motori 5. predavanje

1

MOTORI

5. predavanje

2

PRETVORBA ENERGIJE

U

TOPLINSKIM STROJEVIMA

3

Spremnik niske temperature

Spremnik visoke temperature

Pogonski stroj

Qdov

Qodv

W

odvdov QWQ

odvdov QQW

dov

odv

dov

odvdov

dov Q

Q

Q

QQ

Q

W

1

odvdov QQWP

Pretvorba energije u toplinskom stroju

4

GORIVA

5

Oprema za bušenje nafte

Toranj

Rezervne cijevi

Osigurač protiv istjecanja Okretni stol

Motor za pogon okretnog stola

Oplata

Bušeća kolona

Bušeća cijev

Spremnik muljaEl. generator

Svrdlo

6

Iscrpljivanje nafte pumpom iz bušotine

Pojačanje iscrpljivanja nafte injektiranjem pare

u bušotinu

7

Uzorci sirove nafte iz različitih nalazišta

9

Shema rafinerijskog procesa prerade nafte

10

Katalizatori koji se koriste za krekiranje ili reforming proces

Jedinica za krekiranje

Toplina ili katalizator

Teško gorivo

Dizelsko gorivo

Kerozin

Benzin

Postupkom krekiranja se molekule teških derivata nafte cijepaju na manje molekule

ugljikovodika, tj. na lakše derivate. Na taj se način u rafineriji povećava proizvodnja lakših derivata, pogodnih za proizvodnju goriva za

motore s unutarnjim izgaranjem.

11

Vrste ugljikovodika

12

Normalni parafini ili alkani su ravne, nerascijepljene lančane strukture sastavljene iz kostura od ugljika na koji se vežu atomi vodika. Sve slobodne valencije su popunjene pa ih stoga nazivamo i zasićeni ugljikovodici.

Normalni parafini su vrlo skloni samoupaljivanju te su pogodni kao sastojci goriva za dizelske motore.

plin

ovi

teku

ćine

13

Izoparafini su također zasićeni ugljikovodici slični normalnim parafinima. Od njih se razlikuju po tome što lanac nije ravni već se račva u nekoliko ogranaka. Struktura molekule je kompaktnija i otpornost na samoupaljivanje je veća nego kod normalnih parafina, tako da su izoparafini pogodni za primjenu u Ottovim motorima. Prikazan je primjer izooktana s oktanskim brojem 100.

Olefini su nezasićeni parafini s jednom jednostruko ili dvostruko nezasićenom vezom. Ta je veza slabija, tako da su potrebne manje energije za aktiviranje reakcije, te oni izgaraju uz veće oslobađanje topline. Tako npr. Acetilen izgaranjem u kisiku daje najvišu temperaturu plamena, potrebnu za rezanje čeličnih limova.

14

Nafteni su zasićene prstenaste strukture koje se sastoje iz prstena ugljika, na čije se slobodne valencije spajaju atomi vodika.

15

Cikloolefini su nezasićene prstenaste strukture s jednom ili više nezasićenih veza među atomima ugljika.

Među njima su najpoznatiji aromati. Nezasićeni prsteni se često vežu, tako da tvore strukture s više prstena. Među takvim strukturama su i policiklički aromati kao vrlo opasni spojevi, obzirom da neki od njih imaju kancerogena svojstva.

20

Kemijska svojstva goriva

Tekuća goriva rijetko su pojedinačni čisti kemijski sastojci. Čisti kemijski sastojci su npr. alkoholi kao goriva. Tekuća goriva su najčešće smjese više ugljikovodika. Tako se za motorni benzin procjenjuje da je to smjesa više od 200 različitih ugljikovodika, dok se za dizelsko gorivo procjenjuje da je smjesa od najmanje 400 različitih ugljikovodika.

Plinovita goriva su isto tako smjese dva ili više ugljikovodika.

21

Maseni udio pojedinih ugljikovodika u uobičajenom dizelskom gorivu

22

Potrebna svojstva goriva za primjenu u motorima s unutarnjim izgaranjem

Ottovi motori

Stupanj djelovanja Ottovih motora povećava se s povećanjem stupnja kompresije. Viši stupanj kompresije znači i viši tlak i temperaturu na kraju kompresije. Kako se u Ottovom motoru vrši kompresija gorive smjese (smjese para goriva i zraka), s višim stupnjem kompresije povećava se opasnost da će se tijekom kompresije goriva smjesa upaliti sama od sebe. Da do toga nebi došlo suviše rano, potrebno je da goriva za Ottove motore budu čim otpornija na samoupaljivanje. Ta se otpornost izražava oktanskim brojem. Što je gorivo otpornije na samoupaljivanje, to je oktanski broj goriva veći. Goriva koja se koriste u Ottovim motorima moraju imati oktanski broj 90 ili veći.

