Stvarni Ciklus Motora Sui

UNIVERZITET U SARAJEVU FAKULTET ZA SAOBRAĆAJ I KOMUNIKACIJE

SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA CESTOVNA VOZILA TEMA: STVARNI CIKLUS MOTORA SUI

Mentori: Studenti: Red.prof.dr Ivan Filipović Doc.dr Suada Dacić

Daniela Arapović Valentina Mandić

Sarajevo, oktobar, 2009. godine

SADRŽAJ 1. Uvod .............................................................................................................................. 3 2. Stvarni ciklus motora SUI …………………….............................................................. 4 3. Procesi izmjene radne materije ...................................................................................... 8 3.1 Osnovni prametri procesa izmjene radne materije ......................................... 12 3.1.1 Hidraulični otpori usisa ....................................................................12 3.1.2 Količina zaostalih gasova ................................................................ 14 3.1.3 Temperatura zagrijavanja svježeg punjenja (∆T)............................. 16 3.1.4 Stepen (koeficijent) punjenja (ηv) ....................................................17 4. Proces sabijanja (kompresija) .......................................................................................17 4.1 Parametri procesa sabijanja (kompresije) ....................................................... 20 5. Proces sagorijevanja ......................................................................................................21 5.1 Proces sagorijevanja i stvarni tok linije sagorijevanja kod oto motora .......... 21 5.2. Proces sagorijevanja i stvarni tok linije sagorijevanja kod dizel motora .......23 6. Proces širenja (ekspanzija) ............................................................................................25 6.1 Parametri procesa širenja (ekspanzije) ............................................................26 7. Zaključak .......................................................................................................................28 8. Literatura ……………………………………………………………………………...29

2

1.UVOD Stroj koji preobražava bilo koji vid energije u mehaničku energiju naziva se motor. Da bi bio upotrebljiv, motor mora imati pretvaranje energije iz jednog vida u drugi, automatski, pouzdano i ekonomično. Zavisno od vida polazne energije motori mogu biti: toplotni, električni, hidraulični, itd. Motori sa unutarnjim izgaranjem (motori sui) spadaju u grupu toplotnih motora, jer se toplotna energija sadržana u gorivu, posredstvom sagorijevanja pretvara u potencijalnu energiju radnog fluida, a zatim, putem ekspanzije radnog fluida u korisnu mehaničku energiju. Pretvaranje toplote u rad ili rada u toplotu ostvaruje se obično u termodinamičkom procesu posredstvom radnog tijela. Procesi u motoru su tako komplikovani da se uticaj pojedinih fizikalnih i hemijskih procesa na odvijanje radnog ciklusa motora u cjelini može veoma teško obuhvatiti računom. Stvarni ciklus motora se znatno razlikuje od teorijskog (termodinamičkog) i poluteorijskog ciklusa, na šta utiče niz faktora. U ovom seminarskom radu nabrojaćemo najznačajnije faktore koji utiču na odstupanje stvarnog ciklusa od teorijskog. Obradićemo i pobliže objasniti kako se odvijaju pojedini procesi, kako indiciranje motora daje grafički prikaz promjene pritiska u cilindru u zavisnosti od zapremine, (diagram p – V), ugla koljena koljenastog vratila (diagrama p – α) ili vremena (diagram p – τ). Postepeno ćemo objasniti te dijagrame kako bismo lakše shvatili stvarne cikluse motora SUI. Jedan od značajnih procesa je proces izmjene radne materije koji obuhvata proces odstranjivanja produkata sagorijevanja iz cilindra i proces punjenja cilindra svježom radnom materijom. Posebno ćemo obraditi proces sabijanja, zajedno sa parametrima procesa sabijanja (kompresije), proces sagorijevanja i proces širenja (ekspanzije), takođe sa parametrima procesa širenja.

3

2. Stvarni ciklus motora SUI (Stvarni ciklus četverotaktnog oto i dizel motora) Stvarni ciklus motora se znatno razlikuje od teorijskog (termodinamičkog) i poluteorijskog ciklusa. Na odstupanje stvarnog ciklusa od teorijskog utiče niz faktora, od kojih su najznačajniji: • radni fluid nije idealni gas, nego je smješa zraka, goriva i produkata sagorijevanja • u toku odvijanja procesa vrši se prenos toplote sa radnog fluida na okolinu i obrnuto, što znači sabijanje i širenje nije izentropski proces • vrijeme sagorijevanja je konačno i produžava se u taktu širenja sa dodatnim oslobađanjem dijela toplote. Zbog visokih temperatura radne materije u toku sagorijevanja dolazi do intenzivnog prenosa toplote sa radnog fluida na zidove cilindra • uslijed nepotpunog sagorijevanja i pojave disocijacije (iznad 1500 K nastupa razlaganje pojedinih višeatomnih gasova-disocijacija, što je praćeno utroškom izvjesne količine toplote) dolazi do manjeg iskorištenja toplote • uslijed propuštanja gasa u korito motora, strujnih otpora, prisustva zaostalih gasova u cilindru motora i dr. dolazi do gubitaka što također utiče na smanjenje korisnog rada koji daje motor • pri izmjeni radne materije nastaju energetski gubici uslijed strujnih otpora, prenosa toplote, prisustva zaostalih gasova u cilindru, itd. Iz izloženog logično slijedi da je stepen iskorištenja stvarnog ciklusa manji od stepena iskorištenja idealnog ciklusa. Opšti analitički izraz za stepen iskorištenja ne može se zbog složene funkcionalne zavisnosti specifičnih toplota gasa od temperature i sastava naći u zatvorenom obliku. Zato se mora analizirati svaki proces posebno (izmjena radne materije, sabijanje, sagorijevanje i ekspanzija), te na osnovu analize i uporednih ispitivanja doći do osnovnih karakteristika pojedinih procesa i njihovih uticajnih parametara. Ako se žele obuhvatiti svi glavni faktori stvarnog radnog ciklusa procesi se ne mogu kao kod idealnih ciklusa opisati algebarskim jednačinama, već se problem svodi na složeni sistem nelinearnih diferencijalnih jednačina, koje opisuju procese u cilindru i procese u usisnim i izduvnim cjevovodima.1 Primjena savremenih računara otvorila je novu eru istraživanja motora, međutim i ovdje tačnost rezultata zavisi od uzetih predpostavki i od složenosti modela za cilindre, usisni i izduvni sistem. Zbog toga je važno za određene analize izabrati najprihvatljiviji model. Stoga se u praksi često kombinuje analitički metod sa eksperimentalnim ispitivnjima u cilju dobivanja prihvatljivog modela, te se na osnovu toga vrše korekcije i poboljšanja na stvarnim motorima. Parametri koji karakterišu odvijanje pojedinih procesa u ciklusu kao i ciklusa u cjelini mogu se dobiti eksperimentalnim putem snimanjem indikatorskog diagrama. Indiciranje motora daje grafički prikaz promjene pritiska u cilindru u zavisnosti od promjene zapremine, (diagram p – V), ugla koljena koljenastog vratila (diagrama p – α) ili vremena (diagram p – τ). Za snimanje indikatorskih diagrama pritiska koriste se piezokvarcni davači pritiska, pretvarači signala, pojačavači signala i registratori (osciloskop, računar sa akvizicijom snimljenih podataka, itd). Tipični primjer 1

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 66.)

