да произведе флуид у затвореном термодинамичком систему. Карно циклус састављен од изентропа сабијања и ширења и изентерми доводјења и одводјења топлоте (слика 3) који дефинише важан закон да: економичност циклуса је утолико већа уколико је већи однос максималне према минималној температури (Тмаx/Тмин). Код СУС мотора ти врсте радних циклуса, а то су: 1) Реални - стварни циклус у моторима СУС Слжка 3- Капноов жпофгр 2) Идеални циклуси - који се могу описати једноставним математичким изразима и представљају граничне термодинамичке циклусе са највећим степеном корисности и највећим специфичним радом 3) Прорачунски циклуси налазе се између претходна два. Уколико подразумевају велики број упрошћења, ближи су граничним термодинамичким циклусима, док су у супротном близи реалним циклусима Од степена компресије знатно зависи енергија коју добијамо сагоревањем смеше, а његовим повећањем (до извесне границе) расте и снага мотора. 7 ПРИНЦИП РАДА ДВОТАКТНОГ МОТОРА Разлика између двотактних и четворотактних мотора је у томе што двотактни мотор обави иста четири процеса (усисавање, сабијање, паљење и издувавање), која четворотактни мотор обави за четири хода клипа, у само два хода клипа. У двотактном мотору реализују се, као и у цетворотактном, исти цилкуси, само по другом распореду. Ово се постиже на тај начин што је простор испод клипа искориштен за усисавање ваздуха и компресију, што дозвољава да се комора изнад клипа користи само за процесе издувавања и паљења. Тако код двотактних мотора долази до процеса паљења при сваком обртају радилице, а код четворотактних код сваког другог обратаја. Због овог двотактни мотори имају велику специфичну снагу, тј. снагу по јединици масе, па се веома корисни за употребу у уредјајима мале масе Слжка 4- Шгма двоеакеног моеопа Слжка 5 - Шгма пада двоеакеног моеопа: а) жржжпањг фжлжндпа, б) рабжјањг, ф) рагопгвањг, д) жедсвавањг
Пошто клип у свом даљем кретању према СМТ прво затвори преливне, а одмах затим и излазне отворе, почеће сабијање свежег пуњења тј. такт комжпгржјг. Сабжјањг свежег пуњења наставља се до тренутка када се при положају клипа у близини СМТ не изврши паљење свежег пуњења било електричном варницом (Отто-мотори) или убризгавањем одређене количине горива (дизел-мотори). У току такта цжпгња продукти сагоревања врше рад који се преко клипњаче предаје коленастом вратилу. Продукти сагоревања великом брзином излазе из цилиндра кроз делимично отворене излазне канале. Одмах затим отварају се и преливни отвори и почиње улазак свежег пуњења које истискује продукте сагоревања из цилиндра вршећи истовремено његово испирање и пуњење. Због краткоће времена које стоји на располагању за промену пуњења, код двотактних мотора долази до потешкоћа у погледу квалитета испирања Поред тога, непостојање такта усисавања код двотактних мотора захтева да се код њих свеже пуњење вештачким путем мора убризгавати у цилиндар мотора. Ово се најчешће изводи помоћу посебног напојног компресора који је још познат и под именом пумпа за испирање. 