toplinski strojevi i ureĐaji 5. predavanje

Zavod za tehničku termodinamiku i energetiku Katedra za brodsko strojarstvo Tehnički fakultet Rijeka

Toplinski strojevi i uređaji 5. Predavanje Motori Prof. dr. sc. Vladimir Medica 2010. 1

TOPLINSKI STROJEVI I UREĐAJI

5. predavanje



GORIVA



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



Shema rafinerijskog procesa prerade nafte



Vrste ugljikovodika



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.



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.



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



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.



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.



Svojstva ugljikovodika vezana za brzinu

aktivacije

Linija miješanja za određivanje

cetanskog brojaLinija miješanja za

određivanje oktanskog broja



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.



TEŠKA GORIVA

Goriva za sporohodne brodske motore



PROBLEMI S TEŠKIM GORIVIMA

• Visoka viskoznost,

• Sadržaj sumpora i niskotemperaturna korozija,

• Visokotemperaturna korozija zbog sadržaja vanadija,

• Ostaci katalizatora i abrazija.



Dijagram promjene viskoznosti goriva u ovisnosti o temperaturi

Granica viskoznosti za mogućnost pumpanja goriva radi transporta: 1000 mm2/s

Maksimalna viskoznost za ubrizgavanje u 2T dizelske motore: 13 – 17 mm2/s

Maksimalna viskoznost za ubrizgavanje u 4T dizelske motore: 10 – 14 mm2/s



Promjena viskoznosti goriva ovisno o temperaturi i tlaku



SADRŽAJ SUMPORA

Sumpor izgaranjem stvara sumporni dioksid SO2 i sumporni trioksid SO3. Oba plina reagiraju s vodenom parom nastalom izgaranjem vodika. U spoju s molekulama vode stvaraju se:

SO2 + H2O H2SO3 sumporasta kiselina

SO3 + H2O H2SO4 sumporna kiselina

Ukoliko su stjenke hladnije od temperature kondenzacije, doći će do stvaranja kapljica kiseline. U dodiru s površinom metala započeti će korozija.

Da se spriječi korozija, ulju za podmazivanje cilindara dodaju se lužnati (alkalni) aditivi. Ovi aditivi s kiselinama stvaraju neutralne soli. Lužnatost ovih aditiva izražava se TBN brojem (Total Base Number). TBN 1 odgovara 1 mg KOH / litra ulja.



Temperature kondenzacije plinova izgaranja u ovisnosti o sadržaju sumpora i tlaku plinova izgaranja



VISOKOTEMPERATURNA KOROZIJA

Visokotemperaturna korozija pripisuje se djelovanju smjese vanadijevog pentoksida V2O5 i natrijeva sulfata Na2SO4. Vanadijev pentoksid nastaje oksidacijom vanadija pri izgaranju u motoru:

5O2 + 10V 5V2O5

Natrijev sulfat nastaje reakcijom soli iz morske vode sa sumpornom kiselinom:

2NaCl + H2SO4 Na2SO4 + 2HCl

Pri visokim temperaturama oba spoja su u stanju tekućine. Na vrelim površinama dolazi do nakupljanja kapljica koje izuzetno jako korozijski djeluju na površini feritnih materijala, koja djeluje po granicama među kristalnim zrnima i napada materijal po dubini. Najčešće napadnuta mjesta su sjedišta ispušnih ventila, a rijeđe i čelo klipa.

Djelovanju te korozije suprotstavljamo se dovoljno niskom temperaturom dijelova, odnosno hlađenjem dijelova kako njihova temperatura nebi prešla 400 oC.



Oštećenja sjedišta ventila zbog djelovanja visokotemperaturne korozije



OSTACI KATALIZATORA (Catalytic fines)

U procesu krekinga koristi se kao katalizator umiješani prah od sitnih kuglica silicijevog dioksida SiO2 i aluminijeva trioksida Al2O3. Promjer tih kuglica varira od 0.1 mm na manje. Oba materijala su vrlo tvrda.

Najveći dio katalizatora odvoji se u rafineriji nakon procesa krekinga. Dio koji ostaje u teškom gorivu pokušava se očistiti u centrifugalnim separatorima i filtrima, no mali dio dospijeva s gorivom u cilindar. Prilikom izgaranja goriva često dolazi do pucanja tih kuglica, tako da nastaju krhotine oštrih rubova.