4

indikatorskog diagrama četverotaktnog motora u diagramu p – τ dat je na slici 3, i to samo dio diagrama u okolini procesa sabijanje – sagorijevanje – ekspanzija. Ovaj diagram je “skinut” sa ekrana osciloskopa. Ovaj diagram se može uz pomoć kinematskih veza puta klipa i dimezija klipa prevesti u diagrame p – α i/ili p – V.

Slika 1. Indikatorski diagram četvorotaktnog motora 2

Površina indikatorskog diagrama u p – V koordinatama predstavlja indicirani rad, odnosno rad, koji motor daje na klipu za jedan ciklus (dva obrtaja radilice ako je motor četverotaktni). Indikatorski diagram četverotaktnog oto motora dat je u p – α koordinatama na slici 2. a u p – V koordinatama na slici 3, dok je indikatorski diagram dizel motora u koordinatnom sistemu p – V dat na slici 4, sa detaljnim prikazom diagrama razvoda radne materije.

2

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 67.)

5

Slika 2. Indikatorski diagram četvorotaktnog oto motora 3

Slika 3. Indikatorski diagram četvorotaktnog oto motora

3

Slika 4. Indikatorski diagram četvorotaktnog dizel motora

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 67.)

6

Kod oto motora (slika 3.) usisni ventil se otvara prije nego što je klip u taktu izduvavanja došao u SMT (tačka 1) i proces usisavanja smješe goriva i zraka teče do zatvaranja usisnog ventila (tačka 2), koje nastaje iza UMT (klip je počeo takt sabijanja). Proces usisavnja prikazan je linijom 15a 2. U toku takta usisavanja svježa smješa, koja je ušla u cilindar motora, miješa se sa produktima sagorijevanja, koji su ostali u cilindru nakon obavljenog prethodnog ciklusa i na taj način tvori radnu smješu. Nakon zatvaranja usisnog ventila počinje sabijanje radne materije. U toku procesa usisavanja i sabijanja dolazi do isparavanja goriva i njegovog miješanja sa zrakom. Na kraju procesa sabijanja u cilindru motora se obrazuje homogena radna smješa.4 Radna smješa kod oto motora pali se električnom varnicom. Poslije upalenja plamen se velikom brzinom (30 – 50 m/s) prostire kroz čitavu zapreminu, koja je u tom trenutku na raspolaganju. Da bi osnovna masa smješe sagorjela u blizini SMT tj. da bi se što bolje iskoristila toplota, koja se pri tome razvija, neophodno je smješu upaliti nešto prije, nego što je klip u taktu sabijanja došao do SMT (tačka 3 slika 3.). Pri tim uslovima proces sagorijevanja intenzivno odaje toplotu, na dijelu 10° – 15° KV prije SMT do 10° – 15° KV poslije SMT, što je praćeno visokim porastom pritiska i temperature. Specifičnost procesa sagorijevanja u oto motoru je početak sagorijevanja homogene smješe i brzo prostiranje fronta plamena od izvora upalenja po čitavoj zapremini iznad čela klipa.5 Sagorijevanje se završava kad front plamena dostigne najudaljenije zone zapremine cilindra (obično je to tačka na 40° – 60° KV poslije SMT). Takav tok procesa sagorijevanja (konačna brzina) i postojanje prenosa toplote ka zidovima cilindra dovodi do toga da su maksimalna temperatura i pritisak u stvarnom ciklusu manji nego u teoretskom. Pošto se takt širenja nastavlja opadaju pritisak i temperatura radnog tijela. Proces izduvavanja počinje prilikom otvaranja izduvnog ventila (tačka 4), prije nego što je klip došao u UMT. U tom momentu pritisak u cilindru je znatno veći od atmosferskog i kao posljedica toga u početku izduvavanja sagorjeli gasovi izlaze iz cilindra kroz izduvni otvor velikom brzinom. Kada je klip došao u UMT, pritisak u cilindru je znatno opao i pri daljnjem kretanju klipa od UMT ka SMT izduvni gasovi izlaze sa pritiskom nešto većim od atmosferskog. Proces izduvavanja završava se nešto iza SMT (tačka 5 slika 3.), znači u taktu usisavanja i na slici 3. prikazan je linijom 415. Kod četvorotaktnog dizel motora (slika 4.) nakon otvaranja usisnog ventila (tačka 1) u cilindar ulazi samo čist zrak. Kao i kod oto motora, nakon zatvaranja usinog ventila (tačka 2) pri kretanju klipa ka SMT vrši se proces sabijanja uz razmjenu toplote između zraka i stjenki cilindra. Za razliku od oto motora u datom slučaju sabija se čist zrak. Ubrizgavanje goriva u cilindar počinje kada se klip nalazi blizu SMT (tačka 3). U tom trenutku temperatura sabijenog zraka mora biti viša od temperature, pri kojoj se ostvaruje samopaljenje ubrizganog goriva. Pošto ubrizgavanje goriva u cilindar počinje nešto ranije od početka sagorijevanja i u većini slučajeva se završava u periodu, kada se u cilindru odvija sagorijevanje, uslovi miješanja goriva sa zrakom kod dizel motora u odnosu na oto motore, su znatno složeniji. Da bi se poboljšalo miješanje goriva sa zrakom, pored toga što pumpa visokog pritiska kroz brizgaljku ubrizgava gorivo u raspršenom stanju (u vidu magle), pod relativno visokim pritiskom, raznim konstruktivnim rješenjima se stvara intenzivno vrtloženje zraka u cilindru motora (specijalno izveden klip itd.). Poslije određenog perioda, za vrijeme koga se ubrizgano gorivo priprema za početak 4 5

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 68.) Dragutin Krpan, Dušan Jeras, Laki motori I, Zagreb, 1976.

7

samopaljenja (period kašnjenja paljenja) u zonama, gdje se stvore odgovarajući uslovi po sastavu smješe i temperature, dolazi do samopaljenja, a zatim i do intenzivnog sagorijevanja. Ovo je karakterisano u početku naglim porastom pritiska (dio c’z), a zatim u toku kratkog vremenskog perioda na dijelu zz’ sagorijevanje se odvija pri skoro konstantnom pritisku. Kao posljedica neravnomjernog sastava smješe u cilindru i drugih uzroka, karakterističnih za slučaj, kada proces sagorijevanja teče zajedno sa ubrizgavanjem goriva, kod dizel motora se sagorijevanje produžava u procesu širenja pri istovremenoj razmjeni toplote između produkata sagorijevanja i zidova cilindra. Izduvavanje produkata sagorijevanja kod dizel motora odigrava se isto kao kod oto motora. Na diagramima (slika 3. i slika 4.) je pored hodne (Vh), ukupne (Va) i kompresione (Vc) zapremine označena i zapremina Vh*, koja karakteriše realnu zapreminu u cilindru na kraju takta usisavanja. Koristeći ove veličine kasnije će se definisati i pojam stepena punjenja motora (ηv). 6 Dvotaktni motori obavljaju pretvaranje energije iz jednog oblika u drugi za dva hoda klipa (takta), odnosno za jedan pun obrtaj koljenastog vratila. Iz ovoga proizilazi da će dvotaktni motor, koji ima isti broj obrtaja kao četvorotaktni, imati dva puta veći broj radnih ciklusa u jedinici vremena. Na osnovu ove konstatacije bilo bi za očekivati da dvotaktni motor pri istoj radnoj zapremini, istom broju obrtaja i istom stepenu punjenja ima dvostruko veću snagu od četvorotaktnog motora. Ovi motori se pretežno grade kao oto motori malih snaga i visoke brzohodnosti, a isto tako i kao dizel motori velike snage i male ili srednje brzohodnosti. U osnovi ovi motori se odlikuju visokom litarskom snagom i kompaktnošću konstrukcije.7 Stvarni ciklusi kod ovih motora ( ubrizgavanje goriva, mješanje sa zrakom, samopaljenje i sagorijevanje) dešavaju se isto kao kod četvorotaktnog motora, ali u ovom seminarskom radu nećemo detaljnije govoriti o ovim motorima, jer su oni sve manje zastupljeni u upotrebi.