7.1 Ппжмгна двоеакенжу моеопа Најмањи бензински мотори су обично двотактни. Популарни су због једноставног дизајна и мале цене и одличног односа снаге и масе. Највећи недостатак ових мотора је што скоро увек долази до мешања горива са уљем, што знатно повећава емисију штетних полутаната, па се где год је могуће двотактни мотори замењују четворотактним. Двотактни мотори се данас мање употребљавају него некада, поготово они који раде по Отто процесу. Из разлога што део сагориве смеше изађе из не цилиндра, те тиме повећава потрошњу и загађења. Због тога се двотактни мотори све више замјењују четверотактнима, и на уређајима који су некада били резервисани искључиво за двотактне. Такав примјер су ванбродски мотори, код којих је дошло до готово потпуне промене. Двотактни мотор губи трку и на подручју машина за пољопривредне радове (косилице, мотокултиватори, моторне прскалице), гдје се улажу знатни напори у смањењу величина четверотактног мотора уз повећање снаге. 7.2 Двоеакенж Джегл моеопж Дизелски мотор је мотор са унутарњим сагоревањем, који користи дизел као погонско гориво. Паљење смеше код Дизел мотора се заснива на топлоти компресије Мотор је карактеристичан по томе што нема свећице, у цилиндру се сабија чист ваздух, који постиже толику температуру (700 до 900 о Ц) да се након убризгавања горива у цилиндру мотора гориво самозапаљује. Гориво се при крају компресије убацује у цилиндар, помоћу пумпе високог притиска и уређаја који гориво распршује на ситне капљице. Ситне капљице горива се услед високе температуре околине самозапаљују и тако производе енергију унутар цилиндра. Кућиште мотора и клипови престављају врло лоше компресоре, па без додатног компресора није могуће достићи потребан степен компресије за одвијање Дизел-овог циклуса који би имао висок степен корисности. Зато се код ових мотора користе компресори за пуњење и испирање цилиндра. 7.3 Двоеакенж Оеео моеопж За разлику од двотактних диезел мотора, двотактни Оттов мотор има дугу традицију употребе у аутомобилима. Главне предности ових мотора су мала тежини и запремина, једноставност одржавања, механичка једноставност и јефтиноћа. Двотактни мотори користе простији Оттов циклус од четворотакних мотора. Оттов циклус преставља енергетски циклус који се састоји од адијабатске компресије, загревања при константној запремини, адијабатске експанзије и хлађења при константној запремини. Овај циклус карактеришу четири процеса: усисавање, сабијање, паљење и издувавање. Код двотактних мотора се процеси паљења и издувавања, тј. усисавања и сабијања, дешавају истовремено. Тако до процеса паљења издувавања долази одмах по паљењу смеше. Клип се креће на доле и отвара издувну грану, па већина издувних гасова под притиском излази из цилиндра. Клип настављајући кретање на доле, компресује мешавину уље-бензин-ваздух која се налази у раму мотора. Када врх клипа отвори спојни канал, компресована смеша прелази из рама мотора у цилиндар и преостали издувни гасови се избацују из цилиндра. Процес усисавања сабијања почиње када смеша уље-бензин-ваздух уђе у цилиндар и клип почне да се креће на горе. Ово компресује смешу у цилиндру док се раму мотора врши усисавање ваздуха, бензина и уља. Компресована смеша се пали искром из свећице и циклус се понавља.
8 ПОРЕЂЕЊЕ ДВОТАКТНОГ И ЧЕТВОРОТАКТНОГ МОТОРА Основна разлика измедју двотактног и четворотактног мотора је у начину измене радне материје. Код двотактног мотора за измену радне материје користи се завршни део хода ширења и почетни део хода сабијања тј. она фаза циклуса када се клип налази у близини УМТ. Доводјење свеже радне материје и одводјење продукта сагоревања врши се кроз отворе у цилиндарској кошуљици у близини УМТ, које у датом тренутку отвара и затвара клип. Код двотактног мотора клип осим своје улоге формирања радног простора, обавља и разводјење радне материје. 