23647489-stvarni-ciklus-motora-sui[1]

UNIVERZITET U SARAJEVU FAKULTET ZA SAOBRAAJ I KOMUNIKACIJE

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

Mentori: Studenti: Red.prof.dr Ivan Filipovi Doc.dr Suada Daci

Daniela Arapovi Valentina Mandi

Sarajevo, oktobar, 2009. godine

SADRAJ 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 Hidraulini otpori usisa ....................................................................12 3.1.2 Koliina zaostalih gasova ................................................................ 14 3.1.3 Temperatura zagrijavanja svjeeg punjenja (T)............................. 16 3.1.4 Stepen (koeficijent) punjenja (v) ....................................................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 irenja (ekspanzija) ............................................................................................25 6.1 Parametri procesa irenja (ekspanzije) ............................................................26 7. Zakljuak .......................................................................................................................28 8. Literatura ...29

2

1.UVOD Stroj koji preobraava bilo koji vid energije u mehaniku energiju naziva se motor. Da bi bio upotrebljiv, motor mora imati pretvaranje energije iz jednog vida u drugi, automatski, pouzdano i ekonomino. Zavisno od vida polazne energije motori mogu biti: toplotni, elektrini, hidraulini, itd. Motori sa unutarnjim izgaranjem (motori sui) spadaju u grupu toplotnih motora, jer se toplotna energija sadrana u gorivu, posredstvom sagorijevanja pretvara u potencijalnu energiju radnog fluida, a zatim, putem ekspanzije radnog fluida u korisnu mehaniku energiju. Pretvaranje toplote u rad ili rada u toplotu ostvaruje se obino u termodinamikom 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 moe veoma teko obuhvatiti raunom. Stvarni ciklus motora se znatno razlikuje od teorijskog (termodinamikog) i poluteorijskog ciklusa, na ta utie niz faktora. U ovom seminarskom radu nabrojaemo najznaajnije faktore koji utiu na odstupanje stvarnog ciklusa od teorijskog. Obradiemo i poblie objasniti kako se odvijaju pojedini procesi, kako indiciranje motora daje grafiki prikaz promjene pritiska u cilindru u zavisnosti od zapremine, (diagram p V), ugla koljena koljenastog vratila (diagrama p ) ili vremena (diagram p ). Postepeno emo objasniti te dijagrame kako bismo lake shvatili stvarne cikluse motora SUI. Jedan od znaajnih procesa je proces izmjene radne materije koji obuhvata proces odstranjivanja produkata sagorijevanja iz cilindra i proces punjenja cilindra svjeom radnom materijom. Posebno emo obraditi proces sabijanja, zajedno sa parametrima procesa sabijanja (kompresije), proces sagorijevanja i proces irenja (ekspanzije), takoe sa parametrima procesa irenja.

3

2. Stvarni ciklus motora SUI (Stvarni ciklus etverotaktnog oto i dizel motora) Stvarni ciklus motora se znatno razlikuje od teorijskog (termodinamikog) i poluteorijskog ciklusa. Na odstupanje stvarnog ciklusa od teorijskog utie niz faktora, od kojih su najznaajniji: radni fluid nije idealni gas, nego je smjea zraka, goriva i produkata sagorijevanja u toku odvijanja procesa vri se prenos toplote sa radnog fluida na okolinu i obrnuto, to znai sabijanje i irenje nije izentropski proces vrijeme sagorijevanja je konano i produava se u taktu irenja sa dodatnim oslobaanjem 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 vieatomnih gasova-disocijacija, to je praeno utrokom izvjesne koliine toplote) dolazi do manjeg iskoritenja toplote uslijed proputanja gasa u korito motora, strujnih otpora, prisustva zaostalih gasova u cilindru motora i dr. dolazi do gubitaka to takoer utie 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 izloenog logino slijedi da je stepen iskoritenja stvarnog ciklusa manji od stepena iskoritenja idealnog ciklusa. Opti analitiki izraz za stepen iskoritenja ne moe se zbog sloene funkcionalne zavisnosti specifinih toplota gasa od temperature i sastava nai u zatvorenom obliku. Zato se mora analizirati svaki proces posebno (izmjena radne materije, sabijanje, sagorijevanje i ekspanzija), te na osnovu analize i uporednih ispitivanja doi do osnovnih karakteristika pojedinih procesa i njihovih uticajnih parametara. Ako se ele obuhvatiti svi glavni faktori stvarnog radnog ciklusa procesi se ne mogu kao kod idealnih ciklusa opisati algebarskim jednainama, ve se problem svodi na sloeni sistem nelinearnih diferencijalnih jednaina, koje opisuju procese u cilindru i procese u usisnim i izduvnim cjevovodima.1 Primjena savremenih raunara otvorila je novu eru istraivanja motora, meutim i ovdje tanost rezultata zavisi od uzetih predpostavki i od sloenosti modela za cilindre, usisni i izduvni sistem. Zbog toga je vano za odreene analize izabrati najprihvatljiviji model. Stoga se u praksi esto kombinuje analitiki metod sa eksperimentalnim ispitivnjima u cilju dobivanja prihvatljivog modela, te se na osnovu toga vre korekcije i poboljanja na stvarnim motorima. Parametri koji karakteriu odvijanje pojedinih procesa u ciklusu kao i ciklusa u cjelini mogu se dobiti eksperimentalnim putem snimanjem indikatorskog diagrama. Indiciranje motora daje grafiki prikaz promjene pritiska u cilindru u zavisnosti od promjene zapremine, (diagram p V), ugla koljena koljenastog vratila (diagrama p ) ili vremena (diagram p ). Za snimanje indikatorskih diagrama pritiska koriste se piezokvarcni davai pritiska, pretvarai signala, pojaavai signala i registratori (osciloskop, raunar sa akvizicijom snimljenih podataka, itd). Tipini primjer1

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

4

indikatorskog diagrama etverotaktnog motora u diagramu p 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 moe uz pomo kinematskih veza puta klipa i dimezija klipa prevesti u diagrame p i/ili p V.