3. Procesi izmjene radne materije Proces izmjene radne materije obuhvata proces odstranjivanja produkata sagorijevanja iz cilindra i proces punjenja cilindra svježom radnom materijom. Proces izduvavanja prethodi procesu usisavanja i na izvjestan način utiče na ovaj drugi proces, obzirom da u većoj ili manjoj mjeri ovi procesi teku istovremeno. Proces izmjene radne materije također zavisi od taktnosti motora. Osnovna težnja je da se proces izmjene radnog fluida obavi što kvalitetnije, tj. da masa svježeg punjenja u cilindru bude što veća, a masa zaostalih produkata sagorijevanja što manja, ali da se za izmjenu radne materije utroši što manje energije. Zbog toga se analiza procesa usisavanja i izduvavanja provodi jedinstveno. Na slici 5. prikazan je indikatorski diagram u koordinatama p - V i kružni diagram razvoda radne materije jednog četvorotaktnog motora bez nadpunjenja. Na ovim diagramima tačke 1 i 2 označavaju početak i kraj izduvavanja, a tačke 3 i 4 početak i kraj usisavanja. Površina na indikatorskom diagramu, koja se nalazi između linije usisavanja i 6 7

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 68-69) Tode Stojičić, Motori SUS, Mašinski fakultet Univerziteta u Sarajevu, Sarajevio, 2001. (str. 76.)

8

izduvavanja odgovara izgubljenom radu u toku jednog ciklusa Lus (slika 5.), a predstavlja razliku između rada, koji se gubi na izduvavanje sagorijelih gasova, i rada koji ostvaruje atmosferski pritisak prilikom usisavanja svježe radne materije. U cijelosti se može zaključiti, da je površina koja predstavlja neproizvodni rad mala u odnosu na površinu proizvodnog rada (između linije sabijanja i širenja).8 Poslije otvaranja usisnog ventila (tačka 3), kada pritisak u cilindru postane manji od pritiska zraka ispred usisnog ventila pk za veličinu Δpa koja obezbjeđuje potrebnu energiju za ubrzanje mase svježeg punjenja i savlađivanje strujnih gubitaka, dolazi do punjenja motora svježim radnim fluidom.

Slika 5. Indikatorski kružni diagram razvoda četvorotaktnog usisnog motora 9

Na slici 6. dat je razvijeni diagram pritiska (koordinatni sistem p – α) u cilindru u toku izmjene radne materije (slika 6.a) uporedo sa protoskom u usisnoj grani (ispred usisnog ventila) (slika 6.b) 8 9

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 72,73) Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 73.)

9

Slika 6. Tok pritiska u cilindru (a) i ispred usisnog ventila (b) u toku izmjene radne materije kod četvorotaktnog usisnog motora

Iz dijagrama je vidljivo da stvarno usisavanje traje kraće nego što bi to bilo moguće (ne počinje u momentu otvaranja usisnog ventila, jer se u tom trenutku nije postigao odgovarajući pritisak). Da bi se postiglo dovoljno otvaranje ventila u periodu aktivnog odvijanja procesa usisavanja i izduvavanja i zbog maksimalnog korištenja uticaja inercionih procesa u sistemu usisavanja i izduvavanja na čišćenje i punjenje cilindra faze usisavanja i izduvavanja su produžene (ne odvijaju se samo u jednom hodu klipa – taktu). Proces izduvavanja počinje na 40° – 60° KV pri UMT (tačka 1). Od tog momenta do UMT odigrava se slobodno izduvavanje, kao posljedica razlike pritiska u cilindru pr i okolne atmosfere po. Naknadno čišćenje cilindra izvodi se istiskivanjem gasova klipom, koji se kreće od UMT ka SMT. Zatvaranje izduvnog ventila je 15° - 30° KV poslije SMT (tačka 2), a pošto se usisni ventil otvara 10° – 20° KV prije SMT (tačka 3) dolazi do toga da su oba ventila jedno vrijeme otvorena, što se naziva prekrivanje ventila.10 Oko usisnog ventila stvara se razređenje i zahvaljujući tome u cilindar počinje ulaziti svježe punjenje pri istovremenom izduvavanju. Pošto otvaranje izduvnih ventila uslijedi još kod relativno visokog pritiska u cilindru, prvi period izlaženja gasova vrši se kritičnom brzinom u minimalnom poprečnom presjeku izduvnog ventila. Za temperature gasova 900 – 1200 K, kritična brzina (brzina zvuka) je 600 – 700 m/s. Izlazak izduvnih gasova ovim brzinama praćen je velikom bukom. Za vrijeme trajanja ovog perioda, koji se završava u blizini UMT iz cilindra motora izađe 60 – 70% sagorijelih gasova, a pritisak u cilindru znatno opada. Kada klip počne kretanje ka SMT sagorjeli gasovi bivaju 10

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 74.)

10

istiskivani i oni izlaze sa brzinom do 200 m/s. Usisni ventil se zatvara na 50 – 70° KV poslije UMT. Nešto drugačija slika se dobije ako se proces razmjene radne materije analizira kod motora sa nadpunjenjem. Na slici 7. dat je šematski prikaz četvorotaktnog motora sa nadpunjenjem i njegov indikatorski i kružni razvodni diagram za proces izmjene radne materije.

Slika 7. Skica nadpunjenog četvorotaktnog motora sa diagramom pritiska u cilindru u toku izmjene radne materije i kružnim diagramom razvoda

Kod motora sa nadpunjenjem svježi radni fluid uvodi se u cilindar nakon prethodnog sabijanja u kompresoru. Izduvni gasovi kod ovih motora prvo se dovode do kola gasne turbine, koja se nalazi na istoj osovini sa kolom kompresora, a zatim izlaze u atmosferu. Pod dejstvom kompresora svježa radna materija ulazi u cilindar pod pritiskom pk > po. Postojanje gubitaka u usisnom sistemu dovodi do toga da je pritisak pa manji od pritiska svježe radne materije poslije kompresora pk, za veličinu strujnih gubitaka ∆pa = pk - pa. Svježa radna materija ulazi u cilindar, kako prilikom kretanja klipa ka UMT tako i 11