1. Четворотактни мотор 2. Двотактни мотор Слжка 5- Такеовж падног фжклсра двоеакеног ж хгевопоеакеног моеопа 9 АНАЛИЗА ТЕРМОДИНАМИЧКИХ ЦИКЛУСА МОТОРА СУС Термодинамички циклуси мотора СУС представљају упрошћену шему стварног радног циклуса у мотору. Упрошћења уствари омогућују једноставнију анализу циклуса. Да би се аналитички одредио термодинамички коефицијент искоришћења, уводе се следеће претпостаке: o У току процеса одвијања циклуса, хемијски састав радног тела се не мења o Процеси сабијања и ширења радног тела протичу веома брзо, без размене топлоте са околином, па се могу сматрати повратним адијабатама o Количина радног тела у току процеса се не мења, па нема фгубитала који иначе прате процес пуњења и пражњења цилиндра o Специфична топлота не зависи од температуре o Радно тело је идеалан гас 9.1 Кпднж жпофгрж Систем у коме влада исти притисак, температура и концентрација је у равнотежи. Кружни процеси су састављени од до сада анализираних процеса и са њима смо у стању да добијемо континуирани перманентни рад сталан рад. Све кружне процесе можемо поделити у две групе: - повратне и - неповратне. У зависности шта се добија при неком кружном процесу разликујемо: - дгрнокпгенг кружне процесе и - лгвокпгенг кружне процесе. Дгрнокпгенж кружни процеси се обављају у смеру сказаљке на сату и код њих је рад ширења већи од рада сабијања па се добија рад, као што је случај код топлотних мотора. Код лгвокпгенжу кружних процеса рад сабијања је већи од рада ширења па се снага троши на његово обављање, као што је, на пример, случај код
компресора. И једни и други процеси могу бити повратни и неповратни. Левокретни процес се обавља у смеру супротном смеру кретања сказаљке на сату. Слжка 6- Дгрнокпгенж кпсднж жпофгр На слици 6 је приказана шема постројења за добијање рада и деснокретни кружни процес у p-v дијаграму. Извор топлоте температуре 1 Т одаје топлоту 1 Q, машина производи рад а хладњак температуре 2 Т прима топлоту 2 Q. Тачке 1 и 2 кружног процеса одвајају делове где се добија механички рад од дела где се он троши. Површина 1 а 2 ИИ И 1 представља рад који се добија ширењем радног тела а површина 1 б 2 ИИ И 1 рад сабијања. Разлика ових два радова представља користан рад кружног процеса. W K =W 1 -W 2 Разлика доведене топлоте Q dov и одведене топлоте Q odv предсталја искоришћену топлоту, тј. корисну топлоту процеса: Q k = Q dov - Q odv Слжка 6- Дгрнокпгенж кпсднж жпофгр На слици 6 је приказана шема постројења за добијање рада и левокретни кружни процес у p-v дијаграму. Унутрашња енергија на почетку и на крају затвореног процеса има исте вредности тако да је промена унутрашње енергије: Према првом закону термодинамике важи: ΔU = 0 Q = ΔU+ W Q = W = Q k = Q dov - Q odv Види се да је код кружног процеса добијени рад једнак разлици доведене и одведене топлоте. Критеријум за оцењивање ефикасности претварања доведене топлоте у рад је термодинамички степен корисности код деснокретних кружних процеса. Термодинамички степен корисности је увек мањи од један јер се у кружном процесу увек појављује топлота коју треба одвести. 9.2 Ппофгрж с моеопжма СУС Процеси у моторима се заснивају на претварању топлотне енергије горива у механички рад. Све што је наведено за деснокретне кружне процесе важи и за процесе у моторима. Према начину рада мотори са