Slika 1. Indikatorski diagram etvorotaktnog motora 2

Povrina 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 etverotaktni). Indikatorski diagram etverotaktnog oto motora dat je u p 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


5

Slika 2. Indikatorski diagram etvorotaktnog oto motora 3

Slika 3. Indikatorski diagram etvorotaktnog oto motora

Slika 4. Indikatorski diagram etvorotaktnog dizel motora

3


6

Kod oto motora (slika 3.) usisni ventil se otvara prije nego to je klip u taktu izduvavanja doao u SMT (taka 1) i proces usisavanja smjee goriva i zraka tee do zatvaranja usisnog ventila (taka 2), koje nastaje iza UMT (klip je poeo takt sabijanja). Proces usisavnja prikazan je linijom 15a 2. U toku takta usisavanja svjea smjea, koja je ula u cilindar motora, mijea se sa produktima sagorijevanja, koji su ostali u cilindru nakon obavljenog prethodnog ciklusa i na taj nain tvori radnu smjeu. Nakon zatvaranja usisnog ventila poinje sabijanje radne materije. U toku procesa usisavanja i sabijanja dolazi do isparavanja goriva i njegovog mijeanja sa zrakom. Na kraju procesa sabijanja u cilindru motora se obrazuje homogena radna smjea.4 Radna smjea kod oto motora pali se elektrinom varnicom. Poslije upalenja plamen se velikom brzinom (30 50 m/s) prostire kroz itavu zapreminu, koja je u tom trenutku na raspolaganju. Da bi osnovna masa smjee sagorjela u blizini SMT tj. da bi se to bolje iskoristila toplota, koja se pri tome razvija, neophodno je smjeu upaliti neto prije, nego to je klip u taktu sabijanja doao do SMT (taka 3 slika 3.). Pri tim uslovima proces sagorijevanja intenzivno odaje toplotu, na dijelu 10 15 KV prije SMT do 10 15 KV poslije SMT, to je praeno visokim porastom pritiska i temperature. Specifinost procesa sagorijevanja u oto motoru je poetak sagorijevanja homogene smjee i brzo prostiranje fronta plamena od izvora upalenja po itavoj zapremini iznad ela klipa.5 Sagorijevanje se zavrava kad front plamena dostigne najudaljenije zone zapremine cilindra (obino je to taka na 40 60 KV poslije SMT). Takav tok procesa sagorijevanja (konana brzina) i postojanje prenosa toplote ka zidovima cilindra dovodi do toga da su maksimalna temperatura i pritisak u stvarnom ciklusu manji nego u teoretskom. Poto se takt irenja nastavlja opadaju pritisak i temperatura radnog tijela. Proces izduvavanja poinje prilikom otvaranja izduvnog ventila (taka 4), prije nego to je klip doao u UMT. U tom momentu pritisak u cilindru je znatno vei od atmosferskog i kao posljedica toga u poetku izduvavanja sagorjeli gasovi izlaze iz cilindra kroz izduvni otvor velikom brzinom. Kada je klip doao u UMT, pritisak u cilindru je znatno opao i pri daljnjem kretanju klipa od UMT ka SMT izduvni gasovi izlaze sa pritiskom neto veim od atmosferskog. Proces izduvavanja zavrava se neto iza SMT (taka 5 slika 3.), znai u taktu usisavanja i na slici 3. prikazan je linijom 415. Kod etvorotaktnog dizel motora (slika 4.) nakon otvaranja usisnog ventila (taka 1) u cilindar ulazi samo ist zrak. Kao i kod oto motora, nakon zatvaranja usinog ventila (taka 2) pri kretanju klipa ka SMT vri se proces sabijanja uz razmjenu toplote izmeu zraka i stjenki cilindra. Za razliku od oto motora u datom sluaju sabija se ist zrak. Ubrizgavanje goriva u cilindar poinje kada se klip nalazi blizu SMT (taka 3). U tom trenutku temperatura sabijenog zraka mora biti via od temperature, pri kojoj se ostvaruje samopaljenje ubrizganog goriva. Poto ubrizgavanje goriva u cilindar poinje neto ranije od poetka sagorijevanja i u veini sluajeva se zavrava u periodu, kada se u cilindru odvija sagorijevanje, uslovi mijeanja goriva sa zrakom kod dizel motora u odnosu na oto motore, su znatno sloeniji. Da bi se poboljalo mijeanje goriva sa zrakom, pored toga to pumpa visokog pritiska kroz brizgaljku ubrizgava gorivo u rasprenom stanju (u vidu magle), pod relativno visokim pritiskom, raznim konstruktivnim rjeenjima se stvara intenzivno vrtloenje zraka u cilindru motora (specijalno izveden klip itd.). Poslije odreenog perioda, za vrijeme koga se ubrizgano gorivo priprema za poetak4 5