prilikom jednog dijela njegovog kretanja ka SMT. Punjenje cilindra od tačke “a” do momenta zatvaranja usisnog ventila (tačka 4) dešava se kao posljedica toga, da je kod UMT pritisak pa < pk, a također i zbog korištenja inercije mase svježeg punjenja u usisnom sistemu. Zatvaranje usisnog ventila kod savremenih brzohodnih motora je na 50° – 70° KV poslije UMT. U fazi prekrivanja ventila obzirom da je pk > po dolazi do ispiranja cilindra svježim radnim fluidom što poboljšava odstranjivanje sagorjelih gasova, a također utiče i na snižavanje toplotnog opterećenja površina, koje formiraju komoru sagorijevanja (čelo klipa, cilindar i glava motora). Kod motora sa nadpunjenjem linija usisavanja je iznad linije izduvavanja i površina koja se nalazi između linije usisavanja i izduvavanja daje pozitivan rad (Liz), koji predstavlja dio rada, koga kompresor predaje radnoj materiji, dobiven ekspanzijom izduvnih gasova u turbini. 11 Postojanje inercionih i talasnih pojava, koje karakterišu proces usisavanja i izduvavanja kod savremenih brzohodih motora, utiče da promjene pritiska u cilindru u periodu izmjene radne materije imaju složen karakter te je analitički proračun procesa kod koga se uzimaju u obzir ovi uticaji veoma složen. Ovim se objašnjava primjena približnih metoda proračuna. Zbog toga se izbor uglova razvoda u procesu izmjene radne materije kod savremenih motora uvijek provjerava eksperimentalnim putem.

3.1 Osnovni prametri procesa izmjene radne materije Za proces izmjene radne materije kod motora je osnovno da se dobije odgovarajuće punjenje motora svježom radnom smješom. Ovaj kriterij se uglavnom vrednuje pomoću tzv. “stepena punjenja“ motora (ηv).12 Na njegovu veličinu direktno utiču: • hidraulični otpori u usisnom sistemu • količina zaostalih produkata sagorijevanja u cilindru motora nakon izduvavanja • promjena temperature (∆T) usisne smješe uslijed prenosa toplote sa zagrijanih stjenki usisnog voda i cilindra • stepen punjenja motora 3.1.1 Hidraulični otpori usisa Za ocjenu hidrauličkih otpora uzima se tačka “a” (slika 5. i slika 7.), odnosno veličina pritiska u tački “a” (klip u UMT) u odnosu na pritisak ispred usisnog kanala (pk). Uprošteni model za ovakvo razmatranje prikazan je na slici 8.

11 12

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 75.) Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 76.)

12

Slika 8. Shema pojednostavljenog modela procesa punjenja cilindra

Uzimajući pretpostavku da su brzina strujanja radnog fluida kroz usisnu granu relativno male, može se problem razmotriti uzimajući radni fluid kao nestišljiv.13 Za ravni k i a (slika 8.) može se napisati Bernulijeva jednačina kao: 2

w pk wk2 pa wa2 + + g ⋅ Zk = + + ξ ⋅ p + g ⋅ Za ρk 2 ρa 2 2 gdje je: wk - brzina strujanja na ulazu ispred usisnog ventila wp - srednja brzina strujanja na usisnom ventilu za cio proces punjenja wa = β · wp - brzina strujanja fluida u presjeku a – a (slika 8.) ζ - koeficijent strujnih otpora u presjeku usisnog ventila β -koeficijent smanjenja brzine strujanja svježeg punjenja u cilindru Ako se uvedu pretpostavke za ≈ zk, ρa ≈ρk, wk ≈ 0 iz prethodne jednačine se može napisati da je razlika pritisaka:14 w2 ∆pa = pk − pa = ( β 2 + ξ ) ⋅ p ⋅ ρk 2 Iz jednačine kontinuiteta za presjek ventila i čela klipa slijedi: o

wp ⋅ Av ⋅ ρk = x max ⋅ Akl ⋅ ρa odnosno 13 14

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 76.) Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 77.)

13

wp = c1 ⋅

n Av

gdje je Av = Avg · μv - poprečni presjek kod ventila Akl - površina čela klipa Avg - maksimalni početni presjek na ventilu μv - koeficijent gubitaka na ventilu o

2 x - brzina klipa, koja se računa po približnom obrascu kao x max = 2π ⋅ n ⋅ r ⋅ 1 + ( r / l ) n - broj obrtaja motora o

c1 - konstanta ( c1 = 2π ⋅ r ⋅ Akl ⋅ 1 + ( r / l ) ) 2

l - dužina klipnjače r - poluprečnik radilice Uvrštavajući izraz (81) u jednačinu (79) može se napisati izraz za pad pritiska u toku usisavanja kao: ∆pa = c2 ⋅

n2 Av2

gdje je: c2 ≡

c12 ⋅ ρk ⋅ ( ξ + β 2 ) 2

Na osnovu iskustvenih podataka, srednja brzina usisne smješe u poprečnom presjeku ventila se kreće wp = 50 – 130 m/s, a veličina β2 + ξ = 2,5 ÷ 4. Veličina pritiska u cilindru (pa), prema iskustvenim podacima, kreće se u granicama: • kod četvorotaktnih usisnih motora pa = (0,8÷0,9)· po • kod četvorotaktnih nadpunjenih motora pa = (0,9÷0,96)· pk • kod dvotaktnih motora sa istosmjernim ispiranjem pa = (0,85÷1,05)· pk 15 3.1.2 Količina zaostalih gasova U toku izduvavanja ne mogu se iz cilindra potpuno odstraniti produkti sagorijevanja, već oni zauzimaju određenu zapreminu u cilindru, gdje vlada pritisak pr i temperatura Tr. U procesu usisavanja zaostali gasovi se šire i miješaju sa svježom smješom umanjujući na taj način punjenje svježom radnom materijom. 16 15 16

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 77.) Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 78.)

14

Količina zaostalih gasova definiše se koeficijentom zaostalih gasova γ, koji predstavlja odnos mase zaostalih gasova u cilindru (mr) prema ukupnoj masi, koja se nalazi u cilindru nakon punjenja (m1), tj.:

γ=

mr mr m = ≈ r m1 mk + mr mk

U nekoj literaturi ovaj koeficijent se definiše i kao odnos broja molova zaostalih produkata sagorijevanja (Mr) prema broju molova svježeg punjenja (Mk), tj.:

γ=

Mr Mk

Broj motora zaostalih gasova računa se na osnovu jednačine stanja kao: Mr =

pr ⋅Vc ℜ ⋅ Tr

gdje je: pr - pritisak u cilindru motora na kraju takta izduvavanja i zavisi od okolnog pritiska, gdje se vrši izduvavanje, otpora u izduvnom sistemu (izduvna grana, prigušni lonac, turbokompresor, itd.) Tr - temperatura na kraju procesa izduvavanja i zavisi od sastava smješe, stepena širenja i razmjene toplote u procesima širenja i izduvavanja Vc - zapremina u cilindru na kraju izduvavanja (kompresiona zapremina), zavisi od stepena sabijanja (ε) R - univerzalna gasna konstanata Broj molova svježeg punjenja Mk definiše se uslovima punjenja i regulisanja opterećenja. Koeficijent zaostalih gasova kod usisnih četverotaktnih oto motora, pri punom opterećenju, kreće se u granicama γ = 0,06÷0,1, a kod usisnih četvorotaktnih dizel motora γ = 0,03÷0,06. Ovo je logično zbog činjenice da je stepen sabijanja daleko veći kod dizel motora nego kod oto motora.17 Kod četvorotaktnih motora koeficijent zaostalih gasova (γ) se može smanjiti ako se poveća ugao “prekrivanja” ventila, što ima za posljedicu bolje ispiranje motora. Kod dvotaktnih motora ovaj koeficijent se kreće u daleko većem rasponu i zavisi od kvaliteta ispiranja. Kod dvotaktnih motora sa ispiranjem kroz motorsku kućicu, zbog nesavršenosti ispiranja, dostiže vrijednost do 0,4, dok kod jednosmjernog ispiranja koeficijenta γ može dostići vrijednost 0,03 kao kod četvorotaktnih dizel motora. Korištenjem prethodna dva izraza i izraza: Mk = 17

pk ⋅ Vh ⋅ηv R ⋅ Tk

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 78.)