унутрашним сагоравањем деле се на двотактне и четворотактне. Код четворотактних мотора читав радни процес у мотору обави се за време трајања четири такта (хода клипа). Према начину паљења горива, мотори унутрашњег сагоревања се деле на Отто (бензинске) моторе, Дизел моторе и моторе са процесом Сабатхе (комбинација Отто и Дизел мотора). Код Отто мотора запаљива смеша бензина и ваздуха се остварује изван цилиндра мотора, у посебном уренају - карбуратору. Смеша се у цилиндру се пали електричном варницом у тачно одрененом тренутку радног циклуса. Дизел мотори усисавају у цилндар само ваздух, који се сабијањем доводи на виши притисак и температуру. У тачно предвидјеном тренутку радног циклуса, посебним уредјајем се убризгава одредјена количина нафте која се због високог притиска фино распрши и тренутно помеша са загрејаним ваздухом када настаје делимично испаравање горива, а потом и његово самозапаљење и сагоревање. 9.3 Oееo кпсднж жпофгр Теоријски циклус апроксимира процес са четири карактеристичне промене: адијабатском компресијом (1-2), изохорним грејањем (2-3), адијабатском експанзијом (3-4) и изохорним хлађењем (4-1). Слжка 7- Оееов кпсднж жпофгр У четворотактном мотору се смеша горива и ваздуха компресује, па контролисаним паљењем сагорева и ослобађа хемијску енергију садржану у гориву. Врући гасови сагоревања експандирају предајући рад, и истискују се из цилиндра у околину. Због склоности неконтролисаног самозапаљења горива компресујући однос ε= V 1 /V 2 је ограничен на ред величине 1:10. Енергија ослобођена сагоревањем горива сматра се доведеном топлотом, Qdov =Q23. Пред крај експанзије почиње отварање издувног вентила, а затим следи истискивање врућих гасова сагоревања из цилиндра. Теоријски се издувни рад изједначава са усисним радом, разлика у хемијским саставима гасова занемарује, а ефекти хлађења гасова, делом у цилиндру и делом у околини, апроксимирају фиктивним затварањем теоријског процеса са изохором 4-1 уз одведену топлоту Qodv = Q41. При одређивању термодинамичког степена искоришћења Отто циклуса полази се од образца: Термодинамички коефицијент искоришћења највише зависи од степена компресије и од карактеристика радног тела експонента адијабате к. Термодинамички коефицијент искоришћења расте са повећањем степена компресије и експонента адијабате к. Графички можемо приказати зависност (ε), за различите вредности к (слика 8). to 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 k=1,4 k=1,3 k=1,2 0 2 4 6 8 10 Слжка 8- Джјагпам регжгна комжпгржјг еа паелжхжег впгднореж к код Оеео жпофгра
9.4 Джеглов кпсднж жпофгр Радни циклус код Дизел мотора се такође као и код Отто мотора изводи у току четири такта. За време такта усисавања клип се креће од СМТ За то време је посредством развоног механизма отворен усисни вентил и цилиндар се пуни свежом смешом коју представља чист ваздух. Доласком клипа у СМТ (у такту сабијена) посредством пумпе високог притиска у сабијени и врео ваздух се убризгава одређена доза тежег течног горива. Услед високог степена загрејаности сабијеног ваздуха долази до самопаљења убризганог горива и настанка активног процеса сагоревања. Настали продукти сагоревања делују на клип и померају га према УМТ, стварајући користан рад. Ово је значи (као и код Отто мотора) радни такт.