Ako je debljina sloja ulja među kliznim površinama mala, tako da dolazi do zaglavljivanja krhotina, doći će do jake abrazije (struganja) i do oštećenja kliznih površina.

Sadržaj ostatka katalizatora u gorivu često se ograničava maksimalnim sadržajem aluminija u gorivu (koji je vezan u aluminijevom trioksidu Al2O3 u katalizatoru).

Abraziju sprječavamo dovoljno niskom temperaturom ulja za podmazivanje. Pri niskim temperaturama viskoznost ulja je veća i debljina sloja ulja na kliznim površinama je veća.



Ostaci katalizatora iz kreking procesa

Povećanje 400x Povećanje 8000x



Kuglica katalizatora s promjerom od 0.04 mm, cijela i puknuta



Utjecaj teškoga goriva i temperature cilindarske košuljice na brzinu habanja klipnih prstena

Brzina habanja

Temperatura

Habanje zbog niskotemperaturne

korozije

Habanje zbog abrazije ostacima katalizatora zbog sve

manje debljine uljnog filma

Oko 180 oC Oko 230 oC

Minimalna debljina

sloja ulja

Najveća čestica katalizatora koja prolazi kroz filter



OGRJEVNA MOĆ GORIVA I GORIVE SMJESE



Donja ogrjevna moć goriva za poznati maseni sastav goriva



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



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



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)



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.



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.



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



Stupanj djelovanja izgaranja u ovisnosti o pretičku zraka



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.



Ogrjevna moć goriva i ogrjevna moć gorive

smjese za različita goriva

Nitrometan

Ugljični monoksid Metan

Metanol EtanolBenzol

Dizel

Zemni plin

Benzin

Acetilen Vodik



IDEALNI I STVARNI PROCES U MOTORIMA S UNUTARNJIM

IZGARANJEM



IDEALNI TERMODINAMIČKI PROCES MOTORA

Da se ne bi krivo shvatilo, idealni termodinamički proces motora nije ono čemu bi trebali težiti. Idealnim ga nazivamo samo zato što smo ga idealizirali, kako bi si olakšali matematički postupak za njegovu obradu. Kako ćemo kasnije vidjeti, on se razlikuje od stvarnoga procesa motora.

Osnovne aproksimacije koje uvodimo za idealni proces motor su:

• Proces motora je zatvoreni termodinamički proces, što pretpostavlja da se masa radnog medija ne mijenja (ni po količini ni po kemijskom sastavu). To je različito od stvarnoga motora u kojemu se vrši izgaranje (promjena kemijskog sastava) i izmjena radnog medija (promjena količine radnog medija pri ispuhu i usisu).

• Izgaranje i izmjena radnoga medija zamjenjuju se dovodom topline izvana i odvodom topline iz procesa.

• Tijekom procesa kompresije i ekspanzije nema izmjene topline s okolišem (stjenkama), tako da je kontrolni volumen izoliran od okoliša. Procesi kompresije i ekspanzije odvijaju se adijabatski.

• Kako se ne mijenja kemijski sastav, eksponent adijabate je jednak za procese kompresije i ekspanzije.



Idealni termodinamički proces

Pretpostavka za adijabatski proces tijekom kompresije i ekspanzije podrazumijeva da nema izmjene topline (ili se ono može zanemariti) između radnog medija i stjenki prostora izgaranja.

Kod realnog procesa dolazi do izmjene topline između radnog medija i stjenki, no udio u ukupnim toplinama procesa nije toliko izražen. Najveći prijenos topline s radnog medija na stjenke imamo tijekom samoga izgaranja i početka ekspanzije, zbog izraženog utjecaja turbulentnih struktura u strujanju radnog medija. Te su strukture pobuđene lokalnim ekspanzijama tijekom izgaranja u motoru.

Predana toplina između stjenke i radnog medija je:

dtTTAdtdt

dQdQ stst

Koeficijent prijelaza topline i površina stjenke nisu jednaki nuli. Kako je vrijeme koje stoji na raspolaganju za izmjenu topline vrlo kratko, možemo reći i da je predana toplina dQ mala, te je najčešće zanemarujemo kod idealnoga procesa.