Dizelski motori

Kod dizelskih motora gorivo se u cilindar ubrizgava tek na kraju kompresije. Ubrizgano gorivo, koje se pri ubrizgavanju raspršuje u vrlo sitne kapljice, mora čim prije ispariti kako bi se stvorila goriva smjesa, koja se treba čim prije upaliti sama od sebe. Zbog toga se kod dizelskih motora traže karakteristike goriva koje su potpuno suprotne onima koje se traže kod Ottovih motora. Sklonost goriva samoupaljivanju izražava se cetanskim brojem. Goriva koja se koriste u dizelskim motorima imaju cetanski broj najmanje 35 kod sporohodnih motora, odnosno najmanje 45 kod brzohodnih motora.

25

Područje podešavanja

Manji stupanj kompresije Veći stupanj kompresije

27

ROB MOB Osjetljivost

28

ROB MOB Osjetljivost

30

Danas su olovni aditivi zabranjeni za korištenje u benzinima namijenjenim za Ottove motore s katalizatorom, kako bi se spriječilo bro "zagađivanje" katalizatora. Umjesto olovnih spojeva danas se koriste organski spojevi koji imaju viši oktanski broj, kao i organski spojevi s alkalnim metalima (K, Mg, ...)

35

Svojstva ugljikovodika vezana za brzinu

aktivacije

Linija miješanja za određivanje

cetanskog brojaLinija miješanja za

određivanje oktanskog broja

43

Kristalizacija parafina u dizelskom gorivu

pri niskim temperaturama

Pri niskim temperaturama dolazi do zamućenja goriva. Ono više nije bistro, već se

čini zamućenim zbog kristalizacija parafina u

gorivu. Kristali parafina se grupiraju i mogu potpuno začepiti filter goriva i time

onemogućiti dotok goriva do motora, nakon čega se motor zaustavlja. Da se to spriječi, često se pribjegava tome da

se filter goriva smješta u blizinu motora, a povrat

goriva iz motora se dovodi pred filtar i tu se miješa s

dolazećim gorivom.

44

Ukoliko rasprskač nije dovoljno hlađen, na izlazu sapnica dolazi do stvaranja truba od koksiranog goriva. Raspršivanje mlaza goriva u sitne kapljice je tada smanjeno. Gorivo zbog manjeg raspršivanja dospijeva na

stjenke prostora izgaranja. Zbog usporenog isparavanja goriva, izgaranje je usporeno. Gorivo koje dospijeva na sloj ulja na košuljici cilindra razrijeđuje ulje za podmazivanje, čime se smanjuje debljina sloja ulja.

45

OGRJEVNA MOĆ GORIVA I GORIVE SMJESE

49

Donja ogrjevna moć goriva za poznati maseni sastav goriva

51

POTREBNA MASA ZRAKA ZA IZGARANJE

Stehiometrijska količina zraka za izgaranje goriva u kg zraka / kg goriva za poznati maseni sastav goriva može se izračunati još točnije po jednadžbi:

Potrebna masa kisika za stehiometrijsko izgaranje 1 kg goriva je:

Ost = 2.66667 c + 8 h + s – o kg kisika / kg goriva

Potrebna masa zraka za stehiometrijsko izgaranje je:

232.0st

st

OL

52

PRETIČAK ZRAKA

Za potpuno izgaranje goriva često puta dovodimo više zraka nego ga je stehiometrijski potrebno za izgaranje. Omjer dovedene mase zraka i stehiometrijski potrebne mase zraka nazivamo pretičak zraka:

stL

L

Pretičak zraka za gorivu smjesu je kod Ottovih motora jednak u cijelome području rada. Kod Ottovih motora s katalizatorom trostrukog djelovanja on mora biti strogo jednak jedinici. Kod dizelskih motora on je promjenljiv i ovisi o opterećenju motora. U motor se usisava otprilike jednaka masa zraka, a goriva se ubrizgava samo koliko je potrebno za razvijanje snage.

Motor: Puno opterećenje Prazni hod

Ottov motor = 0.9 do 1.3 (1.00) = 0.9 do 1.3 (1.00)

Brzohodni DM = 1.3 do 1.7 = 6 do 12

Sporohodni DM = 1.8 do 2 = 6 do 10

53

PRETIČAK ZRAKA I GORIVA SMJESA

Englesko govorno područje vrlo se često koristi s drugačijim parametrom koji opisuje gorivu smjesu. Taj se parametar naziva omjer ekvivalencije “fuel-air equivalence ratio” i označava se sa . Njegova je vrijednost jednaka recipročnoj vrijednosti pretička zraka

1

“Bogatstvo” gorive smjese ovisi o pretičku zraka. Ovisno o pretičku zraka definiramo i naziv gorive smjese.