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

7

samopaljenja (period kanjenja paljenja) u zonama, gdje se stvore odgovarajui uslovi po sastavu smjee i temperature, dolazi do samopaljenja, a zatim i do intenzivnog sagorijevanja. Ovo je karakterisano u poetku naglim porastom pritiska (dio cz), a zatim u toku kratkog vremenskog perioda na dijelu zz sagorijevanje se odvija pri skoro konstantnom pritisku. Kao posljedica neravnomjernog sastava smjee u cilindru i drugih uzroka, karakteristinih za sluaj, kada proces sagorijevanja tee zajedno sa ubrizgavanjem goriva, kod dizel motora se sagorijevanje produava u procesu irenja pri istovremenoj razmjeni toplote izmeu 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 oznaena i zapremina Vh*, koja karakterie realnu zapreminu u cilindru na kraju takta usisavanja. Koristei ove veliine kasnije e se definisati i pojam stepena punjenja motora (v). 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 e dvotaktni motor, koji ima isti broj obrtaja kao etvorotaktni, imati dva puta vei broj radnih ciklusa u jedinici vremena. Na osnovu ove konstatacije bilo bi za oekivati da dvotaktni motor pri istoj radnoj zapremini, istom broju obrtaja i istom stepenu punjenja ima dvostruko veu snagu od etvorotaktnog motora. Ovi motori se preteno 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 kompaktnou konstrukcije.7 Stvarni ciklusi kod ovih motora ( ubrizgavanje goriva, mjeanje sa zrakom, samopaljenje i sagorijevanje) deavaju se isto kao kod etvorotaktnog motora, ali u ovom seminarskom radu neemo 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 svjeom radnom materijom. Proces izduvavanja prethodi procesu usisavanja i na izvjestan nain utie na ovaj drugi proces, obzirom da u veoj ili manjoj mjeri ovi procesi teku istovremeno. Proces izmjene radne materije takoer zavisi od taktnosti motora. Osnovna tenja je da se proces izmjene radnog fluida obavi to kvalitetnije, tj. da masa svjeeg punjenja u cilindru bude to vea, a masa zaostalih produkata sagorijevanja to manja, ali da se za izmjenu radne materije utroi to manje energije. Zbog toga se analiza procesa usisavanja i izduvavanja provodi jedinstveno. Na slici 5. prikazan je indikatorski diagram u koordinatama p - V i kruni diagram razvoda radne materije jednog etvorotaktnog motora bez nadpunjenja. Na ovim diagramima take 1 i 2 oznaavaju poetak i kraj izduvavanja, a take 3 i 4 poetak i kraj usisavanja. Povrina na indikatorskom diagramu, koja se nalazi izmeu linije usisavanja i6 7

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

8

izduvavanja odgovara izgubljenom radu u toku jednog ciklusa Lus (slika 5.), a predstavlja razliku izmeu rada, koji se gubi na izduvavanje sagorijelih gasova, i rada koji ostvaruje atmosferski pritisak prilikom usisavanja svjee radne materije. U cijelosti se moe zakljuiti, da je povrina koja predstavlja neproizvodni rad mala u odnosu na povrinu proizvodnog rada (izmeu linije sabijanja i irenja).8 Poslije otvaranja usisnog ventila (taka 3), kada pritisak u cilindru postane manji od pritiska zraka ispred usisnog ventila pk za veliinu pa koja obezbjeuje potrebnu energiju za ubrzanje mase svjeeg punjenja i savlaivanje strujnih gubitaka, dolazi do punjenja motora svjeim radnim fluidom.

Slika 5. Indikatorski kruni diagram razvoda etvorotaktnog usisnog motora 9

Na slici 6. dat je razvijeni diagram pritiska (koordinatni sistem p ) 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 saobraaj i komunikacije, Sarajevo, 2002. (str. 72,73) Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraaj 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 etvorotaktnog usisnog motora

Iz dijagrama je vidljivo da stvarno usisavanje traje krae nego to bi to bilo mogue (ne poinje u momentu otvaranja usisnog ventila, jer se u tom trenutku nije postigao odgovarajui pritisak). Da bi se postiglo dovoljno otvaranje ventila u periodu aktivnog odvijanja procesa usisavanja i izduvavanja i zbog maksimalnog koritenja uticaja inercionih procesa u sistemu usisavanja i izduvavanja na ienje i punjenje cilindra faze usisavanja i izduvavanja su produene (ne odvijaju se samo u jednom hodu klipa taktu). Proces izduvavanja poinje na 40 60 KV pri UMT (taka 1). Od tog momenta do UMT odigrava se slobodno izduvavanje, kao posljedica razlike pritiska u cilindru pr i okolne atmosfere po. Naknadno ienje cilindra izvodi se istiskivanjem gasova klipom, koji se kree od UMT ka SMT. Zatvaranje izduvnog ventila je 15 - 30 KV poslije SMT (taka 2), a poto se usisni ventil otvara 10 20 KV prije SMT (taka 3) dolazi do toga da su oba ventila jedno vrijeme otvorena, to se naziva prekrivanje ventila.10 Oko usisnog ventila stvara se razreenje i zahvaljujui tome u cilindar poinje ulaziti svjee punjenje pri istovremenom izduvavanju. Poto otvaranje izduvnih ventila uslijedi jo kod relativno visokog pritiska u cilindru, prvi period izlaenja gasova vri se kritinom brzinom u minimalnom poprenom presjeku izduvnog ventila. Za temperature gasova 900 1200 K, kritina brzina (brzina zvuka) je 600 700 m/s. Izlazak izduvnih gasova ovim brzinama praen je velikom bukom. Za vrijeme trajanja ovog perioda, koji se zavrava u blizini UMT iz cilindra motora izae 60 70% sagorijelih gasova, a pritisak u cilindru znatno opada. Kada klip pone kretanje ka SMT sagorjeli gasovi bivaju10


10

istiskivani i oni izlaze sa brzinom do 200 m/s. Usisni ventil se zatvara na 50 70 KV poslije UMT. Neto drugaija slika se dobije ako se proces razmjene radne materije analizira kod motora sa nadpunjenjem. Na slici 7. dat je ematski prikaz etvorotaktnog motora sa nadpunjenjem i njegov indikatorski i kruni razvodni diagram za proces izmjene radne materije.