S druge strane pretpostavljamo da imamo jako dobru izmjenu topline tijekom faze izgaranja. Obzirom da smo pretpostavili da se radni medij kemijski ne mijenja, pretpostavili smo da toplinu, koja se inače razvija izgaranjem, dovodimo izvana prijenosom topline na radni medij.



Idealni termodinamički procesi motora

Ottov proces Sabatheov proces

Seiligerov proces

Trinklerov proces

Dieselov proces

Dovod topline pri V = const

Dovod topline pri V = const i p = const

Dovod topline pri p = const

V V V

p p p

Qdov xQdo

v

(1-x)QdovQdov

Qodv Qodv Qodv

x = 1 x = 0



Qodv

Sabatheov proces

Sabatheov proces udružuje u sebi karakteristike i Ottovog procesa i Dieselovog procesa. On je od sva tri procesa najbliži stvarnom procesu u motoru.

V

p

xQdov

(1-x)Qdov

W

1

4

2

3 3’ T

s

Qodv

W

3’

4

1

2

3

(1-x)Qdov

xQdov



Sabatheov proces

V

p

xQdov

(1-x)Qdov

Qodv

W

1

4

2

3 3’

Početno stanje (točka 1)

Početno stanje određeno je tlakom p1, volumenom V1 i temperaturom T1. Masa radnog medija određena je jednadžbom stanja plina:

1

1

11

1

1

TR

Vp

TR

Vpm s

Dovedena toplina u proces određena je masom gorive smjese m i ogrjevnom moći Hs:

ssdov HTR

VpHmQ

1

1

11

Ako pretpostavimo da je od ukupno dovedene količine topline Qdov samo dio x doveden pri V = const tada možemo opisati:

Ottov proces s x = 1 i

Dieselov proces s x = 0



Sabatheov proces

V

p

xQdov

(1-x)Qdov

Qodv

W

1

4

2

3 3’Kompresija (proces od točke 1 do točke 2)

Tijekom kompresije imamo adijabatsku promjenu stanja:

constpV

2211 VpVp

2

1

1

2

V

V

p

p

1

1

2

1

1

2

2

1

11

22

1

2

V

V

V

V

V

V

Vp

Vp

T

T

constmRT

Vp

1

2

VV



Sabatheov proces

V

p

xQdov

(1-x)Qdov

Qodv

W

1

4

2

3 3’Izgaranje (proces od točke 2 do točke 3’)

Izgaranje ima dva dijela, pri konstantnom volumenu i pri konstantnom tlaku:

tlakapovecanjastupanj2

3

2

3 T

T

p

p

constmRT

Vp

volumenapovecanjastupanj3

'3

3

3

T

T

V

V

23 VV



Sabatheov proces

V

p

xQdov

(1-x)Qdov

Qodv

W

1

4

2

3 3’Ekspanzija (proces od točke 3’ do točke 4)

Tijekom ekspanzije imamo adijabatsku promjenu stanja:

constpV

44'3'3 VpVp

'3

1

2

2

'3'3

4

'3'34 p

V

V

V

Vp

V

Vpp

1

2

2

'3

1

4

p

p

p

p

p

p

constmRT

Vp

1

4

1

4

p

p

T

T

14 VV



V

p

xQdov

(1-x)Qdov

Qodv

W

1

4

2

3 3’

Sabatheov proces

Stupanj djelovanja procesa

Stupanj djelovanja termodinamičkog procesa jednak je omjeru dobivenoga rada i dovedene topline:

dov

odv

dov

odvdov

dovT Q

Q

Q

QQ

Q

W

1

2

3

3

'3

2

3

1

4

2

1

3'323

14

11

1

11

TT

TT

TT

TT

T

T

TTcmTTcm

TTcm

pv

vT

1

1

2 T

T 2

3

T

T 3

'3

T

T 1

4

T

T

11

111

1

T



Idealni termodinamički procesi motora

Ottov proces Sabatheov proces Dieselov proces

11

111

1,

SabatheT

1,

11

OttoT

1

111

1,

DieselT

1 1

V V V

p p p

Qdov xQdo

v

(1-x)QdovQdov

Qodv Qodv Qodv

x = 1 x = 0



Te r

mod

ina m

i čki

st u

panj

dj e

lova

nja

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0

R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 3275 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3

= 1.0

11

111

1,

SabatheT



Te r

mod

ina m

i čki

st u

panj

dj e

lova

nja

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0

R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 2231 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3

= 1.5

11

111

1,

SabatheT



REALNI PROCES MOTORA



Proces 4T motora

Stvarni i idealni proces prikazani su preklopljeni jedan preko drugoga. Najveća odstupanja imamo tijekom izgaranja i izmjene radnoga medija.