Pretičak zraka Omjer ekvivalencije Naziv za gorivu smjesu

< 1 > 1 bogata goriva smjesa (manjak zraka, višak goriva)

= 1 = 1 stehiometrijska goriva smjesa

> 1 < 1 siromašna goriva smjesa (višak zraka, manjak goriva)

54

OGRJEVNA MOĆ GORIVE SMJESE

Ako zanemarimo entalpiju koju osjetnom toplinom donosi gorivo i zraka za izgaranje, možemo reći da je sva energija koja se dovodi izgaranjem samo energija koja se oslobađa izgaranjem goriva. Ova se energija dovodi gorivom smjesom goriva i zraka, koje moramo dovesti u prostor izgaranja. Ogrjevna moć takve gorive smjese je donja ogrjevna moć dovedenog goriva podijeljena s ukupnom masom gorive smjese:

st

dizgs L

HH

1

gdje je izg stupanj djelovanja izgaranja, Hd je donja ogrjevna moć goriva, je pretičak zraka i Lst je stehiometrijska masa zraka za izgaranje.

55

STUPANJ DJELOVANJA IZGARANJA izg

Stupanj djelovanja izgaranja izg ima različitu ovisnost o pretičku zraka za Ottove i za dizelske motore.

Kod Ottovih motora goriva smjesa je potpuno pripremljena u trenutku izgaranja, svo gorivo je ispareno i pomiješano sa zrakom u homogenu smjesu. Ako je premalo zraka ili goriva u smjesi, upaljivanje električnom iskrom može izostati i gorivo može izaći neizgoreno iz procesa. Ako se gorivo i upali električnom iskrom, zbog nedostatka zraka ili goriva može doći do usporenih kemijskih reakcija i izgaranje može biti nepotpuno. Potpuno izgaranje se kod Ottovih motora postiže s nešto siromašnijom gorivom smjesom ( = 1.06 do 1.1). Tada je i specifična potrošnja goriva najmanja.

Kod dizelskih motora izgaranje započinje još prije nego se je izvršilo ubrizgavanje ukupne količine goriva. Tijekom izgaranja gorivo će isparavati i miješati se sa zrakom (kisikom). Sastav gorive smjese mijenja se po prostoru izgaranja, tako da ćemo uvijek naći mjesta gdje je lokalni sastav gorive smjese pogodan za izgaranje. Obzirom da se kisik iz zraka troši za izgaranje, da bi omogućili da tijekom kratkog vremena trajanja procesa sve čestice goriva nađu potrebni kisik za izgaranje, za izgaranje se dovodi više zraka od stehiometrijski potrebnog. Minimalni potrebni pretičak zraka ovisi o uvjetima strujanja u prostoru izgaranja i on ovisno o motoru i uvjetima rada iznosi min = 1.3 do 2. Što smo više zraka doveli, to će izgaranje biti potpunije.

56

Temperatura

Samo zrak ili kisik

Samo gorivo

= 0 =

Područje samoupaljivanja za smjesu goriva i kisika

Područje samoupaljivanja za smjesu goriva i zraka

= 1

Područje samoupaljivosti gorive smjese

57

GRANICE PODRUČJA UPALJIVOSTI GORIVA U SMJESI SA ZRAKOM

Metan Etan Propan Butan Pentan Vodik Ugljični monoksid

Vo

lum

ni u

dio

go

riv

a u

sm

jesi

sa

zra

kom

, %-v

ol

58Stupanj djelovanja izgaranja u ovisnosti o pretičku zraka

59

OGRJEVNA MOĆ GORIVE SMJESE Hs

Ogrjevna moć gorive smjese kod motora s unutarnjim izgaranjem jako ovisi o pretičku zraka s kojim se može postići zadovoljavajuće izgaranje. Snaga motora izravno ovisi o unesenoj toplini u proces, tj. o ogrjevnoj moći gorive smjese.

Kod Ottovih motora područje koliko toliko potpunog izgaranja je vezano uz područje stehiometrijske smjese. Katalizator trostrukog djelovanja, koji se koristi za obradu štetnih sastojaka u ispušnim plinovima je djelotvoran samo u području strogo stehiometrijske smjese i uvjetuje korištenje samo takve smjese. Ako imamo slobodu odabira sastava smjese, najveća ogrjevna moć gorive smjese postiže se za blago bogatu gorivu smjesu s pretičkom zraka = 0.9 do 0.95. Tada će snaga motora biti najveća.

Kod dizelskih motora potpuno izgaranje možemo postići tek kod pretička zraka min = 1.3 do 2, ovisno o motoru i opterećenju. Izgaranje s manjom količinom zraka odrazilo bi se u jako povećanoj emisiji čađe u ispušnim plinovima. Zbog višeg potrebnog pretička zraka, smjesa je siromašnija u usporedbi s Ottovim motorom, tako da je i snaga motora, za isti stapajni volumen i brzinu vrtnje, manja kod dizelskog motora. Kako ćemo kasnije vidjeti, primjenom prednabijanja ćemo ovaj nedostatak eliminirati, tako da će snaga dizelskog motora premašiti snagu Ottovog motora za istu geometriju motora i istu brzinu vrtnje.

motori 5. predavanje

Documents