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

Kod motora sa nadpunjenjem svjei 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 svjea radna materija ulazi u cilindar pod pritiskom pk > po. Postojanje gubitaka u usisnom sistemu dovodi do toga da je pritisak pa manji od pritiska svjee radne materije poslije kompresora pk, za veliinu strujnih gubitaka pa = pk - pa. Svjea radna materija ulazi u cilindar, kako prilikom kretanja klipa ka UMT tako i 11

prilikom jednog dijela njegovog kretanja ka SMT. Punjenje cilindra od take a do momenta zatvaranja usisnog ventila (taka 4) deava se kao posljedica toga, da je kod UMT pritisak pa < pk, a takoer i zbog koritenja inercije mase svjeeg 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 svjeim radnim fluidom to poboljava odstranjivanje sagorjelih gasova, a takoer utie i na sniavanje toplotnog optereenja povrina, koje formiraju komoru sagorijevanja (elo klipa, cilindar i glava motora). Kod motora sa nadpunjenjem linija usisavanja je iznad linije izduvavanja i povrina koja se nalazi izmeu 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 karakteriu proces usisavanja i izduvavanja kod savremenih brzohodih motora, utie da promjene pritiska u cilindru u periodu izmjene radne materije imaju sloen karakter te je analitiki proraun procesa kod koga se uzimaju u obzir ovi uticaji veoma sloen. Ovim se objanjava primjena priblinih metoda prorauna. 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 odgovarajue punjenje motora svjeom radnom smjeom. Ovaj kriterij se uglavnom vrednuje pomou tzv. stepena punjenja motora (v).12 Na njegovu veliinu direktno utiu: hidraulini otpori u usisnom sistemu koliina zaostalih produkata sagorijevanja u cilindru motora nakon izduvavanja promjena temperature (T) usisne smjee uslijed prenosa toplote sa zagrijanih stjenki usisnog voda i cilindra stepen punjenja motora 3.1.1 Hidraulini otpori usisa Za ocjenu hidraulikih otpora uzima se taka a (slika 5. i slika 7.), odnosno veliina pritiska u taki a (klip u UMT) u odnosu na pritisak ispred usisnog kanala (pk). Uproteni model za ovakvo razmatranje prikazan je na slici 8.

11 12

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

12

Slika 8. Shema pojednostavljenog modela procesa punjenja cilindra

Uzimajui pretpostavku da su brzina strujanja radnog fluida kroz usisnu granu relativno male, moe se problem razmotriti uzimajui radni fluid kao nestiljiv.13 Za ravni k i a (slika 8.) moe se napisati Bernulijeva jednaina kao:2 w pk wk2 pa wa + + g Zk = + + p + g Za k 2 a 2 2 2

gdje je: wk - brzina strujanja na ulazu ispred usisnog ventila wp - srednja brzina strujanja na usisnom ventilu za cio proces punjenja wa = wp - brzina strujanja fluida u presjeku a a (slika 8.) - koeficijent strujnih otpora u presjeku usisnog ventila -koeficijent smanjenja brzine strujanja svjeeg punjenja u cilindru Ako se uvedu pretpostavke za zk, a k, wk 0 iz prethodne jednaine se moe napisati da je razlika pritisaka:14 w2 pa = pk pa = ( 2 + ) p k 2 Iz jednaine kontinuiteta za presjek ventila i ela klipa slijedi: wp Av k = x max Akl a odnosno13 14

o


13

wp = c1

n Av

gdje je Av = Avg v - popreni presjek kod ventila Akl - povrina ela klipa Avg - maksimalni poetni presjek na ventilu v - koeficijent gubitaka na ventilu2 x - brzina klipa, koja se rauna po priblinom obrascu kao x max = 2 n r 1 + ( r / l ) n - broj obrtaja motora o o

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

l - duina klipnjae r - poluprenik radilice Uvrtavajui izraz (81) u jednainu (79) moe se napisati izraz za pad pritiska u toku usisavanja kao: pa = c2 gdje je: c2 c12 k ( + 2 ) 2 n2 Av2

Na osnovu iskustvenih podataka, srednja brzina usisne smjee u poprenom presjeku ventila se kree wp = 50 130 m/s, a veliina 2 + = 2,5 4. Veliina pritiska u cilindru (pa), prema iskustvenim podacima, kree se u granicama: kod etvorotaktnih usisnih motora pa = (0,80,9) po kod etvorotaktnih nadpunjenih motora pa = (0,90,96) pk kod dvotaktnih motora sa istosmjernim ispiranjem pa = (0,851,05) pk 15 3.1.2 Koliina zaostalih gasova U toku izduvavanja ne mogu se iz cilindra potpuno odstraniti produkti sagorijevanja, ve oni zauzimaju odreenu zapreminu u cilindru, gdje vlada pritisak pr i temperatura Tr. U procesu usisavanja zaostali gasovi se ire i mijeaju sa svjeom smjeom umanjujui na taj nain punjenje svjeom radnom materijom. 1615 16


14

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

=

mr mr m = r m1 mk + mr mk

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

=

Mr Mk

Broj motora zaostalih gasova rauna se na osnovu jednaine stanja kao: Mr = pr Vc Tr

gdje je: pr - pritisak u cilindru motora na kraju takta izduvavanja i zavisi od okolnog pritiska, gdje se vri izduvavanje, otpora u izduvnom sistemu (izduvna grana, priguni lonac, turbokompresor, itd.) Tr - temperatura na kraju procesa izduvavanja i zavisi od sastava smjee, stepena irenja i razmjene toplote u procesima irenja i izduvavanja Vc - zapremina u cilindru na kraju izduvavanja (kompresiona zapremina), zavisi od stepena sabijanja () R - univerzalna gasna konstanata Broj molova svjeeg punjenja Mk definie se uslovima punjenja i regulisanja optereenja. Koeficijent zaostalih gasova kod usisnih etverotaktnih oto motora, pri punom optereenju, kree se u granicama = 0,060,1, a kod usisnih etvorotaktnih dizel motora = 0,030,06. Ovo je logino zbog injenice da je stepen sabijanja daleko vei kod dizel motora nego kod oto motora.17 Kod etvorotaktnih motora koeficijent zaostalih gasova () se moe smanjiti ako se povea ugao prekrivanja ventila, to ima za posljedicu bolje ispiranje motora. Kod dvotaktnih motora ovaj koeficijent se kree u daleko veem rasponu i zavisi od kvaliteta ispiranja. Kod dvotaktnih motora sa ispiranjem kroz motorsku kuicu, zbog nesavrenosti ispiranja, dostie vrijednost do 0,4, dok kod jednosmjernog ispiranja koeficijenta moe dostii vrijednost 0,03 kao kod etvorotaktnih dizel motora. Koritenjem prethodna dva izraza i izraza: Mk =17