U T-s dijagramu prikazan je samo visokotlačni dio procesa jer se tijekom izmjene radnoga medija mijenja masa u cilindru motora.

V

p

+W

1

4

2

3 3’

s

T

W

3’

4

1

2

3

V

p

+W

1

4

2

3 3’

s

T

W

3’

4

1

2

3

-W



Proces 2T motora

Stvarni i idealni proces prikazani su preklopljeni jedan preko drugoga. Najveća odstupanja imamo tijekom izgaranja i izmjene radnoga medija.

U T-s dijagramu prikazan je samo visokotlačni dio procesa jer se tijekom izmjene radnoga medija mijenja masa u cilindru motora.

V

p

+W

1

4

2

3 3’

s

T

W

3’

4

1

2

3

-W



Proces izmjene radnoga medija kod 4T motora

Razlikujemo izmjenu radnoga medija kod motora sa slobodnim usisom i kod motora s prednabijanjem. Rad izmjene radnoga medija je kod motora sa slobodnim usisom negativan, dok kod motora s prednabijanjem može biti i pozitivan.

V

p+W

-W

+W

+W

p

V

p0

pP

pT

Tlak iza puhala

Tlak pred turbinom

Atmosferski tlak



Mjerenje promjene tlaka u cilindru motora (indiciranje)

Mehanički indikator (primjer Maihak)

Uređaj se spaja (8) na indikatorski pipac spojen na cilindar motora. Valjak za papir (42) se preko redukcije povezuje na

križnu glavu. Pomak klipa (9) se prenosi na kazaljku (15), koja na papiru ispisuje p-V dijagram. Mjerilo tlaka ovisi o krutosti

izmjenjive opruge.

Nedostatak ovoga indikatora je u tome što mu je vlastita frekvencija vrlo niska (oko 300 Hz), tako da nije pogodan za

točna mjerenja brzih procesa kod srednjehodnih ili bržih motora. Rijetko se još koristi na sporohodnim motorima.



Kut koljena

Računalo

Indicirani tlak Pojačalo naboja

Podaci o radnim parametrima

GM

T

Sat

Više kanalno mjerno

pojačalo

Brzi A/D konverter s

buffer memorijom

Različiti mjerni signali

Uređaj za elektroničko indiciranje koristi davače tlaka na bazi piezoelektričkog efekta. Ti davači

imaju visoku vlastitu frekvenciju (preko 20 kHz) te omogućuju točno snimanje vrlo brzih

promjena tlaka. Signal iz pojačala se danas vodi u A/D konverter za pretvorbu analognog signala u digitalni podatak radi pohranjivanja u računalu

Mjerenje promjene tlaka u cilindru motora (indiciranje)

Uređaj za indiciranje tlaka u cilindru motora i druga mjerenja pomoću elektroničkog računala



INDICIRANA I EFEKTIVNA SNAGA MOTORA

STUPNJEVI DJELOVANJA



INDICIRANA I EFEKTIVNA SNAGA MOTORA

Snaga (rad u jedinici vremena), koju su plinovi predali klipovima motora, naziva se indicirana snaga.

Snaga, koju motor predaje potrošaču na svojoj spojci, naziva se efektivna snaga.

Indicirana snaga je veća od efektivne snage za snagu mehaničkih gubitaka na putu od klipova do spojke motora.