доласком клипа у УМТ радно тело је одало највећи део енергије па се посредством разводног механизма отвара издувни вентил и радно тело се одводи у атмосферу. Кретањем клипа према СМТ врши се потпуније истискивање радног тела. Доласком клипа у СМТ завршава се радни циклус четворотактног Дизел мотора. Слжка 9- Джеглов фжклср с p-v ж t-s джјагпамс Термодинамички коефицијент искоришћења Дизел циклуса је функција степена предекспанзије и степена компресије. Можемо закључити да степен корисности Дизеловог кружног процеса расте са повећањем ε при задатом φ, а опада са повећањем φ при сталном ε и к. td 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 =1,4 =1,8 =2,2 =2,6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Слжка 10- Джјагпам тснкфжјг регжгна комжпгржјг ж регжгна жпгдгкржанежјг код Джегловог жпофгра
v=c 9.5 Комбжнованж кпсднж жпофгр Сабате-циклус (комбиновани циклус) је термодинамичка основа савремених Дизел мотора са убризгавањем горива помоћу пумпе високог притиска у предкомору или комору. Предкомора или комора су повезани преко више канала са главним простором за сагоревање који се налази, између дела клипа и цилиндарске главе. Код таквог начина остварења смеше промењени су и отежани услови мешања убризганог горива и ваздуха, у односу на класични Дизел-мотор са усисавањем горива помоћу сабијеног ваздуха. p 3 3,,, p=const. q T 1,, q 3 k 1 pv =const. 3 v k 2 k pv =const. v 1 l k v h 4 v=const. 1 v 2 1 s =s 1 2 Слжка 10- Sabatheov жпофгр(комбжнованж фжклср) Теоретски Сабате-циклус (слика 26) састоји се из следећих циклусних фаза: 1-2 адијабатско сабијање, 2-3 изохорско довођење топлоте 3-3 изобарско довођење топлоте 3-4 адијабатска експанзија, 4-1 изохорско одвођење топлоте 10 ПОРЕЂЕЊЕ ОТТО И ДИЗЕЛ ЦИКЛУСА На основу приказане анализе рада четворотакних Отто и Дизел мотора може се уочити шта је то што их разликује и како те разлике утичу на њихове карактеристике: a) Код Отто мотора формирање смеше горива и ваздуха изводи се ван цилиндра (спољно образовање смеше), што дозвољава да се формирање те смеше изведе уз добро мешање и хомогенизацију (каже се да Отто мотори раде са хомогеном смешом). Хомогена смеша омогућује брзо сагоревање.код Дизел мотора формирање смеше горива и ваздуха врши се у унутрашњости самог цилиндра (унутрашње образовање смеше). s 3 q k q 2 4 s, 3 =s4 Тип мотора OТTO Дизел Врста смеше Хпмпгена Хетерпгена Местп пбразпваоа смеше Ван цилиндра У цилиндру Времe пбразпваоа смеше Знатнп пре сагпреваоа Тпкпм сагпреваоа Начин паљеоа Странпм енергијпм Самппаљеоем Начин сагпреваоа Прпстираоем пламена Дифузнп сагпреваое s Табгла 1-Капакегпжрежкг рагопгвања с Оеео ж Джегл моеопс b) Запаљење формиране смеше код Отто мотора се изводи посредством варнице (спољашње енергије). Хомогена смеша не сме да се нађе у условима самопаљења, како не би дошло до њене експлозије, односно детонантног сагоревања. Упаљење формиране смеше код Дизел мотора врши се на рачун сопствене енергије сабијеног ваздуха (загрејан изнад температуре самопаљења), а брзина процеса сагоревања зависи од брзине образовања смеше након убризгавања горива у цилиндар. c) С обзиром на начин сагоревања Отто мотори раде са мањим вишком ваздуха од Дизел мотора, па због тога могу да развију већу снагу из јединице запремине у односу на Дизел моторе. d) Отто мотори раде са мањим притисцима радног тела у цилиндру, па су због тога димензије и маса елемената Отто мотора мање од димензија и масе елемената Дизел мотора. e) Највећи недостатак Отто мотора у односу на Дизел моторе је нешто лошија економичност, а што је пристекло због мањег степена сабијања, који се ограничава опасношћу од детонантног процеса сагоревања.