pk Vh v R Tk


15

gdje su: pk,Tk - parametri svjee smjee na kraju takta usisavanja v - zapreminski stepen punjenja motora R - univerzalna gasna konstanta (R = 8314 kJ/kmol) moe se odrediti koeficijent zaostalih gasova kao: pr Vc pr Tk R Tr = = pk Vh v Tr pk v ( 1) R Tk Ako se ovdje pored koeficijenta zaostalih gasova () definie i stepen ispiranja (s) kao:

s =

mk mk = m1 mk + mr

Sada se moe uspostaviti zavisnost izmeu s i kao:

s =

1 1+ 3.1.3 Temperatura zagrijavanja svjeeg punjenja (T)

Svjee punjenje, prilikom kretanja u usisnom sistemu i u unutranjosti cilindra, dolazi u dodir sa toplim stjenkama i zagrijava se za veliinu T. Visina zagrijavanja svjeeg punjenja zavisi od brzine kretanja svjeeg punjenja i razlike temperature stjenki i svjeeg punjenja. Zagrijavanje svjee smjee kod oto motora pozitivno utie na isparavanje goriva, ali iznad odreenog nivoa utie negativno na stepen punjenja motora (v).18 Zbog oduzimanja djela toplote od svjeeg punjenja za isparavanje goriva kod oto motora, tj: T = Tk Tis gdje je: Tk -porast temperature svjeeg punjenja uslijed prenosa toplote Tis -pad temperature svjeeg punjenja zbog isparavanja goriva temperatura zagrijavanja svjeeg punjenja je u granicama T = 0 20C (usini motori), dok je kod dizel usisnih motora T = 20 40C. Porast temperature svjeeg punjenja T znatno utie na temperaturu na kraju takta usisavanja (Ta) i moe se odrediti na

18


16

osnovu bilansa toplota svjeeg punjenja, zaostalih gasova i toplote nakon njihovog mijeanja. Jednaina bilansa toplota je: c p M 1 ( Tk + T ) + cp M r Tr = cp ( Mk + Mr ) Ta Uvodei pojednostavljenja: specifina toplota mjeavine (cp' ) se uzima priblino specifinoj toploti svjee radne materije specifina toplota zaostalih produkata sagorijevanja ( c = c p ) moe se p jednostavno, bez velike greke u proraunu usvojiti kao cp'' = cp . Koristei ova pojednostavljenja, kao i potrebne relacije u ovom djelu, iz prethodne jednaine se moe odrediti Ta kao: Ta = Tk + T + Tr 1+ 3.1.4 Stepen (koeficijent) punjenja (v) Ovaj koeficijent karakterie koliinsko punjenje cilindra svjeom radnom materijom. Definie se odnosom koliine svjeeg punjenja (mk), koje se nalazi u cilindru na poetku stvarnog procesa sabijanja, tj. u momentu zatvaranja usisnog ventila, prema koliini svjeeg punjenja (Vh k ), koja bi mogla ispuniti radnu zapreminu cilindra u odnosu na parametre smjee na usisu (pk, Tk). Moe se napisati: mk v = Vh k Ako se sa Vk oznai zapremina, koju bi popunila masa mk gustine k, onda se jednaina moe napisati kao:

v =

Vk Vh

te se zbog toga stepen punjenja ( v) esto naziva volumetrijski stepen punjenja. 19 4. Proces sabijanja (kompresija) Nakon zavrenog procesa izmjene radne materije nastaje proces sabijanja. U procesu sabijanja poveava se pritisak i temperatura radnog fluida. Vrijednosti ovih termodinamikih parametara zavise uglavnom od stepena sabijanja i intenziteta razmjene toplote sa okolinom. Vee vrijednosti stepena sabijanja i termodinamikih parametara na19


17

kraju procesa sabijanja odgovaraju veim stepenima irenja i boljem iskoritenju toplote. U zavisnosti od naina obrazovanja smjee i poetka sagorijevanja, uslovi za izbor stepena sabijanja odnosno vrijednosti parametara na kraju procesa sabijanja su razliite. Kod oto motora, radna materija se sastoji iz smjee isparenog goriva, zraka, tenog goriva i zaostalih sagorjelih gasova. Prilikom sabijanja produava se proces isparavanja goriva i njegovo mijeanje sa zrakom. Vrijednosti temperatura i pritiska na kraju procesa sabijanja ograniene su uslovima, pod kojima dolazi do pojave detonacije. Ukoliko se u komori sagorijevanja nalaze pregrijana mjesta ili nataloena gare moe doi do preuranjenog poetka sagorijevanja smjee. Kod dizel motora proces obrazovanja smjee izvodi se u cilindru motora, kada se klip nalazi u blizini SMT i veim dijelom se obavlja istovremeno sa sagorijevanjem goriva. Proces sabijanja u ovom sluaju mora u momentu ubrizgavanja goriva omoguiti dovoljno visoku temperaturu sabijenog zraka, da bi se odigralo samozapaljenje ubrizganog goriva. Ovaj uslov mora biti ispunjen pri svim moguim eksploatacionim reimima: startovanje, rad na praznom hodu, rad pri malim brojevima obrataja i pri malim optereenjima, rad pri niskim vanjskim temperaturama itd. Kod dizel motora znatan uticaj na rad ima vrtloenje usisnog zraka (radi boljeg ostvarivanja smjee goriva i zraka). Novijim razvojem i primjenom tzv. visokotlanog ubrizgavanja goriva, uloga vrtloenja zraka postaje sve manja kod veih motora. Uslovi odvijanja procesa sabijanja u stvarnom ciklusu su veoma sloeni. U poetnom periodu temperatura smjee (zraka) je nia od temperature povrina koje ograniavaju unutranjost cilindra; zbog toga se u poetku hoda sabijanja temperatura svjeeg fluida poveava kao posljedica prelaza toplote sa zidova.20 U odreenom momentu srednja temperatura svjeeg 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 Stojii, Motori SUS, Mainski fakultet Univerziteta u Sarajevu, Sarajevio, 2001. (str.151.) Ivan Filipovic, Cestovna vozila, Fakultet za saobraaj 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 ( = 1,41 = const) pritisak i temperatura kraja sabijanja bila bi pc i Tc . Srednja vrijednost temperatura povrina preko kojih se odvodi toplota prikazana je na diagramu isprekidanom linijom (Tsr). Kao posljedica postojanja razlika (Tsr T) u prvom periodu sabijanja proces protie po politropi sa promjenljivim eksponentom n1' > . Od take r, gdje je T = Tsr, sabijanje se izvodi po politropi sa promjenljivim pokazateljem n1'' < . Na koliinu razmjene toplote u drugom periodu utie razlika (T Tsr), koja se poveava i istovremeno zbog smanjenja povrine 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 sluaja sa promjenljivim pokazateljem.22 Razmatranje uslova odvijanja procesa sabijanja je karakteristino za sve tipove klipnih motora. Kod oto motora, u procesu sabijanja produava se isparavanje goriva. U poetku sabijanja toplota koja se dovodi od zidova cilindra svjeoj smjei i troi se na isparavanje benzina. Toplotni kapacitet smjee je vei nego kod dizel motora,zbog prisustva para benzina i vee koliine zaostalih gasova.Zbog manjeg stepena sabijanja'22