Indiciranu snagu dobivamo iz podataka indiciranja tlaka u cilindru motora. Efektivnu snagu dobivamo mjerenjem snage na kočnici motora.



dgssdov HmHmQ

Indicirana snaga Pind koju su plinovi predali klipovima

Snaga mehaničkih gubitaka Pmeh za pokrivanje trenja i pogona pomoćne

opreme motora

Efektivna snaga Pef koju motor predaje potrošaču

mehindef PPP



MEHANIČKI GUBICI MOTORA

Mehaničke gubitke motora čine dvije skupine gubitaka:

• Gubici zbog trenja među dijelovima motora (trenja u ležajima motora, na kliznim površinama, aerodinamičko trenje itd.)

• Gubici zbog pogona pomoćne opreme motora (pogon rashladne pumpe, pumpe ulja za podmazivanje, sustava za ubrizgavanje goriva, pogon ventila, pogon električnog generatora, pogon klima jedinice itd.)

Kada je spojka motora otkopčana, efektivna snaga motora je jednaka nuli. Tada motor svojim radom pokriva samo mehaničke gubitke.



Snaga mehaničkih gubitaka

Snaga predana klipovima

Snaga na spojci motora



Toplina dovedena u proces izgaranjem goriva:

Indicirani rad procesa motora:

Rad mehaničkih gubitaka:

Efektivni rad procesa motora:

Snaga toplinskog toka dovedena izgaranjem goriva:

Indicirana snaga motora:

Snaga mehaničkih gubitaka:

Efektivna snaga motora:

dgiind HmW ssizgdprocgizgdov HmHmQ ,

indmmeh WW 1

dgefmehindindmef HmWWWW

dgiind HmP

ssizgdprocgizgdov HmHmQ ,

indmmeh PP 1

dgefmehindindmef HmPPPP



KOČENJE MOTORA



Efektivna snaga motora može se izmjeriti kočenjem. Moment kočenja pomnožen s kutnom brzinom dati će efektivnu snagu motora, tj. Snagu koju motor predaje na svojoj spojci, odn. zamašnjaku.

nFRMPef 2

Na kočnici se moment mjeri tako da se na kraku radiusa R mjeri sila reakcije F. Na slobodnom kraju vratila kočnice mjeri se brzina vrtnje n. Da bi se izračunavanje snage olakšalo, često se koristi takav radius kraka R da se to omogući:

kW60

min2mkN

-1nRFPef

Za R/30 = 1/10 dobivamo da je R = 3, odnosno R = 0.955 m. Formula za izračunavanje snage je tada:

kW10

minkN -1nFPef

n

F Motor

Kočnica

Brzina vrtnje na rotoru kočnice

Sila reakcije na kućištu kočnice

R



Kućište kočnice se izvodi tako da se može zakretati za jedan ograničeni kut na svojim osloncima, kako bi se mogla mjeriti sila reakcije zbog momenta kočenja.

Ako se za kočenje koriste kočnice s trenjem (mehaničkim, hidrauličkim ili s vrtložnim strujama), sva efektivna snaga motora se pretvara u toplinu, koju treba odvesti rashladnom vodom za hlađenje kočnice. Ako koristimo električni generator za kočenje, dobivenu električnu energiju možemo koristiti na neki pogodni način.

Danas se prednost daje električnim kočnicama s asinhronim generatorom koji može raditi u generatorskom i u motornom području. Takva kočnica nam omogućuje da kočimo motor ili da ga guramo (kao što npr. vozilo pri kočenju svojom inercijom ili na nizbrdici gura motor vozila). Primjenom ovakvih kočnica s upravljanjem pomoću računala, moguće je na samoj kočnici ispitati uvjete rada motora pri pogonu vozila (npr. simulacije vožnje Formule 1 na trkaćoj pisti ili teretnog vozila s različitim stupnjevima prijenosa mjenjača)



EFEKTIVNI PODACI MOTORA



EFEKTIVNI PARAMETRI MOTORA

Efektivna snaga motora:

Srednji efektivni tlak:

Efektivni moment motora:

Specifična efektivna potrošnja goriva:

npKn

zVpt

WP efsrsefsr

efef ,1,

2

s

efefsr Vnz

Pp

2,

efsrsefsrsefsref

ef pKz

Vpn

nzVp

PM ,2,, 2

2

ef

ge P

mb

dgefef HmP

defdgef

g

ef

ge HHm

m

P

mb

1

MJ/kg

6.3

J/MJ10MJ/kg

1

kW1

W1000

h1

s3600kg/kWh

6defdef

e HHb



SNAGA MOTORA

Nazivna snaga Pn je proračunska efektivna snaga koju motor može trajno davati. Brzina vrtnje motora koja odgovara nazivnoj snazi naziva se nazivna brzina vrtnje. Vrijeme rada motora na nazivnoj snazi ograničeno je propisima proizvođača.