15

gdje su: pk,Tk - parametri svježe smješe na kraju takta usisavanja ηv - zapreminski stepen punjenja motora R - univerzalna gasna konstanta (R = 8314 kJ/kmol) može se odrediti koeficijent zaostalih gasova kao: pr ⋅ Vc pr ⋅ Tk R ⋅ Tr γ= = pk ⋅Vh ⋅ηv Tr ⋅ pk ⋅ηv ( ε − 1) R ⋅ Tk Ako se ovdje pored koeficijenta zaostalih gasova (γ) definiše i stepen ispiranja (ηs) kao:

ηs =

mk mk = m1 mk + mr

Sada se može uspostaviti zavisnost između ηs i γ kao:

ηs =

1 1+ γ 3.1.3 Temperatura zagrijavanja svježeg punjenja (∆T)

Svježe punjenje, prilikom kretanja u usisnom sistemu i u unutrašnjosti cilindra, dolazi u dodir sa toplim stjenkama i zagrijava se za veličinu ∆T. Visina zagrijavanja svježeg punjenja zavisi od brzine kretanja svježeg punjenja i razlike temperature stjenki i svježeg punjenja. Zagrijavanje svježe smješe kod oto motora pozitivno utiče na isparavanje goriva, ali iznad određenog nivoa utiče negativno na stepen punjenja motora (ηv).18 Zbog oduzimanja djela toplote od svježeg punjenja za isparavanje goriva kod oto motora, tj: ∆T = ∆Tk − ∆Tis gdje je: ∆Tk -porast temperature svježeg punjenja uslijed prenosa toplote ∆Tis -pad temperature svježeg punjenja zbog isparavanja goriva temperatura zagrijavanja svježeg punjenja je u granicama ∆T = 0° ÷ 20°C (usini motori), dok je kod dizel usisnih motora ∆T = 20° ÷ 40°C. Porast temperature svježeg punjenja ∆T znatno utiče na temperaturu na kraju takta usisavanja (Ta) i može se odrediti na

18

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 79.)

16

osnovu bilansa toplota svježeg punjenja, zaostalih gasova i toplote nakon njihovog miješanja. Jednačina bilansa toplota je: c p ⋅ M 1 ⋅ ( Tk + ∆T ) + ϕ ⋅ cp ⋅ M r ⋅ Tr = cp′ ( Mk + Mr ) ⋅ Ta Uvodeći pojednostavljenja: • specifična toplota mješavine (cp' ) se uzima približno specifičnoj toploti svježe radne materije • specifična toplota zaostalih produkata sagorijevanja ( c′′p = ϕ ⋅ c p ) može se jednostavno, bez velike greške u proračunu usvojiti kao cp'' = cp . Koristeći ova pojednostavljenja, kao i potrebne relacije u ovom djelu, iz prethodne jednačine se može odrediti Ta kao: Ta =

Tk + ∆T + γ ⋅ Tr 1+ γ 3.1.4 Stepen (koeficijent) punjenja (ηv)

Ovaj koeficijent karakteriše količinsko punjenje cilindra svježom radnom materijom. Definiše se odnosom količine svježeg punjenja (mk), koje se nalazi u cilindru na početku stvarnog procesa sabijanja, tj. u momentu zatvaranja usisnog ventila, prema količini svježeg punjenja (Vh ⋅ρk ), koja bi mogla ispuniti radnu zapreminu cilindra u odnosu na parametre smješe na usisu (pk, Tk). Može se napisati: mk ηv = Vh ⋅ ρk Ako se sa Vk označi zapremina, koju bi popunila masa mk gustine ρk, onda se jednačina može napisati kao:

ηv =

Vk Vh

te se zbog toga stepen punjenja ( ηv) često naziva “volumetrijski” stepen punjenja. 19 4. Proces sabijanja (kompresija) Nakon završenog procesa izmjene radne materije nastaje proces sabijanja. U procesu sabijanja povećava se pritisak i temperatura radnog fluida. Vrijednosti ovih termodinamičkih parametara zavise uglavnom od stepena sabijanja i intenziteta razmjene toplote sa okolinom. Veće vrijednosti stepena sabijanja i termodinamičkih parametara na 19

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 80.)

17

kraju procesa sabijanja odgovaraju većim stepenima širenja i boljem iskorištenju toplote. U zavisnosti od načina obrazovanja smješe i početka sagorijevanja, uslovi za izbor stepena sabijanja odnosno vrijednosti parametara na kraju procesa sabijanja su različite. Kod oto motora, radna materija se sastoji iz smješe isparenog goriva, zraka, tečnog goriva i zaostalih sagorjelih gasova. Prilikom sabijanja produžava se proces isparavanja goriva i njegovo miješanje sa zrakom. Vrijednosti temperatura i pritiska na kraju procesa sabijanja ograničene su uslovima, pod kojima dolazi do pojave detonacije. Ukoliko se u komori sagorijevanja nalaze pregrijana mjesta ili nataložena garež može doći do preuranjenog početka sagorijevanja smješe. Kod dizel motora proces obrazovanja smješe izvodi se u cilindru motora, kada se klip nalazi u blizini SMT i većim dijelom se obavlja istovremeno sa sagorijevanjem goriva. Proces sabijanja u ovom slučaju mora u momentu ubrizgavanja goriva omogućiti dovoljno visoku temperaturu sabijenog zraka, da bi se odigralo samozapaljenje ubrizganog goriva. Ovaj uslov mora biti ispunjen pri svim mogućim eksploatacionim režimima: startovanje, rad na praznom hodu, rad pri malim brojevima obrataja i pri malim opterećenjima, rad pri niskim vanjskim temperaturama itd. Kod dizel motora znatan uticaj na rad ima vrtloženje usisnog zraka (radi boljeg ostvarivanja smješe goriva i zraka). Novijim razvojem i primjenom tzv. visokotlačnog ubrizgavanja goriva, uloga vrtloženja zraka postaje sve manja kod većih motora. Uslovi odvijanja procesa sabijanja u stvarnom ciklusu su veoma složeni. U početnom periodu temperatura smješe (zraka) je niža od temperature površina koje ograničavaju unutrašnjost cilindra; zbog toga se u početku hoda sabijanja temperatura svježeg fluida povećava kao posljedica prelaza toplote sa zidova.20 U određenom momentu srednja temperatura svježeg radnog fluida i zidova je jednaka, a u daljem kretanju klipa do kraja procesa sabijanja radni fluid se zagrijava i toplota se odvodi na zidove cilindra. Karakter odvijanja procesa sabijanja prikazan je na slici 9. 21

20 21

Tode Stojičić, Motori SUS, Mašinski fakultet Univerziteta u Sarajevu, Sarajevio, 2001. (str.151.) Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 80.)