19

kod oto motora,temperatura i pritisak na kraju procesa sabijanja su nii nego kod dizel motora,to utie na proces razmjene toplote u drugoj fazi procesa sabijanja,kada je n1'' . Mehanika energija, koja se sa strane dovodi i troi pri ostvarivanju sabijanja, troi se na poveanje unutranje energije, to se manifestuje poveanjem temperature svjeeg punjenja. U jednom momentu temperatura svjeeg punjenja i okolnih zidova e se izjednaiti to znai da je tada n1 = . Nakon toga temperatura svjeeg punjenja je vea od temperature zidova te se tada toplota predaje zidovima cilindra, tu je n1 < . Dvostrani karakter predaje toplote (prvo od zidova svjeem punjenju a kasnije od svjeeg punjenja zidovima) i kratkoa vremena u kome se odvija proces sabijanja dovodi do toga da se sa dovoljnom tehnikom tanou moe linija sabijanja tretirati kao politropa konstantnog eksponenta, ija vrijednost lei u granicama n1 = 1,3 1,39. Ove vrijednosti koje su ustanovljene na bazi analize indikatorskih diagrama niza konkretnih motora pokazuju da se u veini sluajeva u ukupnom bilansu odaje izvjesna koliina toplote. Meutim, odana toplota je neznatna pa se proces sabijanja pribliava adijabatskom, naroito kod brzohodih motora. 24 5. Proces sagorijevanja23 24


20

Proces sagorijevanja i proces irenja, koji za njim slijedi, su osnovni procesi radnog ciklusa motora sus, u toku kojih se hemijska energija goriva pretvara u toplotu a ova djelomino u mehaniki rad. U teoretskim ciklusima pretpostavljalo se dovoenje toplote pri: v = const, p = const i kombinovano. Ostvarenje takvih procesa prilikom dovoenja toplote u stvarnom motoru ne samo da je nemogue, nego je i nepoeljno. Dovoenje toplote pri v = const u stvarnom motoru znailo bi da se sagorijevanje goriva obavlja trenutno, tj. beskonano velikom brzinom sagorijevanja. To je sa stanovita stvarnog goriva nemogue, a sa stanovita motora nedopustivo jer bi ovakav nagli porast pritiska bio praen veoma jakim udarima na glavne pokretne i nepokretne dijelove motora. Sagorijevanje pri p = const, je nemogue ostvariti u stvarnom motoru, jer je nemogue oslobaanje toplote regulisati tako, da se pri poveanju zapremine prostora sagorijevanja, pritisak u njemu odrava konstantnim iako bi ovakav nain dovoenja toplote sa stanovita motora bio dopustiv u odnosu na mehanika optereenja motorskih djelova. Stvarni proces sagorijevanja odstupa od teoretskog. Vrijeme dovoenja toplote (sagorijevanja) traje relativno kratko i podeava se tako da mu se glavni dio odvija iza SMT zbog poboljanja ekonominosti, ali ne previe daleko od SMT da ne bi dolo do porasta produkata nepotpunog sagorijevanja, to nije poeljno. Zbog toga je proces sagorijevanja najbolje analizirati u p - diagramu. Sam proces sagorijevanja kod oto motora bitno se razlikuje od sagorijevanja kod dizel motora, stoga je potrebno prouiti 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 vri elektrinom 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 vri sabijanje gotove smjee, ostvarene u karburatoru. 25