Maksimalna snaga Pmax je najveća dopustiva efektivna snaga kojom možemo kratkotrajno opteretiti motor (110 - 120% Pn). Trajanje preopterećenja je vremenski ograničeno, obično na 1 sat svakih 12 sati rada motora.

Maksimalna trajna snaga (MCR) je najveća efektivna snaga pri kojoj motor može trajno raditi bez vremenskog ograničenja. Obično ona iznosi 85 - 90% Pn. Brzina vrtnje za tu snagu je nMCR.

Ekonomična snaga Pek je trajna snaga pri kojoj se postiže najmanja specifična potrošnja goriva i iznosi 75 - 80% Pn.

Minimalna snaga Pmin je snaga koju motor može razviti pri minimalnoj, još stabilnoj brzini vrtnje.



PROPISI ZA SNAGU MOTORA

Vozilska snaga motora (DIN 70020) je snaga na spojci motora koji je serijski opremljen sa svom opremom, uključujući usisni i ispušni cjevovod, pri danim uvjetima okoline: p0 = 101.3 kPa, T0 = 293 K (20 oC), relativna vlaga se zanemaruje.

Trajna snaga motora (DIN 6270, snaga A) je maksimalna snaga s kojom motor može trajno raditi uz mogućnost kratkotrajnog preopterećenja za 10% u trajanju 1 sat svakih 12 sati rada. Snaga se mjeri pri zadanim uvjetima okoline: p0 = 98 kPa, T0 = 293 K (20 oC), relativna vlaga = 60%.

Trajna snaga motora (DIN 6271, snaga B, ISO 3046) je maksimalna trajna snaga s kojom motor može raditi bez mogućnosti preopterećenja. Snaga se mjeri pri zadanim uvjetima okoline: p0 = 98 kPa, T0 = 293 K (20 oC), relativna vlaga = 60%, temperatura rashladne vode Trv = 300 K (27 oC).

Maksimalna trajna snaga brodskih motora (MCR) je maksimalna trajna snaga s mogućnosti kratkotrajnog preopterećenja. Mjeri se kod zadanih uvjeta okoline: p0 = 100 kPa, T0 = 318 K (45 oC), relativna vlaga = 60%, temperatura rashladne vode Trv = 305 K (32 oC).



UTJECAJ UVJETA OKOLINE (ISO 3046)

Visinski položaj (tlak zraka). Povećanjem visine, na kojoj se motor koristi, smanjuje se gustoća zraka, a time i snaga motora (za oko 1% svakih 100 m nadmorske visine iznad 500 m)

Temperatura. Povećanjem temperature smanjuje se gustoća zraka, a s njom i snaga motora (za oko 3% svakih 10 oC povećanja temperature)

Vlaga u zraku. Povećanjem relativne vlage smanjuje se sadržaj kisika po masi i raste sadržaj vlage koja će sniziti maksimalnu temperaturu procesa. Kod dizelskih motora se obično zanemaruje utjecaj vlage.

Preračunavanje snage na nove uvjete okoline vrši se prema propisima ISO 3046.



Ottov motor za osobno vozilo

Dizelski motor za teretno vozilo

Univerzalni dijagrami motora s ucrtanim izolinijama jednake specifične potrošnje goriva



33 nKPef



TOPLINSKA BILANSA MOTORA



Energija dovedena gorivom 100%

Mehanička energija

Toplinska energija

Mehanički rad 40%

Pogon ventilatora

2%

Toplina ispušnih plinova 30%

Toplina odvedena rashladnom vodom 24%

Toplina predana zračenjem i konvekcijom na okoliš 4%

Primjer bilanse topline za 4T dizelski motor za teretno vozilo



Zahvaljujemo Vam na pozornosti

toplinski strojevi i ureĐaji 5. predavanje

Documents