18

Slika 9. Karakteristike procesa sabijanja

U trenutku zatvaranja usisnih organa pritisak i temperatura radnog fluida su pa', i T a . Pri adijabetskom sabijanju (æ = 1,41 = const) pritisak i temperatura kraja sabijanja bila bi pcκ i Tcκ . Srednja vrijednost temperatura površina preko kojih se odvodi toplota prikazana je na diagramu isprekidanom linijom (Tsr). Kao posljedica postojanja razlika (Tsr – T) u prvom periodu sabijanja proces protiče po politropi sa promjenljivim eksponentom n1' > æ. Od tačke r, gdje je T = Tsr, sabijanje se izvodi po politropi sa promjenljivim pokazateljem n1'' < æ. Na količinu razmjene toplote u drugom periodu utiče razlika (T – Tsr), koja se povećava i istovremeno zbog smanjenja površine preko koje se prenosi toplota. Na osnovu toga temperatura Tc i pritisak pc na kraju sabijanja se razlikuje od vrijednosti koje bi odgovarale procesu adijabatskog sabijanja. Na slici 9. data je kriva sa eksponatom politrope n = 1,33, pri kome su pritisak i temperatura na kraju procesa sabijanja isti kao i kod slučaja sa promjenljivim pokazateljem.22 Razmatranje uslova odvijanja procesa sabijanja je karakteristično za sve tipove klipnih motora. Kod oto motora, u procesu sabijanja produžava se isparavanje goriva. U početku sabijanja toplota koja se dovodi od zidova cilindra svježoj smješi i troši se na isparavanje benzina. Toplotni kapacitet smješe je veći nego kod dizel motora,zbog prisustva para benzina i veće količine zaostalih gasova.Zbog manjeg stepena sabijanja '

22

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 81.)

19

kod oto motora,temperatura i pritisak na kraju procesa sabijanja su niži nego kod dizel motora,što utiče na proces razmjene toplote u drugoj fazi procesa sabijanja,kada je n1''<æ. 4.1 Parametri procesa sabijanja (kompresije) Određivanje parametara na kraju procesa sabijanja uz promjenljivi eksponent politrope je dosta komplikovano. Uobičajeno je da se kod jednostavnijih analiza temperatura i pritisak na kraju takta sabijanja određuju koristeći srednji eksponent politrope (konstantan za čitav proces) n1.23 Pretpostavlja se da je početak sabijanja kada je kip u UMT. Koristeći jednačinu politropske promjene stanja: pa ⋅ Van1 = pc ⋅ Vcn1 i relaciju za stepen sabijanja

ε=

Va Vc

dobija se pritisak na kraju kompresije kao: pc = pa ⋅ ε n1 Koristeći jednačinu stanja za tačke a i c (Slika 9.) i predhodnu jednačinu dobija se: Tc = Ta ⋅ ε n1 −1 U početnom periodu sabijanja svježe punjenje se zagrijava od toplih površina stjenki. Na tom dijelu je n1 > æ. Mehanička energija, koja se sa strane dovodi i troši pri ostvarivanju sabijanja, troši se na povećanje unutrašnje energije, što se manifestuje povećanjem temperature svježeg punjenja. U jednom momentu temperatura svježeg punjenja i okolnih zidova će se izjednačiti što znači da je tada n1 = æ. Nakon toga temperatura svježeg punjenja je veća od temperature zidova te se tada toplota predaje zidovima cilindra, tu je n1 < æ. Dvostrani karakter predaje toplote (prvo od zidova svježem punjenju a kasnije od svježeg punjenja zidovima) i kratkoća vremena u kome se odvija proces sabijanja dovodi do toga da se sa dovoljnom “ tehničkom” tačnošću može linija sabijanja tretirati kao politropa konstantnog eksponenta, čija vrijednost leži u granicama n1 = 1,3 – 1,39. Ove vrijednosti koje su ustanovljene na bazi analize indikatorskih diagrama niza konkretnih motora pokazuju da se u većini slučajeva u ukupnom bilansu odaje izvjesna količina toplote. Međutim, odana toplota je neznatna pa se proces sabijanja približava adijabatskom, naročito kod brzohodih motora. 24 5. Proces sagorijevanja 23 24

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 81.) Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 82.)

20

Proces sagorijevanja i proces širenja, koji za njim slijedi, su osnovni procesi radnog ciklusa motora sus, u toku kojih se hemijska energija goriva pretvara u toplotu a ova djelomično u mehanički rad. U teoretskim ciklusima pretpostavljalo se dovođenje toplote pri: v = const, p = const i kombinovano. Ostvarenje takvih procesa prilikom dovođenja toplote u stvarnom motoru ne samo da je nemoguće, nego je i nepoželjno. Dovođenje toplote pri v = const u stvarnom motoru značilo bi da se sagorijevanje goriva obavlja trenutno, tj. beskonačno velikom brzinom sagorijevanja. To je sa stanovišta stvarnog goriva nemoguće, a sa stanovišta motora nedopustivo jer bi ovakav nagli porast pritiska bio praćen veoma jakim udarima na glavne pokretne i nepokretne dijelove motora. Sagorijevanje pri p = const, je nemoguće ostvariti u stvarnom motoru, jer je nemoguće oslobađanje toplote regulisati tako, da se pri povećanju zapremine prostora sagorijevanja, pritisak u njemu održava konstantnim iako bi ovakav način dovođenja toplote sa stanovišta motora bio dopustiv u odnosu na mehanička opterećenja motorskih djelova. Stvarni proces sagorijevanja odstupa od teoretskog. Vrijeme dovođenja toplote (sagorijevanja) traje relativno kratko i podešava se tako da mu se glavni dio odvija iza SMT zbog poboljšanja ekonomičnosti, ali ne previše daleko od SMT da ne bi došlo do porasta produkata nepotpunog sagorijevanja, što nije poželjno. Zbog toga je proces sagorijevanja najbolje analizirati u p -α diagramu. Sam proces sagorijevanja kod oto motora bitno se razlikuje od sagorijevanja kod dizel motora, stoga je potrebno proučiti posebno proces sagorijevanja i tok linije sagorijevanja kod oto i kod dizel motora. 5.1 Proces sagorijevanja i stvarni tok linije sagorijevanja kod oto motora Kod oto motora paljenje se vrši električnom varnicom. Ovakvo paljenje se primjenjuje kod benzinskih motora (karburatorskih i sa ubrizgavanjem benzina u usisnu cijev) i gasnih motora. Na slici 10. dat je razvijen indikatorski diagram jednog karburatorskog oto motora. Kod ovog motora se u toku kompresije vrši sabijanje gotove smješe, ostvarene u karburatoru. 25

25

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 82.)