25


21

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

Prije dolaska klipa u SMT vri se paljenje elektrinom varnicom (taka 1). Mnogobrojna ispitivanja na motorima pokazala su da se pritisak u cilindru ne poveava u odnosu na pritisak iste kompresije odmah nakon paljenja, ve 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 (ista kompresija) (taka 2). Iako je sagorijevanje smjee zaista poelo u taki 1 jer je to garantovano momentom skakanja varnice, koliina toplote, koja se dobije sagorijevanjem prvih koliina goriva je mala, brzina reakcije sagorijevanja je mala, brzina prostiranja plamena takoer mala. Zbog toga oslobaanja toplota, a uslijed toga i poveana temperatura, nakon sagorijevanja ovog dijela smjee 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 zakanjenja upaljenja (kod dizel motora). U taki 2 poinje intenzivnije sagorijevanje, koje se progresivno frontalno prostire kroz cijeli prostor sagorijevanja, praeno naglim porastom pritiska po liniji sagorijevanja 2 3 (period II). Na ovoj liniji porast pritiska p/ kree se u granicama 2 4 bar/KV. U taki 3 obavljeno je glavno sagorijevanje smjee i poslije toga se vri samo dogorijevanje neobuhvaenih dijelova smjee uz hladne zidove cilindra ili u zonama siromanije smjee (ako smjea nije potpuno homogena). U taki 3 nije dostignuta i maksimalna temperatura ciklusa, ve se to dogaa neto kasnije na liniji irenja u taki 4. Proces dogorijevanja odigrava se u periodu znatnijeg porasta zapremine cilindra, te uslijed toga dolazi do pada pritiska i pored dovoenja toplote i izvjesnog porasta temperature. Pod izvjesnim nepovoljnim uslovima dogorijavanje se moe produiti i dalje u toku ekspanzije pa i u toku izduvavanja (jako siromana smjea). Ugao p, koji definie moment skoka varnice, naziva se ugao predpaljenja. On se odabire tako, da se dobije maksimalana povrina indikatorskog dijagrama za tu optimalnu26


22

vrijednost p, odnosno da se dobije najekonominiji ciklus sa energetskog i ekolokog 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 smjea goriva i zraka manje ili vie homogena (jednakog sastava), kod dizel motora stvaranje smjee se vri u samom cilindru motora i to uz istovremeno sagorijevanje. Pod ovakvim uslovima, kod dizel motora je nemogue postii homogenost smjee. U ovakvoj smjei postoje estice isparenog goriva i zraka (parna faza) i estice tenog goriva (tena faza). Osim toga, ovdje je smjea i neravnomjerno rasporeena po prostoru sagorijevanja. Dok se u jednom dijelu prostora sagorijevanja nalazi prebogata smjea u drugom dijelu je neiskoriteni zrak. Ovo je glavni razlog to dizel motori ne mogu raditi sa malim vikom zraka. Kod njih poinje sagorijevanje sa pojavom dima ve kod = 1, 2 1.3, to znai da se koeficijent vika zraka, kod dizel motora, kree 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 poinje prije SMT. Ugao p, koji definie poetak ubrizgavanja, zove se ugao predubrizgavanja i iznosi najee 10 30 KV. Slino kao kod oto motora i kod dizel motora sagorijevanje ne poinje sa vidnim porastom pritiska, ve mora proi izvjestan period laganog sagorijevanja u toku koga se gorivo priprema za intenziviranje sagorijevanja. Period, koji protekne od momenta ulaska prvih koliina goriva u cilindar (poetak ubrizgavanja), pa do momenta pojave vidnog porasta pritiska u odnosu na liniju bez sagorijevanja, naziva se period pritajenog sagorijevanja (period zakanjenja paljenja ili period indikacije). Na27

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

23

slici 11 to je period I od take 1 do 2. Nakon ovog perioda nastaje period II za vrijeme koga dolazi do naglog porasta pritiska zbog toga, to 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 pree p/ = 4 bar/KV. Ve kod p/ = 6 bar/KV rad motora je jako tvrd. Ovaj II period naziva se period neregulisanog sagorijevanja i protee se od take 2 do take 3. Tei period od take 3 do take 4 naziva se period regulisanog sagorijevanja i karakterisan je poloenijim tokom linije pritiska. Ovo je posljedica toga, to u toku ovog perioda (period III) gorivo dospijeva u cilindar u vrijeme, kada je sadraj cilindra pod znatno viim pritiskom i temperaturom, zbog ega se skrauje 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 ve znatan procent inertnih gasova od prethodno sagorjelog goriva uslijed ega je zrak razrijeen ovim produktima pa je i proces sagorijevanja uslijed toga usporen. Po nekim autorima, tretira se i period dogorijevanja (od take 4 do take 5) tj. od momenta dostizanja maksimalnog pritiska, pa do momenta dostizanja maksimalne temperature gasova. Ovdje je oslobaanje toplote usporeno zbog razblaenosti produktima sagorijevanja. Period dogorijevanja produava se i dalje u toku linije irenja, pod jo nepovoljnijim uslovima i s krajnje nepovoljnim ekonomskim efektom. Temperatura sagorijevanja (Tz) dobiva se iz jednaine energije, koja se ovdje nee objanjavati zbog komplikovanosti. 28 Pritisak (pz) je kod ciklusa sa kombinovanim dovoenjem toplote: pz = pc a kod ciklusa sa dovoenjem toplote pri v = const T pz = pc z ; - 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 () kod motora se kree: motori sa prinudnim paljenjem smjee = 0,85 0,9 motori sa samopaljenjem smjee = 0,7 0,85 gasni motori (prinudno paljenje i samopaljenje) = 0,8 0,85

28


24

6. Proces irenja (ekspanzija) U procesu irenja, koji se esto naziva radni hod, proizvodi se mehaniki rad na raun toplotne energije razvijene prilikom sagorijevanja goriva. U stvarnom ciklusu radni hod poinje u toku sagorijevanja (taka c sl. 12) i zavrava se u procesu izduvavanja, kada dolazi do izlaska sagorjelih gasova. Prilikom prorauna ciklusa za poetak procesa irenja uzima se taka z, a za kraj UMT (taka b bez uticanja prethodnog otvaranja izduvnog ventila). 29