f) Разлика је у начину формирања смеше да ли је у цилиндру, као што је код Дизел мотора, или пак и ван цилиндра као што је код Отто мотора. 11 ПОРЕЂЕЊЕ ТЕОРИЈСКИХ ЦИКЛУСА МОТОРА СУС Поређење теоријских циклуса мотора СУС врши се на основу аналитичких израза за термички коефицијрнт искоришћења циклуса. Том приликом се полази од унапред задатих услова. 1. За исте полазне параметре, при истом степену компресије ε и истој доведеној количини топлоте на основу аналитичких израза ТКИ може да се покаже да је: Ово поређење нема смисла јер је управо предност Дизел и комбинованог циклуса у већем степену компресије 2. Реалније је поређење при истим полазним параметрима, истим максималним температурама радног тела, једнаким количинама одведене топлоте и истој промени ентропије. Тада је: У сва три циклуса одведена топлота је иста (површина 1-4-А-Б-1), а доведена топлота је највећа у случају Дизел циклуса (површина 2б-3'-Б-А-2б), а најмања код Отто циклуса површина 2а-3'-Б-А-2а) (слика 11). 12 НУМЕРИЧКА АНАЛИЗА ОТТО КРУЖНОГ ПРОЦЕСА Слжка 11- Попгђгњг егопжјркжу фжклсра моеопа Преко програма МО Еxел Отто 2007 урадићемо следећи пример како би упоредили добијене вредности за следећи задатак и проверили има ли одступања. Један килограм ваздуха (идеалан гас) остварује теоријски Отто кружни циклу са степеном компресије ε= =6, при чему је пораст p φ= =1,6. Почетно стање одредјено је p 2 =1bar и Т1=100 C. Одредити величине стања у карактеристичним тачкама циклуса, корисну количину топлоте и термодинамички степен корисности. Специфична топлота ваздуха при константном V је c v =0,719 kj/kgk, а експонент изотропе 1,4. 1. Величине стања у карактеристичним тачкама процеса 2. Снагу Отто процеса по 1 кг/х радног флуида 3. Термодинамички степен корисности процеса. Задати подаци: P 1 =1 bar, t 1 =100 C (373K), =1 kg/h=0,000278 kg/s Раднж тлсжд(ваедсу) M=28,95 kg/kmol, R=287 J/kgK, c p =1010 J/kgK, k=1,4, c v =c p /k=0,719k J/kgK=719 J/kgK (Таблжхнж жодафж) Решење: a) Користећи једначину стања идеалног гаса, одређује се специфична запремина: Преко степена компресије можемо израчунати :
ε= =6 1-2 Аджјабаерка жпомгна реања При овој промени стања знамо да је: Преко ове формуле можемо израчунати да је p 2 : Користећи једначину стања идеалног гаса, добијамо да је T 2 : 2-3 Иеоуопрка жпомгна реања Ако знамо да нам је φ= =1,6, p 3 je: И опет преко једначине стања идеалног гаса израчунавамо T 3 : 3-4 Аджјабаерка жпомгна реања Као што смо и рекли да је по овој промени стања: Пошто знамо да нам је измедју тачака 4-1 изохорска промена стања, нам је једнака запремини у тачки 1: Добија да нам p 4 притисак у тачки 4 једнак: И још једном, преко једначине стања идеалног гаса израчунавамо T 4 :
b) Снага процеса за 1kg/h радног флуида: c) Термодинамички степен корисносто Otto процеса: Исти примеп смо урадили и у MO Excel 2007. Слжка 12- Ргеслеаеж жпопахсна жомоћс МО Еxcel 2007 еа Оtо кпсднж жпофгр Коришћењем виртуелне лабораторије National Research university Moscow Power Engineering Institute (MPEI) добија се дијаграм степена корисности у зависности од степена компресије ε за претходно анализирани пример: cp=1000, cv=719, r=ε=6 Слжка 13- Джјагпам регжгна копжрнореж На слици 13 представљен је дијаграм степена корисности у зависности од степена компресије за радни флуид ваздух. Уношењем потребних података за радни флуид cp=1000, cv=720, ж вредности за степен компресије r=ε=6,прорачуном помоћу виртуелне лабораторије MPEI добили смо процентуалну вредност степена корисности (искоришћења) циклуса који износи = 50,35%. 13 АНАЛИЗА ЕФИКАСНОСТИ ОТТО КРУЖНОГ ПРОЦЕСА Познато је да степен корисности ηт Отто процеса зависи од степена компресије ε, што ће се показати на следећем примерима за три различите вредности експонента к.