21

Slika 10. Faze sagorijevanja kod oto motora prikazane u p – α diagramu

Prije dolaska klipa u SMT vrši se paljenje električnom varnicom (tačka 1). Mnogobrojna ispitivanja na motorima pokazala su da se pritisak u cilindru ne povećava u odnosu na pritisak čiste kompresije odmah nakon paljenja, već je potrebno da protekne jedan izvjestan vremenski period do momenta vidnog porasta pritiska u cilindru, tj. do momenta, kada se linija pritiska kod sagorijevanja primjetno odvaja od linije pritiska bez sagorijevanja (čista kompresija) (tačka 2). Iako je sagorijevanje smješe zaista počelo u tački 1 jer je to garantovano momentom skakanja varnice, količina toplote, koja se dobije sagorijevanjem prvih količina goriva je mala, brzina reakcije sagorijevanja je mala, brzina prostiranja plamena također mala. Zbog toga oslobađanja toplota, a uslijed toga i povećana temperatura, nakon sagorijevanja ovog dijela smješe nije dovoljna da izazove vidan porast pritiska gasova u cilindru motora. 26 Period, koji protekne od momenta pojave varnice do momenta vidnog porasta pritiska (period I) naziva se period pritajenog sagorijevanja – indikacije ili period zakašnjenja upaljenja (kod dizel motora). U tački 2 počinje intenzivnije sagorijevanje, koje se progresivno frontalno prostire kroz cijeli prostor sagorijevanja, praćeno naglim porastom pritiska po liniji sagorijevanja 2 – 3 (period II). Na ovoj liniji porast pritiska ∆p/∆α kreće se u granicama 2 – 4 bar/°KV. U tački 3 obavljeno je glavno sagorijevanje smješe i poslije toga se vrši samo dogorijevanje neobuhvaćenih dijelova smješe uz hladne zidove cilindra ili u zonama siromašnije smješe (ako smješa nije potpuno homogena). U tački 3 nije dostignuta i maksimalna temperatura ciklusa, već se to događa nešto kasnije na liniji širenja u tački 4. Proces dogorijevanja odigrava se u periodu znatnijeg porasta zapremine cilindra, te uslijed toga dolazi do pada pritiska i pored dovođenja toplote i izvjesnog porasta temperature. Pod izvjesnim nepovoljnim uslovima dogorijavanje se može produžiti i dalje u toku ekspanzije pa i u toku izduvavanja (jako siromašna smješa). Ugao αp, koji definiše moment skoka varnice, naziva se ugao predpaljenja. On se odabire tako, da se dobije maksimalana površina indikatorskog dijagrama za tu optimalnu 26

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 83.)

22

vrijednost αp, odnosno da se dobije najekonomičniji ciklus sa energetskog i ekološkog aspekta. 5.2. Proces sagorijevanja i stvarni tok linije sagorijevanja kod dizel motora Za razliku od oto motora, gdje se u momentu paljenja u cilindru nalazi gotova smješa goriva i zraka manje ili više homogena (jednakog sastava), kod dizel motora stvaranje smješe se vrši u samom cilindru motora i to uz istovremeno sagorijevanje. Pod ovakvim uslovima, kod dizel motora je nemoguće postići homogenost smješe. U ovakvoj smješi postoje čestice isparenog goriva i zraka (parna faza) i čestice tečnog goriva (tečna faza). Osim toga, ovdje je smješa i neravnomjerno raspoređena po prostoru sagorijevanja. Dok se u jednom dijelu prostora sagorijevanja nalazi prebogata smješa u drugom dijelu je neiskorišteni zrak. Ovo je glavni razlog što dizel motori ne mogu raditi sa malim viškom zraka. Kod njih počinje sagorijevanje sa pojavom dima već kod α = 1, 2 – 1.3, što znači da se koeficijent viška zraka, kod dizel motora, kreće α ≥ 1,3. Na slici 11. dat je razvijeni indikatorski diagram dizel motora. 27

Slika 11. Razvijeni indikatorski diagram dizel motora

S obzirom na realne uslove sagorijevanja i ovdje ubrizgavanje počinje prije SMT. Ugao αp, koji definiše početak ubrizgavanja, zove se ugao predubrizgavanja i iznosi najčešće 10 – 30 °KV. Slično kao kod oto motora i kod dizel motora sagorijevanje ne počinje sa vidnim porastom pritiska, već mora proći izvjestan period laganog sagorijevanja u toku koga se gorivo priprema za intenziviranje sagorijevanja. Period, koji protekne od momenta ulaska prvih količina goriva u cilindar (početak ubrizgavanja), pa do momenta pojave vidnog porasta pritiska u odnosu na liniju bez sagorijevanja, naziva se period pritajenog sagorijevanja (period zakašnjenja paljenja ili period indikacije). Na 27

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 83,84.)

23

slici 11 to je period I od tačke 1 do 2. Nakon ovog perioda nastaje period II za vrijeme koga dolazi do naglog porasta pritiska zbog toga, što za vrijeme ovog perioda sagori svo gorivo ubrizgano za vrijeme perioda pritajenog sagorijevanja i dio goriva koje se ubrizgava za vrijeme samog tog drugog perioda. Porast pritiska na ovom dijelu linije sagorijevanja ne treba da pređe ∆p/∆α = 4 bar/°KV. Već kod ∆p/∆α = 6 bar/°KV rad motora je jako “tvrd”. Ovaj II period naziva se period neregulisanog sagorijevanja i proteže se od tačke 2 do tačke 3. Teći period od tačke 3 do tačke 4 naziva se period regulisanog sagorijevanja i karakterisan je položenijim tokom linije pritiska. Ovo je posljedica toga, što u toku ovog perioda (period III) gorivo dospijeva u cilindar u vrijeme, kada je sadržaj cilindra pod znatno višim pritiskom i temperaturom, zbog čega se skraćuje period indukcije, tako da je razvijena toplota u neku ruku direktno zavisna od zakona ubrizgavanja u zadnjem dijelu krive ubrizgavanja. S druge strane, u ovom periodu u cilindru ima već znatan procent inertnih gasova od prethodno sagorjelog goriva uslijed čega je zrak razrijeđen ovim produktima pa je i proces sagorijevanja uslijed toga usporen. Po nekim autorima, tretira se i period dogorijevanja (od tačke 4 do tačke 5) tj. od momenta dostizanja maksimalnog pritiska, pa do momenta dostizanja maksimalne temperature gasova. Ovdje je oslobađanje toplote usporeno zbog razblaženosti produktima sagorijevanja. Period dogorijevanja produžava se i dalje u toku linije širenja, pod još nepovoljnijim uslovima i s krajnje nepovoljnim ekonomskim efektom. Temperatura sagorijevanja (Tz) dobiva se iz jednačine energije, koja se ovdje neće objašnjavati zbog komplikovanosti. 28 Pritisak (pz) je kod ciklusa sa kombinovanim dovođenjem toplote: pz = λ ⋅ pc a kod ciklusa sa dovođenjem toplote pri v = const T pz = pc ⋅ µ ⋅ z ; μ - stvarni koeficijent molekularne izmjene Tc Stvarni pritisak ( pzs ) na kraju procesa sagorijevanja kod oto motora (obzirom na karakter toka pritiska) se iskustveno uzima: pzs = 0.85 ⋅ pz Koeficijent efikasnosti sagorijevanja (ζ) kod motora se kreće: • motori sa prinudnim paljenjem smješe ζ = 0,85 ÷ 0,9 • motori sa samopaljenjem smješe ζ = 0,7 ÷ 0,85 • gasni motori (prinudno paljenje i samopaljenje) ζ = 0,8 ÷ 0,85

28

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 84.)