Slika 12. Proces irenja (ekspanzije) kod oto motora

U poetnoj fazi procesa irenja produava se intenzivno sagorijevanje goriva. Temperatura gasa, dobivena indiciranjem dostie najveu vrijednost u procesu irenja, neto iza momenta, kada se dostigne maksimalni pritisak pmax (sl. 13). Ovo dokazuje, da na razmatranom dijelu dijagrama (do Tmax) dolazi do intenzivnog dovoenja toplote. Istovremeno, kao posljedica razlike temperatura izmeu gasa i povrina, preko kojih se odvode toplote T - Tsr i veih brzina kretanja gasa dolazi do intenzivne predaje toplote od gasa na glavu motora, zidove cilindra i elo klipa, na osnovu ega je jasno da je irenje politropski proces sa promjenljivim eksponentom poltrope. U poetku procesa irenja od take c do pmax (sl. 12.), kada je intenzivno sagorijevanje dolazi do intenzivnog dovoenja toplote i znatnog porasta pritiska, a pokazatelj politrope n2 prikazan na slici 13. crtkanom linijom je negativan, sve do take kada se dostie maksimalni pritisak gdje dolazi do vrijednosti n2 = 0. Na dijelu od pmax do Tmax pokazatelj politrope je pozitivan i u taki Tmax dostie vrijednost n2 = 1. Odreivanje pokazatelja politrope u procesu irenja na dijelu do Tmax iz indikatorskog dijagrama praktino je nemogue. U procesu irenja, naroito u poetnoj fazi dolazi do prodora gasova pored klipnih prstenova u korito motora, kao posljedica visokih pritisaka to sniava efektivnost procesa irenja. Zbog tekoa prilikom odreivanja promjenljivih vrijednosti eksponenta politropa n2 prilikom29


25

prorauna parametara na kraju irenja koriste se srednje vrijednosti eksponenta politrope n2.

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

6.1 Parametri procesa irenja (ekspanzije) U toku procesa sagorijevanja na ime osloboene toplote goriva, nastali produkti sagorijevanja kao i zaostali produkti iz prethodnog ciklusa dovedeni su na stanje pz i Tz . Ovo stanje se smatra poetno stanje ekspanzije (irenja). Linija irenja je politropa promjenjivog eksponenta uslijed nejednakog intenziteta izmjene toplote u toku irenja. Kako je nemogue uzeti u obzir sve uticajne veliine eksponenta politrope irenja (n2), to se uzima uslovno da je linija irenja politropa sa stalnom vrijednou eksponenta (n2 = const). Odreuje se na osnovu eksperimenta i kree 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 irenja (taka b), dobiju se koristei jednainu politrope kao: V 1 pb = pz z = pz n2 = pz Vb n2 n2

Za oto motore prethodni izraz se moe napisati kao: pb = pz 1 n2

Na slian nain odreuje se i temperatura na kraju irenja: -za dizel ciklus:30


26

Tb = Tz

1

n2 1

= Tz

n2 1

-za oto ciklus: Tb = Tz 1

n2 1

Na ovaj nain potpuno je zatvoren priblini tok prorauna pokazatelja stvarnog ciklusa motora. Ovakav pristup analizi pokazatelja stvaranog ciklusa je dosta uproten, tako da su i oekivani rezultati priblini. Svaka detaljnija analiza procesa u motoru zahtijeva sloenije jednaine (obine i parcijalne diferencijalne jednaine) za opisivanje pojedinih procesa, kao i sloenije numerike metode za rjeavanje pomenutih jednaina. Danas postoji vei broj razvijenih raunskih programa za simuliranje procesa u motorima, od najjednostavnijih tzv. nulti dimenzionih do trodimenzionalnih modela, kojima se mogu raunati svi interesantni pokazatelji (pritisci, temperature, brzine, promjena mase, itd.).31

31


27

7. ZAKLJUAK Nakon izlaganja ove, veoma bitne, materije, potrebno je izvui zakljuak kako bismo uokvirili ovu cjelinu i stvorili sto bolju predstavu o stvarnim ciklusima motora SUI. Kao to smo ve naveli, postoje etvorotaktni 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 izloenog zakljuujemo da je stepen iskoritenja stvarnog ciklusa manji od stepena iskoritenja idealnog ciklusa i da je raunanje stepena iskoritenja stvarnog ciklusa mnogo sloenije jer zahtijeva analiziranje svakog procesa posebno. Proces izmjene radne materije obuhvata proces odstranjivanja produkata sagorijavanja iz cilindra i proces punjenja cilindra svjeom radnom materijom. Osnovna tenja prilikom odvijanja ovih procesa je da se proces izmjene radnog fluida obavi to kvalitetnije, tj. da masa svjeeg punjenja u cilindru bude to vea, a masa zaostalih produkata sagorijevanja to manja, ali i da se za izmjenu radne materije utroi to manje energije. Nakon zavrenog procesa izmjene radne materije, nastaje proces sabijanja. U procesu sabijanja poveava se pritisak i temperatura radnog fluida. Uslovi odvijanja procesa sabijanja u stvarnom ciklusu su veoma sloeni. Proces irenja, zajedno sa procesom sagorijevanja, su osnovni procesi radnog ciklusa motora SUI, u toku kojih se hemijska energija goriva pretvara u toplotu, a ova djelimino u mehaniki rad. Sam proces sagorijevanja kod oto motora bitno se razlikuje od sagorijevanja kod dizel motora, stoga je bilo potrebno prouiti posebno proces sagorijevanja i tok linije sagorijevanja kod oto i kod dizel motora. U procesu irenja, koji se esto naziva radni hod, proizvodi se mehaniki rad na raun toplotne energije razvijene prilikom sagorijevanja goriva. U ovom seminarskom radu smo takoe definisali glavne parametre koji opisuju svaki proces posebno, kako bi izuavanje i razumijevanje tih procesa bilo to jednostavnije.

28

8. LITERATURA

[1] Ivan Filipovi, Cestovna vozila, Fakultet za saobraaj i komunikacije, Sarajevo,2002. [2] Tode Stoji, Motori SUS, Mainski fakultet Univerziteta u Sarajevu, Sarajevo,2001. [3] Dragutin Krpan, Duan Jeras, Laki motori I , Zagreb, 1976.

29

23647489-stvarni-ciklus-motora-sui[1]

Documents