Применом једначина стања идеалног гаса и једначина за адијабатску и изохорску промену стања добијају се вредности за специфичну запремину на почетку адијабатске компресије V 1 и специфичну запремину на крају адијабатске компресије V 2, као и вредности за температуру на крају адијабатске компресије Т 2. Да би се пратила ефикасност Отто циклуса у следећим примерима ће се за исте почетне вредности притиска p 1 и температуре Т 2 постепено повећавати притисак p 2.. Пример 1: Притисак пре адијабатске компресије =1bar, Температура пре адијабатске компресије =100 C (373 K), Притисак након адијабатске компресије =12,32 bar, Метан: k=1,28 R=520 J/kgK Пример 2: Притисак пре адијабатске компресије =1 bar, Температура пре адијабатске компресије =100 C (383 K), Притисак након адијабатске компресије =12,32 bar, Аргон: k=1,67, R=208 J/kgK Пример 3: Притисак пре адијабатске компресије =1 bar, Температура пре адијабатске компресије =110 C (383 K), Притисак након адијабатске компресије =12,32 bar, Водоник: k=1,4 R=4157 J/kgK
Слжка 14- Ргеслеаеж жпопахсна жомоћс MO Excel 2007 еа Оеео кпсднж жпофгр Слжка 15- Джјагпам регжгна комжпгржјг еа паелжхжег впгднореж к еа даег жпжмгпг Резултати прорачуна показују да за исте вредности почетног притиска p 1 и темепратуре Т 1 и различите вредности експонента к, а повећањем притиска p 2 расте степен компресије ε, а самим тим и степен ефикасности ηт Отто циклуса. Ову зависност можемо приказати и помоћу дијаграма слика 15. 14 НУМЕРИЧКА АНАЛИЗА ДИЗЕЛОВОГ КРУЖНОГ ПРОЦЕСА Преко програма МО Excel Дизел 2007, такодје ћемо урадити пример за Дизелов кружни процес како би упоредили добијене вредности за следећи задатак и проверили има ли одступања. Израчунати термодинамички степен корисности и снагу мотора који ради по теоријском Дизел процесу ако су познати следећи бројни подаци:
a) У јгдном фжклсрс схгревсјг 0,1 kg падног тлсжда b) Сегжгн комжпгржјг 17,3 c) Тгмжгпаеспа на жохгекс комжпгржјг женорж 30 C d) Тгмжгпаеспа на кпајс жпофгра рагопгвања женорж 958 C e) Бпој фжклсра n=600min -1 Задаеж жодафж:, t 1 =30 C (303K), t 3 =958 C (1231K), a) m=0,1 kg/ciklus, R=290 J/kgK, k=1,34, n=600min -1 Решење: Температура на крају процеса компресије износи: Степен предекспанзије може да се израчуна на основу познатих температура на почетку и на крају изобарског загревања (p 2 =p 3 ): Количина топлоте која се доводи у току процеса износи: Користећи једначину изентропске експанзије за процес 3-4 добија се температура на крају изентропске експанзије: Количина топлоте која се одводи током процеса износи: Термички степен корисности Дизел процеса износи: Рад по циклусу и снага мотора који ради по Дизел процесу су:
Слика 16- Резултати прорачуна помоћу МО Excel 2007 за Дизелов кружни процес 15 АНАЛИЗА ЕФИКАСНОСТИ ДИЗЕЛОВОГ КРУЖНОГ ПРОЦЕСА Код Дизеловог кружног процеса термодинамички коефицијент искоришћења је функција степена предекспанзије φ и степена компресије ε. Да би се пратила ефикасност Дизел циклуса у следећим примерима ће се за исте вредности почетне и крајне температуре датог процеса, а различине вредности степена компесије извршити прорачун како би видели понашање степена предекспанзије и термодинамичког степена корисности у датим условима. Пример 1: Температура на почетку компресије износи =40 C (293 K), Температура на крају процеса сагоревања износи T 3 =800 C(1073 K), Степен компресије 15,1 Метан: k=1,28 R=520 J/kgK Пример 2: Температура на почетку компресије износи =40 C (293 K), Температура на крају процеса сагоревања износи T 3 =800 C(1073 K), Степен компресије 12 Метан: k=1,28 R=520 J/kgK