24

6. Proces širenja (ekspanzija) U procesu širenja, koji se često naziva radni hod, proizvodi se mehanički rad na račun toplotne energije razvijene prilikom sagorijevanja goriva. U stvarnom ciklusu radni hod počinje u toku sagorijevanja (tačka c’ sl. 12) i završava se u procesu izduvavanja, kada dolazi do izlaska sagorjelih gasova. Prilikom proračuna ciklusa za početak procesa širenja uzima se tačka z, a za kraj UMT (tačka b bez uticanja prethodnog otvaranja izduvnog ventila). 29

Slika 12. Proces širenja (ekspanzije) kod oto motora

U početnoj fazi procesa širenja produžava se intenzivno sagorijevanje goriva. Temperatura gasa, dobivena indiciranjem dostiže najveću vrijednost u procesu širenja, nešto iza momenta, kada se dostigne maksimalni pritisak pmax (sl. 13). Ovo dokazuje, da na razmatranom dijelu dijagrama (do Tmax) dolazi do intenzivnog dovođenja toplote. Istovremeno, kao posljedica razlike temperatura između gasa i površina, preko kojih se odvode toplote T - Tsr i većih brzina kretanja gasa dolazi do intenzivne predaje toplote od gasa na glavu motora, zidove cilindra i čelo klipa, na osnovu čega je jasno da je širenje politropski proces sa promjenljivim eksponentom poltrope. U početku procesa širenja od tačke c’ do pmax (sl. 12.), kada je intenzivno sagorijevanje dolazi do intenzivnog dovođenja toplote i znatnog porasta pritiska, a pokazatelj politrope n2 prikazan na slici 13. crtkanom linijom je negativan, sve do tačke kada se dostiže maksimalni pritisak gdje dolazi do vrijednosti n2 = 0. Na dijelu od pmax do Tmax pokazatelj politrope je pozitivan i u tački Tmax dostiže vrijednost n2 = 1. Određivanje pokazatelja politrope u procesu širenja na dijelu do Tmax iz indikatorskog dijagrama praktično je nemoguće. U procesu širenja, naročito u početnoj fazi dolazi do prodora gasova pored klipnih prstenova u korito motora, kao posljedica visokih pritisaka što snižava efektivnost procesa širenja. Zbog teškoća prilikom određivanja promjenljivih vrijednosti eksponenta politropa n2 prilikom 29

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 85.)

25

proračuna parametara na kraju širenja koriste se srednje vrijednosti eksponenta politrope n2.

Slika 13. Diagram promjene eksponenta adijabate (æ) i politrope (n2) u toku procesa širenja

6.1 Parametri procesa širenja (ekspanzije) U toku procesa sagorijevanja na ime oslobođene toplote goriva, nastali produkti sagorijevanja kao i zaostali produkti iz prethodnog ciklusa dovedeni su na stanje pz i Tz . Ovo stanje se smatra početno stanje ekspanzije (širenja). Linija širenja je politropa promjenjivog eksponenta uslijed nejednakog intenziteta izmjene toplote u toku širenja. Kako je nemoguće uzeti u obzir sve uticajne veličine eksponenta politrope širenja (n2), to se uzima uslovno da je linija širenja politropa sa stalnom vrijednošću eksponenta (n2 = const). Određuje se na osnovu eksperimenta i kreće se, za pojedine motore, u granicama: • oto motori n2 = 1,25 – 1,35 (manje vrijednosti se odnose na brzohode motore) • dizel motori n2 = 1,2 – 1,32 (manje vrijednosti se odnose na brzohode motore) 30 Pritisak i temperatura na kraju širenja (tačka b), dobiju se koristeći jednačinu politrope kao: n2

V  1 ρ pb = pz ⋅  z  = pz ⋅ n2 = pz ⋅   δ ε   Vb 

n2

Za oto motore prethodni izraz se može napisati kao: pb = pz ⋅

1 ε n2

Na sličan način određuje se i temperatura na kraju širenja: -za dizel ciklus: 30

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 86.)

26

Tb = Tz ⋅

1

δ n2 −1

ρ = Tz ⋅   ε 

n2 −1

-za oto ciklus: Tb = Tz ⋅

1

ε

n2 −1

Na ovaj način potpuno je “zatvoren” približni tok proračuna pokazatelja stvarnog ciklusa motora. Ovakav pristup analizi pokazatelja stvaranog ciklusa je dosta uprošten, tako da su i očekivani rezultati “približni”. Svaka detaljnija analiza procesa u motoru zahtijeva složenije jednačine (obične i parcijalne diferencijalne jednačine) za opisivanje pojedinih procesa, kao i složenije numeričke metode za rješavanje pomenutih jednačina. Danas postoji veći broj razvijenih računskih programa za simuliranje procesa u motorima, od najjednostavnijih tzv. nulti – dimenzionih do trodimenzionalnih modela, kojima se mogu računati svi interesantni pokazatelji (pritisci, temperature, brzine, promjena mase, itd.).31

31

Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 86.)

27

7. ZAKLJUČAK Nakon izlaganja ove, veoma bitne, materije, potrebno je izvući zaključak kako bismo uokvirili ovu cjelinu i stvorili sto bolju predstavu o stvarnim ciklusima motora SUI. Kao što smo već naveli, postoje četvorotaktni i dvotaktni oto i dizel motori i njihovi pojedini ciklusi se medjusobno razlikuju. Stvarni ciklusi se razlikuju od idealnih, teorijskih i poluteorijskih po mnogim faktorima, a koje smo nabrojali u izlaganju. Na osnovu izloženog zaključujemo da je stepen iskorištenja stvarnog ciklusa manji od stepena iskorištenja idealnog ciklusa i da je računanje stepena iskorištenja stvarnog ciklusa mnogo složenije jer zahtijeva analiziranje svakog procesa posebno. Proces izmjene radne materije obuhvata proces odstranjivanja produkata sagorijavanja iz cilindra i proces punjenja cilindra svježom radnom materijom. Osnovna težnja prilikom odvijanja ovih procesa je da se proces izmjene radnog fluida obavi što kvalitetnije, tj. da masa svježeg punjenja u cilindru bude što veća, a masa zaostalih produkata sagorijevanja što manja, ali i da se za izmjenu radne materije utroši što manje energije. Nakon završenog procesa izmjene radne materije, nastaje proces sabijanja. U procesu sabijanja povećava se pritisak i temperatura radnog fluida. Uslovi odvijanja procesa sabijanja u stvarnom ciklusu su veoma složeni. Proces širenja, zajedno sa procesom sagorijevanja, su osnovni procesi radnog ciklusa motora SUI, u toku kojih se hemijska energija goriva pretvara u toplotu, a ova djelimično u mehanički rad. Sam proces sagorijevanja kod oto motora bitno se razlikuje od sagorijevanja kod dizel motora, stoga je bilo potrebno proučiti posebno proces sagorijevanja i tok linije sagorijevanja kod oto i kod dizel motora. U procesu širenja, koji se često naziva radni hod, proizvodi se mehanički rad na račun toplotne energije razvijene prilikom sagorijevanja goriva. U ovom seminarskom radu smo takođe definisali glavne parametre koji opisuju svaki proces posebno, kako bi izučavanje i razumijevanje tih procesa bilo što jednostavnije.

28

8. LITERATURA

[1] Ivan Filipović, „Cestovna vozila“, Fakultet za saobraćaj i komunikacije, Sarajevo,2002. [2] Tode Stojčić, „Motori SUS“, Mašinski fakultet Univerziteta u Sarajevu, Sarajevo,2001. [3] Dragutin Krpan, Dušan Jeras, „Laki motori I “, Zagreb, 1976.

29