Пример 3: Температура на почетку компресије износи =40 C (293 K), Температура на крају процеса сагоревања износи T 3 =800 C(1073 K), Степен компресије =14 Метан: k=1,28 R=520 J/kgK Slika 17- Джјагпам регжгна жпгдгкржанежјг Резултати прорачуна показују да за исте вредности почетне и крајне температуре, и приликом порастаста степена компресије опада степен предекспанзије,а термодинамички степен корисностисе повећава, што се може видети и преко дијаграма на слици 17. 16 ЗАКЉУЧАК Можемо закључити да постоје четворотактни и двотактни Отто и Дизел мотори и њихови циклуси се међусобно разликују. Отто и Дизел се разликују у погледу састава смеше, места образовања смеше, и наравно у начину паљења смеше. Док четворотактни и двотактни мотори се разликују по томе што код двотактних се иста
четири такта усисавање, компресија, сагоревање и издувавања,која четворотактни мотор обави за четири хода клипа, у само два хода клипа. Термодинамички коефицијент искоришћења Отто кружног процеса углавном зависи од степена компресије и од карактеристика радног тела експонента адијабате к. Термодинамички коефицијент искоришћења η_т расте са повећањем степена компресије ε и експонента адијабате к, што смо и доказали анализом. Термодинамички коефицијент искоришћења Дизел циклуса углавном зависи од степена предекспанзије и степена компресије. Можемо закључити да степен корисности Дизеловог кружног процеса расте са повећањем ε при задатом φ, а опада са повећањем φ при сталном ε и к У овом раду извршена је анализа Отто и Дизеловог кружног процеса теоријским путем и коришћењем МО Excel 2007 и виртуелном лабораторијом National Research university Moscow Power Engineering Institute (MPEI). Најпре смо извршили прорачун датог задатка, како та Отто тако и Дизелов круни процес, а затим и преко програма Excel на конкретно примеру. Након тога извршена анализа ефикасности Отто кружног процеса за различите вредности експонента к, притиска након адијабатског сабијања p 2. Резултати показују да са порастом степена компресије ε од 4,5 до 7,11 степен ефикасности расте од 48% до 63 %. Такодје је извршена анализа степена ефикасности за различите вредности степена компресије. Резултати показују да са порастом степена компресије ε од 12 до 15,1, опада степен предекспанзије φ од 1,82 до 1,71, а самим тим степен ефикасности расте од 39%-6%. 17 ЛИТЕРАТУРА [1] Драгићевић С., Термотехника скрипта, Чачак 2009. [2] Драгићевић С., Термотехника збирка решених задатака, Чачак 2013. [3] Шелмић Р., Техничка термодинамика, Београд 1992. [4] Клинар И., Мотори са унутрашњим сагоревањем, Факултет техничких наука, Нови Сад, 2008. [5] Ђорђевић Б., Валент В., Шербановић С., Термодинамика и Термотехника, Технолошко металуршки факултет Београд, 2004. [6] Благојевић П., Дигитални удзбеници ТИО, Београд 2010. [7] Стојичић Т., Мотори СУС, Машински факултет универзитета у Сарајеву, Сарајево 2001. [8] Живковић Ц.М., Мотори са унутрашњим сагоревањем И део, Машински факултет универзитета у Београду, Београд 1976. [9] Радојковић Н., Илић Г., Термодинамика и термотехника, Машински факултет Ниш, 1992. [10] http://www.mpei.ru/startpage.asp, мaj 2016 [11] http://www.animatedengines.com/, мaj 2016.